CN110473868A - 光学系统及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种光学系统和一种制造光学系统的方法。所述光学系统包含承载架、光发射器、光接收器、块结构和封装。所述光发射器安置在所述承载架上。所述光接收器安置在所述承载架上且以物理方式与所述光发射器间隔开。所述光接收器具有光检测区域。所述块结构安置在所述承载架上。所述封装安置在所述承载架上并遮盖所述光发射器、所述光接收器和所述块结构。所述封装在所述块结构上方具有凹部。

Description

光学系统及其制造方法
技术领域
本公开涉及一种光学系统，且更具体地说，涉及一种包含光检测器和块结构的光学系统。
背景技术
在光学系统(例如，光扫描传感器、测距传感器、背景光感测系统)中，光发射器(例如，垂直空腔表面发射激光器(VCSEL)或发光二极管(LED))和/或光检测器被广泛使用。在一些光学系统中，可以实施封装来保护光发射器或光检测器。然而，由光发射器发射的一些光可在封装和封装外部的空气之间的边界处反射(例如，界面反射或全内反射)，且反射光可被光检测器接收，导致不可接受的串扰问题并减小光学系统的信噪比(SNR)。
发明内容
根据本公开的一方面，一种光学系统包含承载架、光发射器、光接收器、块结构和封装。光发射器安置在承载架上。光接收器安置在承载架上且以物理方式与光发射器间隔开。光接收器具有光检测区域。块结构安置在承载架上。封装安置在承载架上并遮盖光发射器、光接收器和块结构。封装在块结构上方具有凹部。
根据本公开的另一方面，一种光学系统包含承载架、光发射器、光接收器、块结构和封装。光发射器安置在承载架上。光接收器安置在承载架上且以物理方式与光发射器间隔开。光接收器在光接收器的顶表面上具有光检测区域。封装安置在承载架上并遮盖光发射器和块结构的至少一部分。块结构安置在光发射器和光接收器之间。块结构具有弯曲表面。封装在块结构上方具有凹部。凹部的底表面和承载架之间的距离小于光接收器的光检测区域和承载架之间的距离。
根据本公开的另一方面，一种制造光学系统的方法包含：(a)提供承载架；(b)在承载架上安置光发射器；(c)在承载架上安置光接收器，所述光接收器以物理方式与光发射器间隔开；(d)在承载架上形成遮盖光发射器和光接收器的封装；以及(e)在封装块结构上形成凹部。
附图说明
图1示出根据本公开的一些实施例的光学系统的横截面图；
图2A示出根据本公开的一些实施例的光学系统的横截面图；
图2B示出根据本公开的一些实施例的光学系统的透视图；
图3A示出根据本公开的一些实施例的光学系统的横截面图；
图3B示出根据本公开的一些实施例的光学系统的横截面图；
图3C示出根据本公开的一些实施例的光学系统的横截面图；
图3D示出根据本公开的一些实施例的光学系统的横截面图；
图3E示出根据本公开的一些实施例的光学系统的横截面图；
图4示出根据本公开的一些实施例的光学系统的横截面图；
图5A和图5B示出根据本公开的一些实施例的用于制造光学系统的方法；
图6A、图6B和图6C示出根据本公开的一些实施例的用于制造光学系统的方法；以及
图7A、图7B、图7C和图7D示出根据本公开的一些实施例的制造光学系统的方法。
贯穿图式和详细描述使用共同参考标号来指示相同或类似组件。根据以下结合附图作出的详细描述，可以最佳地理解本发明。
具体实施方式
图1示出光学系统1的横截面图。光学系统1包含衬底10、光发射器11、光检测器12和盖13。如图1所示，盖13具有安置在光发射器11和光检测器12之间的壁结构。在一些实施例中，盖13包含不透明材料，以防光发射器发射的非所要光直接透射到光检测器。然而，因为盖13的厚度(例如，厚度d1、d2或d3)相对较大(例如，盖13在x 方向或y方向上的总厚度增加约0.5毫米(mm)，在z方向上的厚度为约0.4mm)，所以使用盖13会妨碍光学系统1的小型化。
图2A示出在本公开的一些实施例中的光学系统2的横截面图。光学系统2包含承载架20、光发射器21、光接收器22、块结构(例如，挡板)23和封装24。
承载架20可包含例如印刷电路板，例如基于纸的铜箔层压体、复合铜箔层压体或经聚合物浸渍的(p.p.)的基于玻璃纤维的铜箔层压体。承载架20可包含互连结构，例如多个导电迹线、衬垫或穿孔。在一些实施例中，承载架20包含陶瓷材料或金属板。在一些实施例中，承载架20可包含衬底，例如有机衬底或引线框架。在一些实施例中，承载架20可包含双层衬底，所述双层衬底包含安置在承载架的上表面和底表面上的核心层和导电材料和/或结构。导电材料和/或结构可包含多个迹线、衬垫或通孔。
