CN112513691A - 低高度光电模块和封装 - Google Patents

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CN112513691A CN201980049809.4A CN201980049809A CN112513691A CN 112513691 A CN112513691 A CN 112513691A CN 201980049809 A CN201980049809 A CN 201980049809A CN 112513691 A CN112513691 A CN 112513691A
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Abstract

一种光电模块，包括滤光器，并且可以具有相对较小的总高度。该模块包括用于滤光器的半导体管芯，其中管芯在其下侧具有空腔。空腔提供了容纳诸如光传感器或光发射器的光电器件的空间。这种布置可以降低模块的总高度，从而有助于将其集成到其中空间宝贵的主机设备中。

Description

低高度光电模块和封装
技术领域
本公开涉及低高度光电模块和封装。
背景技术
各种消费品和诸如智能电话的其他电子设备结合了光电模块，该光电模块可以包括各种光学和光电组件，包括光学传感器、光发射器、光束整形元件(例如，透镜)和/或滤光器。
例如，法布里-珀罗干涉仪(Fabry-Perot interferometer，FPI)可以用作滤光器。FPI是基于两个反射镜(mirror)，从而在反射镜之间的间隙中形成法布里-珀罗空腔(Fabry-Perot cavity)。FPI的通带波长(pass band wavelength)通过调节反射镜之间的距离来控制，换句话说，通过调节间隙的宽度来控制。
例如，将这些和其他组件集成到智能电话或其他消费产品中的一个挑战是这种设备中的空间非常宝贵。特别是，这种设备的高度或z轮廓(z-profile)通常被设计得相对较小，例如只有几毫米(例如，2.5mm)的量级。如此小的尺寸使得难以结合光学和光电组件或模块中的一些。
发明内容
本公开描述了包括滤光器并且可以具有相对较小的总高度的光电模块和封装。如下文更详细描述的，模块可以包括用于滤光器的半导体管芯(die)，其中管芯在其下侧具有空腔。空腔提供了容纳诸如光传感器或光发射器等光电器件的空间。这种布置可以降低模块或封装的总高度(即z高度)，从而有助于将其集成到智能电话或空间宝贵的其他设备中。
在一个方面，例如，一种模块，包括安装在衬底上的光电器件和设置在光电器件上的半导体管芯。管芯在背离光电器件的第一表面上包括滤光器。管芯还在面向光电器件的第二表面中具有空腔，使得光电器件被容纳在由空腔限定的区域内。
在另一方面，一种封装，包括外壳，该外壳具有附接到衬底的盖。该盖有孔。光电器件设置在外壳内、安装在衬底上、并且具有与孔相交的光轴。半导体管芯设置在外壳内在光电器件的上方。管芯在背离光电器件的第一表面上包括滤光器。管芯在面向光电器件的第二表面中具有空腔，使得光电器件被容纳在由空腔限定的区域内。
各种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，半导体管芯是MEMS管芯，并且滤光器包括法布里-珀罗干涉仪(FPI)可调谐滤光器。在一些实施方式中，MEMS管芯包括硅衬底，并且空腔在硅衬底中。硅衬底可以具有例如<100>晶向。
光电器件可以包括例如光传感器(例如，光电二极管)或光源(例如激光二极管或LED)。
在一些情况下，模块或封装被集成到例如主机设备中。例如，主机设备可以包括印刷电路板，并且封装可以安装到该印刷电路板。主机设备还可以包括安装在印刷电路板上并且可操作用于与模块或封装内的一个或多个组件(例如，光电器件和/或滤光器)通信的处理器。
另一方面，本公开描述了一种用于制造子配件、模块和/或封装的方法。该方法包括提供其上安装有多个光电器件的第一晶片(wafer)，以及提供具有第一表面的第二晶片，其中第一表面上有多个滤光器。第二晶片具有第二表面(第二表面在第二晶片的与第一表面相对的一侧上)，第二表面中有多个空腔。该方法包括将第一晶片和第二晶片彼此附接以形成晶片叠层(stack)，使得光电器件中的每一个被容纳在空腔中的相应一个空腔中。
该方法的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，滤光器是法布里-珀罗干涉仪(FPI)可调谐滤光器，并且该方法包括将空腔蚀刻到第二晶片的第二表面中。
