CN106796916B - 具有硅衬底的光电子模块以及此类模块的制造方法 - Google Patents
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Abstract
光电子模块包括其中或其上具有光电子装置的硅衬底。光学组件设置在所述光电子装置之上，并且间隔物将所述硅衬底与所述光学组件分开。还描述了制造此类模块的方法。
Description
公开领域
本公开涉及具有硅衬底的光电子模块以及此类模块的制造方法。
背景技术
智能电话和其他装置有时包括小型化的光电子模块，诸如光模块、传感器或摄像机。光模块可包括通过透镜将光发射到装置外部的发光元件，诸如发光二极管(LED)、红外(IR)LED，有机LED(OLED)、红外(IR)激光器或垂直腔表面发射激光器(VCSEL)。其他模块可包括光检测元件。例如，CMOS和CCD图像传感器可用在主摄像机或前向摄像机中。同样地，接近传感器和环境光传感器可包括光感测元件，诸如光电二极管。发光和光检测模块以及摄像机可以各种组合使用。因此，例如，光模块(诸如闪光模块)可以与具有成像传感器的摄像机组合使用。与光检测模块组合的发光模块也可用于诸如手势识别或IR照明的其他应用。
虽然已经提出了各种模块设计，但是在工业中存在对改进此类模块的各个方面的持续需要。例如，在设计模块的装置中的空间通常是非常宝贵的。因此，期望模块具有尽可能小的占地面积。此外，在一些情况下，远离模块的热传递不良可能是有问题的。同样地，在一些情况下，当温度从标称值改变时，模块的光学特性可能会劣化。
概述
本公开描述了具有硅衬底的光电子模块以及此类模块的制造方法。
一些实现方式提供了以下优点中的一个或多个。例如，通过使用其中可以形成各种电子和/或光电子部件的硅衬底，所述模块可具有相对小的占地面积。在一些情况下，可通过消除对印刷电路板衬底的需要(和其成本)来降低模块的总成本。同样地，在一些情况下，可通过使用硅衬底来避免可能另外需要的到衬底的至少一些布线。此外，由于硅的热导率相对较高，可以提高远离模块的热传递。此外，考虑到硅的热膨胀系数，当温度从标称值改变时，使用硅衬底可以帮助减少模块的光学特性的劣化。
根据应用，模块可具有单个光学通道或多个光学通道。例如，根据一个方面，光电子模块包括其中或其上具有光电子装置的硅衬底。光学组件设置在光电子装置上。间隔物将硅衬底与光学组件分开。
间隔物优选地对由光电子装置发射和/或可由光电子装置检测的特定波长的光是基本上不透明的，或使所述光显著衰减，所述光电子装置可以实现为形成在硅衬底中或安装在硅衬底上的发光元件，或实现为形成在硅衬底中的光检测元件。在一些实施方案中，间隔物横向地围绕硅衬底并且与硅衬底直接接触，并且可延伸超过硅衬底的外表面。也可以提供其他光学特征，诸如光学滤波器或焦距校正层。
在另一个方面中，光电子模块包括第一光学通道和第二光学通道。第一光学通道中的第一光电子装置集成在第一硅衬底中或设置在第一硅衬底上，并且第二光学通道中的第二光电子装置集成在第二硅衬底中或设置在第二硅衬底上。第一光学组件和第二光学组件分别设置在第一光电子装置和第二光电子装置之上。间隔物将硅衬底与光学组件分开，并且所述间隔物的一部分将第一通道和第二通道彼此分开。间隔物横向地围绕第一硅衬底和第二硅衬底，并且与它们直接接触。
在一些情况下，第一光学组件在与第一衬底相距第一距离处设置在间隔物上，并且第二光学组件在与第二衬底相距不同的第二距离处设置在间隔物上。在一些情况下，第一光学组件和第二光学组件形成横向连续的光学组件阵列。
