CN104600065A - 封装中的晶圆级透镜 - Google Patents
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Abstract
本发明描述了一种晶圆级光学器件、系统和方法，其包括基板、设置在基板上的电子器件、设置在电子器件上的照明源、设置在基板上的外壳，其中外壳包括至少一个光学表面并且覆盖电子器件和照明源，和设置在基板的远离电子器件的一侧上的至少一个焊球。在实施方式中，一种使用采用了本公开的技术的晶圆级光学器件和透镜集成封装系统的方法，包括：接收基板，将电子器件放置在基板上，将照明源放置在电子器件上以及将外壳放置在基板上，其中外壳覆盖电子器件和照明源，并且外壳和壁结构形成第一隔室和第二隔室。
Description
技术领域
本发明涉及一种封装中的晶圆级透镜。
背景技术
电子器件(例如智能手机、平板电脑、数字媒体播放器等)越来越多地采用光传感器来控制由该器件提供的各种功能的操作。例如，光传感器通常被电子器件用来检测环境照明条件以控制该器件的显示屏幕的亮度。典型的光传感器采用将接收到的光转换成电信号(例如，电流或电压)的光电探测器(诸如光电二极管、光电晶体管等)。
光传感器通常用在基于红外线(IR)的传感器件(诸如手势传感器件)中。手势传感器件使得在用户实际上没有触摸到其中存在有手势传感器件的器件时也能够检测物理运动(例如，“手势”)。检测的运动可以被随后用作用于器件的输入命令。在实施方式中，电子器件被编程以辨识不同的非接触手部运动，诸如从左到右、从右到左、从上到下、从下到上、从内到外、从外到内等。手势传感器件在手持式电子器件(诸如平板计算器件和智能手机)和其他便携式电子器件(诸如膝上型电脑、视频游戏控制台等)中被广泛使用。
发明内容
描述了一种晶圆级光学器件、系统和方法，其包括基板、设置在基板上的电子器件、设置在电子器件上的照明源、设置在基板上的外壳和设置在基板的远离电子器件的一侧上的至少一个焊球，其中所述外壳包括至少一个光学表面并且覆盖电子器件和照明源。在一个实施方式中，透镜集成封装系统包括印刷电路板和晶圆透镜器件。在实施方式中，一种用于使用采用了本发明的技术的晶圆级光学器件和透镜集成的封装系统的方法，所述方法包括：接收基板；将电子器件放置在所述基板上；将照明源放置在所述电子器件上以及将外壳放置在所述基板上，其中所述外壳覆盖所述电子器件和所述照明源，并且所述外壳和壁结构形成第一隔室和第二隔室。
该发明内容被提供以便以简单的形式引入在下面的具体实施方式中被进一步描述的概念的选择。该发明内容并不旨在确定要求保护的主题的关键特征或基本特征，也不旨在被用来帮助确定要求保护的主题的范围。
附图说明
参考附图进行详细说明的描述。在说明书和附图中的不同示例中的相同附图标记的使用可以表示相似或相同的部件。
图1A是示出根据本发明的示例实施方式包括设置在电子器件(诸如传感器)上的照明源的晶圆级光学器件的图解横截面视图。
图1B是示出根据本发明的示例实施方式包括设置在电子器件(诸如传感器)上的照明源的晶圆级光学器件的图解横截面视图。在这种情况下能够包括具有一个或两个表面的透镜。
图1C是示出根据本发明的示例实施方式包括设置在电子器件(诸如传感器)上的照明源的晶圆级光学器件的图解俯视平面图。
图2是示出用于制造晶圆级光学器件(诸如图1A至图1C中示出的晶圆级光学器件)的示例方法的流程图。
图3A是示出根据图2中示出的方法制造晶圆级光学器件(诸如图1A和1B中示出的器件)的图解局部横截面侧视图。
图3B是示出根据图2中示出的方法制造晶圆级光学器件(诸如图1A和1B中示出的器件)的图解局部横截面侧视图。
