CN104781933B - 光学晶片的制造 - Google Patents

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Abstract

制造光学晶片包括提供晶片，所述晶片包括由玻璃增强环氧树脂构成的芯部区域，所述晶片进一步包括在所述芯部区域的顶表面上的第一树脂层和在所述芯部区域的底表面上的第二树脂层。所述芯部区域和第一树脂层与第二树脂层对电磁波谱的特定范围是基本上不透明的。所述晶片进一步包括垂直透明区域，所述垂直透明区域延伸穿过所述芯部区域和所述第一树脂层与第二树脂层，并且由对所述电磁波谱的所述特定范围是基本上透明的材料构成。所述晶片例如通过从其顶表面和其底表面抛光来变薄，以便所得厚度在预定范围内，而不引起所述芯部区域的玻璃纤维暴露。在所述透明区域中的至少一些透明区域的一个或多个暴露表面上提供相应光学结构。

Description

光学晶片的制造
技术领域
本公开涉及光学晶片的制造。
背景技术
各种装置并入有光学或光电模块。这些模块有时是以晶片级来制造，以便有助于同时制造多个模块。模块的制造有时包括将多个晶片以一个在另一个顶部的方式进行堆叠，其中每一个晶片为所得模块提供某种特定的功能。可称为光学晶片的晶片中的一个或多个可并入有各种光学元件。尽管以晶片级制造模块可有助于整体制造过程，但是跨越晶片的变化会对这些制造工艺提出挑战。
发明内容
在一些实施方式中，本公开有助于减少光学晶片中存在的一些变化，并且因此可有助于改进用于从光学晶片制作光学构件的总体晶片级制造工艺，以及改进用于制作各种光学模块或光电模块的总体晶片级制造工艺。
例如，在一个方面中，制造光学晶片包括提供晶片，所述晶片包括由玻璃增强环氧树脂构成的芯部区域，所述晶片进一步包括在芯部区域的顶表面上的第一树脂层和在芯部区域的底表面上的第二树脂层。芯部区域和第一树脂层与第二树脂层对电磁波谱的特定范围是基本上不透明的。晶片进一步包括垂直透明区域，所述垂直透明区域延伸穿过芯部区域和第一树脂层与第二树脂层，并且由对电磁波谱的特定范围是基本上透明的材料构成。晶片例如通过从其顶表面和其底表面抛光来变薄，以便所得厚度在预定范围内，而不引起芯部区域的玻璃纤维暴露。相应光学结构被提供在透明区域中的至少一些透明区域的一个或多个暴露表面上。
一些实施方式包括以下特征中的一个或多个。例如，芯部区域可由复合材料构成，所述复合材料由织造玻璃纤维布与环氧树脂粘合剂构成。第一树脂层和第二树脂层可例如由无玻璃黑色环氧树脂构成。
在一些实施方式中，在抛光之后，第一树脂层和第二树脂层中每一层的剩余厚度在第一树脂层和第二树脂层的相应初始厚度的10-50％范围内。类似地，在一些实施方式中，在抛光之后，所述晶片的总厚度在跨晶片的预定厚度的±5–50μm以内。在某些情况下，在抛光之后，光学晶片OW的总厚度的变化就绝对厚度来说以及就跨晶片的变化来说不大于5％。
芯部区域和第一树脂层与第二树脂层可例如对电磁波谱的红外部分或近红外部分是基本上不透明的。在一些实施方式中，透明元件上的光学结构包括透镜。方法可包括使用复制工艺来提供光学结构。方法还可包括将光学晶片分成单独光学构件，和/或将光学晶片合并成晶片堆叠以用于形成光电模块。
根据第二方面，制造光学晶片的方法包括提供前体晶片，所述前体晶片包括芯部区域，所述芯部区域由对特定光谱范围的光是基本上不透明的玻璃增强环氧树脂构成，所述前体晶片进一步包括在芯部区域的顶表面上的第一树脂层，和在芯部区域的底表面上的第二树脂层。开口被形成在前体晶片中，以使得所述开口从前体晶片的顶部延伸到前体晶片的底部。开口基本上由当硬化时对特定光谱范围的光是基本上透明的材料填充，并且开口中的材料硬化来形成对特定光谱范围的光是基本上透明的透明元件。前体晶片的顶表面和前体晶片的底表面被抛光来获得具有预定范围内的厚度的晶片，而不引起芯部区域的玻璃纤维暴露。相应光学结构被提供在透明元件中的至少一些透明元件的一个或多个暴露表面上。