本公开还描述了制造光电子模块的方法。例如，在一些实施方式中，一种晶片级方法包括将上部真空注入工具和下部真空注入工具施加到多个光电子装置，每个光电子装置集成在相应的硅衬底中或设置在相应的硅衬底上。所述工具限定将硅衬底彼此分开的空间。所述方法还包括将聚合物材料注入所述空间中，以及固化所述聚合物材料以形成间隔物。一个或多个光学组件附接到间隔物，以便获得所得到的结构，其中一个或多个光学组件中的每一个设置在至少一个光电子装置之上。然后将所得到的结构分成多个光电子模块，每个光电子模块包括至少一个光学通道。
其他方面、特征和优点将由以下详述、附图和权利要求书而显而易见。
附图简述
图1是多通道光电子模块的实例。
图2是单通道光电子模块的实例。
图3是多通道光电子模块的另一个实例。
图4A-4I示出制造光电子模块的晶片级方法。
图5是光电子模块的另一个实例。
图6A和图6B示出具有不同类型的光学组件的模块的实例。
图7A和图7B示出具有可机加工的间隔物特征的实例。
图8是包括焦距校正层的光学组件的实例。
图9A和图9B示出具有光学滤波器的光电子模块的实例。
详述
如图1所示，光电子模块20的第一实例包括光学通道阵列。在所示的实例中，模块20包括发射通道22和检测通道24。模块20具有硅衬底26A、26B，它们通过间隔物30与光学组件28分开。因此，模块20的内部区域由衬底26A、26B、间隔物30和光学组件28界定。
每个硅衬底26A、26B的不同部分可表现出不同的电子和/或光电子特性。相应的有源光电子装置集成在每个硅衬底26A、26B中或设置在其上。例如，发光元件32(例如，LED、激光二极管或一系列LED或激光二极管)可以形成在发射通道22中的硅衬底26A中或安装在所述硅衬底26A上。同样地，单个光检测元件(例如，光电二极管)或光检测元件阵列34(例如，CMOS传感器的像素)可以形成在检测通道24中的硅衬底26B中。在一些情况下，附加的电路部件可以形成在硅衬底26A、26B中。
间隔物30横向地围绕光电子装置32、34并且用作模块的侧壁。此外，间隔物的部分30A用作将发射通道22和检测通道24彼此分开的内壁。间隔物30(包括内壁部分30A)优选地对由发光元件32发射和/或可由光检测元件34检测的特定波长的光是基本上不透明的，或使所述光显著衰减。例如，在一些情况下，间隔物30由包含不透明填料(例如，炭黑、颜料或染料)的聚合物材料(例如，环氧树脂、丙烯酸酯、聚氨酯或硅树脂)构成。如图1所示，间隔物30也横向地围绕硅衬底26A、26B并且与它们直接接触，并且间隔物的内壁部分30A将两个硅衬底26A、26B彼此分开。在一些情况下，通过提供模块与相邻半导体部件的电隔离以及通过提供可帮助防止硅衬底崩裂的结构支撑，这些特征可能是有利的。
光学组件28的细节可取决于特定的应用。在图1的实例中，光学组件28包括横向嵌入基本上不透明材料38内的透射盖36A、36B。透射盖36A、36B可以由例如玻璃、蓝宝石或聚合物材料构成。透射盖36A、36B通常对于由光电子装置32、34发射或可由其检测的光波长是透明的。不透明部分38可以由例如与间隔物30相同的材料或一些其他基本上不透明的材料构成。每个透射盖36A、36B可具有形成在其上的一个或多个光学元件40，诸如透镜或其他光束成形元件。以下描述光学组件的其他实例。
每个硅衬底26A、26B的外侧可以设置有一个或多个焊料凸块或其他导电触点42(例如，球栅阵列)，其可以以已知的方式电耦合到光电子装置32、34中的相应一个。一些实施方式包括用于电连接的硅穿孔。
在一些实施方式中，模块可以仅包括单个光学通道。例如，如例如图2所示，模块20A具有单个光学检测通道并且包括光检测元件34。在其他情况下，所述模块可具有单个光学发射通道并且可包括发光元件32。
