CN103713331A - 接近感测器及其电路布局方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种接近感测器及其电路布局方法。接近感测器包括光感测器及光发射单元。光感测器包括半导体基板及焊垫。半导体基板具有第一电路区域。于第一电路区域内设置有至少一半导体元件。焊垫设置于第一电路区域的上方而与至少一半导体元件之间具有一间隔。焊垫连接半导体基板于第一电路区域以外。光发射单元设置于光感测器的焊垫上。

Description

接近感测器及其电路布局方法
技术领域
本发明与接近感测器(proximity sensor)有关，特别是关于一种能够有效缩减体积并避免噪声交互干扰(cross-talk)的接近感测器及其电路布局方法。
背景技术
顾名思义，所谓的接近感测器(proximity sensor)乃是通过光学方式感测前方是否有物体或障碍物，于实际应用中，接近感测器可供智慧型手机或手持式装置判断使用者是否靠近接听，或者供家务机器人判断前方是否有家具或人员挡在前面。请参照图1A，图1A绘示传统的接近感测器结构的剖面示意图。
如图1A所示，传统的接近感测器1通常包括有光发射单元10、光接收单元12、封装胶体14及基板16。当光发射单元10所发射的光线L通过开孔H1射出后，一旦遇到障碍物时，部分光线将会被障碍物所反射而经由开孔H2传递至光接收单元12上的光感测区域SA。接近感测器即可根据光接收单元12所接收到的反射光R来判定前方是否有障碍物并据以做出反应。
然而，由于光发射单元10通常采用的发光二极体(LED)与光接收单元12通常采用的光感测器的半导体工艺完全不同，前者(LED)采用的是三-五族半导体工艺，后者(光接收单元12)采用的是硅工艺，故传统上难以将两种工艺整合在一起。因此，如图1A所示，在传统的接近感测器1中，乃是将光发射单元10与光接收单元12并排，故呈长条状。
至于图1B则绘示图1A中的光接收单元12通过顶层金属(Top metal layer)TM来连接其所包括的第一电路区域DL中的各个半导体元件12a,12b以完成电路布局，而光发射单元10则需设置于基板16上的光接收单元12以外的区域，故需使用较大的面积。
此外，由于在传统的接近感测器1中，光发射单元10与光接收单元12大致位于同一水平高度，为了避免噪声交互干扰导致误动作的现象产生，即使封装胶体14可采用阻光材料构成，但光发射单元10与光接收单元12之间仍势必要间隔一定的距离d，却也因而导致传统的接近感测器1的体积难以缩小，严重影响其于愈来愈轻薄短小的手持电子装置的应用性。
因此，本发明提出一种接近感测器及其电路布局方法，以解决现有技术所遭遇到的上述种种问题。
发明内容
本发明的一范畴在于提出一种接近感测器。于一较佳具体实施例中，接近感测器包括光发射单元、控制电路及光感测器。光感测器包括半导体基板及焊垫。半导体基板具有第一电路区域。于第一电路区域内设置有至少一半导体元件。焊垫设置于第一电路区域的上方而与至少一半导体元件之间具有间隔。光发射单元设置于焊垫上。光发射单元通过焊垫电性连接控制电路。
于一实施例中，焊垫包括平坦部及至少一支持部。平坦部用以供光发射单元设置于其上。至少一支持部设置于平坦部下方，用以连接半导体基板的第一电路区域以外的区域，并支持平坦部，使平坦部位于第一电路区域的上方且与至少一半导体元件之间具有间隔。
于一实施例中，控制电路设置于光感测器内，控制电路用以控制光感测器与光发射单元的操作。
于一实施例中，控制电路设置于光感测器内，焊垫具有金属层，光发射单元的接脚通过金属层与控制电路电性连接。
于一实施例中，光感测器与光发射单元皆为晶粒。
于一实施例中，接近感测器还包括胶体，用以包覆光感测器与光发射单元。
