CN113167863A - 光学传感器装置、设备和光学传感器装置的制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种制造光学传感器装置的方法，其包括以下步骤：设置具有表面(11)的衬底(10)，并且设置集成电路(20)，该集成电路包括被设置用于检测期望的波长范围的光的光学检测器(21)。集成电路(20)和光发射器(30)安装到表面(11)上，其中，所述光发射器(30)被设置用于发射期望的波长范围内的光。所述集成电路(20)和光发射器(30)彼此电连接，并且电连接到衬底(10)。通过沿着所述集成电路(20)的轮廓(24)分配第一光学不透明材料来在光学检测器(21)与光发射器(30)之间形成光屏障(40)。通过用光学透明材料至少部分地封装衬底(10)、集成电路(20)和光发射器(30)来形成模层(50)。由第二光学不透明材料制成的壳体(60)安装在光屏障(40)上，并且由此包围壳体(60)与模层(50)之间的中空空间。

Description

光学传感器装置、设备和光学传感器装置的制造方法
本发明涉及一种制造光学传感器装置的方法、一种光学传感器装置、以及一种包括该光学传感器装置的设备。例如，该设备包括被设置为接近传感器模块或被设置为飞行时间传感器模块的光学传感器装置。
诸如移动电话、平板电脑、显示器和便携式计算机之类的电子设备包括越来越多的传感器，诸如接近传感器、飞行时间传感器、环境光传感器、颜色传感器或手势传感器。传感器封装被专门设计用于容纳一个或更多个光传感器，以及用于设置高度复杂的传感器模块。根据传感器部件的应用和数量，光学传感器封装能够是非常复杂的，并因此制造成本很高。对于依赖于其光学封装中内置的专用光学设计的接近传感器和飞行时间传感器来说，尤其如此。
例如，基于直接飞行时间TOF传感器的距离测量的方法是测量两个事件之间的持续时间，诸如当一系列光脉冲离开测距仪时，被外部物体反射并当所述外部物体最终被TOF传感器接收时。这两个事件(即发射和检测)之间的持续时间与外部物体的距离成正比。明显地，距离测量的精度与时间测量的精度成正比。提高准确性的常用方法是在发射器和接收器之间设置光学参考路径，而不依赖于电子信号来启动计时器。在最先进的集成系统中，垂直腔面发射激光器VCSEL用作发射器，并且集成在单个晶片上的两个单光子雪崩二极管SPAD阵列用作测量信号和参考信号的检测器。为了区分参考信号和测量信号，所述两个SPAD阵列被光学隔离。因此，一个阵列仅接收来自外部目标的信号，并且另一个阵列仅检测直接来自VCSEL的信号。
当前的封装解决方案通常依赖于测量SPAD阵列与参考SPAD阵列之间的光学光屏障。这种屏障尤其难以制造，因为它通常需要在覆盖晶片的边缘的不平坦的表面上进行光学防漏密封。已经尝试使用粘粘到衬底的框架和屏障。透镜可以集成在罩盖中。然而，由于大量的单独部件，这种结构制造起来相当复杂，因此很昂贵。
目的是提供一种光学传感器装置、一种设备和一种制造光学传感器装置的方法，其提供一种能够更有效地制造的光学传感器装置的封装解决方案。
这些目的通过独立权利要求的主题来实现。在从属权利要求中描述了进一步的发展和实施例。
应当理解，除非明确描述为替代，在下文中描述的关于任何一个实施例的任何特征可以单独使用，或者与在下文中描述的其他特征组合使用，并且也可以与任何其他实施例的一个或更多个特征、或者任何其他实施例的任何组合进行组合使用。此外，在不脱离如所附权利要求所限定的光学传感器装置、设备和制造光学传感器装置的方法的范围的情况下，也可以采用以下未描述的等效物和修改。
