CN101029942A - 影像感测器封装用的抗红外线滤光晶片 - Google Patents
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Abstract
本发明是有关一种抗红外线滤光晶片、以及一种含有抗红外线滤光晶片的影像感测模块，其中，本发明的吸收式抗红外线滤光晶片不仅可有效滤除红外线，且大幅改善公知反射式红外线滤光镜片的影像色差、光晕现象、以及色散问题等。此外，本发明抗红外线滤光晶片可直接作为影像感测组件的封装玻璃，既同时取代传统中用以封装的硬质玻璃以及红外线滤光片，且玻璃厚度不仅明显变薄，并具有高度的透光性，亦可承受高温封装的工序环境，而不影响其光学或物理性质。
Description
技术领域
本发明是关于一种抗红外线滤光晶片，尤指一种适用于滤除红外线的光学镜片、以及可滤除红外线的影像感测模块。
背景技术
举凡目前数字的影像感测组件大多经由电气信号转换，所以红外线容易造成影像的色彩偏差。因此，为了符合人类眼睛的视觉满足，红外线滤光片(IR cut filter)已应用于数码相机、计算机视讯系统、数码摄影机、影像手机、以及影像撷取望远镜等数字影像传感器中。如此，即可有效阻隔感测组件对于红外线的感应，以补正影像感测组件色彩的光感度，而达到与人眼视觉色彩的一致性。
然而，现今镀膜方法制成的反射式红外线滤光片仍面临一些应用面的问题，尚待改善，例如：无法承受温度骤升骤降的工序条件，使镀膜易于剥离、折射率不稳定所造成的色散现象、以及斜向色光所产生的影像色差等问题。
此外，未来的产品需求大多朝向轻薄短小的诉求。目前影像传感器的结构大多仍采用一硬质玻璃作为封装玻璃、以及一反射式红外线滤光片作为红外线滤除。由于pyrex硬质玻璃具有一定厚度才可达到所需的折射率，不仅整体封装结构厚，且其硬质玻璃本身硬度大的性质，易导致破裂。再者，镀膜无法承受封装时的高温，亦造成剥离等问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种影像感测器封装用的抗红外线滤光晶片，其可同时取代传统的硬质玻璃与反射式红外线滤光片，且不仅降低生产成本，亦能大幅减少影像传感器的空间结构，使产品可达轻薄化，并符合人类眼睛的视觉需求。
为实现上述目的，本发明提供的抗红外线滤光晶片，包括以下成分：10至30％的P2O5、35至60％的Al2O3、2.0至7.5％的B2O3、0.1至12％的Li2O、0.1至3.5％的SiO2、0.1至2.5％的Ho2O3、1.2至4.8％的CaO、0.0至1.5％的Er2O3、0.0至2.0％的FeO、0.4至2.5％的Fe2O3、0.4至0.8％的CuO、2.7至5.5％的ZnO、0.0至3.5％的TiO2、0.2至3.0％的Na2O、以及0.5至3.5％的Sr2O。其中，上述所提及的％为重量百分比。
本发明抗红外线滤光晶片能调整不同色阶的折射率，而使镜片折射率稳定，并有效避免色散现象，且可达到色彩还原的效果。
另外，本发明的抗红外线滤光晶片为氧化铝Al2O3、磷酸P2O5系、以及若干金属材料烧结而成，由调整其组成百分率以及另加入添加物，例如过渡金属氧化物，可改变滤光镜片的光学、物理性质，以适合不同系统的需要。因此，本发明的滤光材料可视需要地更包含有0.0至0.8％重量百分比的BaO、0.0至0.5％重量百分比的K2O、0.0至5.0％重量百分比的CoO、0.0至3.0％重量百分比的NiO、0.0至3.0％重量百分比的Cr2O3、0.0至0.2％重量百分比的SnO、0.0至2.5％重量百分比的Dy2O3、0.0至2.2％重量百分比的Nd2O3、0.0至0.35％重量百分比的Sb2O3、0.0至0.3％重量百分比的CeO2、或其组合的成分，以制备出不同光学、物理特性的抗红外线滤光晶片。
本发明的抗红外线滤光晶片中P2O5、Al2O3、BaO、B2O3、K2O、Li2O、SiO2、Ho2O3、以及CaO为形成玻璃结构的主体，其个别的含量无限制，只要在上述范围内即可；较佳的组成比例为P2O5、Al2O3、BaO、B2O3、K2O、Li2O、SiO2、Ho2O3、以及CaO的总重量百分比，可占整体总重量比例介于80％至95％的范围。