于一实施例中，光感测器上具有光感测区域，且光感测区域位于第一电路区域以及基板与焊垫相连处以外。
于一实施例中，光发射单元的发光面与光感测器上的光感测区域分别位于不同平面上。
本发明的另一范畴在于提出一种接近感测器的电路布局方法。于一较佳具体实施例中，接近感测器的电路布局方法包括下列步骤：提供半导体基板并于半导体基板的第一电路区域内设置至少一半导体元件；将焊垫设置于第一电路区域的上方，使焊垫与至少一半导体元件之间具有间隔；提供控制电路；将光发射单元设置于焊垫上，使光发射单元通过焊垫电性连接控制电路。
相较于现有技术，本发明的接近感测器及其电路布局方法在电路布局时对光感测器的数字(或模拟)电路区域中的各半导体元件的连线金属层作适当分配，省去最上方的顶层金属(Top metal layer)设置，改将焊垫(bonding pad)设置于光感测器的上方，以使得焊垫与各半导体元件之间具有间隔，并且光发射单元的接脚能够通过焊垫的金属层与设置于光感测器内的控制电路电性连接，故能有效地缩减整个接近感测器的体积。为了提升光发射单元连接于光感测器上的可靠度，亦可增加焊垫的金属层厚度，或者镀上一层聚亚酰胺(Polyimide, PI)来作为保护。
此外，由于光发射单元的发光面与光感测器上的光感测区域分别位于不同平面上，再搭配上设置于光发射单元与光感测区域之间的阻隔部，故可避免光发射单元所发出的光线被散射至光感测器上的光感测区域所产生的交互干扰(cross-talk)现象，使得接近感测器不致于因而误判而产生误动作。
关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及所附图式得到进一步的了解。
附图说明
图1A绘示传统的接近感测器结构的剖面示意图。
图1B绘示图1A中的光接收单元通过顶层金属来连接其所包括的第一电路区域中的各个半导体元件。
图2A绘示根据本发明的一具体实施例的接近感测器的剖面示意图。
图2B绘示图2A中的光发射单元通过焊垫设置于光感测器的上方的详细剖面示意图。
图2C绘示光发射单元(LED晶粒)耦接至光感测器的第一电路区域中所架设的焊垫的上视图。
图3绘示接近感测器还包括有阻隔部的剖面示意图。
图4绘示根据本发明的另一具体实施例的接近感测器的电路布局方法的流程图。
【主要元件符号说明】
S10~S22：流程步骤
1、2、2’：接近感测器
10、20：光发射单元      12：光接收单元
14、24：封装胶体         16、26：基板
L：发射光               H1、H2：开孔
SA：光感测区域         R：反射光
TM：顶层金属           DL：第一电路区域
12a~12d：半导体元件    d：距离
22：光感测器            220：控制电路
222：第一表面(上表面)    BP：焊垫
SUB：半导体基板         AL：第二电路区域
22a~22d：半导体元件     BP1：平坦部
BP2：支持部              ES：发光面
D：阻隔部
具体实施方式
根据本发明的一较佳具体实施例为一种接近感测器。于实际应用中，接近感测器可通过光学方式感测前方是否有物体或障碍物，故可用于智慧型手机或手持式装置以判断使用者是否靠近接听，或者供家务机器人判断前方是否有家具或人员挡在前面等用途。本发明可同时达到缩减接近感测器的体积以及避免光发射单元所发出的光线被散射至光感测器上的光感测区域所产生的交互干扰现象等功效。
请参照图2A，图2A绘示此实施例的接近感测器的剖面示意图。如图2A所示，接近感测器2包括有光发射单元20、光感测器22、封装胶体24、基板26、第一开孔H1及第二开孔H2。光感测器22包括有控制电路220。光感测器22的第一表面(上表面)222具有光感测区域SA。光感测器22设置于基板26上。光发射单元20设置于光感测器22的第一表面222上且位于光感测区域SA以外。光发射单元20可以是发光二极体，用以发出光线L，但不以此为限。