在一些实施方式中，芯部区域可由复合材料构成，所述复合材料由织造玻璃纤维布与阻燃性的环氧树脂粘合剂构成。因此，芯部区域可例如由通过插入浸渍有环氧树脂粘合剂的连续玻璃织造织物所产生的材料构成，而第一树脂层和第二树脂层可例如由无玻璃黑色环氧树脂构成。
根据另一方面，晶片堆叠包括多个晶片，包括一个堆叠在另一个顶部上的光学晶片。光学晶片包括由玻璃增强环氧树脂构成的芯部区域。光学晶片进一步包括在芯部区域的顶表面上的第一树脂层，和在芯部区域的底表面上的第二树脂层。芯部区域和第一树脂层与第二树脂层对电磁波谱的特定范围是基本上不透明的，并且第一树脂层和第二树脂层中每一个的厚度小于10μm。芯部区域和第一树脂层与第二树脂层跨光学晶片的总合并厚度变化不大于5％。光学晶片进一步包括透明区域，所述透明区域中的每一个延伸穿过芯部区域和第一树脂层与第二树脂层，并且由对电磁波谱的特定范围是基本上透明的材料构成。光学晶片还包括在透明区域中的至少一些透明区域的一个或多个暴露表面上的光学结构。
一个或多个实施方式的细节阐述在附图和以下描述中。其它方面、特征和优点将根据描述和图式以及权利要求书而明白。
附图说明
图1是光电模块的实例的横截面图。
图2是光学构件的实例的横截面图。
图3是图2的光学构件的俯视图。
图4是用于形成包括光学晶片的晶片堆叠的晶片的横截面图。
图5是包括光学晶片的晶片堆叠的横截面图。
图6是说明用于获得光学晶片的前体晶片的实例的横截面图。
图7-图11说明根据一些实施方式的形成光学晶片的各个处理步骤。
图12说明将光学晶片分成多个光学构件。
图13是形成光学晶片的方法的流程图。
具体实施方式
图1说明安装在电子装置10的印刷电路板9上的光电模块1的实例。电子装置10可为例如手持式电子通信装置，如智能电话；或为摄影装置，如照相机或摄像机。
光电模块1包括光学构件O以及至少一个有源光学部件，如检测器D(例如，光电二极管)和光发射器E(例如，发光二极管)。有源光学部件D、E被安装在提供有焊球7的衬底P上。在衬底P与光学构件O之间，布置具有开口4的分离构件S(或间隔构件S)来确保有源光学部件D、E与被动光学部件L之间的适合距离。在顶部，具有透明区域3的挡板构件B被布置来起挡板的作用。
衬底P、光学构件O、挡板构件B和分隔构件S可具有大体上块状形状或板状形状，其中分隔构件S和挡板构件B中的每一个具有一个或多个孔。
如图2和图3所图示，光学构件O包括阻挡部分b和两个透明部分t。阻挡部分b由对特定光谱范围(波长或波长范围)的光是基本上不透明的材料(例如，聚合物材料，如玻璃增强环氧树脂)制成，而透明部分t由对至少特定光谱范围的光是基本上透明的材料制成。这样一来，阻挡部分b起用于透明部分t中每一个的孔径的作用，并且还固定(或固持)透明部分t。阻挡部分b还可起屏蔽作用，用于通过大致上衰减或阻挡特定光谱范围的光来实现免受不合需要的光。
在说明的实例中，透明部分t中的每一个具有多个部分：两个光学结构5(例如，凹透镜或凸透镜元件)和透明元件6。这些部分一起形成透镜构件L，所述透镜构件L是被动光学部件。阻挡部分b连同透明元件6形成(describe)大致上实心板状形状，其中光学结构5从表面突出。透明元件6中的每一个具有两个大致上平坦的相对侧向表面。
存在被动光学部件L(和因此透明材料T和光学结构5的材料(可与材料T相同或不同))对其透明，但阻挡部分b的材料对其不透明的一个或多个特定波长范围。
在一些实施方式中，可由光发射器E发射的光的波长范围和可由光检测器D检测的光的波长范围存在重叠波长范围。至少在那个重叠波长范围中，阻挡部分b将是不透明的，并且至少在重叠波长范围的一部分中，透明部分t将是透明的。在一些实施方式中，重叠波长范围在电磁波谱的红外部分中，并且可在电磁波谱的近红外中。这可尤其适用于其中模块1用作接近传感器的情形。