在一些情况下，在一个或多个通道中提供光学滤波器。例如，如图3所示，模块20B包括两个检测通道24A、24B。第一光学滤波器44A设置在第一光传感器34A之上，并且第二光学滤波器44B设置在第二光传感器34B之上。第一滤波器44A和第二滤波器44B可允许相同的波长(或波长范围)通过，或者可以被定制为允许不同的波长(或波长范围)通过。因此，例如，光学滤波器可包括彩色滤波器阵列、IR截止滤波器、带通滤波器、单色滤波器或无滤波器。
前述模块可以例如在晶片级工艺中制造。晶片级工艺允许同时并行制造多个模块。通常，晶片是指基本上盘状或板状形状的物品，其在一个方向(y方向或垂直方向)上的延伸相对于其在其他两个方向(x方向和z方向或横向方向)上的延伸较小。在一些实施方式中，晶片的直径在5cm与40cm之间，并且可以例如在10cm与31cm之间。晶片可以是具有例如2、4、6、8或12英寸(一英寸为约2.54cm)的直径的圆柱体。在晶片级工艺的一些实施方式中，可以在每个横向方向上设置至少十个模块，并且在一些情况下在每个横向方向上设置至少三十个或甚至五十个或更多个模块。以下段落描述用于制造诸如上述那些的光电子模块的这种晶片级制造工艺的实例。
如图4A所示，提供其中形成有集成光电子部件102的硅晶片100。晶片可在其背面上设置有电连接104(例如，焊料凸块或球栅阵列)，并且还可包括硅穿孔连接。然后，可以将光学滤波器106应用在一些或所有光电子部件之上。在一些情况下，光学滤波器可以不应用于任何光电子部件102。在一些情况下，可以应用保护层(例如，由玻璃或其他透明材料构成)，例如以保护光电子部件免受在随后的切割期间产生的灰尘或颗粒。诸如LED、激光二极管或VCSEL的外部光发射器也可以安装在硅晶片上。接下来，如图4B所示，施加支撑晶片108以支撑硅晶片100，并且如图4C所示，晶片被分成(例如，通过切割)多个单独的硅装置110，每个硅装置110包括至少一个光电子部件102。
硅装置110可以从支撑晶片108移除并且放置在下部真空注入工具112(参见图4D)上。上部真空注入工具114也应用于装置110。当与硅装置110接触时，如图4D所示，真空注入工具112、114在硅装置110周围限定空间116。将间隔物材料(例如，具有不透明填料的环氧树脂)118注入到空间116中，例如如图4E所示，然后例如通过紫外线(UV)辐射120和/或热处理(参见图4F)固化。
在间隔物材料118固化之后，可以移除上部工具114。所得到的结构可以保留在下部工具112上，所述下部工具112在一些后续的制造步骤期间用作支撑结构(参见图4G)。例如，晶片级光学组件122可以附接(例如，通过粘合剂)到间隔物118的自由端(参见图4H)。在这个实例中，晶片级光学组件122包括形成在不透明PCB晶片126的通孔中的透明窗口124。光学组件122可包括(例如，通过复制技术)形成在每个透明窗口124上以帮助将入射光聚焦到对应的光检测元件上的一个或多个光束成形元件(例如，透镜)128。接下来，如图4I所指示，所得到的结构(例如，沿切割线130)被分成单独的光电子模块，每个光电子模块包括单个光学通道或通道阵列。然后可以从下部支撑工具112移除模块。
可以实现对前述方法和模块的各种修改。例如，虽然在一些情况下，间隔物30的底部可以与硅衬底26A、26B的底部基本上齐平，但是在其他情况下，间隔物可以突出略微超出硅衬底的底部(参见图5)。具体地，间隔物30可以延伸超过外部导电触点42所处的硅衬底的下表面50。