需说明的是，控制电路220用以控制光发射单元20与光感测器22的操作。实际上，控制电路220可以与光感测器22整合在一起，亦可以单独设置于光感测器22以外，并不以此实施例为限。更详细而言，无论光发射单元20、光感测器22与控制电路220是三个不同的晶粒(die)，或是将光感测器22与控制电路220整合于同一个晶粒，控制电路220均能够达到控制光发射单元20与光感测器22的操作的功能。
封装胶体24可采用阻光材料包覆光感测器22与光发射单元20并成型后，再于封装胶体24上形成分别对应于光发射单元20及光感测器22的第一开孔H1及第二开孔H2，以利光发射单元20通过第一开孔H1发出光线L以及光感测器22通过第二开孔H2接收反射光R。
亦请同时参照图2B，图2B绘示图2A中的光发射单元20通过焊垫BP设置于光感测器22的上方的详细剖面示意图。如图2B所示，光感测器22包括半导体基板SUB及焊垫BP。实际上，半导体基板SUB可以是P型或N型的硅基板，但不以此为限。
半导体基板SUB具有第一电路区域DL及第二电路区域AL，在本实施例中，第一电路区域DL例如是数字电路所布置的区域，第二电路区域AL例如是模拟电路所布置的区域，但本发明并不以此为限。于第一电路区域DL内设置有至少一半导体元件22a及22b，并且第一电路区域DL中的半导体元件22a及22b并未如同现有技术一样通过顶层金属彼此连接；于第二电路区域AL内设置有至少一半导体元件22c及22d，并且第二电路区域AL中的半导体元件22c及22d则仍如同现有技术一样通过顶层金属TM彼此连接。
实际上，半导体元件22a~22d可以是金氧半场效电晶体(MOSFET)，但不以此为限。光感测器22的第一电路区域DL可采用特殊的电路布局(layout)方式实现，例如于电路布局领域中常用的自动布局绕线(Auto Place and Route, APR)方式，其中光感测器22在布局设计时，不用最上层的顶层金属TM来布线，使得在自动布局绕线(APR)区域上全部都可保留空间以设置焊垫BP。
如图2B所示，焊垫BP是被设置于第一电路区域DL的上方而使得焊垫BP与第一电路区域DL中的半导体元件22a及22b之间具有间隔。焊垫BP包括平坦部BP1及至少一支持部BP2。平坦部BP1用以供光发射单元20设置于其上。至少一支持部BP2设置于平坦部BP1下方，用以电性连接半导体基板SUB并支持平坦部BP1，使平坦部BP1位于第一电路区域DL的上方且与半导体元件22a及22b之间具有间隔。实际上，至少一支持部BP2与半导体基板SUB电性连接处可位于第一电路区域DL以外，但不以此为限。
也就是说，焊垫BP并不会接触到第一电路区域DL中的半导体元件22a及22b，而焊垫BP与半导体基板SUB连接处可位于第一电路区域DL以外。光发射单元20设置于焊垫BP的平坦部BP1上，并且焊垫BP上具有金属层，致使光发射单元20的接脚能通过焊垫BP的平坦部BP1及支持部BP2电性连接光感测器22中的控制电路220。于实际应用中，为了提升光发射单元20的接脚连接于光感测器22上的可靠度，亦可增加焊垫BP的金属层厚度，或者镀上一层聚亚酰胺(Polyimide, PI)来作为保护。
如此一来，本发明即可解决传统上光发射单元(LED晶粒)20所采用的三-五族半导体工艺与光感测器22所采用的硅工艺难以整合在一起的难题，使得光发射单元20与光感测器22无需如同现有技术一般采用并排方式设置于封装体内，而能将光发射单元(LED晶粒)20整合设置于光感测器22之上，故可大幅缩减整个接近感测器2的体积。如图2C所示，由于光感测器22的第一电路区域DL中不采用传统的顶层金属来布线，而是利用此空间设置焊垫BP，使得光发射单元(LED晶粒)20能通过焊垫BP电性连接光感测器22中的控制电路220。
