CN108076671A - 包括直接粘附到衬底的间隔件的光学组件 - Google Patents
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Abstract
本公开描述了可以例如使用晶片级过程来制造的光学组件。所述过程可以包括提供包括光学装置晶片的晶片堆叠、以及将间隔件直接模制到所述光学装置晶片的表面上。例如，可以使用真空注射技术来模制间隔件，使得它们在没有粘合剂的情况下粘附到所述光学装置晶片。
Description
技术领域
本公开涉及包括直接粘附到衬底的间隔件的光学组件以及此类光学组件的制造技术。
背景技术
小型光电模块(诸如成像装置)有时采用光学组件，其包括沿装置的光轴堆叠的透镜以实现期望的性能。在一些情况下，作为制造过程的一部分，形成堆叠的晶片被对准并粘结在一起。晶片可以例如通过胶水或其他粘合剂来彼此附接。然而，胶水有时迁移到可能对光学性能产生负面影响的区域。
另外，在一些情况下，使用相对较薄的间隔件晶片将堆叠中的各种光学构件彼此分开或者将光学组件与模块中的其他光电子部件分开。使用较薄间隔件晶片可以是有利的，因为它有助于减小组件或模块的总体高度。另一方面，在处理期间可能发生此类晶片的变形。另外，间隔件晶片有时由可吸收湿气的环氧树脂材料构成。对这种湿气的吸收可能导致晶片尺寸的相对较大改变，这可能对组件的光学性能产生负面影响。
发明内容
本公开描述了包括直接粘附到衬底的间隔件的光学组件以及此类光学组件的制造技术。可以例如使用晶片级过程来制造光学组件，在所述晶片级过程中同时并行地制造许多组件。所述过程可以包括提供包括光学装置晶片的晶片堆叠、以及将间隔件直接模制到所述光学装置晶片的表面上。例如，可以使用真空注射技术来模制间隔件，使得它们在没有粘合剂的情况下粘附到所述光学装置晶片。
在一个方面，例如，制造光学组件的晶片级方法包括提供包括彼此堆叠的多个晶片的晶片堆叠，所述多个晶片包括光学装置晶片。随后将间隔件直接模制到所述光学装置晶片的表面上，其中所述间隔件在没有粘合剂的情况下粘附到所述光学装置晶片的所述表面。
一些实施方式包括以下特征中的一个或多个。例如，在一些情况下，通过真空注射来形成所述间隔件。所述真空注射可以包括将环氧树脂注射至由真空注射工具限定的空间中。在一些情况下，在所述真空注射期间，沿着所述晶片堆叠中的相应晶片的周边设置一些环氧树脂，并且还可以沿着所述光学装置晶片的在其外围处的表面和/或沿着所述晶片堆叠的在所述晶片堆叠的一个端部处的表面设置一些环氧树脂，所述晶片堆叠的所述表面与所述光学装置晶片的表面相对。
另一方面描述了一种光学组件，所述光学组件包括第一衬底和第二衬底，其通过具有开口的第一间隔件来彼此分开，其中所述衬底对于特定波长或波长范围是透明的。所述光学组件可以包括在至少一个所述衬底上的光束成形元件。所述组件还包括第二间隔件，其直接附接到所述第二衬底的表面，使得所述第一间隔件和所述第二间隔件位于所述第二衬底的相对侧上，并且所述第二间隔件在没有粘合剂的情况下粘附到所述第二衬底的所述表面。所述第一衬底和所述第二衬底以及所述第一间隔件和所述第二间隔件的外部横向尺寸可以彼此相同。
在一些情况下，所述第二间隔件模制在所述第二衬底的所述表面上，包括环氧树脂材料(例如，真空注射的环氧树脂)。所述第一衬底和所述第二衬底可以例如由选自由玻璃、聚合物组成的组的材料构成。在一些情况下，相应光束成形元件设置在所述第一衬底和所述第二衬底中的每一个上。
一些实现方式提供以下优点中的一个或多个。例如，由于将模制间隔件粘附到光学装置晶片不需要粘合剂，因此所述晶片级过程可以有助于缓解如果使用胶水或其他粘合剂时可能发生的问题(例如，胶粘剂迁移到晶片堆叠的敏感区域；将湿气吸收到间隔件晶片中)。另外，在一些实现方式中，将间隔件直接模制到光学装置晶片上可以减小未对准和/或处理变形。