再者，本发明的抗红外线滤光晶片其P2O5和Al2O3的总重量百分比可占整体总重量比例介于55％至65％，较佳可介于57％至62％，以使材料更加透明化。其中，P2O5和Al2O3的比例无特殊限制，一较佳具体例中，P2O5和Al2O3的比例可为1∶2。
于本发明的抗红外线滤光晶片中，BaO为可使玻璃结构透明的平衡物质，而B2O3、K2O、Li2O、SiO2、Ho2O3、以及CaO为高温结合时可需添加的安定化合物，同时可破坏Al2O3的有色结构，使玻璃结构透明化，所以BaO、B2O3、K2O、Li2O、SiO2、Ho2O3、以及CaO的总重量百分比，较佳可占整体总重量比例的10％至30％。而本发明的抗红外线滤光晶片中的CoO、Er2O3、NiO、FeO、Fe2O3、CuO、Cr2O3、以及ZnO为影响光学特性的组成，其个别的含量无限制，只要在前述范围内即可，较佳的条件为CoO、Er2O3、NiO、FeO、Fe2O3、CuO、Cr2O3、以及ZnO的总重量百分比可占整体总重量比例的5％至15％。若CoO、Er2O3、NiO、FeO、Fe2O3、CuO、Cr2O3、以及ZnO的总重量百分比过大时，整体会产生瓷化现象。如此，一旦瓷化后即无法作为光学材料。其中，Er2O3主要控制紫外线范围的吸收度，Fe2O3与CuO主要控制红外线范围的吸收度，FeO则用以安定Fe2O3与CuO，其余成分则可破坏晶体的基本结构，使Er2O3、FeO、Fe2O3、与CuO插入基本结构中。此外，本发明的抗红外线滤光晶片中，TiO2、SnO、Dy2O3、Nd2O3、Sb2O3、CeO2、及Na2O为影响结晶组成的成分，其个别的含量无限制，只要在前述范围内即可。其中，TiO2、SnO、Dy2O3、Nd2O3、Sb2O3、CeO2、以及Na2O的总重量百分比较佳可占整体总重量比例的1.5％至5.0％范围，以使结晶体于结晶时能维持均匀性及结晶颗粒的结构密度。
另外，本发明的抗红外线滤光晶片可使用于任何滤除红外线的应用领域中，较佳可作为影像感测组件的封装玻璃材料，且同时具有滤除红外线的效果。
本发明亦提供一种影像感测模块，其包含有一光学镜头、一抗红外线滤光晶片、一封装材料、以及一影像感测组件。其中，抗红外线滤光晶片是位于光学镜头与影像感测组件之间，用以滤除来自光学镜头的红外线。而封装材料是位于抗红外线滤光晶片与影像感测组件之间，并置于抗红外线滤光晶片四周的边缘处，以使抗红外线滤光晶片恰巧贴覆于影像感测组件上方。
此外，本发明影像感测模块中所使用的抗红外线滤光晶片，其成分包括有10至30％的P2O5、35至60％的Al2O3、2.0至7.5％的B2O3、0.1至12％的Li2O、0.1至3.5％的SiO2、0.1至2.5％的Ho2O3、1.2至4.8％的CaO、0.0至1.5％的Er2O3、0.0至2.0％的FeO、0.4至2.5％的Fe2O3、0.4至0.8％的CuO、2.7至5.5％的ZnO、0.0至3.5％的TiO2、0.2至3.0％的Na2O、以及0.5至3.5％的Sr2O；且上述的％为重量百分比。因此，本发明的抗红外线滤光晶片能延迟斜向色光的干扰，使影像感应器瞬间撷取时，大多收集正向色光，由此可大幅改善影像色差，并能符合影像视感大角度的需求，且更提升影像的清晰度与真实度。
再者，本发明所使用的影像感测模块可为公知任一种可感测影像的影像感测模块；其中，本发明一具体例所适用的影像感测组件是为一互补式金属氧化感测组件(CMOS)；另一具体例所适用的影像感测模块是为一电荷耦合组件(CCD)。
对于目前影像传感器的技术领域中，本发明吸收式的抗红外线滤光晶片可同时取代传统硬质封装玻璃与反射式滤光片的功能，而作为一滤除红外线、且用以封装影像感应组件的玻璃材料，因此有效地减少封装成本。相较于传统影像传感器的结构，本发明吸收式红外线滤光片厚度较薄，仅0.03mm即可达到所需的折射率范围，而符合新世代产品轻薄短小的设计，且其透光性较高、折射率较为稳定。此外，本发明吸收式红外线滤光片可承受封装工序中温度骤升骤降的变化，以改善公知镀膜式滤光片于高温封装时镀膜剥离等的问题。