在一些情况下，第二晶片包括具有<100>晶向的硅晶片。在这种情况下，可以例如使用KOH蚀刻来蚀刻空腔。
在一些情况下，该方法包括将晶片叠层分离成单独的子配件，子配件中的每一个包括被设置在光电器件之一上方的FPI可调谐滤光器之一。该方法还可以包括将子配件之一集成到封装的模块中。
根据以下详细描述、附图和权利要求，其他方面、特征和优点将变得显而易见。
附图说明
图1是光电模块的第一示例的截面图。
图2示出了在其下表面中包括空腔的FPI可调谐滤光器的示例。
图3是光电模块的第二示例的横截面。
图4是光电模块的第三示例的横截面。
图5A–图5C示出了用于模块的子配件的制造阶段。
具体实施方式
本公开描述了包括滤光器并且可以具有相对较小的总高度的光电模块和封装。如下文更详细描述的，模块可以包括用于滤光器的半导体管芯，其中管芯在其下侧具有空腔。空腔提供了容纳光传感器或光发射器的空间。这种布置可以降低模块的总高度(即z高度)，从而有助于将其集成到智能电话或空间宝贵的其他设备中。
如图1所示，光电模块10包括外壳，该外壳具有附接到印刷电路板(printedcircuit board，PCB)或其他衬底14的盖12。盖12包括孔18，光(例如，光谱中可见、红外和/或紫外部分的辐射)可以通过该孔。在一些情况下，带通滤光器20被设置在孔18的正下方，并用于选择性地过滤入射光。在一些情况下，孔18附近的盖12的厚度制作得比其他区域的厚度小，以便限定开口，滤光器20被容纳在开口中。这种布置有助于降低模块10的总高度。使滤光器20的侧壁基本上或完全嵌入，使得它们被盖12横向包围，可以有助于阻挡杂散光入射到滤光器的侧面。
在图1的示例中，光传感器16(例如PIN或其他光电二极管)安装在印刷电路板14上，并且具有与盖12中的孔18对准的光轴。在传感器16和PCB14上的布线之间提供一个或多个电连接(例如，引线键合)。在一些情况下，传感器16使用表面安装技术安装到PCB 14。包括FPI可调谐滤光器的微机(MEMS)管芯22附接到PCB 14，并且包括容纳光传感器16的空腔24。因此，入射光信号40被带通滤光器20滤光，然后被MEMS管芯22中的FPI可调谐滤光器滤光，之后作为经滤光的光信号传递到传感器16。
图2示出了包括沿着入射光40的轴布置的FPI可调谐滤光器30的MEMS管芯22的示例。入射光信号40被带通滤光器20滤光，然后被FPI可调谐滤光器30滤光，之后作为经滤光的光信号传递到传感器16。FPI可调谐滤光器30具有上反射镜32、下反射镜34，上下反射镜32、34彼此相对放置，其间具有空气间隙(air gap)36。当电压施加在反射镜32、34上时，产生静电力，以便调整空气间隙36的大小。调整空气间隙36的大小导致滤光器的通带波长的对应变化。反射镜32、34可以形成在例如用于通过红外辐射的硅衬底38上。反射镜32、34可以被实施为例如多层电介质涂层(例如SiO2、SiN或多晶硅(poly-Si))。例如，通过去除最初形成在反射镜32、34之间的牺牲层，可以获得可移动的反射镜。在一些实施方式中，FPI可调谐滤光器30的细节可以不同。
如图2的示例所示，空腔24可以形成在MEMS管芯22的衬底38中。空腔24的高度应该足够大，使得除了传感器16之外，它还可以容纳任何所需的引线键合或其他电连接。另一方面，优选地，空腔24的尺寸不应该大到不利地影响衬底的刚性。
在一些情况下，空腔24可以成形为提供光束整形功能。例如，菲涅耳(Fresnel)透镜或其他透镜可以集成到空腔24中，以帮助将入射光聚焦到传感器16的(一个或多个)光敏区域上。一般来说，空腔的光束整形功能(如果有的话)应该是相对消色差的，以便适用于光谱传感器/发射器范围内的所有波长。
虽然前述示例示出了单个封装中的MEMS-FPI可调谐滤光器30和光传感器16的示例，但是其他实施方式可以包括单个封装中的MEMS-FPI可调谐滤光器和光源。图3中示出了示例，其中与图1中相同的组件用相同的附图标记来标记。代替光传感器，图3的光电模块50包括光源52，诸如光发射器(例如，激光二极管或LED)。由光源52产生的光被MEMS管芯22中的MEMS-FPI可调谐滤光器滤光，然后被带通滤光器20滤光，之后作为光信号53通过孔18离开封装。
在一些实施方式中，空腔24的表面包括抗反射涂层54，如图3所示。这种抗反射涂层也可以结合到光传感器模块中，如图4的示例所示。