光发射器21安置在承载架20上。光发射器21可包含发射裸片或其它光学裸片。例如，光发射器21可包含发光二极管(LED)、激光二极管或可包含一或多个半导体层的另一装置。半导体层可包含硅、碳化硅、氮化镓或任何其它半导体材料。光发射器21 可借助(例如)倒装芯片或导线接合技术而连接到承载架20。在一些实施例中，光发射器 21包含在承载架20上通过裸片接合材料接合的LED裸片。LED裸片包含至少一个导线接合衬垫。LED裸片通过导电线电连接到承载架20，导电线的一端接合到LED裸片的导线接合衬垫，且其另一端接合到承载架20的导线接合衬垫。光发射器21具有背对承载架20的有源区域(或光发射区域)。
光接收器22安置在承载架20上且以物理方式与光发射器21间隔开。在一些实施例中，光接收器22包含例如PIN二极管(一种包含p型半导体区域、本征半导体区和n 型半导体区域的二极管)或光电二极管或光电晶体管。在一些实施例中，光接收器22不仅检测来自光发射器21的光，而且还包含具有用于环境光感测(ALS)的滤波器结构的一些不同感测区域。光接收器22可例如借助倒装芯片或导线接合技术(例如，通过接合线 23w)连接到承载架20。光接收器22具有背对承载架20的有源区域22d(或光检测区域)。在一些实施例中，光接收器22可包含控制器、处理器、存储器、专用集成电路(ASIC) 等等。
块结构(例如，挡板)23安置在承载架20上并横跨光接收器22中非光检测区域22d定位的一部分。例如，块结构23横跨集成于光接收器22内的其它电路而安置。在一些实施例中，块结构23可横跨接合线23w中将光接收器22连接到承载架20的一部分而安置，如图2B中所示，图2B示出图2A中的光学系统2的透视图。在一些实施例中，块结构23可遮盖光接收器22的侧壁的一部分。在一些实施例中，块结构23的底表面的宽度与块结构23的高度的比率约为2:1。在一些实施例中，块结构23可具有位于或邻近于块结构23的顶侧的弯曲结构23c。
在一些实施例中，块结构23包含不透明材料或吸光材料，以防光发射器21发射的光直接透射到光接收器22。例如，如图2A中所示，光接收器22检测到的光L1通过目标对象25反射，而在封装24和封装24外部的空气的边界处反射(例如，界面反射)的光 L2被块结构23阻挡。因此，光发射器21和光接收器22之间的串扰问题可以被消除或缓解，从而可以增加光学系统2的SNR。
在一些实施例中，在封装24和封装24外部的空气的边界处反射且被图2A或图2B中的光接收器22接收的光的功率比不具有块结构的光学系统中的光的功率小约1％到5％。例如，在封装24和封装24外部的空气的边界处反射且被图2A或图2B中的光接收器22接收的光的功率在具有块结构23的情况下可为约0.063微瓦特(μW)，在不具有块结构23的情况下可为约1.68μW。此外，因为光学系统2中不需要盖以免光发射器21 和光接收器22之间的串扰，所以图2A或图2B中的光学系统2的面积和厚度可以减小，从而实现紧凑包装大小。
封装24安置在承载架20上并遮盖光发射器21、光接收器22和块结构23的至少一部分。在一些实施例中，块结构23的一部分(例如，顶表面)从封装24暴露。块结构23 的顶表面与封装24的顶表面大体上共平面。在其它实施例中，块结构23可被封装24 完全遮盖。在一些实施例中，封装24包含透光材料。例如，封装24是一种透明化合物。例如，封装24包含环氧树脂。
图3A示出在本公开的一些实施例中的光学系统3A的横截面图。光学系统3A类似于图2A中的光学系统2，除了图3A中的块结构23不是横跨光接收器22安置。例如，块结构23安置在光发射器21和光接收器22之间且与光发射器21或光接收器22间隔开。
图3B示出在本公开的一些实施例中的光学系统3B的横截面图。光学系统3A类似于图3A中的光学系统3A，它们之间的差异在下文描述。
如图3B中所示，封装24具有凹部24r。凹部安置在光发射器21和光接收器22之间。凹部24r安置在块结构23上方。在一些实施例中，凹部24r暴露块结构23。在其它实施例中，凹部24r的下侧(例如，底表面或底侧)与块结构23间隔开。在一些实施例中，凹部24r的下侧可依据不同设计要求而小于、等于或大于光接收器22的有源区域 22d。
在一些实施例中，光接收器22通过接合线23电连接到承载架20。由于接合线23 需要空间(例如，线环)，所以封装24的厚度具有最小限制。例如，封装24的顶表面和光接收器22之间应该具有容纳接合线23的空隙。此外，如上文所提及，块结构23的底表面的宽度与块结构23的高度的比率应该遵循规则(例如，2:1)，因此如果块结构23 的高度设计成与封装24的厚度相同，那么块结构23的宽度将相对较大，这会增加块结构23所占用的面积(增加包装大小)。然而，如果块结构23的高度设计成小于封装24的厚度(例如，封装24的顶表面和块结构23的顶表面之间存在空隙)，那么从光发射器21 发射的光可直接进入光接收器22，这会导致不可接受的串扰问题并减小SNR。