各种类型的光学组件可以附接到间隔物30。例如，代替图4H的晶片级光学组件122，可以为每个通道提供具有适当透镜40的相应透镜镜筒122A(参见图6A)。在一些情况下，例如，透镜镜筒122A中可包括自动聚焦机构41。自动聚焦机构可以例如实现为可调谐透镜或压电元件。从自动聚焦机构41到硅衬底的电连接43可以例如沿间隔物30的表面或作为贯穿间隔物连接提供。自动对焦机构41可以单独使用或与玻璃光学元件和/或可定制的垂直对准特征结合使用，以为模块提供非常准确且精确的光学性能。
此外，在一些情况下，可以提供横向连续的透镜阵列晶片122B作为光学组件的一部分(参见图6B)。在后一种情况下，单个连续的透镜阵列晶片122B跨越整个通道阵列。这种布置可以是特别有利的，例如，当所有通道具有相同的高度时。
另一方面，在一些情况下，可能希望将用于一些通道的光学组件定位在与用于其他通道的光学组件的高度不同的高度处。这种情况可能有助于在制造过程期间提供焦距校正。例如，在将光学组件附接在特定通道之上前，可以进行光学测量以确定通道的焦距偏离指定目标值的程度。如果需要校正焦距，则提供校正的一种方式是通过机械加工来调整间隔物的高度。如例如图7A所示，间隔物30可在其自由端处包括可机加工的特征52。用于特定通道的间隔物30的自由端可以被微加工，以便当光学组件122C附接到间隔物时实现特定的焦距(参见图7B)。然后可以例如使用拾取和放置设备将光学组件122C定位在通道之上。在一些情况下，每个光学组件122C包括透镜40和盖玻璃36，仅包括透镜40或仅包括盖玻璃36。如图7B所示，代替连续的透镜阵列，结果是不连续的透镜阵列，其允许将用于每个通道的光学组件放置在不同的高度处，如果需要的话。在一些情况下，这个过程可导致多通道模块，其中用于一个通道的光学组件处于与用于另一个通道的光学组件稍微不同的高度处。
代替或除了微加工间隔物30的高度以调整通道的焦距，在一些情况下，提供焦距校正层54(例如，在盖玻璃36的表面上或在透镜晶片38的表面上，如图8所示)。焦距校正层54的厚度可以例如通过将所述层暴露于辐射以便实现通道的指定焦距来调整。因此，一些通道可包括微加工的间隔物特征52和/或焦距校正层54。其他通道可不包括任一前述特征。在微加工间隔物30的高度和/或调整焦距校正层54的厚度之后，可以将光学组件附接到间隔物。
如前所述，可以为一个或多个通道提供光学滤波器。在一些实现方式中，代替或除了直接在光电子装置(例如，34A)上提供滤波器，滤波器44C可设置在透镜组件晶片38(图9A)的表面上或盖玻璃36(图9B)的表面上。在一些情况下，光学滤波器44D集成到光学组件中(图9A和图9B)。
如本公开中所使用的，术语“透明”、“不透明”和“透射”是参照由模块中的装置发射或可由所述装置检测的特定波长来进行的。因此，例如，特定特征可被认为是“不透明的”，即使其可允许其他波长的光通过。
这里描述的模块例如可用作接近传感器模块或用作其他光学感测模块，诸如用于手势感测、识别或成像。所述模块可以集成到大范围的小电子装置中，诸如智能电话、生物装置、移动机器人、监视摄像机、摄录像机、膝上型计算机和平板计算机等等。
在前述描述的精神内可以进行各种修改。因此，其他实现方式在权利要求书的范围内。
Claims (20)
1.一种光电子模块，其包括：
硅衬底，在所述硅衬底中或在所述硅衬底上的是光电子装置；
光学组件，所述光学组件设置在所述光电子装置上；
间隔物，所述间隔物将所述硅衬底与所述光学组件分开，其中所述间隔物对由所述光电子装置发射和/或可由所述光电子装置检测的特定波长的光是不透明的，或使所述光显著衰减，其中所述间隔物沿远离所述光学组件的方向延伸超过所述硅衬底的外表面。
2.如权利要求1所述的光电子模块，其中所述间隔物横向地围绕所述硅衬底并且与所述硅衬底直接接触。