图3C是示出根据图2中示出的方法制造晶圆级光学器件(诸如图1A和1B中示出的器件)的图解局部横截面侧视图。
图3D是示出根据图2中示出的方法制造晶圆级光学器件(诸如图1A和1B中示出的器件)的图解局部横截面侧视图。
具体实施方式
综述
手势、光学、生物学或者接近传感器件通常包括光传感器件以允许检测接近传感器件的光和/或物理运动。这些光传感器件被构造以检测从照明源产生的并且从接近传感器的物体(诸如，手指或手)反射的光(诸如，电磁辐射)。有时光传感器件包括传感器和其他部件(例如，光源)。由于部件被增加到光传感器，空间、传感器占地面积的大小、可靠性以及光学质量是一个问题。
因此，描述了一种晶圆级光学器件、系统和方法，所述晶圆级光学器件包括：基板；设置在基板上的电子器件；设置在电子器件上的照明源；设置在基板上的外壳，其中所述外壳包括至少一个光学表面和一个或多个透镜(例如，在照明源和电子器件之上)，并且所述外壳覆盖电子器件和照明源；以及设置在基板的远离电子器件的一侧上的至少一个焊球(或用来电连接到所述器件的其他器件)。在一个实施方式中，透镜集成封装系统包括印刷电路板和晶圆级透镜器件。在实施方式中，一种用于使用采用了本发明的技术的晶圆级光学器件和透镜集成的封装系统的方法，所述方法包括：接收基板；将电子器件放置在所述基板上；将照明源放置在所述电子器件上以及将外壳放置在所述基板上，其中所述外壳覆盖所述电子器件和所述照明源，并且所述外壳和壁结构形成第一隔室和第二隔室。晶圆级光学器件不限于手势传感器，而且还能够用于医学的或其他基于波长的传感器(例如，光学传感器、红外传感器、生物传感器(诸如心率和脉搏血氧饱和度仪))。
示例实施方式
图1A至1C示出根据本发明的示例实施方式的晶圆级光学器件100。如图1A至1C中所示，晶圆级光学器件100包括基板102。在一些实施方式中，基板102可以包括具有布线的印刷电路板。印刷电路板可以包括使用从层压到不导电基板上的铜板蚀刻出的导电轨迹、垫和其他特征机械地支撑和电气地连接电子元件的板。在一个实施例中，基板102可以包括具有布线的印刷电路板，所述布线被构造以提供用于电子器件104的电连接。在其他实施方式中，基板102可以包括陶瓷材料(例如，陶瓷、转换成陶瓷的玻璃、具有用于机械支撑和/或电互连的金属的陶瓷等)。在另外的其他实施方式中，基板102可以包括晶圆，诸如半导体晶圆和/或载体晶圆和/或集成电路芯片。额外地，基板102可以包括形成在其中的电互连(例如，集成电路、再分布层、通孔、接触垫等)。
在一些实施方式中，至少一个焊盘112可以形成在基板102上。焊盘112可以被提供以在基板102和形成在印刷电路板(例如，在透镜集成封装系统中)或另一半导体/电气器件的表面上的相应触点之间提供机械和/或电互连。在一个或更多实施方式中，焊盘112可以由无铅焊料(诸如锡-银-铜(Sn-Ag-Cu)合金焊料(即，SAC)、锡-银(Sn-Ag)合金焊料、锡-铜(Sn-Cu)合金焊料等)制成。在一些实施方式中，锡-铅(PbSn)焊料可被使用。在其他实施方式中，其他器件可被用来将晶圆级光学器件100附接和/或固定到另一器件。例如，粘合剂可被使用而代替或附加到至少一个焊盘112。