根据如图3B中所示的实施例，凹部24r在块结构23上方形成，光发射器21发射的光(例如，L33)可通过凹部24r折射两次，其中一次折射在光从封装24发射到封装24 的外部时发生，另一次折射在光从封装24的外部发射到封装24时发生。因此，由光发射器21发射并直接进入光接收器22的有源区域22d的光的功率可减小。例如，由光发射器21发射并直接进入光接收器22的有源区域22d(如图3B的结构中所示)的光的功率可比不具有凹部的结构的光的功率小80％。因此，通过在块结构23上方形成凹部24r，由光发射器21发射并直接进入光接收器22的有源区域22d的光的功率可以减小，同时不会增加块结构23的高度。此外，块结构23包含不透明材料或吸光材料，以防光发射器21发射的光直接透射到光接收器22(例如，通过路径L34)。
图3C示出在本公开的一些实施例中的光学系统3C的横截面图。光学系统3C类似于图3B中的光学系统3B，除了图3C中的凹部24r的形状不同于图3B中的凹部24r的形状。在一些实施例中，凹部24r的形状可依据不同设计要求设计。在一些实施例中，凹部24r的底表面与块结构23间隔开。例如，凹部24r和块结构23之间存在空隙。
图3D示出在本公开的一些实施例中的光学系统3D的横截面图。图3D中的光学系统3D类似于图3A中的光学系统3A，除了图3D中的光学系统3D的封装24具有用于暴露块结构23的顶表面的凹部24r。例如，封装24的顶表面不与块结构23的顶表面共平面。在一些实施例中，图3D中的块结构23的硬度大于图2A或图3A中的块结构23 的硬度。在一些实施例中，凹部24r的底表面与块结构23的顶表面大体上共平面。例如，块结构23的顶表面从凹部24r暴露。在一些实施例中，凹部24r的宽度可等于或大于块结构23的宽度。
相比于图3C中的光学系统3C，图3D中的块结构23的顶表面从凹部暴露，这可以防止光发射器21发射的光直接透射到光接收器22。例如，如图3D中所示，在封装24 和封装24外部的空气的边界处反射(例如，界面反射)的光L31被块结构23阻挡。因此，光发射器21和光接收器22之间的串扰问题可以被消除或缓解，从而可以增加光学系统 3D的SNR。
图3E示出在本公开的一些实施例中的光学系统3E的横截面图。图3E中的光学系统3E类似于图3D中的光学系统3D，它们之间的差异在下文描述。
在一些实施例中，图3E中的凹部24r的宽度小于块结构23的宽度。如图3E中所示，块结构23可具有从封装24暴露的切割表面24r1。块结构23的切割表面24r1从围绕切割表面24r1的块结构23的其它部分凹入。在一些实施例中，凹部24r可由切割表面24r1和块结构23的至少一部分限定。作为实例，凹部24r的侧壁的至少一部分可由块结构23的一部分限定。在一些实施例中，所述块的部分可至少部分地围绕切割表面24r1，并从封装24暴露。
图4示出在本公开的一些实施例中的光学系统4的横截面图。图4中的光学系统4类似于图2A中的光学系统2，除了图4中的光学系统4的封装24具有用于暴露块结构 43的顶表面的凹部24r。例如，封装24的顶表面不与块结构43的顶表面共平面。
如图4中所示，在封装24和封装24外部的空气的边界处反射(例如，界面反射)的光L41被块结构23阻挡。因此，光发射器21和光接收器22之间的串扰问题可以被消除或缓解，从而可以增加光学系统4的SNR。在一些实施例中，在封装24和封装24外部的空气的边界处反射且被光接收器22接收的光的功率可为约0.028μW。
图5A和图5B示出根据本公开的一些实施例的制造光学系统的方法。在一些实施例中，图5A和图5B中的方法用于制造图2A中的光学系统2。
参考图5A，提供承载架20。光发射器21和光接收器22安置在承载架20上且以物理方式彼此间隔开。块结构23形成于承载架20上并横跨光接收器22中非光检测区域 22d定位的一部分。在一些实施例中，块结构23可通过在承载架20和光接收器22中非光检测区域22d定位的部分上分配不透明材料而形成。在一些实施例中，块结构23包含硅、环氧树脂或任何其它合适的材料(例如，不透明材料或吸光材料)。在一些实施例中，块结构23相对柔软或柔韧。例如，块结构23可由具有肖氏A50或更大硬度的材料形成。
