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CN105765722B - 紧凑光电模块 - Google Patents

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CN105765722B
CN105765722B CN201480063230.0A CN201480063230A CN105765722B CN 105765722 B CN105765722 B CN 105765722B CN 201480063230 A CN201480063230 A CN 201480063230A CN 105765722 B CN105765722 B CN 105765722B
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Heptagon Micro Optics Pte Ltd
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Abstract

本发明描述了紧凑光电模块，在一些实施方案中，所述紧凑光电模块可具有减小的高度，同时具有极少的光学串扰或对杂散光的检测。具有光学通道的光电模块可包括支撑件，所述支撑件上安装有光电装置，所述光电装置布置来发射或检测在一个或多个特定波长下的光。所述模块具有盖件，所述盖件包括在所述光电装置上的光学透射部分。所述光学透射部分被所述盖件的对所述一个或多个波长基本上不透明的区段侧向包围。无源光学元件存在于所述光学透射部分的表面上。间隔物将所述支撑件与所述盖件分离。所述盖件可为相对薄的，使得所述模块的总高度相对较小。

Description

紧凑光电模块
技术领域
本公开涉及光电模块，诸如光学接近度传感器模块、环境光传感器和闪光模块等等。
背景
智能电话以及其他装置有时包括小型化光电模块，诸如光模块、传感器或摄像机。更普遍地，各种光电模块可整合到各种各样的小型电子装置(诸如生物装置、移动机器人、监控摄像机、摄录机、膝上型计算机和平板计算机等等)中。例如，光学接近度传感器可提供在移动电话或其他手持装置中，以便检测物体的定位或位置。同样，环境光传感器可提供来检测移动装置周围的光条件，例如以便调整显示亮度。也可提供光发射模块，诸如闪光模块。然而，在此类装置中，空间常常是宝贵的。因此，期望将光电模块制造成尽可能小且紧凑的。可能在设计诸如光学接近度传感器和环境光传感器的小型光电模块中出现的其他问题涉及通道间的光学串扰以及由模块对杂散光的检测。还会期望不透光的封装避免光发射模块中的漏光。
概述
描述的是紧凑光电模块，在一些实施方案中，所述紧凑光电模块可具有减小的高度，同时具有极少光学串扰或对杂散光的检测。
例如，在一方面，具有光学通道的光电模块包括支撑件，所述支撑件上安装有光电装置，所述光电装置布置来发射或检测在一个或多个特定波长下的光。所述模块具有盖件，所述盖件包括在光电装置上的光学透射部分。所述光学透射部分被所述盖件的对一个或多个波长基本上不透明的区段侧向包围。无源光学元件是存在于所述光学透射部分的表面上。间隔物将所述支撑件与所述盖件分离。
所述盖件可为相对薄的，使得所述模块的总高度相对较小。例如，在一些实施方案中，所述盖件的厚度不大于150μm，并可产生高度不大于750μm的模块。不同尺寸可适用于其他实施方案。
在一些实施方案中，所述盖件的不透明区段例如是由PCB、聚合物或陶瓷层构成，所述层可在至少一侧上具有不透明材料的涂层。在一些情况下，所述涂层是由金属或聚合物构成。所述涂层的厚度在一些情况下可小至20μm，并且在一些情况下不大于1μm。在一些情况下，例如，在所述盖件的不透明区段是由碳纤维增强聚合物构成的情况下，所述涂层可被省去；在一些实施方案中，仍会需要包括所述涂层。
前述特征可被并入单通道模块和多通道模块两者中。另外，还描述了用于促进制造多个模块的的晶片级制造技术。
一或多个实施方案的细节在附图和以下描述中阐述。其他方面、特征和优点将根据说明书和附图并且根据权利要求书而清楚。
附图说明
图1例示根据本发明的光电模块的实例。
图2A-2B、图3A-3C和图4例示用于制作如图1所示模块的晶片级制造工艺中的步骤。