制造光学传感器装置的方法包括以下步骤。首先，设置具有表面的衬底，该衬底可以是主表面。此外，还设置了集成电路。例如，集成电路包括光学检测器，例如主光学检测器或第一光学检测器，该光学检测器可操作以检测一波长范围(例如期望的波长范围)内的光。集成电路和光发射器被安装到表面上。光发射器可操作以发射波长范围内的光。然后，集成电路和光发射器彼此电连接，并且连接到衬底。
光屏障形成在第一光学检测器与光发射器之间。形成光屏障包含沿着集成电路的轮廓分配第一光学不透明材料。然后，通过用光学透明材料封装衬底、集成电路和光发射器来形成模层。
最后，壳体安装在光屏障上，并由此包围壳体与模层之间的中空空间。壳体由第二光学不透明材料制成，即其在期望的波长范围内不透明。
例如，光学传感器装置能够被设计为接近传感器或飞行时间传感器。集成电路包括用于接近度或飞行时间测量的必要传感器部件。通常，集成电路已经预先制造。所述至少一个光发射器被配置为在期望的波长范围内发射，该期望的波长范围可以包含诸如单个激光发射线的单波长、多波长或连续波长范围内的可见光。然而，期望的波长范围也可以位于红外或UV光谱中。
所提出的工艺步骤的组合可以产生成本有效的解决方案。例如，集成的传感器以及光发射器(诸如VCSEL激光器)能够被光学透明材料(例如模制化合物)完全覆盖和密封。模层能够是平坦的或任意形状的，例如用于引导光或创建透镜，以聚焦或去聚焦进出封装的光。
用于模层和光屏障的材料能够直接应用在集成电路上。这使得能够使用传递模制设备和化合物，这可以比注射模制具有显著的成本优势。光学化合物的传递模制是光学传感器封装中的一种生产技术。例如，集成电路和光发射器(例如VCSEL)由模制化合物封装，其保护这些部件免受环境暴露并且提高整体的可靠性。根据产品规格，该封装可以具有透镜或平坦的表面，即使用相同的硅检测器，能够通过改变封装来启用或禁用不同的功能，诸如单区与多区检测。例如，由于壳体连接到光屏障，但是其包围了壳体与模层之间的中空空间，因此创建了允许将壳体与模层机械解耦的间隙。这可以导致减小的热机械应力和光学传感器装置的提高的可靠性。同时，光屏障和壳体将第一光学检测器和光发射器彼此光学隔离，这减少了发射与检测之间的串扰。
在一些实施例中，光发射器包括多个光发射器，例如多个LED，其中，多个发射器的不同发射器被配置成发射相同或不同波长的光。单独的发射器能够针对接近检测器和/或飞行时间检测器中的不同范围进行优化，并且因此允许了单区与多区检测。
在至少一个实施例中，光检测器包括单像素光电二极管、诸如光电二极管阵列的多像素光电二极管或者带有附接的一个或更多个滤波器的多像素光电二极管。替代地或另外，单个单光子雪崩二极管SPAD或SPAD阵列也能够用于光检测器。光检测器的数量可以提高检测精度，例如，在飞行时间应用中，一个检测事件能够归于一个特定光检测器。SPAD对光(以及IR、UV)的高灵敏度可以进一步提高检测精度。通常，接近和飞行时间应用可以受到低光强度或低信噪比的影响。因此，高灵敏度可以转化为更高的精确度。
在至少一个实施例中，集成电路设置有第二光学检测器，例如参考光学检测器。第二光学检测器设置在位于集成电路之上或之中在第一光学检测器旁边。然后，通过沿着集成电路的轮廓分配第一光学不透明材料来在第一光学检测器与第二光学检测器之间形成光屏障。该设计允许了飞行时间应用。因此，所提出的方法是非常灵活的，并且允许光学封装容易地适合于各种应用。