光电模块1可在晶片尺度上制造。例如，图4说明用于形成晶片堆叠2(参见图5)以供制造多个模块1的晶片的示意性横截面图。
如图4和图5所示，在一些实施方式中，四个晶片用于制造多个模块1：衬底晶片PW、间隔晶片SW、光学晶片OW和挡板晶片BW。每一个晶片包括多个对应构件，所述构件例如被布置在矩形点阵上，例如彼此相距适于晶片分离步骤的小距离。
衬底晶片PW可例如是标准PCB材料的印刷电路板(PCB)，其提供有处于一侧上的焊球7，并且提供有焊接至另一侧的有源光学部件(E和D)。后者可通过使用标准拾取与放置机器进行拾取与放置而放置在衬底晶片PW上。
为形成晶片堆叠2，将晶片BW、OW、SW、PW对准，并例如使用热固性环氧树脂胶粘在一起。对准包括将衬底晶片PW和光学晶片OW对准，以使得检测构件D中的每一个相对于透明部分t的至少一个对准，具体来说，其中检测构件D中的每一个以相同方式对准透明部分t的每一个，并且光发射器E的情况也如此。图5中的细虚线矩形表明分离例如借助于切割锯(dicing saw)而发生的位置。
尽管前述图式示出对仅提供三个模块1，但在一个晶片堆叠中，在每一个侧向方向上可提供多达十个或更多个模块1。
为提供免于检测不合需要的光的最大保护，晶片PW、SW、OW、BW中的每一个可基本上由对可由检测构件D(而不是透明部分t和透明区域3)来检测的光基本上不透明的材料制成。在一些实施方式中，晶片PW、SW、OW、BW中的每一个由印刷电路板(PCB)材料形成，所述材料在一些情况下可为纤维增强的。因此，例如，光学晶片OW的不透明部分可由如FR4(也称为Garolite)或G10(也称为Micarta)的PCB材料制成。FR4是指定给玻璃增强环氧树脂印刷电路板的等级名称。它是由织造玻璃纤维布与阻燃性的环氧树脂粘合剂构成的复合材料。G10类似于FR4，但缺少自熄灭可燃性特征。光学晶片OW的不透明部分可由其它类似的PCB材料制成，所述材料包括通过插入浸渍有环氧树脂粘合剂的连续玻璃织造织物同时在高压下形成片材而生产的材料。
一些并入有光学晶片OW的应用需要对光学晶片的严格厚度控制。举例来说，用于一些应用的光学晶片OW的标称厚度可为大致395微米(μm)，公差为±5μm。其它应用也可需要严格厚度控制，尽管具有不同厚度和/或公差。
遗憾地是，简单地抛光标准PCB晶片来实现所需厚度控制可能造成织造玻璃PCB材料的纤维在晶片的表面上暴露。为克服这个问题，可将另一层树脂，如黑色环氧树脂材料添加至标准PCB晶片的顶表面和底表面。顶部树脂层和底部树脂层应基本上由纯树脂材料(即，它们不应为玻璃增强材料)构成。此外，顶部树脂层和底部树脂层应足够厚，以便表面随后可得以抛光来实现所需厚度控制，而不使复合树脂/玻璃晶片的顶表面和底表面处的纤维暴露。
例如，在一些应用中，希望以树脂/玻璃复合物前体晶片8开始，所述树脂/玻璃复合物前体晶片8的顶表面和底表面中的每一表面上具有至少20μm的无玻璃黑色环氧树脂材料(参见图13，方框100)。对顶部树脂层和底部树脂层使用黑色环氧树脂允许这些层也成为对电磁波谱的指定部分(例如，对波谱的红外部分或近红外部分的辐射)是基本上不透明的。也可使用其它不透明树脂材料。在图6说明的特定实例中，复合物前体晶片8具有：玻璃增强环氧树脂的芯部9，所述芯部9具有约380μm的厚度；以及顶部树脂层10A和底部树脂层10B，每一个树脂层具有约20μm的厚度。厚度可在其它实施方式中有所变化。
图7示意地说明由如上所述的不透明材料制成并且具有多个开口(例如，通孔)11的前体晶片8，所述开口从晶片的顶表面延伸到其底表面。开口11中的一个或多个可例如被布置在矩形点阵上。当要制造的光学构件O(图1和图2)包括两个透明部分t时，开口11被布置在矩形点阵上。开口11可例如通过钻孔或蚀刻(方框102，图13)来形成。开口11的形状可不同于说明的圆柱形状。