图5例示根据本发明的光电模块的另一实例。
图6A-6D例示用于制作如图5所示模块的晶片级制造工艺中的步骤。
图7例示根据本发明的光电模块的另一实例。
图8A-8D例示用于制作如图7所示的模块的晶片级制造工艺中的步骤。
详述
如图1所示，模块20包括安装在印刷电路板(PCB)或其他支撑基板24上的第一光电装置22A和第二光电装置22B。在所示实例中，第一光电装置22A包括光发射元件，诸如LED、IR LED、OLED、IR激光器或VCSEL。第二光电装置22B包括光检测元件，诸如光电二极管、CCD或其他光传感器，所述光检测元件布置来检测由光发射装置发射的在一个或多个波长(例如，红外波长)下的光。尽管所示模块20具有两个通道，一个通道用于光发射并且一个通道用于光检测，本文中描述的不透光的封装技术还可用于诸如环境光传感器或光发射模块的单通道模块。
装置22A、22B由盖件26保护，所述盖件充当模块的顶部。盖件26的分别与模块的光学发射通道38A和光学检测通道38B对准的透射部分28由对光发射装置22A发射的和可由光检测装置22B检测的光的波长为透明的材料(例如，玻璃、蓝宝石或聚合物)构成。盖件26的透射部分28被嵌入盖件26的区段29、29A内，所述区段对由光发射装置22A发射的和可由光检测装置22B检测的光的特定波长(例如，红外或近红外波长)为基本上不透明的。此外，透射部分28彼此是由不透明区段29A中的一个分离。
在一些实施方案中，盖件26的不透明区段29、29A例如由层30构成，所述层在至少一个侧面上具有薄的不透明材料层(例如，涂层)32。涂层32可例如由金属或聚合物材料构成，所述金属或聚合物材料对由光发射装置22A发射的和可由光检测装置22B检测的光的特定波长为基本上不透明的。用于涂层32的适合金属包括例如铜或铬。在一些实施方案中，金属表面被氧化来获得暗色表面或黑色表面。用于涂层32的适合的聚合物的实例包括不透明光致抗蚀剂，诸如PMMA(聚(甲基丙烯酸甲酯))、酚醛树脂或基于环氧树脂光致抗蚀剂。在图1的实例中，涂层32设置于层30的装置侧上。在其他实施方案中，涂层32可设置于层30的相反侧上。在其他实施方案中，不透明金属或聚合物涂层可提供在层30的两侧上(参见图4，在下文所讨论)。模块的盖件的不透明区段29、29A可有助于减小由光检测装置22B检测的杂散光量以及在通道38A、38B之间的光学串扰的量。
优选地，用于层30自身的材料对由光发射装置22A发射的和可由光检测装置22B检测的光的波长为实质上不透明的。例如，层30可由PCB、聚合物或陶瓷层30构成。适合的PCB材料的实例包括G10和FR4，所述G10和FR4是对玻璃增强环氧树脂层压材料指定的等级名称。在约300-400微米(μm)的厚度下，此类材料可例如对红外(IR)辐射为实质上不透明的。另一方面，在较小厚度下(例如，约150μm或更小量级)，此类材料可允许一些IR光通过。在层30的至少一个侧面上增加薄的不透明涂层32允许盖件的总厚度(t)相对较小，并且仍对由光发射装置22A发射的和可由光检测装置22B检测的光为基本上不透明的。在一些实施方案中，涂层32的厚度是小于20μm。例如，可使用0.5μm-20μm的涂层。在一些实施方案中，金属涂层的厚度在5-15μm范围内。在其他实施方案中，可提供具有在0.5-1.0μm范围内的厚度的极薄薄膜(例如，光致抗蚀剂的薄膜)。使用此种相对薄的涂层32可产生具有在100-150μm范围内的总厚度(t)的盖件26。相对薄的盖件26可产生具有较小总高度的模块20。
在一些实施方案中，盖件26可具有150μm或更小(例如，在100-150μm范围内)的厚度，并且盖件26的不透明部分29、29A由对在特定波长下的光为足够不透明的材料构成，使得无需涂层32。例如，不透明部分29、29A可由碳纤维增强聚合物构成。尽管在一些情况下，仍可能需要对碳纤维增强聚合物层的一或两个侧面提供涂层32，但是在其他情况下，涂层可被省去。
一般来说，盖件26的透射部分28的厚度应具有与不透明区段29、29A大致相同的厚度。在一些实施方案中，诸如透镜或漫射器的光学元件34被设置于盖件26的每一透射部分28的顶侧及底侧中的一个或两个上。如图1所示，第一对透镜34与光学发射通道38A对准，而第二对透镜34与光学检测通道38B对准。光学元件34可例如通过复制技术(例如，如蚀刻、压花或成型)而形成。