通过将光电组件(例如，光传感器16或光发射器52)容纳在MEMS管芯22下侧的空腔24内，可以减小MEMS子配件的z高度以及整个模块的z高度。例如，不需要位于光电组件上方用于支撑MEMS管芯的单独的间隔物(spacer)。因此，也可以减少工艺步骤的数量和组件的数量。此外，如下所述，MEMS子配件可以作为晶片级工艺的一部分来制造。
图5A-图5C示出了用于制造MEMS子配件(即，包括安装在PCB衬底14上的MEMS管芯22和光电器件16或52的子配件)的晶片级工艺的示例。如图5A所示，第一晶片102具有安装在其表面上的多个光电器件106(例如，光传感器或光源)。第一晶片102可以是例如印刷电路板。多个FPI可调谐滤光器形成在第二晶片104上，第二晶片104包括例如具有<100>晶向的硅晶片。MEMS晶片104上的FPI可调谐滤光器彼此隔开，使得当两个晶片102、104随后彼此附接时，每个FPI可调谐滤光器将在光电器件中的对应一个光电器件106上方对准(见图5B)。
第二晶片104包括空腔24，该空腔24可以例如通过在具有<100>晶向的硅晶片的背侧执行各向异性湿法蚀刻(例如，KOH)来形成，从而留下暴露的{111}平面。空腔24的形成可以在MEMS工艺的任何适当阶段执行。
作为特定的示例，可以假设MEMS晶片104具有大约625um的厚度，光电二极管管芯(例如，InGaAs光电二极管)具有大约200um的高度，并且用于将光电二极管管芯附接到PCB晶片102的粘合剂具有大约10um的厚度。进一步假设MEMS晶片104的背侧被蚀刻以形成具有大约310um深度(高度)的空腔，大约100um的高度可用于从光电二极管管芯顶部到PCB晶片102的浅引线键合。MEMS晶片103的剩余厚度(即，在该示例中约为315um)将保持MEMS结构在其上表面上。不同的尺寸可能适用于其他实施方式。
在一些情况下，在各向异性湿法蚀刻期间，用保护涂层覆盖晶片104的正面可能是希望的或必要的。也可以使用其他技术来形成空腔。
在一些实施方式中，抗反射涂层54被施加到空腔24的内表面。抗反射涂层54有助于在硅-空气界面提供更好的光传输。
在空腔24的形成之后，两个晶片102、104例如通过粘合剂对准并彼此附接，以形成晶片叠层108(图5B)，然后晶片叠层108被分离(例如通过切割)成单个的子配件110(图5C)。然后可以在每个子配件配件上设置相应的盖12，以完成模块。在一些情况下，在切割之前，叠层108被设置在载体晶片或切割带上。
在一些实施方式中可以获得各种优点。例如，光电器件(例如，光传感器或光源)和MEMS管芯的晶片级集成可以整体地完成，允许显著降低z高度。在一些情况下，制造工艺需要的步骤更少，因此耗时更少，且成本更低。在一些情况下，光电器件(例如，光传感器)的包围体(enclosure)被改进，导致到达光传感器的杂散光更少。除了有助于晶片级处理，这里描述的技术可以使用硅蚀刻工艺提供非常好控制的光电二极管-MEMS间隙。
前述模块可用于一系列应用，包括用于光谱感测、光谱学或红外感测。例如，这些模块可用于低高度光谱传感器或可调谐光源，它们可集成到一系列消费品或其他产品中。这里描述的模块可以安装在例如印刷电路板上，该印刷电路板是诸如手持通信或计算设备(例如，移动电话、智能电话、平板电脑、个人数字助理(personal digital assistant，PDA)或膝上型电脑)的主机设备的组成部分。在一些情况下，这些模块可以集成到小型电子设备中，诸如生物设备、移动机器人、监控相机、摄像机、膝上型电脑和平板电脑等。
作为特定示例，上述模块可以集成到主机设备中，并与主机设备中的其他组件互连，该其他组件可以包括处理器、存储器、输入/输出设备(包括交互式显示器)、通信接口和/或收发器。各种组件可以使用各种总线互连，并且组件中的几个可以安装在公共主板上。可以在模块和处理器之间提供连接，用于在模块和处理器之间传达信号(例如，用于控制施加到可调谐传感器的电压的信号、用于控制来自光源的光的发射的信号和/或来自光传感器的信号)。该模块还可以与主机设备中的其他组件互连，并且在一些实施方式中，可以与其他组件中的一些一起安装在公共主板上。
在一些实施方式中，模块可用于以下应用中的一个或多个：材料标识、湿度检测(例如，皮肤、组织)、食品分析、厚度测量、土壤分析、假冒物品的标识、牛奶分析或产品掺假和安全检测。
例如，图1和图3的模块可以用于其中光源(例如，白光光源)照射样本的测量模式。光源可以集成到与传感器相同的模块中，或者可以与包含传感器的模块分离。通过将MEMS管芯22中的FPI滤光器调谐到希望的波长，可以选择性地测量特定波长的透射光强度。