如图1A至1C所示，晶圆级光学器件100包括设置在基板102上的电子器件104。在实施方式中，电子器件104可以包括半导体器件(诸如集成电路芯片)。在一个实施例中，半导体器件可包括传感器(例如，形成在半导体器件一侧的光学有源元件)。在这些实施例中，一个示例传感器可以包括被构造以检测在有限频谱的波长(例如，红外光、可见光等)内发生的电磁辐射的光传感器器件(例如，光电探测器)。该(这些)用作电子器件104的传感器可以被构造用于不同应用(例如，诸如手势传感器、生物传感器和/或其他光学传感器)。额外地，电子器件104可以包括这样的器件，其中电子器件104的一侧的一部分包括光学有源部118(例如，传感器部)，并且电子器件104的所述一侧的另一部分包括非光学有源部。电子器件104可通过各种方式被固定到基板102。在一个实施例中，电子器件104可以使用引线接合固定和电连接到基板102，引线接合包括使用引线将电子器件104连接到基板102。在另一实施例中，电子器件104可以使用接触垫、再分布层和/或焊球112的阵列连接到基板。可以设想的是其他方法可以被用来将电子器件104固定到基板102，诸如使用粘合剂。在一些实施例中，电子器件104可以包括被构造以执行数字处理的处理器。
如图1A至1C中所示，晶圆级光学器件100包括设置在电子器件104上的照明源106。在实施方式中，照明源106被放置在电子器件104的非光学有源部上。照明源106可使用不同方法(诸如使用引线接合或焊盘)在电子器件104的一位置上固定到电子器件104，所述位置包括被构造以将照明源106电连接到电子器件104的电路。在一个实施方式中，照明源106使用隆起和回流方法放置在电子器件104上，在所述方法中，设置在照明源106一侧上的一排焊盘阵列被用来将照明源106固定和连接到电子器件104。在另一实施例中，照明源106使用粘合剂和引线接合被固定到电子器件104。将照明源106放置在电子器件104的表面上可用以减小晶圆级光学器件100的尺寸和占地面积。
照明源106可以包括不同器件。在实施方式中，照明源106可包括发光二极管、垂直腔面发射激光器(VCSEL)、传感器和/或另一激光二极管。在一个实施例中，照明源106包括垂直腔面发射激光器，其包括具有垂直于VCSEL顶面的激光束发射的半导体激光二极管。照明源106的其他示例可以包括在可见光和/或非可见光范围内的光源。
如图1A至1C中所示，晶圆级光学器件100包括放置在基板102上并覆盖电子器件104和照明源106的外壳108。在实施方式中，外壳108可以包括覆盖但不接触电子器件104和/或照明源106的结构。例如，如图1A至图1C所示，外壳108可以包括形成为外壳并覆盖电子器件104和照明源106的基本上阻光的环氧材料。在一个实施例中，外壳108可以包括布置在至少一个表面上的防反射层。
额外地，外壳108可以包括至少一个透镜110。在一些实施方式中和如图1B中所示，该(这些)透镜110可以被放置在外壳108上和/或作为外壳108的一部分。透镜110可以被放置以使得实现与电子器件104的光学有源部118对齐(例如，通过使用至少一个对齐目标)。在一个实施例中，被构造以放置在外壳108中的透镜110与电子器件104的光学有源部118对齐。在这个实施例中，第二透镜110可以被构造以与照明源106对齐，其中两个透镜都被设置在外壳108中。透镜110可包括可以透射和/或折射光的器件(诸如球透镜、菲涅耳透镜和/或其他衍射光学元件透镜)。此外，透镜110可被设置在外壳108上或作为外壳108的一部分(例如，嵌入外壳108的材料中和/或由外壳108的材料形成)。在实施例中，透镜110包括形成二表面透镜110的上表面和/或下表面。在一些实施方式中，取决于电子器件104(例如，传感器)和/或照明源(例如，LED、VCSEL等)的数目，外壳108可以包括两个或更多透镜。额外地，该(这些)透镜110作为外壳108的一部分可以被放置在不同的位置(例如，透镜110可以接近照明源106附近的表面、透镜110可以远离照明源106等)。在一个具体实施例中，晶圆级光学器件100包括两个形成为外壳108的一部分的聚合物透镜，其中一个透镜110在设置在印刷电路板基板102上的电子器件104的传感器部之上对齐，并且第二透镜110在设置在电子器件104上的垂直腔面发射激光器照明源106之上对齐。在另一实施例中，外壳108可以包括两个透镜110，其中两个透镜110被构造以堆叠在单个照明源106和/或传感器的有源部(例如，电子器件104的有源部)之上。在另一实施例中和如图1A中所示，外壳108不包括任何透镜110。