接着，如图8所示，开口11由用于透明元件6的透明材料T填充(方框104，图13)。在填充期间，例如聚合物的透明材料T是液体或具有粘度。可使用类似于丝网印刷中了解的过程的涂刷过程，或可使用分配器，例如，如从半导体工业中已知的并且用于底层填充的分配器。分配可逐个开口地进行，或可同时填充数个开口，例如通过使用排出透明材料T的数个中空针而进行同时填充。在填充期间，前体晶片8可位于例如由如聚二甲基硅氧烷的硅树脂制成的支撑层12上。支撑层12由刚性支撑衬底13(例如，玻璃板)支撑来达到机械稳定性。
在填充透明材料T期间，应小心谨慎来防止材料T中气泡或气穴的形成，因为这会使要生产的被动光学部件L的光学性质降级。例如，分配可以如下方式进行：晶片材料的润湿开始于由前体晶片8和下面的支撑层12形成的边缘处，或靠近这个边缘的位置，例如通过将排出材料T的中空针适当地引导为靠近这个边缘来进行。当开口11基本上由材料T填满时，停止填充。然后使所填充的透明材料T硬化，例如，通过例如使用热或紫外辐射进行固化而硬化，从而产生透明区域6(方框106，图13)。在一些实施方式中，这样获得的透明区域6具有两个几乎完全平坦的侧向表面，所述侧向表面与前体晶片8的周围不透明、阻挡部分b形成共同的平坦表面。然而，在其它实施方式中，填充可为较不平坦的(例如，可形成稍微凹入或凸出的表面)。
接着，抛光复合物晶片20的顶表面和底表面，以便从每一个表面除去材料来获得晶片的所需总厚度(参见图9和图13，方框108)。因此，使用以上实例，其中复合物前体晶片8具有厚度为约380μm的玻璃增强环氧树脂的芯部9，并且顶部树脂层10A和底部树脂层10B中的每一层具有约20μm的厚度，执行抛光以便从顶表面和底表面中的每一个除去大致10-15μm的材料，以便获得约395μm±5μm的所得晶片的总厚度。尽管抛光可造成顶部树脂层10A和底部树脂层10B的显著量的除去，但是抛光应在整个顶部树脂层10A和底部树脂层10B被除去之前停止。因此，尽管在前述实例中，抛光除去顶部树脂层10A和底部树脂层10B的约50％-75％，但是顶部树脂层和底部树脂层中的每一个应甚至在抛光完成之后保留数微米(例如，2-5μm)。在一些应用中，初始树脂层厚度的约10-50％在抛光之后保留。
抛光可产生具有严格厚度控制的晶片(例如，就绝对厚度以及相对于跨晶片的变化来说)。例如，取决于应用，光学晶片OW的总厚度可例如在100-1000μm的范围变化，公差为±5-50μm。一些应用可实现光学晶片OW的总厚度就绝对厚度来说以及就跨晶片的变化来说0.5-5％(不大于5％)的变化。此外，因为薄的树脂层保留在芯部材料9的顶表面和底表面上，所以所需厚度控制可在不使芯部材料9中的玻璃纤维暴露的情况下实现。另外，抛光可产生透明元件6的更完美平坦的侧向表面。
在执行抛光之后，光学结构(例如，透镜)5被应用于透明元件6的暴露表面(参见图10、图11和图13，方框110)。这可例如通过复制来完成，其中将结构化表面压印(embossed)到液体、有粘度或可塑性变形的材料中。然后例如通过使用紫外辐射或加热进行固化来硬化材料，并且除去结构化表面。因此，获得结构化表面的复制品(在这种情况下是负复制品)。用于复制的适合材料包括例如可硬化或可固化聚合物材料，或其它复制材料，即可通过硬化或固化从液体、粘性或可塑性变形状态转变成固态的材料。
在一些实施方式中，复制工艺使用具有结构化表面的模型(form)来发生，所述结构化表面形成要产生的光学结构5的负对应物(negative)。将适合量的复制材料提供于模型中，并随后将具有结构化表面的模型朝向晶片移动，以便使复制材料与透明元件6发生接触。随后，例如通过加热或用光(如紫外光)照射使复制材料硬化，例如固化，并且除去模型。光学结构5的形成(通过复制或另一工艺)可逐个完成，或一次完成数个(但只是晶片一侧上的所有光学结构的一部分)，或在晶片一侧上的所有光学结构同时完成。
