CN112106207A - 光电模块及用于制造光电模块的晶片级方法 - Google Patents

光电模块及用于制造光电模块的晶片级方法 Download PDF

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Abstract

一种装置包括安装至PCB基板的光电部件。透射粘合剂被直接设置在光电部件上，并且透射由光电部件感测的或由光电部件发射的波长的光。该装置包括直接设置在透射粘合剂上的滤光器。环氧树脂侧面地围绕透射粘合剂和滤光器的侧表面并与侧表面接触。环氧树脂不透射由光电部件感测的或由光电部件发射的波长的光。在一些情况下，环氧树脂在滤光器的正上方限定用于容纳诸如光漫射器的光学部件的凹槽。还公开了制造模块的方法。

Description

光电模块及用于制造光电模块的晶片级方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年3月7日提交的美国临时专利申请62/639,700的优先权及其权益。在先申请的内容通过引用整体并入本文。
技术领域
本公开涉及光电模块和用于制造该模块的晶片级方法。
背景技术
诸如智能电话和其他主机计算设备的各种消费电子产品包括具有集成的光感测或光发射器件的紧凑型光电模块。在一些情况下，在主机设备中，空间非常宝贵。因此，期望使模块尽可能小和紧凑。由于制造和其他公差的原因，模块的尺寸(例如，高度)趋于变化。然而，期望为模块获得更大的一致性。
发明内容
本公开描述光电模块以及以晶片级工艺制造这种模块的方法。
例如，在一个方面，本公开描述一种包括安装至PCB基板的光电部件的装置。透射粘合剂被直接设置在光电部件上，并且透射由光电部件感测的或由光电部件发射的波长的光。该装置包括直接设置在透射粘合剂上的滤光器，以及侧面地围绕透射粘合剂和滤光器的侧表面并与侧表面接触的环氧树脂。环氧树脂不透射由光电部件感测的或由光电部件发射的波长的光。
一些实施方式包括以下特征中的一个或多个。例如，环氧树脂可以在滤光器的正上方限定容纳光学部件(例如，光漫射器)的凹槽。优选地，由于存在透射粘合剂，所以在光电部件和滤光器之间没有气隙。环氧树脂可以是例如黑色环氧树脂。
在一些情况下，光电部件可操作为发射光。在其他情况下，光电部件可操作为感测光。不论发生何种情况，透射粘合剂和滤光器可以被设置为与光电部件的光轴相交。
如本公开中描述的模块可以被集成到诸如智能电话或其他便携式计算设备的主机设备中。因此，在另一方面，本公开描述一种包括主机设备以及光电模块的装置，该主机设备包括处理器和显示屏。光电模块可以包括如上所述和/或下面更详细描述的特征。处理器可操作为至少部分地基于来自光电部件的信号来控制主机设备的特征。
在另一方面，本公开描述一种制造光电模块的方法。该方法包括将PCB晶片保持在第一真空注射成型工具中，其中多个光电部件被安装在PCB晶片上，光电部件中的每一个在与光电部件的光轴相交的表面上具有相应量的未硬化透射粘合剂，其中粘合剂透射由光电部件感测的或由光电部件发射的波长的光。该方法进一步包括提供第二真空注射成型工具，其包括具有结构化表面的弹性体层，结构化表面上安装有多个滤光器。第一真空注射成型工具和第二真空注射成型工具彼此靠近，以挤压滤光器使其与未硬化透射粘合剂接触。随后，使透射粘合剂硬化。该方法包括将环氧树脂注入第二真空注射成型工具的弹性体层和PCB晶片之间的空间，使得环氧树脂侧面地围绕透射粘合剂和滤光器的侧表面并与侧表面接触，其中环氧树脂不透射由光电部件感测的或由光电部件发射的波长的光。环氧树脂被硬化。该方法包括切穿黑色环氧树脂以形成分割后模块，分割后模块中的每一个包括光电部件中的至少一个。
一些实施方式包括以下特征中的一个或多个。例如，该方法可以包括选择性地将未硬化透射粘合剂分配至每个相应光电部件的表面上，使得粘合剂与光电部件的光轴相交。在一些情况下，密封板被设置在弹性体层上，并且当第一真空注射成型工具和第二真空注射成型工具组合在一起以挤压滤光器使其与未硬化透射粘合剂接触时，密封板限定将第一真空注射成型工具和第二真空注射成型工具隔开的精确高度。