附图说明
图1为本发明一较佳实施例的抗红外线滤光晶片的透射光谱图。
图2为本发明一较佳实施例的影像感测模块的示意图。
图3a为本发明一较佳实施例的抗红外线滤光晶片，其对于不同角度的入射光(0°、30°、45°)的透射光谱图。
图3b为公知镀膜工序的反射式红外线滤光镜片对于不同角度的入射光(0°、30°)的透射光谱图。
图4a为本发明一较佳实施例抗红外线滤光晶片的影像图。
图4b为一般传统镀膜的反射式红外线滤光镜片的影像图。
具体实施方式
下列实施例将具体说明上述本发明的内容，请一并参阅图示内容。
实施例1
本实施例的制作过程是将下表1的所有成分完全混合后，置于容量约100ml的坩埚里，以1480℃的温度将该混合物熔解3小时，再以2小时的时间降温至1150℃，然后将熔融晶液取出，并注入已预热好且温度为550℃的模体中。接着，置于退火炉中以480℃退火16～18小时，再自然降温4-5小时至室温。再者，将上述所得的原粗晶胚整平，以便后续的加工作业，然后将晶胚进行加工研磨、精密抛光、及透光成型清洗等程序后，即形成镜片。随之以一般蒸镀或溅镀的方式(本例系使用蒸镀)镀上氧化钛或氧化硅、氧化铌的保护膜，作为抗环境保护层，以防止空气中的氢化物或硫化物附着在镜片表面，而产生表面雾化的现象。最后，将镜片作精密切割处理，即完成本发明的抗红外线滤光晶片。在本例中，抗红外线滤光晶片的厚度为0.3mm，但本发明镜片的厚度并无限制，可视产品需求而有所调整。请参阅图1，图1是为上述实施例1所制得的镜片的透射光谱图。由此图可知，本发明滤光晶片于约380nm至760nm之间的可见光范围，具有很高的透光性，且对于约800nm以上的红外线频谱有一很强的吸收。除此之外，本发明滤光片的透射光谱图几乎近似于可判断经由本发明抗红外线滤光晶片所透出的光线，确实能符合人眼视觉的需求。
表1
| 成份 | P2O5 | Al2O3 | BaO | B2O3 | K2O | Li2O | SiO2 | Ho2O3 | CaO |
| 比例 | 29.37 | 45.60 | 0.13 | 4.21 | 0.03 | 5.25 | 1.13 | 1.24 | 3.35 |
| 成份 | CoO | Er2O3 | NiO | FeO | Fe2O3 | CuO | Cr2O3 | ZnO | Sr2O |
| 比例 | 0.50 | 0.23 | 0.85 | 0.55 | 0.45 | 0.47 | 0.52 | 4.10 | 1.12 |
| 成份 | TiO2 | SnO | Dy2O3 | Nd2O3 | Sb2O3 | CeO2 | Na2O | - | - |
| 比例 | 0.70 | 0.03 | 0.25 | 0.25 | 0.04 | 0.05 | 0.70 | - | - |
实施例2
请参阅图2，图2为本发明一较佳具体实施例的影像感测模块100的示意图，其中，一具有底座50的影像感测模块100还包括有一光学镜头40、一抗红外线滤光晶片10、一封装材料20、以及一影像感测组件30，且光学镜头40内含有若干个光学镜片41、42、43。此外，本例中所使用的抗红外线滤光晶片10是采用实施例一所制备0.30mm厚的抗红外线滤光晶片10，且影像感测组件是为一电荷耦合组件(CCD)。
如图2所示，本发明影像感测模块100中，抗红外线滤光晶片10是介于光学镜头40与影像感测组件30之间。另外，抗红外线滤光晶片10一面的四周是涂覆有一层封装材料20(本例是使用环氧树脂)，且经由一封装工序后，使抗红外线滤光晶片10贴覆于影像感测组件30上，以作为一封装玻璃，而同时具有滤除红外线的功能。