此外，由图2A及图2B亦可得：光感测器22上的光感测区域SA位于第一电路区域DL以及半导体基板SUB与焊垫BP相连处以外。光发射单元20的发光面ES与光感测器22上的光感测区域SA分别位于不同平面上，使得光发射单元20的发光面ES发出的光线L较不易被折射至光感测器22上的光感测区域SA，故可避免现有技术中由于噪声干扰导致误动作的现象产生。
虽然图2A中的封装胶体24由阻光材料构成，能够减少光发射单元20所发出的光线L被散射至光感测器22上的光感测区域SA所产生的交互干扰现象，但为了强化阻光效果以增进接近感测器的感测准确率，可于接近感测器结构内加入一些辅助单元，例如阻隔部、透镜组或曲线状的开孔结构等。
举例而言，如图3所示，接近感测器2’还包括有阻隔部D。阻隔部D设置于光感测器22的第一表面222，且位于光发射单元20与光感测区域SA之间。于此实施例中，设置此一阻隔部D的功用在于：(1)阻挡光发射单元20所发出的光线L被散射至光感测器22上的光感测区域SA所产生的交互干扰现象；(2)将包覆于光发射单元20上的点胶(未图示)与包覆于光感测区域SA上的点胶(未图示)彼此隔离开来，避免两者相连而导致光感测器22误判。
于实际应用中，阻隔部D可以是晶粒(die)，例如假晶粒(dummy die)，或是由其他阻光材料构成，且其高度及宽度可视实际需求而调整，并无特定的限制。
根据本发明的另一较佳具体实施例为一种接近感测器的电路布局方法。于此实施例中，上述接近感测器的电路布局方法用以进行一接近感测器的电路布局。请参照图4，图4绘示此实施例的接近感测器的电路布局方法的流程图。
如图4所示，于步骤S10中，上述方法提供半导体基板，并于半导体基板的第一电路区域内设置至少一半导体元件。实际上，半导体基板的第一电路区域可以是数字电路区域，而其第二电路区域可以是模拟电路区域，但不以此为限。焊垫包括平坦部及至少一支持部。于步骤S12中，上述方法将至少一支持部设置于平坦部下方，至少一支持部电性连接半导体基板并支持平坦部，其中焊垫与至少一半导体元件之间具有一间隔。实际上，半导体基板与焊垫的至少一支持部相连处可位于第一电路区域以外，但不以此为限。于步骤S14中，上述方法将光发射单元设置于光感测器的焊垫的平坦部上。
于步骤S16中，光发射单元的接脚通过焊垫的金属层与设置于光感测器内的控制电路电性连接。于步骤S18中，上述方法于半导体基板上位于第一电路区域以及半导体基板与焊垫相连处以外设置光感测区域，且光感测区域与光发射单元的发光面分别位于不同平面上。于步骤S20中，上述方法通过胶体包覆光感测器与光发射单元。于步骤S22中，上述方法通过设置于光感测器内的控制电路控制光感测器与光发射单元的操作。
于实际应用中，上述方法可将阻隔部设置于光感测器的第一表面，且位于光发射单元与光感测区域之间。需说明的是，于光发射单元与光感测区域之间设置阻隔部的目的在于：(1)避免光发射单元所发出的光线被散射至光感测器上的光感测区域所产生的交互干扰现象；(2)将包覆于光发射单元上的点胶与包覆于光感测区域上的点胶彼此隔离，避免两者相连而导致光感测器误判。
相较于现有技术，本发明的接近感测器及其电路布局方法在电路布局时对光感测器的数字(或模拟)电路区域中的各半导体元件的连线金属层作适当分配，省去最上方的顶层金属设置，改将焊垫设置于光感测器的上方，以使得焊垫与各半导体元件之间具有间隔，并且光发射单元的接脚能够通过焊垫的金属层与设置于光感测器内的控制电路电性连接，故能有效地缩减整个接近感测器的体积。此外，为了提升光发射单元连接于光感测器上的可靠度，亦可增加焊垫的金属层厚度，或者镀上一层聚亚酰胺来作为保护。