盖件26通过间隔物36来与基板24分离。间隔物36优选地由不透明材料构成，所述不透明材料侧向包围光电装置22A、22B并且充当用于模块20的侧壁。此外，间隔物36的部分36A充当内壁，所述内壁将发射通道38A和检测通道38B彼此分离。间隔物中充当内壁的部分36A可直接设置在模块的盖件26的不透明区段29A下方。如上所述，这些特征可有助于减小通道38A、38B之间的光学串扰，并且可有助于减小进入模块的杂散光量。在一些实施方案中，在盖件26上提供挡板，以便更进一步减少杂散光和/或光学串扰。在一些实施方案中，挡板厚度为约100μm或更小。
光电装置22A、22B可例如使用倒装芯片技术或引线结合技术安装至基板24。在一些实施方案中，装置22A、22B的下侧可包括导电触点，所述导电触点将光电装置22A、22B电耦接至PCB基板24的表面上的导电焊盘。PCB基板24又可包括镀覆的导电通孔，所述通孔从导电焊盘垂直地延伸穿过基板24并且被耦接至基板24的外部侧面上的一个或多个焊料球或其他导电触点。基板外部上的导电触点允许模块20例如安装在手持装置(诸如移动电话、平板或其他消费者电子装置)中的印刷电路板上。
前述模块可制作成相对紧凑并具有相对小的占有面积的。另外，总高度可制成相对小的。例如，在一些实施方案中，模块的总高度(H)(即，支撑件24、间隔物36的高度、盖件26的高度和挡板(如果存在)的高度的组合高度；但不包括盖件26的外部侧面上的任何透镜34)可约750μm或更小量级。作为特定实例，基板24的厚度(T)可为约150μm，间隔物36的高度(h)可为约400μm，盖件26的厚度(t)可为约100μm，并且挡板的厚度可为约100μm。不同尺寸可适合于其他实施方案。此类小型、紧凑模块可尤其有利地用于空间宝贵的移动电话和其他装置。
模块(诸如图1所示并在上文所述的模块)可例如以晶片级工艺制造。晶片级工艺允许多个模块20可被同时制造。一般来说，晶片是指基本盘状或板状的物件，其在一个方向(y方向或垂直方向)上的延度相对于其在另外两个方向(x方向和z方向或侧向方向)上的延度而言较小。在一些实施方案中，晶片直径在5cm与40cm之间，并可例如在10cm与31cm之间。晶片可为圆柱形的，直径为例如2、4、6、8或12英寸，一英寸为约2.54cm。在晶片级工艺的一些实施方案中，可在每一侧向方向上提供至少十个模块，并且在一些情况下，在每一侧向方向上提供至少三十个或甚至五十个或更多个模块。
作为制造工艺的部分，多个光电装置22A、22B可安装(例如，通过拾取与放置设备安装)在PCB或其他支撑晶片102上(参见图2A)。在一些实施方案中，装置22的阵列被安装在PCB支撑晶片102上，其中每一光发射装置22A相邻于光检测装置22B来安装。间隔晶片104随后可例如附接至PCB支撑晶片102的装置侧(图2B)。替代地，间隔晶片104可被附接至下文所述的光学晶片116。在一些实施方案中，间隔晶片104由含有碳黑或其他暗色颜料的UV或热固化环氧树脂(或其他聚合物)制成。各种聚合物材料(例如，环氧树脂、丙烯酸酯、聚氨酯或硅树脂材料)可用作用于间隔晶片104的基体材料，其中添加一种或多种颜料或其他粘合剂来减弱间隔晶片在所关注波长(即，由装置22A发射的光的波长)下的光学透射特性。间隔晶片104包括开口，所述开口对应于用于光学发射通道和光学检测通道的位置。间隔晶片104因此侧向地包围装置22A、22B中的每一个，其中间隔晶片的一部分将相邻装置22A、22B彼此分离。在一些实施方案中，替代单独间隔晶片104，可例如在PCB支撑晶片102的装置侧上或在光学晶片116上通过复制或真空注射成型技术来形成间隔物。
除了前述制造步骤之外，制备包括位于光学晶片的透明部分上的无源光学元件(例如，透镜)的光学晶片。图3A-3C例示用于制造此种光学晶片的技术。如图3A所示，不透明材料(例如，金属或聚合物)的薄涂层106被提供在晶片108的例如由PCB、聚合物或陶瓷材料构成的表面上以形成复合基板110。如由图3B所指示，在复合基板110中形成开口，并且用光学透射材料(例如，对由装置22A发射的和可由装置22B检测的光的波长为透明的塑料)填充以形成透射窗口112。接着，无源光学元件(例如，透镜)114形成于每一透射区域112的一个(或两个)表面上(图3C)。透镜114可例如通过复制技术形成于透射区域112上。得到的是光学晶片116，所述光学晶片包括在光学晶片的透射区域112上的无源光学元件114，其中透射区域112由不透明区段侧向包围，所述不透明区段由在PCB、聚合物或陶瓷材料的较厚层108上的不透明材料(例如，金属或聚合物)的薄涂层106构成。在一些实施方案中，无源光学元件可被直接复制到复合基板110中的开口中。