以下更详细地描述各种实施方案。其他方面、特征和优点将从以下详细描述、附图和权利要求书中显而易见。
附图说明
图1示出光学组件的实例。
图2示出包括至少一个光学装置晶片的晶片堆叠的实例。
图3是示出制造光学组件的示例性晶片级过程的流程图。
图4A示出真空注射工具中的晶片堆叠的实例。
图4B、图4C和图4D示出真空注射工具中的晶片堆叠的另外实例。
图5示出在光学装置晶片上形成间隔件期间的真空注射工具中的晶片堆叠。
图6示出从真空注射工具移除之后的晶片堆叠的实例。
图7示出真空注射工具中的晶片堆叠的另一个实例。
具体实施方式
图1示出光学组件20的实例，所述光学组件20包括通过第一隔离件24彼此附接以形成堆叠的第一透明衬底22A和第二透明衬底22B。例如，衬底22A、22B可以由玻璃或聚合物构成。在一些情况下，衬底22A、22B中的一者或两者可以在其表面上包括一个或多个滤光器，以便仅允许具有特定波长或波长范围的光(例如，红外光或可见光)穿过组件20。
透明衬底22A、22B中的一个或多个可以在其表面中的一者或两者上包括至少一个透镜或其他光束成形元件26。尽管所示实例示出位于透明衬底22A、22B中的每一个上的至少一个透镜26，但是在一些情况下，透镜或其他光束成形元件可以仅存在于一个透明衬底上并且可以存在于给定衬底的一侧或两侧上。在一些情况下，衬底22A、22B中的仅一个可以在其表面上具有透镜。
第一间隔件24将透明衬底22A、22B彼此分开并且可以具有例如中间带开口29的环形形状或矩形形状以便横向围绕透镜26。例如，透明衬底22A、22B可以通过胶水或其他粘合剂来附接到第一间隔件24的相对端部。
如上所述，第一间隔件24附接到第二衬底22B的第一表面30A。此外，第二间隔件28可以设置在第二衬底22B的第二相对表面30B上。类似于第一间隔件24，第二间隔件28可以具有例如中间带开口32的环形形状或矩形形状。在一些情况下，光学组件20可以例如定位在印刷电路板(PCB)上，所述印刷电路板(PCB)上安装有发光元件或光检测元件(例如，LED、OLED、激光芯片、VCSEL、光电二极管、图像传感器)。在此类实现方式中，第二间隔件28可以确保发光或光检测表面与组件中的光学元件之间的明确限定的距离。衬底22A、22B和间隔件24、28的外部横向尺寸(即，沿着图1中的x和z轴)可以基本上彼此相同。
在一些实现方式中，第一间隔件24由聚合物材料构成，所述聚合物材料例如是可硬化(例如，可固化)的聚合物材料，诸如对于感兴趣的波长是基本不透明的环氧树脂。在一些情况下，间隔件24、28中的一者或两者具有热固性聚合物材料、UV固化聚合物材料或可见光固化聚合物材料，并且还包括一种或多种颜料、无机填料和/或染料，其使得间隔件对于旨在结合其使用光学组件20的特定波长或波长范围的光是基本上不透明的(即，不透明)。第二间隔件28可以由真空注射的树脂或其他聚合物构成。
尽管第一间隔件24可以通过粘合剂附接到衬底22A、22B，但第二间隔件28被直接模制到第二衬底22B的表面30B上。如以下更详细描述的，可以使用真空注塑模制过程来形成第二间隔件28。这种技术允许第二间隔件28在不使用胶水或其他粘合剂的情况下设置在第二衬底22B上并固定到第二衬底22B。因此，尽管间隔件28可以由与透明衬底22B的材料不同的材料构成，但在间隔件28和衬底22B相交的边界34处不存在胶水或其他粘合剂。