在各种实施例中，光发射器包括激光二极管、表面发射激光器、垂直腔表面发射激光器、红外光发射光电二极管和/或可见光发射光电二极管。通常，光传输器连接到集成电路，并且可以不集成在集成电路中。因此，发射器能够从多种选择中选择，这可能会影响信噪比，例如在低光条件下。例如，激光二极管或表面发射激光器以相对紧凑且成本有效的设计提供了相当高的发射强度。
在至少一个实施例中，第一不透明材料包括在期望的波长范围内至少部分不透明的模制化合物或灌封化合物。第二不透明材料包括在期望的波长范围内至少部分不透明的模制化合物。光学透明材料包括在期望的波长范围内至少部分透明的模制化合物。模制和灌封化合物能够在模制或铸造工艺中处理。这些工艺在实施光屏障、模层和壳体时允许了高自由度。这样，可以例如通过在模层中创建倾斜或平坦部分来引导光进出封装，或者通过分别为光发射器和/或检测器创建专用光学器件来使封装的光学特性适应其预期应用。
在至少一个实施例中，第一不透明材料和第二不透明材料是不同的化合物。例如，第一不透明材料包括用于电子器件的灌封的热固性塑料、硅橡胶凝胶或环氧树脂。使用不同的不透明材料可以进一步提高光学传感器装置的热机械稳定性。例如，一种材料可以比另一种更柔韧，使得能够通过在光屏障与壳体的连接之间的一定程度的弹性来补偿机械应力。
在至少一个实施例中，通过使用传递模制在公共晶片表面上直接分配第一光学不透明材料来执行光屏障的分配。例如，这允许了考虑不平坦的表面。通常，集成电路具有一定的高度，并且光屏障从衬底的水平、集成电路的壁延伸，并且沿着公共晶片表面继续延伸。通过直接分配第一不透明材料，能够避免不同的水平。
在至少一个实施例中，光屏障沿着集成电路的轮廓分配。此外，光屏障分配在集成电路的边缘和侧壁之上以及衬底的主表面上。例如，该轮廓可以沿着集成电路的中心线横跨，或者可以以一定角度倾斜。
在至少一个实施例中，使用模制工具来形成壳体。使用模制工具，即在模制工艺中形成壳体，使得当安装到光屏障时，在壳体和模层之间留下间隙。例如，壳体在安装到光屏障时可以仅接触光屏障和衬底。
在至少一个实施例中，使用模制工具来形成壳体，使得壳体包括不透明材料的连续主体，其具有框住内表面的壁。当壳体安装到光屏障时，壁接触主表面。此外，壳体的内表面借助于凸起分成两个部分。当壳体安装到光屏障时，凸起接触光屏障。
这样，壳体例如在围绕集成电路设置的边界区域处接触衬底，并且经由凸起接触光屏障。这些可以是唯一的接触点或区域，从而减少了机械耦合。然而，同时，壳体提供了免受环境影响的密封，例如保护光学装置免受环境光的影响。
在至少一个实施例中，在形成模层之后，光学透明材料被固化。在该固化步骤之后，可选地，切口能够横跨轮廓切入模层中，以使得先前分配的光屏障的表面从第一光学不透明材料显露。例如，切割刚好足够深以完全分离出光学透明材料，但是仅是先前分配的不透明光屏障的一部分。公共晶片表面是保持完好的。当壳体安装在光屏障上时，凸起延伸到切口中，并且接触表面。凸起与光屏障互补，这两种结构形成了一个较大的光学屏障，该较大的光学屏障光学屏蔽了光发射器和光检测器。这样减少了光学串扰。此外，能够以高精度切割切口，从而能够准备以高精度容纳凸起的光屏障。
在至少一个实施例中，衬底包括在主表面上包围集成电路的边界区域。壳体安装到边界区域。例如，选择足够大的边界区域以容纳壳体的壁。边界区域用作壳体的机械接触和支撑。