各个优点可以在一些实施方式中获得。例如，在一些情况下，制造工艺可以导致模块之间更大的一致性(例如，其厚度的更大的一致性)。
根据以下具体实施方式、附图和权利要求，其他方面、特征和优点将显而易见。
附图说明
图1至图8示出制造光电模块的方法中的各步骤。
图9示出光电模块的示例。
具体实施方式
本公开描述用于同时并行地制备多个光电模块的晶片级制造技术。每个模块包括光电部件，诸如光发射管芯或光接收器管芯(例如，集成电路半导体芯片)。光发射部件的示例包括发光二极管(LED)、红外(IR)LED、有机LED(OLED)、红外(IR)激光二极管、垂直腔面发射激光器(VCSEL)以及此类器件的阵列。光接收器部件的示例包括图像传感器、光电二极管以及此类器件的阵列。关联的处理电路可以在例如可包括适当的逻辑和/或其他硬件部件(例如，读出寄存器；放大器；模数转换器；时钟驱动器；时序逻辑；信号处理电路；和/或微处理器)的同一集成电路半导体芯片中实现。
每个模块还包括设置在光电部件正上方并与光电部件的光轴相交的滤光器。为了适应在制造工艺期间各种光电部件之间的厚度的轻微差异，在每个滤光器与关联的光电部件的上表面之间提供透明粘合剂。在制造工艺中使用透明粘合剂可以导致模块之间更大的一致性(例如，其厚度的更大的一致性)。
以下段落描述晶片级工艺的示例。
如图1中所示，多个光电部件26通过各自的管芯焊盘28被安装至印刷电路板(PCB)晶片24上。接合线30可以提供从光电部件26上的导电焊盘至PCB晶片24上的导电焊盘的电连接。接合线30可以例如由保护性粘合剂或环氧树脂封装。PCB晶片24通过双面胶带22贴附至由例如玻璃组成的透明刚性载体20。
接下来，如图2所示，少量的透明粘合剂材料32被分配至每个光电部件26的顶表面上。粘合剂材料32可以是例如透射由光电部件26发射的或由光电部件26可检测的光(例如，可见光或红外光)的波长的环氧树脂。在一些情况下，透明粘合剂32具有相对较高的粘度。进一步，透明粘合剂32可以具有相对小的热膨胀系数(CTE)。具体而言，在一些情况下，透明粘合剂32的CTE与光敏部件或光发射部件的CTE相同或非常接近(例如，足够接近以防止制造光电模块时的破裂、断裂、分层或其他机械缺陷)。
如图3中所示，上真空注射成型(VIM)工具40，也可以称为挡板工具，包括在刚性基板42上的结构化弹性体层44。刚性基板42可以由例如玻璃组成。弹性体层44可以由例如聚二甲基硅氧烷(PDMS)组成，并且包括略微延伸超过弹性体层44的主表面50的突起46。每个突起46优选具有稍大于滤光器48的宽度的宽度(即，在平行于PCB晶片24的平面的x-y方向上)。
接下来，如图4中所示，相应的滤光器48被放置在PDMS层44的突起46中的每一个上。滤光器48可以例如通过拾取和放置设备来放置。在一些情况下，辐射变色膜(RCF)可以被提供为滤光器48。
如图5中所示，其上安装有PCB晶片24的透明刚性载体20被放置在也可以称为基板工具的下VIM工具50上。基板工具50包括在例如由玻璃组成的刚性基板54上的弹性体(例如，PDMS)层52。具有大的中心开口的密封板55被设置在弹性体层52上靠近其外围，并限定精确的高度，当如图6中所示将上VIM工具40和下VIM工具50组合在一起时，该精确的高度将它们隔开。
当上VIM工具40和下VIM工具50被组合在一起时，滤光器48挤压之前沉积在光电部件26上的透明粘合剂32的区域中的对应区域，从而压平粘合剂32。然后，透明粘合剂32可以例如通过UV或热固化来硬化。在上工具40的弹性体层44和PCB晶片24之间保留空间58。在随后的步骤中，这些空间58被填充有黑色环氧树脂。