类似组件20的光学组件可以用晶片级过程来制造，所述晶片级过程允许同时制造多个组件。通常，晶片是指基本上盘状或板状的物品，其在一个方向(y方向或垂直方向)上的延伸相对于另两个方向(x方向和z方向或横向)上的延伸是小的。在一些实施方式中，晶片直径在5cm与40cm之间，并且例如可以在10cm与31cm之间。晶片可以是圆柱形的，其直径例如为2、4、6、8或12英寸，一英寸为约2.54cm。在晶片级过程的一些实现方式中，可以在每个横向方向上规定至少十个模块，并且在一些情况下可以在每个横向方向上规定至少三十个甚至五十个或更多个模块。
在晶片级过程的实例中，如图2所示，第一光学装置晶片122A和第二光学装置晶片122B通过粘合剂(例如，胶水)附接到具有开口29的间隔件晶片124。例如，可以通过丝网印刷或其他合适的技术来沉积胶水。例如，粘合剂可以是可热固化和/或可UV固化的环氧树脂。然后，将光学装置晶片122A、122B和间隔件晶片124对准并粘结在一起。例如，结果是如图2所示的晶片堆叠120。
例如，间隔件晶片124可以由UV固化或热固化环氧树脂(或其他聚合物)构成，所述环氧树脂在一些情况下可能包含炭黑(或其他暗颜料)或无机填料或染料以实现期望的光学性质。可以使用各种聚合物材料(例如，环氧树脂、丙烯酸酯、聚氨酯或硅酮材料)作为间隔件晶片124的基材。
第一光学装置晶片122A和第二光学装置晶片122B可以由透明材料(诸如玻璃或聚合物材料)构成。在图2的实例中，光学装置晶片122A、122B中的每一个在其表面上包括多个光束成形元件(例如，透镜)26。例如，可以通过复制过程在光学装置晶片122A、122B上形成透镜26，所述复制过程是指借助其来再现给定结构或其负像的技术，例如蚀刻、压印、模制或真空注射。在复制过程的特定实例中，将结构化表面压印到液体粘性或可塑性变形的材料中；然后例如通过使用紫外线辐射或加热的固化使材料硬化；并且然后移除结构化表面。因此，获得了结构化表面的复制品(其在这种情况下是负像复制品)。适用于复制的材料是例如可硬化的(例如，可固化的)聚合物材料或其他复制材料，即在硬化或凝固步骤(例如，固化步骤)中可从液体粘性或可塑性变形状态转变成固态的材料。
在第二光学装置晶片122B上形成真空注射模制间隔件之前，可以相对于第二光学装置晶片122B的背侧表面执行表面制备(参见图3的50)。例如，可以清洁光学装置晶片122B的背侧表面以改善其粘附性质。在一些情况下，表面制备可以包括改变光学装置晶片表面的润湿性或其他特性。因此，在一些情况下，使第二光学装置晶片122B的背侧(即，光学装置晶片122B的与在其上形成复制透镜26的表面相对的表面)经受O2等离子体。
接下来，如图4A所示，将晶片堆叠120放置在平坦的PDMS真空密封吸盘202上，使得第一光学装置晶片122A的背侧与真空密封吸盘接触(也参见图3的52)。因此，光学装置晶片122A的与在其上形成复制透镜26的表面相对的表面停留在真空密封吸盘202上。然后，使真空注射工具204与第二光学装置晶片122B的背侧表面接触(图3的54)。真空注射工具204包括区域208，所述区域208限定要在第二光学装置晶片122B的背侧上形成的第二间隔件的形状和位置。区域208可以形成空间网格或空间阵列，其被布置成对应于由间隔件晶片124限定的间隔件晶片的间距。在一些情况下，环形密封板206设置在真空密封吸盘202与真空注射工具204之间。将真空注射工具204与晶片堆叠120对准，使得用于第二间隔件28的区域208被定位成与间隔件晶片124的对应部分一致(也参见图3的56)。为此目的，工具204和/或光学装置晶片122B可以包括对准标记。