在至少一个实施例中，沿着集成电路的整个轮廓切割切口，并且在衬底的主表面上继续切割，直到衬底上的边界区域为止。边界区域构成了位于衬底的主表面上的包围集成电路的区域。切口被切割成相对于表面(诸如模层的表面或衬底的主表面)的恒定深度。所述恒定深度被选择为足够深以显露光学不透明的透明材料或切割至光学不透明的透明材料，以暴露第一光学不透明材料。例如，由于工艺限制，光屏障的一些材料可能会被移除。最后，当壳体安装在光屏障上，到达具有恒定深度的水平时，凸起延伸到切口中并且接触表面。
在至少一个实施例中，模层通过模制和/或铸造工艺形成。
在至少一个实施例中，模制和/或铸造工艺包含在第一光学检测器或主光学检测器之上设置第一透镜。替代地，或者另外，在光发射器上设置第二透镜。例如，将透镜对准，使得其相应的检测器或发射器位于透镜的光学视场中。例如，检测器分别位于透镜的焦点或焦平面中。模制和/或铸造工艺提供了成本有效的方法，以在晶圆级中直接将透镜制造到模层中。不需要外部连接的光学器件。
此外，安装壳体包含设置第一孔并使该第一孔与第一透镜对准。替代地，或者另外，设置第二孔并使该第二孔与第二透镜对准。壳体能够被制造成使该壳体包括所述孔。例如，这能够在模制工艺中实现。因此，该孔可能不与透镜接触，即透镜与壳体是机械解耦的。
此外，能够使壳体中的孔的直径分别等于或小于透镜的直径。例如，孔能够具有截圆锥的形状。底表面可以面向模层，并且(面积更小的)顶表面可以背向模层(和壳体)。这种附加的自由度允许了产生引导更多的入射光通过透镜的孔尺寸。减少的光损失可以提高光学传感器装置的光学性能。
在至少一个实施例中，将光学功能涂层施加到模层的表面。替代地，或者另外，将光学功能添加剂混合到光学透明材料中以形成模层。添加剂可以包括染料、荧光或非荧光纳米粒子、量子点或光散射粒子(诸如氧化钛粒子)。此外，诸如硅树脂之类的透明材料在可见光和近红外范围内能够是透明的。但是使用其他类型的聚合物也可以在期望的波长范围内具有光学功能，诸如选择性透射。光学功能涂层或添加剂允许改变传感器装置的光学特性，例如它们可以用作滤光器。
在至少一个实施例中，覆盖层设置在壳体上。覆盖层也能够在表面上设置有滤光器涂层的附加滤光器。替代地，或者另外，在形成模层之前，将玻璃片预先切成适当的片，并且附接到光发射器、第一光学检测器和第二光学检测器(例如光学主检测器或光学参考检测器)。覆盖层或玻璃片可以密封光学传感器装置，使其免受环境影响。例如，覆盖层或玻璃片可以由光学传感器装置作为单个部件所包括，也可以作为诸如手机、平板电脑等之类的较大设备的一部分。
在至少一个实施例中，以阵列级制造多个光学装置，并且最终将其分离成单独的光学传感器装置。所提出的制造光学传感器装置的方法能够在单装置级执行。然而，该方法也能够应用于晶圆级，从而能够并行地制造多个设备。
在至少一个实施例中，光学传感器装置包括具有表面(例如主表面)的衬底。集成电路包括光学检测器(例如主光学检测器或第一光学检测器)，所述光学检测器可操作以检测期望的波长范围内的光。例如，集成电路和光发射器安装到表面上。光发射器可操作以发射期望的波长范围内的光。此外，集成电路和光发射器彼此电连接，并且连接到衬底。
光屏障形成在第一光学检测器与光发射器之间，并且其包括沿着集成电路的轮廓布置或设置的第一光学不透明材料。模层至少部分地用光学透明材料封装衬底、集成电路和光发射器。最后，壳体安装到光屏障，并且包围壳体与模层之间的中空空间。壳体由第二光学不透明材料制成。例如，壳体被胶粘到模层。