因为密封板55固定了上VIM工具40和下VIM工具50之间的距离，并且因为刚性基板54有助于防止PCB晶片24弯曲，所以从特定的光电部件26的底部至粘合剂材料48的顶部的总高度从部件到部件基本上是一致的。以这种方式，透明粘合剂32有助于适应光敏或光发射部件26的厚度的变化。
接下来，如图7中所示，在上VIM工具40和下VIM工具50保持在原位的同时，通过VIM工艺将黑色环氧树脂60注入并填充空间58。然后，黑色环氧树脂60可以例如通过UV和/或热固化来硬化。在一些情况下，这可以在上工具40和下工具50保持在原位的同时完成。因此，黑色环氧树脂60封装光电部件26，并侧面地围绕透明粘合剂32和滤光器48。如图7所示，黑色环氧树脂60与粘合剂32和滤光器48的侧表面接触。虽然注入的环氧树脂60可以被称为黑色环氧树脂，但更一般而言，环氧树脂60应该不透射由安装在PCB晶片24上的光电部件26感测的或发射的波长的光。在环氧树脂材料60被硬化之后，VIM工具40、50被去除(见图8)。
在一些情况下，穿过黑色环氧树脂60形成窄垂直沟槽。沟槽优选地部分延伸至PCB晶片24中并且用于释放应力。沟槽可以例如通过切割而形成，并将光电部件26中相邻的光电部件彼此隔开。在一些情况下，另外，较大的沟槽可以更靠近PCB晶片24的边缘而形成，并且可以在随后从带22释放PCB晶片24期间提供帮助。在一些情况下，中间载体被贴附至组件的顶部(即，在黑色环氧树脂60的外表面上)，同时施加热量以去除双面胶带22以及刚性载体20。
然后，在最终的分割工艺(例如，切割)期间，部分隔开的模块可以彼此完全隔开。结果是多个分割后模块100(见图9)，其中每个包括通过管芯焊盘106安装在PCB基板104上的光电部件26、设置在光电部件正上方的滤光器48以及在滤光器和光电部件的上表面之间的透明粘合剂32。透明粘合剂32与光电部件26的上表面以及滤光器48的下表面接触。因此，在光电部件26和滤光器48之间不存在气隙。如上所述，上述工艺可以导致模块高度的变化较小，并且因此模块之间更加一致。
从图9可以看出，黑色环氧树脂60封装光电部件26，并侧面地围绕透明粘合剂32和滤光器48。黑色环氧树脂60还限定多个凹槽：第一凹槽62容纳滤光器48，并且第二凹槽64可以容纳另一光学部件(例如，光漫射器或透镜等)。上述的VIM工艺允许同时形成两个凹槽。如图9中所示，第二凹槽64的宽度可以比滤光器48的宽度稍大。
模块100还可以包括接合线108，其在光电部件26顶部上的接合焊盘与PCB基板104上的另外的接合焊盘之间提供电连接。在一些情况下，在执行上述的VIM工艺之前，接合线108可以由环氧树脂封装。
这里描述的模块100可以被集成到各种各样的便携式计算设备中，诸如智能电话、可穿戴设备、生物设备、移动机器人、监控摄像机、便携式摄像机、膝上型计算机和平板计算机等。模块100在其背面上可以包括SMT或其他焊盘102，以允许将模块安装至例如主机设备中的PCB弯曲电缆上。这些模块可以用作例如光学感测模块，诸如用于手势感测或识别。
本公开中引用的智能电话和其他便携式计算设备的设计可以包括一个或多个处理器、一个或多个存储器(例如，RAM)、储存器(例如，磁盘或闪存)、用户接口(其可以包括例如键盘、TFT LCD或OLED显示屏、触摸或其他手势传感器、照相机或其他光学传感器、指南针传感器、3D磁力计、3轴加速度计、3轴陀螺仪、一个或多个麦克风等，以及用于提供图形用户界面的软件指令)、这些元件之间的互连(例如，总线)以及与其他设备进行通信的接口(其可以是诸如GSM、3G、4G、CDMA、WiFi、WiMax、Zigbee或蓝牙的无线，和/或诸如通过以太网局域网、T-1因特网连接的有线)。在一些情况下，一个或多个处理器使用来自模块的信号(例如，来自接收器管芯24的信号)来调整主机设备的显示屏的亮度。
各种修改将是显而易见的，并且可以对前述示例进行各种修改。结合不同实施例描述的特征在一些情况下可以并入同一实施方式中，并且结合前述示例描述的各种特征可以从一些实施方式中省略。因此，其他实施方式在权利要求的范围内。