真空泵210可以设置在真空密封吸盘202的出口212附近，以有助于使注射材料(例如，SO4或其他环氧树脂)通过入口214流入用于第二间隔件的区域208中(图3的58)。一旦注射的环氧材料填充真空注射工具204的区域208，就可以例如通过UV和/或热固化使环氧树脂固化(即硬化)(图3的60)。在一些情况下，用于固化的UV辐射可以从真空注射工具侧入射，在这种情况下，工具204需要对于UV辐射是透明的。结果是在第二光学装置晶片122B的背侧上包括间隔件28的晶片堆叠。因此，所述过程导致直接模制到第二光学装置晶片122B的表面的间隔件28。由于在这个处理阶段中不需要粘合剂，因此所述过程可以有助于缓解如果使用胶水或其他粘合剂时可能发生的问题(例如，胶粘剂迁移到晶片堆叠的敏感区域；将湿气吸收到间隔件晶片中)。在一些实现方式中，将间隔件28直接模制到光学装置晶片122B上可以减小未对准和/或处理变形。
另外，在一些情况下，可以将一些环氧树脂220注射到晶片堆叠120的周边处的空间219中(参见图4A和5)。一旦环氧树脂固化，环绕堆叠120的周边的空间219中的环氧树脂220有助于将晶片122A、124、122B保持在一起并且有助于使晶片堆叠更稳固(参见图5)。因此，真空注塑的环氧树脂220可以有助于防止在晶片堆叠中发生未对准或其他变形。在一些情况下，工具204可以被成形以使得一些注射的环氧树脂220存在于靠近其外围的第二光学装置晶片122B的上(即，工具侧)表面上。如图5的实例所示，这导致围绕堆叠120的周边的环氧树脂的钩形，其可以更好地将堆叠保持在一起。类似地，在一些情况下，真空密封吸盘202可以被成形以使得一些注射的环氧树脂220存在于第一光学装置晶片122A的下(即，密封吸盘侧)表面上。通过围绕晶片堆叠120的周边提供环氧树脂220并且还在两个光学装置晶片122A、122B的靠近其相应外围的外表面上提供环氧树脂220，环氧树脂220可以用作夹具以便将晶片堆叠120中的晶片保持在一起并且有助于防止未对准或其他变形。在前述实现方式中，有助于将晶片堆叠120保持在一起的环氧树脂220被直接模制到堆叠中的晶片122A、124、122B。
在一些实现中，例如，如图4A和5所示，光学装置晶片122A、122B和间隔件晶片124的外部横向尺寸可以是基本上彼此相同的。然而，在其他实现方式中，如图4B的实例中所示，光学装置晶片122A、122B的外部横向尺寸可以稍微延伸超过间隔件晶片124的外部横向尺寸。在一些情况下，如图4C所示，仅一个光学装置晶片(例如，光学装置晶片122B)的外部横向尺寸可以延伸超过另一个光学装置晶片以及间隔件晶片124的外部横向尺寸。另外，在一些情况下，如图4D所示，两个光学装置晶片122A、122B的外部横向尺寸可以稍微延伸超过间隔件晶片124的外部横向尺寸并超过真空密封吸盘202的外部横向尺寸。在每个上述实例中，环氧树脂不仅可以设置在晶片堆叠中的晶片122S、122B、124的周边上，而且还可以存在于光学装置晶片122A、122B的靠近其相应外围的一个或多个表面上以便更好地将堆叠保持在一起。
在环氧树脂固化之后，在从真空注射工具中移除晶片堆叠(图3的62)之前，可以允许经过冷却和/或环氧树脂固化周期。图6示出从真空注射工具中移除之后的晶片堆叠(包括模制隔离件28)的实例。在从工具中移除晶片堆叠之后，将堆叠分成(例如，通过切割)多个光学组件(图3的64)。每个光学组件可以包括如图1的实例中的单个光学通道，或者可以包括多个光学通道，诸如并排布置的通道阵列。
在一些实现方式中，可以修改真空注射工具以便有助于在第二光学装置晶片122B的与间隔件28相同的表面上形成无源光学元件。这种无源光学元件可以例如通过折射和/或衍射和/或反射来重新引导光，并且可以包括例如一个或多个透镜或棱镜，以及可以通过复制技术来形成。图7示出这种工具204A的一个实例，所述工具204A可以用于直接在作为晶片堆叠120的一部分的光学装置晶片上形成间隔件以及无源光学元件。