在附加实施例中，外壳108可以包括硅窗或过滤器。在这个实施例中，该硅窗或过滤器能够选择性地允许一定波长的光通过。在一个实例中，硅窗或过滤器可以允许在1μm和10μm之间波长的光通过。采用硅窗或过滤器例如能够允许在晶圆级光学器件100中利用热电堆器件。
额外地，晶圆级光学器件100包括壁结构114。壁结构114能够被设置在第一隔室116与第二隔室120之间，其中第一隔室116和第二隔室120彼此光学隔离。在实施方式中，第一隔室116和第二隔室120由外壳108、电子器件104、照明源106以及基板102的一部分限定。第一隔室116和/或第二隔室120可以由空气、氦气和/或惰性气体填充。在一个实施例中，壁结构被形成为外壳108的一部分(例如，由引线框的至少一部分形成)并且当外壳108被放置在基板102上并且在电子器件104和照明源106之上时，壁结构被放置以形成第一隔室116和第二隔室120。在另一实施例中，壁结构114可以在放置外壳108之前被(例如，使用沉积工艺)形成在电子器件104上。壁结构114可以用来部分地限定第一隔室116和第二隔室120，并且可以用来光学地隔离和防止照明源106与电子器件104的光学有源部118之间的“串扰”(例如，在透明外壳内的光通信)。此外，阻光材料122可被设置在壁结构114与电子器件104之间用于在第一隔室116和第二隔室120之间阻光。在一些实施方式中，阻光材料114可以包括不透明胶等。
在一个实施例中，壁结构114包括被构造以防止光在外壳108与电子器件104和照明源106之间的空间内从照明源106传到电子器件104的环氧材料(例如，基本不透明的环氧树脂)。在另一实施例中，壁结构114包括金属引线框。在另一实施例中，壁结构114可以包括形成在玻璃晶圆中的金属杆或壁，其中玻璃的至少一部分被移除以露出金属杆或壁。在其他实施例中，壁结构114可以包括转化成陶瓷的玻璃、印刷电路板、半透明或不透明的玻璃、和/或金属。
示例方法
图2示出了采用透镜集成封装和系统的示例方法200。方法200采用晶圆级光学器件100，诸如图1A至1C中示出的晶圆级光学器件100。
在示出的方法200中，基板被接收(方框202)。在实施方式中，接收基板302可以包括接收预制的基板302。接收基板302可以包括接收印刷电路板、陶瓷基板302和/或接收载体晶圆基板302。
电子器件被放置在基板上(方框204)。在实施方式中，放置电子器件304可以包括将集成电路芯片或传感器放置在基板302上。电子器件可以使用拾放(贴片)方法放置。拾放(贴片)技术可以包括使用自动化机器将表面安装器件(例如，电子器件304)放置到基板302(例如，印刷电路板)上。
然后，照明源被放置在电子器件上(方框206)。在实施方式中，放置照明源106可以包括将发光二极管和/或垂直腔面发射激光器放置在电子器件304上。将照明源306放置在电子器件304上可以包括使用拾放方法。在一个实施例中，拾放技术可以包括使用自动化机器将照明源306(例如，LED和/或其他光源)放置在电子器件304(例如，集成电路和/或传感器器件)上。