3.如权利要求2所述的光电子模块，其中所述光电子装置是形成在所述硅衬底中或安装在所述硅衬底上的发光元件。
4.如权利要求2所述的光电子模块，其中所述光电子装置是形成在所述硅衬底中的光检测元件。
5.如权利要求2所述的光电子模块，其包括与到所述光电子装置或从所述光电子装置的光路相交的光学滤波器。
6.如权利要求2所述的光电子模块，其包括与到所述光电子装置或从所述光电子装置的光路相交的焦距校正层。
7.一种光电子模块，其包括：
第一光学通道和第二光学通道；
第一硅衬底，在所述第一硅衬底中或在所述第一硅衬底上的是所述第一光学通道中的第一光电子装置；
第二硅衬底，在所述第二硅衬底中或在所述第二硅衬底上的是所述第二光学通道中的第二光电子装置；
第一光学组件和第二光学组件，所述一光学组件和所述第二光学组件分别设置在所述第一光电子装置和所述第二光电子装置上；
间隔物，所述间隔物将所述硅衬底与所述光学组件分开，其中所述间隔物的一部分将所述第一光学通道和所述第二光学通道彼此分开，并且其中所述间隔物横向地围绕所述第一硅衬底和所述第二硅衬底的横向侧边缘并与所述第一硅衬底和所述第二硅衬底的横向侧边缘直接接触。
8.如权利要求7所述的光电子模块，其中所述第一光学组件在与所述第一硅衬底相距第一距离处设置在所述间隔物上，并且其中所述第二光学组件在与所述第二硅衬底相距不同的第二距离处设置在所述间隔物上。
9.如权利要求7所述的光电子模块，其中所述第一光学组件和所述第二光学组件形成横向连续的光学组件阵列。
10.一种制造光电子模块的晶片级方法，所述方法包括：
将上部真空注入工具和下部真空注入工具施加到多个光电子装置，每个光电子装置集成在相应的硅衬底中或设置在相应的硅衬底上，其中所述工具限定将所述硅衬底彼此分开的空间；
将聚合物材料注入所述空间中；
固化所述聚合物材料以形成间隔物；
将一个或多个光学组件附接到所述间隔物，以便获得所得到的结构，其中所述一个或多个光学组件中的每一个设置在所述光电子装置中的至少一个之上；以及
将所得到的结构分成多个光电子模块，每个光电子模块包括至少一个光学通道。
11.如权利要求10所述的方法，其还包括在附接所述相应的光学组件之前调整所述间隔物的高度。
12.如权利要求11所述的方法，其中所述间隔物的所述高度通过微加工来调整。
13.如权利要求12所述的方法，其包括在第一光学通道上以第一高度将第一光学组件附接到所述间隔物，以及在第二光学通道上以不同的第二高度将第二光学组件附接到所述间隔物。
14.如权利要求10所述的方法，其还包括：
对所述光电子装置中的至少一个执行光学测量；
以至少部分地基于所述光学测量的结果的量来减小所述间隔物的高度；以及
随后将所述光学组件中的相应一个附接到所述间隔物的机加工部分。
15.如权利要求14所述的方法，其中所述间隔物的高度的减小进一步基于目标焦距。
16.如权利要求14所述的方法，其中所述间隔物的高度的减小通过微加工所述间隔物的表面来实现。
17.如权利要求10所述的方法，其中将所得到的结构分成多个光电子模块包括沿穿过所述间隔物的线进行切割。
18.如权利要求10所述的方法，其中将一个或多个光学组件附接到所述间隔物包括将跨越多个光学通道的晶片级光学组件附接到所述间隔物。
19.如权利要求10所述的方法，其还包括，在施加所述上部真空注入工具和所述下部真空注入工具之前：
提供其中或其上形成有所述多个光电子装置的硅晶片；以及
切割所述硅晶片以形成多个分立的光电子装置。
20.如权利要求19所述的方法，其还包括在切割所述硅晶片之前，将光学滤波层施加到所述光电子装置中的至少一个。
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