在至少一个实施例中，中空空间包括壳体与模层之间的至少一个间隙。作为间隙的中空空间能够以不同的设计实现，这应当被认为是限制的。例如，除了光屏障或衬底上的边界区域之外，间隙可以没有接触点。在某种意义上，间隙在模层与壳体之间不连续地延伸。
在其他实施例中，间隙可以被一个或更多个接触点、接触区域和/或填充材料(诸如胶水或弹性材料的中间层)打断。根据间隙的设计，能够在许多不同的光学传感器设计中建立壳体和模层的机械解耦。
在至少一个实施例中，至少部分填充有填充材料。填充材料的材料特性不会阻止壳体和模层上的机械解耦，或者甚至可以支持解耦。
例如，填充材料可以在中间步骤中施加、模制、灌封或涂覆在模层上。例如，填充材料可以包括胶水或粘合剂、聚合物或灌封材料。此外，填充材料可以是至少部分地或者完全地填充间隙的应力解耦弹性材料。另外，填充材料还可以用作光谱滤波器。这能够通过材料本身(例如由于诸如材料的光谱透射特性之类的光学特性)或者通过添加具有期望的透射特性的填充粒子(诸如纳米粒子、量子点或染料分子)来实现。这样，在保持机械解耦特性的同时，能够实现更高的设计自由度。另外，进一步的功能性能够归因于填充材料。
在至少一个实施例中，壳体包括不透明材料的连续主体。连续主体包括接触主表面的壁。借助于凸起将内表面分成两个部分，其中所述凸起接触光屏障。在本实施例中，壳体例如在围绕集成电路设置的边界区域处接触衬底，并且经由凸起接触光屏障。这些可以是唯一的接触点或区域，从而减少机械耦合。然而，同时，壳体是密封的，不受环境影响，例如以保护光学装置免受环境光的影响。
在至少一个实施例中，模层包括切口，该切口横跨集成电路的轮廓切入模层中，以使得光屏障的表面从第一光学不透明材料显露。凸起延伸到切口中并且接触表面，其中壳体安装在光屏障上。
凸起与光屏障互补，这两种结构形成了一个较大的光学屏障，该较大的光学屏障屏蔽了光发射器和光检测器。这样减少了光学串扰。此外，能够以高精度切割切口，从而能够准备以高精度容纳凸起的光屏障。
在一些实施例中，壳体的凸起适合于模层的切口。例如，切口和光屏障可以具有相同的高度和宽度，使得屏障宽度适合于切口的宽度。在一些实施例中，这些宽度可以留下能够用填充材料填充的一定的间隙。在某种意义上，中空空间或间隙在光屏障处或其周围被打断。在其他实施例中，切口和光屏障可以具有不同的高度和宽度，使得屏障相对于切口留下间隙。
在至少一个实施例中，衬底包括主表面上的边界区域。边界区域包围集成电路，并且壳体安装到边界区域。例如，边界区域容纳壳体的壁。边界区域用作壳体的机械接触和支撑，并且有效地密封光学传感器装置以免受其环境影响。
在至少一个实施例中，模层包括位于主检测器之上的第一透镜和/或位于光发射器之上的第二透镜。透镜设置在光学透明材料中。此外，壳体包括与第一透镜对准的第一孔，和/或包括与第二透镜对准的第二孔。
例如，光学传感器装置的部件(例如第一检测器和第二检测器以及光发射器)能够分别位于透镜的焦点或焦平面中。透镜能够直接设置到模层中。不需要外部连接的光学器件。机械解耦以及因此的热机械稳定性延伸到了透镜和孔的布置。这可以提高光学传感器装置的准确性和可靠性。
例如，光学传感器装置能够被设计为接近传感器，然后集成电路包括必要的传感器部件，以收集用于接近度测量的接近度信号。所述至少一个光发射器被配置为在期望的波长范围内发射，该波长范围例如可以包含诸如单个激光发射线的单波长、多波长或连续波长范围内的可见光。然而，期望的波长范围也可以位于红外或UV光谱中。