将如上所述的模块(例如，图1、图3或图4的模块)集成到主机设备中可能是有利的。例如，主机设备可以包括具有相关联的存储器的强大处理器，其可以用于处理由模块收集的数据。此外，数据可以由集成到主机设备中的其他组件收集的附加数据来扩充。例如，在一些情况下，由主机设备收集的图像可以用由用于材料标识的模块收集的数据来分析和扩充。此外，本公开有助于将模块集成到主机设备中，同时保持主机设备的小的z高度。
其他实施方式在权利要求的范围内。

Claims (27)

1.一种模块，包括：
安装在衬底上的光电器件；以及
设置在所述光电器件上方的半导体管芯，所述管芯在背离所述光电器件的第一表面上包括滤光器，所述管芯在面向所述光电器件的第二表面中还具有空腔，使得所述光电器件被容纳在由所述空腔限定的区域内。
2.根据权利要求1所述的模块，其中，所述半导体管芯是MEMS管芯。
3.根据权利要求2所述的模块，其中，所述滤光器包括法布里-珀罗干涉仪(FPI)可调谐滤光器。
4.根据权利要求2所述的模块，其中，所述MEMS管芯包括硅衬底，所述空腔位于所述硅衬底中。
5.根据权利要求4所述的模块，其中，所述硅衬底具有<100>晶向。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的模块，其中，所述光电器件包括光传感器。
7.根据权利要求1-5中任一项所述的模块，其中，所述光电器件包括光源。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的模块，包括位于所述空腔的内表面上的抗反射涂层。
9.一种封装，包括：
外壳，包括附接到衬底的盖，所述盖中具有孔；
所述外壳内的光电器件，所述光电器件安装在所述衬底上，并且具有与所述孔相交的光轴；以及
所述外壳内的半导体管芯，所述半导体管芯设置在所述光电器件的上方，所述管芯在背离所述光电器件的第一表面处包括滤光器，所述管芯在面向所述光电器件的第二表面中还具有空腔，使得所述光电器件被容纳在由所述空腔限定的区域内。
10.根据权利要求9所述的封装，其中，所述半导体管芯是MEMS管芯。
11.根据权利要求10所述的封装，其中，所述滤光器包括法布里-珀罗干涉仪(FPI)可调谐滤光器。
12.根据权利要求10所述的封装，其中，所述MEMS管芯包括硅衬底，所述空腔位于所述硅衬底中。
13.根据权利要求12所述的封装，其中，所述硅衬底具有<100>晶向。
14.根据权利要求9-13中任一项所述的封装，其中，所述光电器件包括光传感器。
15.根据权利要求9-13中任一项所述的封装，其中，所述光电器件包括光源。
16.根据权利要求9-15中任一项所述的封装，包括位于所述空腔的内表面上的抗反射涂层。
17.一种方法，包括：
提供第一晶片，所述第一晶片上安装有多个光电器件；
提供第二晶片，所述第二晶片具有第一表面，在所述第一表面上有多个滤光器，所述第二晶片具有第二表面，在所述第二表面中有多个空腔，所述第二表面在所述第二晶片的与所述第一表面相对的一侧上；以及
将所述第一晶片和所述第二晶片彼此附接以形成晶片叠层，使得所述光电器件中的每一个被容纳在所述空腔的相应一个空腔中。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述滤光器是法布里-珀罗干涉仪(FPI)可调谐滤光器，所述方法还包括将所述空腔蚀刻到所述第二晶片的第二表面中。
19.根据权利要求18所述的方法，还包括将所述晶片叠层分离成单独的子配件，所述子配件中的每一个包括设置在所述光电器件之一的上方的、所述FPI可调谐滤光器之一。
20.根据权利要求19所述的方法，还包括将所述子配件之一集成到封装的模块中。
21.根据权利要求17-20中任一项的方法，其中，所述第二晶片包括硅晶片。
22.根据权利要求21的方法，其中，所述第二晶片包括具有<100>晶向的硅晶片。
23.根据权利要求21-22中任一项所述的方法，包括使用KOH蚀刻来蚀刻所述空腔。
24.根据权利要求17的方法，其中，所述第一晶片是印刷电路板晶片。
25.根据权利要求17-24中任一项所述的方法，包括在所述空腔的内表面上施加抗反射涂层。
26.一种装置，包括：
主机设备，其包括印刷电路板；以及
安装在所述印刷电路板上的根据权利要求9-16中任一项所述的封装。
27.根据权利要求26所述的装置，还包括安装到所述印刷电路板上并且可操作用于与所述光电器件或所述滤光器中的至少一个通信的处理器。
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