接着，如图4所示，光学晶片116(其可称为覆盖晶片)被附接至间隔晶片104的顶部，使得间隔晶片104夹在光学晶片116与PCB支撑晶片102之间。在一些实施方案中，可提供为单独晶片的挡板晶片也附接在光学晶片116的顶部上。可替代地，挡板特征可例如通过真空注入技术而形成于光学晶片116的顶表面上。晶片可例如由粘合剂保持在一起。得到的是晶片堆叠118，所述晶片堆叠可沿线120分离(例如，通过切割分离)成如图1的模块20的单个模块。
在图1所示模块20中，盖件26包括在层30的装置侧上的薄涂层32。在其他实施方案中，涂层32可设置于层30的相对(即，外)侧上。也如上文所提及的，在一些实施方案中，不透明材料的薄涂层被提供在层30的两侧上。图5例示此种模块20A的实例。
模块20A类似于图1的模块20，不同之处在于盖件26A包括在层30的装置侧上的不透明材料(例如，金属或聚合物)的第一涂层32A以及在层30的外侧上的第二涂层32B。图6A-6D例示作为晶片级工艺的一部分的用于制造多个模块20A的制造步骤。图6A-6C示出用于制造光学晶片116A的步骤并分别类似于图3A-3C，不同之处在于不透明材料(例如，金属或聚合物)的薄涂层106A、106B被提供在晶片108的例如由PCB、聚合物或陶瓷材料构成的两个表面上以形成复合基板110A。涂层106A、106B可由相同或不同的不透明材料构成。透射窗口112和透镜114被提供来形成光学晶片116A(图6C)。随后，如图6D所示，光学晶片116A被附接至间隔晶片104的顶部，使得间隔晶片104夹在光学晶片116A与PCB支撑晶片102之间。所得晶片堆叠随后可分离(例如，通过切割分离)以形成如图5的模块20A的单个模块。
在前述实例中，涂层32、32A、32B中的每个被提供在层30的外表面上。在其他实施方案中，不透明材料(例如，金属或聚合物)的薄涂层32可夹在两个PCB、聚合物或陶瓷层30A、30B之间(参见图7的模块20B)。在一些情况下，两个层30A、30B由相同材料构成，而在其他实施方案中，所述层可由不同材料构成。
图8A-8D例示作为晶片级工艺的一部分的用于制造多个模块20B的制造步骤。图8A-8C示出用于制造光学晶片116B的步骤并分别类似于图3A-3C，不同之处在于不透明材料(例如，金属或聚合物)的薄涂层106夹在两个各自例如由PCB、聚合物或陶瓷材料构成的晶片108A、108B之间以形成复合基板110B。晶片108A、108B可由相同或不同材料构成。透射窗口112和透镜114被提供来形成光学晶片116B(图8C)。随后，如图8D所示，光学晶片116B被附接至间隔晶片104的顶部，以使得间隔晶片104夹在光学晶片116B与PCB支撑晶片102之间。所得晶片堆叠随后可被分离(例如，通过切割分离)以形成如图7的模块20B的单个模块。
如本公开中所使用的，术语“透明的”和不透明的”是针对光电装置中由光发射元件发射的或可由光检测元件检测的光谱中可见光和/或非可见光部分(例如，红外线)中的光的波长来提及的。因此，例如，如果模块的特定特征是不透明的，那么特征对光电装置中由光发射元件发射的或可由光检测元件的光的特定波长为基本上不透明的。然而，特定特征可相对于其他波长为透明或部分透明的。
本文描述用于制作模块的各种模块和制造技术。在一些实施方案中，模块可为基本上不透光的(即，允许极少的杂散光(如果有的话)进入模块并减小在发射通道38A与检测通道38B之间的光学串扰的量。另外，模块可具有极小尺寸(例如，约2.0mm(长度)×2.3mm(宽度)×0.75mm(高度))，包括相对小的总高度。
前述实施方案意图作为实例，并且各种修改将对普通技术人员显而易见。因此，其他实施方案在权利要求书的范围内。

Claims (17)

1.一种具有光学发射或检测通道的光电模块，所述模块包括：