光学结构5可形成于晶片的一侧或两侧上(参见图10和图11)。光学结构5的侧向延伸部可大于或小于透明元件6的侧向延伸部，或如图10和图11所示基本上相等。光学结构5可为实际上任何形状的透镜元件，可以是折射性和/或衍射性透镜元件，或棱镜元件或其它。对一些应用来说，透镜元件是适合的选择。如以上所解释，制造工艺可产生光学晶片OW(图11)，所述光学晶片OW具有就绝对厚度来说以及就跨晶片的变化来说严格的厚度控制。
所得光学晶片OW(图11)可用于生产另外的产品。例如，光学晶片OW可被并入晶片堆叠2中(图13，方框112)，所述晶片堆叠2随后被分离(例如通过切割)成多个单个的光电模块1(参见图4、图5和图13，方框114)，光电模块中的每一个包括光学构件O(参见图1-图3)。光学晶片OW可被并入其它类型的晶片堆叠中，所述晶片堆叠可包括不同类型或不同数量的晶片。
此外，在一些应用中，光学晶片OW自身可分离(例如，通过切割；参见图12)成多个如图2和图3所示的那些的光学构件O，即使光学晶片未被并入晶片堆叠也是如此。在图12中，细虚线矩形表明分离可发生的位置。
前述制造技术可为自动化制造过程的一部分。
其它实现方式都在权利要求的范围内。

Claims (13)

1.一种制造光学晶片的方法，所述方法包括：
提供包括由玻璃增强环氧树脂构成的芯部区域的晶片，所述晶片进一步包括在所述芯部区域的顶表面上的第一树脂层和在所述芯部区域的底表面上的第二树脂层，其中所述芯部区域和第一树脂层与第二树脂层对电磁波谱的特定范围是不透明的，所述晶片进一步包括垂直透明区域，所述垂直透明区域延伸穿过所述芯部区域和所述第一树脂层和第二树脂层，并且由对所述电磁波谱的所述特定范围是透明的材料构成；
使所述晶片从其顶表面和其底表面变薄，以便所得厚度在预定范围内，而不引起所述芯部区域的玻璃纤维暴露；以及
在所述透明区域中的至少一些透明区域的一个或多个暴露表面上提供相应光学结构。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述芯部区域由复合材料构成，所述复合材料由织造玻璃纤维布与环氧树脂粘合剂构成。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述第一树脂层和第二树脂层不是玻璃增强的。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述第一树脂层和第二树脂层由无玻璃黑色环氧树脂构成。
5.如权利要求1所述的方法，其中在抛光之后，所述晶片的总厚度在预定厚度的±5-50μm以内。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述特定范围包括所述电磁波谱的红外部分或近红外部分的至少一个。
7.如权利要求1所述的方法，其中在所述变薄之后，所述第一树脂层和第二树脂层中每一个的剩余厚度在所述第一树脂层和第二树脂层的相应初始厚度的10-50％范围内。
8.如权利要求1所述的方法，其中所述透明元件上的所述光学结构包括透镜。
9.如权利要求1所述的方法，其包括使用复制工艺来提供所述光学结构。
10.如权利要求1所述的方法，其中所述芯部区域由复合材料构成，所述复合材料由织造玻璃纤维布与环氧树脂粘合剂构成，并且所述第一树脂层和第二树脂层由无玻璃黑色环氧树脂构成，
其中在所述变薄之后，所述第一树脂层和第二树脂层中每一个的剩余厚度在所述第一树脂层和第二树脂层的相应初始厚度的10-50％范围内，并且所述晶片的总厚度在预定厚度的±5-50μm以内。
11.如权利要求1所述的方法，其中在所述变薄之后，所述光学晶片的总厚度的变化不大于5％。
12.如权利要求1所述的方法，其进一步包括将所述光学晶片分离成单个的光学构件。
13.如权利要求1所述的方法，其进一步包括将所述光学晶片并入用于形成光电模块的晶片堆叠中。
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