接着，具有膜50f的模具工具50朝向承载架20移动以形成遮盖光发射器21、光接收器22和块结构23的封装24，从而形成光学系统2，如图5B中所示。在一些实施例中，模制化合物24通过压模成型工艺形成。因为支撑结构23相对柔软或柔韧，所以当在块结构23上按压模具工具50时，块结构23将被压缩。因此，块结构23的顶表面和封装24的顶表面之间不存在间隙。换句话说，块结构23的顶表面与封装24的顶表面大体上共平面。
图6A、图6B和图6C根据横截面图示出根据本公开的一些实施例的制造光学系统的方法。图7A、图7B、图7C和图7D根据透视图示出根据本公开的一些实施例的用于制造光学系统的方法。在一些实施例中，图6A、图6B和图6C或图7A、图7B、图7C 和图7D中的方法用于制造图4中的光学系统4。
参考图6A或图7A，提供承载架20。光发射器21和光接收器22安置在承载架20 上且以物理方式彼此间隔开。如图7A中所示，光接收器22通过接合线22w连接到承载架20。块结构43'形成于承载架20上并横跨光接收器22中非光检测区域22d定位的一部分。在一些实施例中，块结构43'横跨接合线22w的一部分安置，如图7B中所示。在一些实施例中，块结构43'可遮盖光接收器22的侧壁的一部分。在一些实施例中，块结构43'可通过在承载架20和光接收器22中非光检测区域22d定位的部分上分配不透明材料而形成。在一些实施例中，块结构43'包含硅、环氧树脂或任何其它合适的材料(例如，不透明材料或吸光材料)。在一些实施例中，块结构43'是相对较硬。例如，图6A 中的块结构43'比图5A中的块结构23硬。例如，块结构43'可由具有肖氏C或如肖氏 D90等更大硬度的材料形成。
接着，具有膜50f的模具工具50朝向承载架20移动以形成遮盖光发射器21、光接收器22和块结构43'的一部分的封装24，从而形成光学系统，如图6B或图7C中所示。在一些实施例中，封装24通过压模成型工艺形成。因为块结构43'相对较硬，所以当在块结构43'上按压模具工具50时，块结构43'不会变形。因此，如图6B中所示，块结构 43'从封装24的顶表面突出。膜50f由柔软材料形成，以便为块结构43'提供缓冲，以免开裂。
参考图6C或图7D，实行切割操作(例如，半切割)去除块结构43'的一部分和封装的一部分以形成凹部24r。块结构43的其余部分的顶表面从封装24暴露。例如，封装24 的顶表面比块结构43的顶表面高。例如，块结构43的顶表面从封装24的顶表面凹入。
如本文中所使用，术语“大体上”、“大体”、“大致”和“约”用于指示和解释小的变化。例如，当结合数值使用时，所述术语可指小于或等于所述数值的±10％的变化范围，例如，小于或等于±5％、小于或等于±4％、小于或等于±3％、小于或等于±2％、小于或等于±1％、小于或等于±0.5％、小于或等于±0.1％，或小于或等于±0.05％。作为另一实例，膜或层的厚度“大体上均匀”可指膜或层的平均厚度具有小于或等于±10％的标准偏差，例如小于或等于±5％、小于或等于±4％、小于或等于±3％、小于或等于±2％、小于或等于±1％、小于或等于±0.5％、小于或等于±0.1％，或小于或等于±0.05％。术语“大体上共平面”可指在沿着相同平面的50μm内的两个表面，例如在沿着相同平面的40μm内、在30μm内、在20μm内、在10μm内或在1μm内。如果例如两个组件重叠或在重叠的200μm内、150μm内、100μm内、50μm内、40μm内、30μm内、20μm内、10μm 内或1μm内，那么可认为这两个组件“大体上对准”。如果两个表面或组件之间的角为例如90°±10°，例如，±5°、±4°、±3°、±2°、±1°、±0.5°、±0.1°或±0.05°，那么这两个表面或组件可被认为“大体上垂直”。当结合事件或情况使用时，术语“大体上”、“大体”、“大致”和“约”可指所述事件或情况精确出现的例子，以及所述事件或情况非常近似地出现的例子。
在描述一些实施例时，一个组件设置“在另一组件上”可涵盖前者组件直接在后者组件上(例如，与后者组件物理接触)的情况，以及一或多个中间组件定位在前者组件和后者组件之间的情况。
此外，有时在本文中以范围格式呈现量、比率和其它数值。应理解，此类范围格式是为了便利和简洁而使用，且应灵活地理解，不仅包含明确地指定为范围极限的数值，而且还包含涵盖在所述范围内的所有个别数值或子范围，如同明确地指定每一数值和子范围一般。