Claims (20)

1.一种装置，包括：
安装至PCB基板的光电部件；
直接设置在所述光电部件上的透射粘合剂，其中所述粘合剂透射由所述光电部件感测的或由所述光电部件发射的波长的光；
直接设置在所述透射粘合剂上的滤光器；以及
侧面地围绕所述透明粘合剂和所述滤光器的侧表面并与所述侧表面接触的环氧树脂，其中所述环氧树脂不透射由所述光电部件感测的或由所述光电部件发射的波长的光。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述环氧树脂在所述滤光器的正上方限定容纳光学部件的凹槽。
3.根据权利要求1所述的装置，其中所述环氧树脂在所述滤光器的正上方限定容纳光漫射器的凹槽。
4.根据权利要求1所述的装置，其中在所述光电部件和所述滤光器之间不存在气隙。
5.根据权利要求1所述的装置，其中所述光电部件可操作为发射光。
6.根据权利要求1所述的装置，其中所述光电部件可操作为感测光。
7.根据权利要求1所述的装置，其中所述环氧树脂是黑色环氧树脂。
8.根据权利要求1所述的装置，其中所述透射粘合剂和所述滤光器被设置为与所述光电部件的光轴相交。
9.一种方法，包括：
将PCB晶片保持在第一真空注射成型工具中，其中多个光电部件被安装在所述PCB晶片上，所述光电部件中的每一个在与所述光电部件的光轴相交的表面上具有相应量的未硬化透射粘合剂，其中所述粘合剂透射由所述光电部件感测的或由所述光电部件发射的波长的光；
提供第二真空注射成型工具，所述第二真空注射成型工具包括具有结构化表面的弹性体层，所述结构化表面上安装有多个滤光器；
使所述第一真空注射成型工具和所述第二真空注射成型工具彼此靠近，以挤压所述滤光器使所述滤光器与所述未硬化透射粘合剂接触；
随后硬化所述透射粘合剂；
将环氧树脂注入所述第二真空注射成型工具的所述弹性体层和所述PCB晶片之间的空间中，使得所述环氧树脂侧面地围绕所述透射粘合剂和所述滤光器的侧表面并与所述侧表面接触，其中所述环氧树脂不透射由所述光电部件感测的或由所述光电部件发射的波长的光；
硬化所述环氧树脂；以及
切穿所述黑色环氧树脂以形成分割后模块，所述分割后模块中的每一个包括所述光电部件中的至少一个。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述环氧树脂在所述滤光器的正上方限定容纳光学部件的凹槽。
11.根据权利要求9所述的方法，包括选择性地将所述未硬化透射粘合剂分配至每个相应光电部件的所述表面上，使得所述粘合剂与所述光电部件的所述光轴相交。
12.根据权利要求9所述的方法，其中密封板被设置在所述弹性体层上，并且当所述第一真空注射成型工具和所述第二真空注射成型工具被组合在一起以挤压所述滤光器使所述滤光器与所述未硬化透射粘合剂接触时，所述密封板限定将所述第一真空成型工具和所述第二真空注射成型工具隔开的精确高度。
13.根据权利要求9所述的方法，其中所述环氧树脂是黑色环氧树脂。
14.一种装置，包括：
包括处理器和显示屏的主机设备；
所述主机设备中的光电模块，所述光电模块包括：安装至PCB基板的光电部件；直接设置在所述光电部件上的透射粘合剂，其中所述粘合剂透射由所述光电部件感测的或由所述光电部件发射的波长的光；直接设置在所述透射粘合剂上的滤光器；以及侧面地围绕所述透射粘合剂和所述滤光器的侧表面并与所述侧表面接触的环氧树脂，其中所述环氧树脂不透射由所述光电部件感测的或由所述光电部件发射的波长的光，
其中所述处理器可操作为至少部分地基于来自所述光电部件的信号而控制所述主机设备的特征。
15.根据权利要求14所述的装置，其中所述透射粘合剂和所述滤光器被设置为与所述光电部件的光轴相交。
16.根据权利要求14所述的装置，其中所述环氧树脂在所述滤光器的正上方限定容纳光漫射器的凹槽。
17.根据权利要求14所述的装置，其中在所述光电部件和所述滤光器之间不存在气隙。
18.根据权利要求14所述的装置，其中所述光电部件可操作为发射光。
19.根据权利要求14所述的装置，其中所述光电部件可操作为感测光。
20.根据权利要求14所述的装置，其中所述环氧树脂是黑色环氧树脂。
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