本发明影像感测组件的封装工序可适用于各种公知封装方法，例如：COB(chip on board)、及CSP(chip scale packaging)工序。本例中较佳是适用于COB及CSP两种工序，首先将抗红外线滤光晶片10、封装材料20、影像感测组件30合为一体，送入一260℃高温炉置放20秒后，再置于室温下30秒后；并且再送入一260℃高温炉中20秒，再于室温下回温30秒，如此循环三次至五次，使环氧树酯固化后，即可完成封装工序。虽然本例中已说明本发明的封装工序，但其工序参数可视不同的需求而作调整，因此并不限于此描述内容。
实施例3
请参阅图3，图3为本发明实施例一的抗红外线滤光晶片与一般传统镀膜工序的反射式红外线滤光镜片的光谱比较结果。图3a为不同角度的入射光(0°、30°、45°)对于本发明抗红外线滤光晶片的透射光谱图。图3b为不同角度(0°、30°)的入射光对于传统镀膜工序的反射式红外线滤光镜片的透射光谱图。由图3a所示，本发明抗红外线滤光晶片的正向色光与斜向色光的光谱差异极小，其中，0°正向光与30°斜向色光的透射光谱几乎重迭。而图3b所示，传统镀膜工序的反射式红外线滤光镜片，其0°正向色光与30°斜向色光透射峰的波宽有一明显差异(波形约位移30nm)。因此，可证实本发明抗红外线滤光晶片可有效地控制斜向色光的干扰，以降低斜向色光所产生的影像色差。
实施例4
再请参阅图4a与图4b所示，图4a为本发明实施例一的抗红外线滤光晶片的影像图；图4b为一般传统镀膜的反射式红外线滤光镜片的影像图。本实施例使用的灯源为Horizon_610 Lux，如图所示，在一相同灯源且一相同色彩面板的测试条件下，相较于传统镀膜工序所获得的反射式红外线滤光镜片的影像，本发明吸收式抗红外线滤光晶片的影像，无论是颜色的还原与饱和度、或是影像的清晰度与真实度，皆明显地优于传统镀膜工序的反射式红外线滤光镜片。
材料特性
本发明实施例一抗红外线滤光晶片的化学性质、热稳定性质、密度、及硬度，如下列表2所示。其中，化学性质Dw的量测，是将本发明抗红外线滤光晶片放置于100℃纯水中，并维持60分钟后，而测量镜片的失重；结果显示，在此条件下，本发明抗红外线滤光晶片即失重0.04％。对于Da化学性质的量测，是将镜片放置于100℃且0.01N硝酸溶液下，维持60分钟后，则镜片失重的程度为0.19％。表2中所提及的α(25/65)是表示本例的抗红外线滤光晶片在-25℃至-65℃的温度下，其变形量小于40％。而á(100/300)是表示本例的抗红外线滤光晶片在100℃至300℃的温度下，其变型量小于32％。此外，本实施例硬度的测量，是采用欧盟规范Din-EN 101的试验方法。
表2
| 化学性质 | 热稳定性质 | 密度 | 硬度 | ||||
| Dw | Da | Tg | Ts | α(25/65) | á(100/300) | S | Moh’s |
| 1 | 1 | 435℃ | 480℃ | 60 | 68 | 2.62 | 4～5 |
测试
1.环境测试
将本发明中实施一所制备的抗红外线滤光晶片置于一相对湿度约100％的高湿度环境下，并持续144小时后，该抗红外线滤光晶片的材料特性与红外线滤除的效果并未改变。
将本发明中实施一所制备的抗红外线滤光晶片置于一相对湿度约95％的环境下，使温度由28℃升温至65℃，且达3小时后；再放置于相对湿度约85％的环境下，使温度由65℃降温至28℃，且达21小时。重复上述步骤循环10次，即总累计的测试时间为240小时。结果显示，该抗红外线滤光晶片的材料特性与红外线滤除的效果并未改变。
2.冲击测试
在距离地面2公尺的高度下，将本发明实施例一的抗红外线滤光晶片掷落地面，而并未造成镜片破裂、甚至破碎。即表示本发明的抗红外线滤光晶片具有良好的耐冲击性质。
3.高温测试
测试条件一：将本发明实施例一所制成的抗红外线滤光晶片放置于一摄氏235℃的高温炉中20秒后，取出至室温下放置30秒，最后，再将滤光镜片重新置于高温炉达60秒。
测试条件二：测试方法相同于测试条件一，除了高温炉的温度升至260℃，而取代235℃的高温。
结果显示，本发明的抗红外线滤光晶片并不会受到此高温的影响，而产生任何材料特性的变化，且即使在温度骤升骤降的环境中，亦维持其稳定的光学性质。