壳体连接到光屏障，但是包围了壳体与模层之间的中空空间，使得产生了允许将壳体与模层机械解耦的间隙。这可以导致热机械应力减小和光学传感器装置的可靠性提高。同时，光屏障和壳体将第一光学检测器和光发射器彼此光学隔离，这减少了发射与检测之间的串扰。
在至少一个实施例中，集成电路包括第二光学检测器(例如参考光学检测器)，其设置在位于集成电路之上或之中的第一光学检测器旁边。光屏障沿着集成电路的轮廓形成在第一光学检测器与第二光学检测器之间。例如，光学传感器装置能够被设计为飞行时间传感器，并且然后，集成电路包括必要的传感器部件以收集用于飞行时间测量的飞行时间信号，即参考检测器。
在至少一个实施例中，根据以上讨论的方面，设备包括至少一个光学传感器装置，其中光学传感器装置设置为接近检测器。此外，该设备包括主机系统，其中嵌入或集成有至少一个光学传感器装置。主机系统包括移动设备、显示器、照明系统、带有自动对焦系统的相机或在没有任何物理接触的情况下使用有关附近物体的存在的信息的任何其他主机系统中的一个。
例如，移动设备能够是移动电话、智能手机、计算机、可穿戴设备、智能手表、平板电脑等。光学传感器装置能够实现到移动设备中。在一些实施例中，光学传感器装置包括用于其操作的内部电子器件，诸如微处理器或状态机等。然而，在其他实施例中，该设备提供电子器件以操作传感器设备。
在至少一个实施例中，该设备包括光学传感器装置，该光学传感器装置设置为飞行时间传感器。
主机系统包括移动设备、3D相机、或分光计、或使用距离信息的任何系统之一。例如，作为主机系统的3D相机包括飞行时间TOF相机，并且被设置用于3D成像。通常，例如系统包括诸如光电二极管或激光二极管之类的照明单元。一个示例照明单元包括垂直腔面发射激光器VCSEL，以用于照明外部物体。通常，照明单元以高达100MHz的高速发射调制光。替代地，也能够使用每帧单个脉冲，诸如30Hz。光学传感器装置的光发射器能够用作照明单元或有助于照明单元。
光学传感器装置能够用于确定到外部物体的飞行时间，例如，光检测器能够被读出并且提供传感器信号，该传感器信号是对光从照明单元到物体并且返回阵列所用的时间的直接测量。包括光学传感器装置的主机系统(例如成像设备)包括驱动电子器件，以控制照明单元和光学传感器装置。此外，光学传感器装置可以具有接口，以便与主机系统通信。在3D相机成像系统中，可以生成两种类型的图像：常规2D图像和带有距离信息的附加1D图像。这两种图像能够被组合以产生3D图像。
光学传感器装置和设备的另外的实施方式可以容易地从制造光学传感器装置的方法的各种实施方式和实施例得出，反之亦然。
在下文中，相对于附图进一步详细地描述以上提出的原理，其中提出了示例实施例。
在下面的示例实施例和附图中，相似或相同的元件可以分别提供有相同的附图标记。然而，在附图中示出的元素及其彼此之间的尺寸关系不应被视为真实比例。相反，单独的元件(例如层、部件和区域)可以被夸大以便更好的说明或改进理解。
图1A、1B示出了从不同角度的示例光学传感器装置，
图2A至2F示出了用于制造光学传感器装置的示例方法，
图3示出了示例壳体，
图4A至4C示出了光学传感器装置的另外的示例实施例。
图1A和1B示出了从不同角度的示例光学传感器装置。图1A示出了下面描述的光学传感器装置的截面图，并且图1B示出了下面描述的光学传感器装置的俯视图。截面由A-A表示。光学传感器装置包括衬底10、集成电路20、光发射器30、光屏障40、模层50、壳体60和玻璃覆盖件70。