此外，由于光发射单元的发光面与光感测器上的光感测区域分别位于不同平面上，再搭配上设置于光发射单元与光感测区域之间的阻隔部，故可避免光发射单元所发出的光线被散射至光感测器上的光感测区域所产生的交互干扰现象，使得接近感测器不致于因而误判而产生误动作。
通过以上较佳具体实施例的详述，希望能更加清楚描述本发明的特征与精神，而并非以上述所公开的较佳具体实施例来对本发明的范畴加以限制。相反地，其目的是希望能涵盖各种改变及具相等性的安排于本发明所欲申请的专利范围的范畴内。

Claims (14)

1.一种接近感测器，其特征在于，包括：
一光感测器，包括：
一半导体基板，具有一第一电路区域，于上述第一电路区域内设置有至少一半导体元件；以及
一焊垫，设置于上述第一电路区域的上方而与上述至少一半导体元件之间具有一间隔；
一控制电路；以及
一光发射单元，设置于上述焊垫上，上述光发射单元通过上述焊垫电性连接上述控制电路。
2.如权利要求1所述的接近感测器，其特征在于，上述焊垫包括：
一平坦部，用以供上述光发射单元设置于其上；以及
至少一支持部，设置于上述平坦部下方，用以连接上述半导体基板的上述第一电路区域以外的区域，并支持上述平坦部，使上述平坦部位于上述第一电路区域的上方且与上述至少一半导体元件之间具有上述间隔。
3.如权利要求1所述的接近感测器，其特征在于，上述控制电路设置于上述光感测器内，上述控制电路用以控制上述光感测器与上述光发射单元的操作。
4.如权利要求1所述的接近感测器，其特征在于，上述控制电路设置于上述光感测器内，上述焊垫具有一金属层，上述光发射单元的接脚通过上述金属层与上述控制电路电性连接。
5.如权利要求1所述的接近感测器，其特征在于，上述光感测器与上述光发射单元皆为晶粒。
6.如权利要求1所述的接近感测器，其特征在于，还包括：
一胶体，用以包覆上述光感测器与上述光发射单元。
7.如权利要求1所述的接近感测器，其特征在于，上述光感测器上具有一光感测区域，且上述光感测区域位于上述第一电路区域以及上述半导体基板与上述焊垫相连处以外。
8.如权利要求1所述的接近感测器，其特征在于，上述光发射单元的一发光面与上述光感测器上的一光感测区域分别位于不同平面上。
9.一种接近感测器的电路布局方法，其特征在于，包括下列步骤：
(a)提供一半导体基板并于上述半导体基板的一第一电路区域内设置至少一半导体元件；
(b)将一焊垫设置于上述第一电路区域的上方，使上述焊垫与上述至少一半导体元件之间具有一间隔；
(c)提供一控制电路；以及
(d)将一光发射单元设置于上述焊垫上，使上述光发射单元通过上述焊垫电性连接上述控制电路。
10.如权利要求9所述的电路布局方法，其特征在于，上述焊垫包括一平坦部及至少一支持部，步骤(b)还包括下列步骤：
将上述至少一支持部设置于上述平坦部下方，上述至少一支持部连接上述半导体基板的上述第一电路区域以外的区域，并支持上述平坦部；以及
将上述光发射单元设置于上述平坦部上。
11.如权利要求9所述的电路布局方法，其特征在于，进一步包括下列步骤：
通过设置于上述光感测器内的上述控制电路控制上述光感测器与上述光发射单元的操作。
12.如权利要求9所述的电路布局方法，其特征在于，进一步包括下列步骤：
上述光发射单元的接脚通过上述焊垫的一金属层与设置于上述光感测器内的上述控制电路电性连接。
13.如权利要求9所述的电路布局方法，其特征在于，进一步包括下列步骤：
通过一胶体包覆上述光感测器与上述光发射单元。
14.如权利要求9所述的电路布局方法，其特征在于，进一步包括下列步骤：
于上述半导体基板上位于上述第一电路区域以及上述半导体基板与上述焊垫相连处以外设置一光感测区域，且上述光感测区域与上述光发射单元的一发光面分别位于不同平面上。
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