上述实施例仅为了方便说明而举例而已，本发明所主张的权利范围自应以申请专利范围所述为准，而非仅限于上述实施例。
Claims (19)
1、一种抗红外线滤光晶片，包括以下成分：
10至30％的P2O5；
35至60％的Al2O3；
2.0至7.5％的B2O3；
0.1至12％的Li2O；
0.1至3.5％的SiO2；
0.1至2.5％的Ho2O3；
1.2至4.8％的CaO；
0.0至1.5％的Er2O3；
0.0至2.0％的FeO；
0.4至2.5％的Fe2O3；
0.4至0.8％的CuO；
2.7至5.5％的ZnO；
0.0至3.5％的TiO2；
0.2至3.0％的Na2O；以及
0.5至3.5％的Sr2O；
其中，上述％为重量百分比。
2、如权利要求1所述的抗红外线滤光晶片，其中还包括0.0至0.8％重量百分比的BaO。
3、如权利要求1所述的抗红外线滤光晶片，其中还包括0.0至0.5％重量百分比的K2O。
4、如权利要求1所述的抗红外线滤光晶片，其中还包含0.0至5.0％重量百分比的CoO。
5、如权利要求1所述的抗红外线滤光晶片，其中还包含0.0至3.0％重量百分比的NiO。
6、如权利要求1所述的抗红外线滤光晶片，其中还包含0.0至3.0％重量百分比的Cr2O3。
7、如权利要求1所述的抗红外线滤光晶片，其中还包含0.0至0.2％重量百分比的SnO。
8、如权利要求1所述的抗红外线滤光晶片，其中还包含0.0至2.5％重量百分比的Dy2O3。
9、如权利要求1所述的抗红外线滤光晶片，其中还包含0.0至2.2％重量百分比的Nd2O3。
10、如权利要求1所述的抗红外线滤光晶片，其中还包含0.0至0.35％重量百分比的Sb2O3。
11、如权利要求1所述的抗红外线滤光晶片，其中还包含0.0至0.3％重量百分比的CeO2。
12、如权利要求1所述的抗红外线滤光晶片，其中P2O5、Al2O3、BaO、B2O3、K2O、Li2O、SiO2、Ho2O3、以及CaO的总重量百分比介于80至95％的范围。
13、如权利要求1所述的抗红外线滤光晶片，其中P2O5以及Al2O3的总重量百分比介于55至65％的范围。
14、如权利要求1所述的抗红外线滤光晶片，其中BaO、B2O3、K2O、Li2O、SiO2、Ho2O3、以及CaO的总重量百分比介于10至30％的范围。
15、如权利要求1所述的抗红外线滤光晶片，其中CoO、Er2O3、NiO、FeO、Fe2O3、CuO、Cr2O3、以及ZnO的总重量百分比介于5至15％的范围。
16、如权利要求1所述的抗红外线滤光晶片，其中TiO2、SnO、Dy2O3、Nd2O3、Sb2O3、CeO2、以及Na2O的总重量百分比介于1.5至5.0％的范围。
17、一种影像感测模块，其包含：
一光学镜头；
一抗红外线滤光晶片；
一封装材料；以及
一影像感测组件；
其中，该抗红外线滤光晶片介于该光学镜头与该影像感测组件之间；该封装材料介于该抗红外线滤光晶片与该影像感测组件之间，并置于该抗红外线滤光晶片的周围，以使该抗红外线滤光晶片贴覆于该影像感测组件；且该抗红外线滤光晶片包含下列成分：
10至30％的P2O5；
35至60％的Al2O3；
2至7.5％的B2O3；
0.1至12％的Li2O；
0.1至3.5％的SiO2；
0.1至2.5％的Ho2O3；
1.2至4.8％的CaO；
0至1.5％的Er2O3；
0至2％的FeO；
0.4至2.5％的Fe2O3；
0.4至0.8％的CuO；
2.7至5.5％的ZnO；
0至3.5％的TiO2；
0.2至3％的Na2O；以及
0.5至3.5％的Sr2O；
其中，上述％为重量百分比。
18、如权利要求17所述的影像感测模块，其中该影像感测组件为一互补式金属氧化感测组件。
19、如权利要求17所述的影像感测模块，其中该影像感测组件为一电荷耦合组件。
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