外壳被放置在基板上，其中外壳覆盖电子器件和照明器件(方框208)。在实施方式中，将外壳308放置在基板302上可以包括放置外壳308以使得所述外壳覆盖电子器件304和照明源306。额外地，将外壳308放置在基板302上可以包括放置和/或形成壁结构314。放置和/或形成壁结构314可以限定第一隔室316和第二隔室320。额外地，将外壳308放置在基板302上可以包括放置具有形成在其中的透镜310的外壳308、在外壳308的本体内形成透镜310和/或在外壳308上放置透镜310。在一个实施例中，外壳308可以至少部分地使用引线框形成，其中引线框的朝向引线框中间布置的一部分可被部分地形成和构成壁结构314。
晶圆级光学器件100和系统被制造后，晶圆级光学器件100可进一步与印刷电路板组合以形成透镜集成封装系统，该系统可以在其他系统(诸如，移动电话和/或计算系统)中使用。
结论
尽管已经具体到结构和/或方法操作以语言描述了主题，需要理解的是，在附加的权利要求中限定的主题不必局限于上述具体特征或动作。相反，上述具体特征和动作被公开为实施权利要求的示例形式。
Claims (20)
1.一种晶圆级光学器件，其包括：
基板；
设置在所述基板上的电子器件；
设置在所述电子器件上的照明源；
设置在所述基板上的外壳，所述外壳包括至少一个光学表面，其中所述外壳覆盖所述电子器件和所述照明源；和
设置在所述基板的远离所述电子器件的一侧上的至少一个焊球。
2.如权利要求1所述的晶圆级光学器件，其中所述基板包括具有布线的印刷电路板。
3.如权利要求1所述的晶圆级光学器件，其中所述电子器件包括集成电路芯片。
4.如权利要求1所述的晶圆级光学器件，其中所述电子器件包括传感器。
5.如权利要求4所述的晶圆级光学器件，其中所述电子器件包括多个传感器。
6.如权利要求1所述的晶圆级光学器件，其中所述电子器件包括数字处理器。
7.如权利要求1所述的晶圆级光学器件，其中所述照明源包括发光二极管。
8.如权利要求1所述的晶圆级光学器件，其中所述照明源包括垂直腔面发射激光器。
9.如权利要求1所述的晶圆级光学器件，其中所述照明源包括设置在所述电子器件上的传感器。
10.如权利要求1所述的晶圆级光学器件，其中所述外壳包括至少一个透镜。
11.如权利要求10所述的晶圆级光学器件，其中所述至少一个透镜包括至少一个对齐目标。
12.如权利要求1所述的晶圆级光学器件，其中所述外壳包括硅窗或过滤器中的至少一个，其中所述硅窗或过滤器中的所述至少一个允许在1μm和10μm之间波长的光通过。
13.一种透镜集成封装系统，其包括：
印刷电路板；和
设置在所述印刷电路板上的晶圆级光学器件，所述晶圆级光学器件包括：
基板；
设置在所述基板上的电子器件；
设置在所述电子器件上的照明源；
设置在所述基板上的外壳，所述外壳包括至少两个透镜和至少一个光学表面，其中所述外壳覆盖所述电子器件和所述照明源；和
设置在所述基板的远离所述电子器件的一侧上的至少一个焊球。
14.如权利要求13所述的透镜集成封装系统，其中所述电子器件包括传感器。
15.如权利要求13所述的透镜集成封装系统，其中所述照明源包括发光二极管。
16.如权利要求13所述的透镜集成封装系统，其中所述照明源包括垂直腔面发射激光器。
17.一种方法，其包括：
接收基板；
将电子器件放置在所述基板上；
将照明源放置在所述电子器件上；以及
将外壳放置在所述基板上，其中所述外壳覆盖所述电子器件和所述照明源，并且所述外壳和壁结构形成第一隔室和第二隔室。
18.如权利要求17所述的方法，其中所述第一隔室容置所述电子器件的传感器部，并且所述第二隔室容置所述照明源。
19.如权利要求17所述的方法，其中放置所述照明源包括放置发光二极管。
20.如权利要求17所述的方法，其中将外壳放置在所述基板上包括放置包括至少一个透镜的外壳。
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