如图7所示，工具204A是组合的复制和真空注射工具，其包括用于形成光学元件(例如，透镜)的光学元件复制部分224。在使工具204A与光学装置晶片122B的表面接触之前，在工具204A的光学元件复制部分224上提供复制材料。复制材料应当能够从液态或可塑性变形状态进入固态。复制材料的一个实例是UV固化或可热固化的透明环氧树脂，其可以被倾倒或分配到复制工具204A的光学元件复制部分224上。将堆叠120中的光学装置晶片122B与工具204A的间隔件复制部分224接触，这导致复制材料被按压在限定光学元件复制部分224的区域与光学装置晶片122B的表面之间。由此将复制的光学元件压印在复制材料上，所述复制材料直接粘附到光学装置晶片122B的表面。然后，如以上结合图4和图5所述，可以通过将环氧树脂真空注射到空间208中，直接在光学装置晶片122B的相同表面上形成间隔件。
可以在本发明的精神内做出各种修改。因此，其他实现方式也在权利要求的范围内。
Claims (17)
1.一种制造光学组件的晶片级方法，所述方法包括：
提供包括彼此堆叠的多个晶片的晶片堆叠，所述多个晶片包括光学装置晶片；以及
随后将间隔件直接模制到所述光学装置晶片的表面上，其中所述间隔件在没有粘合剂的情况下粘附到所述光学装置晶片的所述表面。
2.如权利要求1所述的方法，其包括通过真空注射来形成所述间隔件。
3.如权利要求2所述的方法，其中所述真空注射包括将环氧树脂注射至由真空注射工具限定的空间中。
4.如权利要求3所述的方法，其中在所述真空注射期间，沿着所述晶片堆叠中的相应晶片的周边设置一些环氧树脂。
5.如权利要求4所述的方法，其中在所述真空注射期间，沿着所述光学装置晶片的在其外围处的表面设置一些环氧树脂。
6.如权利要求4所述的方法，其中在所述真空注射期间，沿着所述晶片堆叠的在所述晶片堆叠的一个端部处的表面设置一些环氧树脂，所述晶片堆叠的所述表面与所述光学装置晶片的表面相对。
7.如权利要求4所述的方法，其中在所述真空注射期间，沿着所述光学装置晶片的在其外围处的表面设置一些环氧树脂，并且沿着所述晶片堆叠的在所述晶片堆叠的一个端部处的表面设置一些环氧树脂，所述晶片堆叠的所述表面与所述光学装置晶片的表面相对。
8.如权利要求1-7中任一项所述的方法，其中所述晶片堆叠包括间隔件晶片，并且其中通过所述真空注射形成的所述间隔件与所述间隔件晶片的间隔件区域对准。
9.如权利要求1-8中任一项所述的方法，其中所述光学装置晶片由选自由玻璃、聚合物组成的组的材料构成。
10.如权利要求9所述的方法，其中所述光学装置晶片在其至少一个表面上包括无源光学元件。
11.如权利要求3-7中任一项所述的方法，其包括：
使环氧树脂固化；以及
将所述晶片堆叠分成多个光学组件。
12.一种光学组件，其包括：
第一衬底和第二衬底，其通过具有开口的第一间隔件来彼此分开，其中所述衬底对于特定波长或波长范围是透明的；
光束成形元件，其位于至少一个所述衬底上；以及
第二间隔件，其直接附接到所述第二衬底的表面，使得所述第一间隔件和所述第二间隔件位于所述第二衬底的相对侧上，其中所述第二间隔件在没有粘合剂的情况下粘附到所述第二衬底的所述表面，
其中所述第一衬底和所述第二衬底以及所述第一间隔件和所述第二间隔件的外部横向尺寸彼此相同。
13.如权利要求12所述的光学组件，其中所述第二间隔件模制在所述第二衬底的所述表面上。
14.如权利要求12所述的光学组件，其中所述第二间隔件包括环氧树脂材料。
15.如权利要求12所述的光学组件，其中所述第二间隔件包括真空注射的环氧树脂。
16.如权利要求12-15中任一项所述的光学组件，其中所述第一衬底和所述第二衬底由选自由玻璃、聚合物组成的组的材料构成。
17.如权利要求12-16中任一项所述的光学组件，其包括在所述第一衬底和所述第二衬底中的每一个上的相应光束成形元件。
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