支撑件，所述支撑件上安装有光发射元件或光检测元件；
盖件，所述盖件包括在所述光发射元件或光检测元件上的光学透射部分，其中所述光学透射部分被所述盖件的对由所述光发射元件发射的或可由所述光检测元件检测的光的一个或多个波长不透明的区段侧向包围，并且其中所述盖件的所述不透明区段是由具有不透明材料的涂层的不透明的PCB层、具有不透明材料的涂层的不透明的聚合物层或具有不透明材料的涂层的不透明陶瓷层构成，其中所述盖件具有不大于150μm的厚度；
透镜，所述透镜处于所述光学透射部分的表面上；以及
间隔物，所述间隔物将所述支撑件与所述盖件分离。
2.根据权利要求1所述的光电模块，其特征在于，所述涂层的所述不透明材料是金属或聚合物。
3.根据权利要求1或2中任一项所述的光电模块，其特征在于，所述模块的高度不大于750μm。
4.根据权利要求1所述的光电模块，所述光电模块包括位于所述PCB层、所述聚合物层或所述陶瓷层两侧上的不透明材料涂层。
5.根据权利要求1所述的光电模块，
其中所述光发射元件和所述光检测元件安装在所述支撑件上；
其中所述盖件包括在所述光发射元件上的第一光学透射部分和在所述光检测元件上的第二光学透射部分，其中所述光学透射部分被所述盖件的对由所述光发射元件发射的或可由所述光检测元件检测的光的一个或多个波长不透明的区段侧向包围，并且其中所述盖件的所述不透明区段由具有不透明材料的涂层的PCB层、具有不透明材料的涂层的聚合物层或具有不透明材料的涂层的陶瓷层构成；
所述模块包括处于所述第一光学透射部分的表面上的透镜，以及处于所述第二光学透射部分的表面上的透镜。
6.根据权利要求5所述的光电模块，其特征在于，所述涂层具有不大于20μm的厚度。
7.根据权利要求5-6中任一项所述的光电模块，其特征在于，所述涂层包括金属或聚合物。
8.根据权利要求5-6中任一项所述的光电模块，其特征在于，所述模块具有750μm或更小的高度。
9.根据权利要求5-6中任一项所述的光电模块，其特征在于，所述涂层是由选自由以下各项组成的组中的材料构成：铜、铬、聚(甲基丙烯酸甲酯、酚醛树脂和基于环氧树脂的光致抗蚀剂。
10.一种用于制作多个光电模块的晶片级制造方法，所述方法包括：
提供支撑晶片，所述支撑晶片上安装有多个光电装置，所述光电装置中的每个布置来发射或检测在一个或多个特定波长下的光；
提供光学晶片，所述光学晶片包括光学透射部分，所述光学透射部分被对所述一个或多个波长不透明的区段侧向包围，所述透射部分中的每个包括在所述透射部分的表面上的相应透镜，其中所述不透明区段具有不大于150μm的厚度，其中所述光学晶片的所述不透明区段是由在至少一侧上具有不透明材料的涂层的不透明的PCB层、在至少一侧上具有不透明材料的涂层的聚合物层或在至少一侧上具有不透明材料的涂层的陶瓷层构成；以及
经由间隔物将所述支撑晶片附接至所述光学晶片，以便形成晶片堆叠。
11.根据权利要求10所述的方法，其进一步包括将所述晶片堆叠分离成多个光电模块，所述多个光电模块中的每个包括光发射通道和光检测通道。
12.根据权利要求10或11中任一项所述的方法，其特征在于，所述支撑晶片、所述光学晶片和所述间隔物的组合高度不大于750μm。
13.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述涂层的所述不透明材料是金属或聚合物。
14.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述PCB层、所述聚合物层或所述陶瓷层的两侧包括不透明材料涂层。
15.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述涂层的所述厚度不大于20μm。
16.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述涂层的所述厚度不大于1μm。
17.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述光学晶片的所述不透明区段是由夹在PCB、聚合物或陶瓷材料的第一层与第二层之间的不透明金属或聚合物材料构成。
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