尽管已参考本发明的特定实施例描述并说明本公开，但这些描述和说明并不限制本公开。所属领域的技术人员可清楚地理解，可进行各种改变，且可在实施例内替代等效元件而不脱离如由所附权利要求书定义的本公开的真实精神和范围。所述图示可能未必按比例绘制。归因于制造工艺等变量，本公开中的技术再现与实际设备之间可能存在区别。可存在未特定说明的本公开的其它实施例。应将本说明书和图式视为说明性而非限制性的。可进行修改，以使特定情形、材料、物质组成、方法或工艺适宜于本公开的目标、精神和范围。所有此类修改都既定在此所附权利要求书的范围内。虽然已参考按特定次序执行的特定操作描述本文中所公开的方法，但应理解，可在不脱离本公开的教示的情况下组合、细分或重新排序这些操作以形成等效方法。因此，除非本文中特别指示，否则操作的次序和分组并不限制本公开。

Claims (21)

1.一种光学系统，包括：
承载架；
光发射器，其安置在所述承载架上；
光接收器，其安置在所述承载架上且以物理方式与所述光发射器间隔开，所述光接收器在所述光接收器的顶表面上具有光检测区域；
块结构，其安置在所述承载架上；以及
封装，其安置在所述承载架上并遮盖所述光发射器、所述光接收器和所述块结构，
其中所述封装在所述块结构上方具有凹部。
2.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述块结构横跨所述光接收器的一部分安置。
3.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述块结构遮盖所述光接收器的侧壁的至少一部分。
4.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述光接收器通过导电线电连接到所述承载架，且所述块结构横跨所述导电线安置。
5.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述块结构的顶表面与所述封装的所述凹部的底表面大体上共平面。
6.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述块结构的顶表面与所述封装的所述凹部的底表面间隔开。
7.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述块结构从所述封装的所述凹部暴露。
8.根据权利要求7所述的光学系统，其中所述封装的所述凹部的侧壁的至少一部分由所述块结构限定。
9.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述块结构具有接触所述封装的所述凹部的底表面的顶部部分。
10.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述封装的所述凹部的底表面比所述光接收器的所述光检测区域高。
11.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述封装的所述凹部的底表面比所述光接收器的所述光检测区域低。
12.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述块结构由硅或环氧树脂形成。
13.一种光学系统，包括：
承载架；
光发射器，其安置在所述承载架上；
光接收器，其安置在所述承载架上且以物理方式与所述光发射器间隔开，所述光接收器在所述光接收器的顶表面上具有光检测区域；
不透明材料，其安置在所述光发射器和所述光接收器之间，所述不透明材料具有弯曲表面；以及
封装，其安置在所述承载架上并遮盖所述光发射器和所述不透明材料的至少一部分，
其中所述封装在所述不透明材料上方具有凹部。
14.根据权利要求13所述的光学系统，其中所述不透明材料的所述弯曲表面位于或邻近于所述不透明材料的顶部部分。
15.根据权利要求13所述的光学系统，其中所述不透明材料的顶表面与所述凹部的底表面大体上共平面。
16.根据权利要求13所述的光学系统，其中所述不透明材料的顶表面与所述封装的所述凹部的所述底表面间隔开。
17.根据权利要求13所述的光学系统，其中所述不透明材料从所述封装的所述凹部暴露。
18.一种制造光学系统的方法，包括：
(a)提供具有光发射器和光接收器的承载架；
(b)在所述承载架上形成遮盖所述光发射器和所述光接收器的封装；以及
(c)在所述封装上形成凹部。
19.根据权利要求18所述的方法，在操作(b)之前，其另外包括在所述承载架上在所述光发射器和所述光接收器之间形成块结构。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述块结构通过在所述承载架上分配不透明材料而形成。
21.根据权利要求18所述的方法，其中在操作(c)中，其另外包括移除所述块结构的一部分。
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