衬底10用作载体，以例如通过设置导电轨道、焊盘和其他特征的方式来机械地支撑和电连接光学传感器装置的部件。例如，衬底10包括印刷电路板PCB，并且设置焊盘到例如位于衬底10的底侧上的封装(未示出)的电连接。诸如焊线13或硅通孔之类的电连接件将集成电路20与衬底10(例如衬底10的底侧)电连接。图1B示出了集成电路20包括多个端子或焊盘25，该端子或焊盘借助于焊线13电连接到衬底10上的焊盘14。
集成电路20设置在衬底10的主表面11上。在该特定实施例中，光学传感器装置被配置为飞行时间传感器，并且集成电路20包括第一光学检测器(例如主光学检测器21)和第二光学检测器(例如参考光学检测器22)，所述第一光学检测器和第二光学检测器通常设置在集成电路20的晶片中或晶片上。光学检测器21、22可以分别实现为单个光电二极管，例如红外敏感光电二极管，或者多个这种光电二极管的阵列。替代地，光学检测器21、22可以实现为单光子雪崩二极管(SPAD)或SPAD的阵列。
此外，集成电路20包括诸如控制逻辑、模拟部件和/或电连接件之类的附加部件。示例包括模数转换器、微处理器、光-数字(LTD)部件、光-电压(LTV)部件和光-频率(LTF)部件、驱动单元和接口。这些部件可以全部或其中的至少一些被集成在同一集成电路中，或者经由各个端子附接到集成电路20。
为了便于参考，对图1A中所示的截面A-A进行了标记。应当注意的是，主光学检测器和参考光学检测器21、22不一定必须位于集成电路20的中心线上，而是能够如图1B所示是偏移的。
在该特定实施例中，光发射器30包括VCSEL激光二极管。VCSEL激光二极管主要在红外或可见光波段发射。光发射器30(或VCSEL)也安装在衬底10的主表面11上，而不是安装在集成电路20上或中。焊线13或诸如TSV之类的其他电连接件建立到集成电路20的电连接。集成电路20包括例如用于驱动和操作发射器30(或VCSEL)的驱动单元。在其他替代实施例中，例如借助于CMOS工艺，光发射器30也可以是集成电路20的一部分，即集成电路的组成部分。
在公共晶片表面23之上沿着集成电路20的轮廓设置光屏障40(参见图1B)。关于附图中所示的截面A-A，光屏障40放置在位于一侧上的主光学检测器21与位于另一侧处的参考光学检测器22之间。可以不位于集成电路20中的光发射器30也借助于光屏障40与主光学检测器21分离。如图2B所示，光屏障40具有一定的屏障高度41和屏障宽度42。
光屏障40包括光学不透明的材料，诸如灌封材料或模具材料。术语“光学不透明”是根据光发射器30和/或环境光的发射特性来定义的。例如，本文中的不透明是指这样的事实，即光学不透明的材料吸收由光发射器30(例如VCSEL激光二极管)发射的或作为环境光从封装的外部入射的某些波长的光的大部分(如果不是全部)。然而，不透明的材料可以表现出一定程度的光的透射。此外，也可能存在其他透射率更大的光谱窗。光屏障40的材料具有使主光学检测器21与光发射器30的发射进行光学隔离的作用。通常，光屏障40的材料能够与壳体60的材料不同。例如，该材料能够是灌封材料，而壳体60包括模制化合物。
模层50封装集成电路20和光发射器30。实际上，将集成电路20和光发射器30嵌入并由此密封在光学透明的模具材料中。实际上，模层50包括光学透明的材料或化合物，诸如透明模具。该化合物对由光发射器30(例如VCSEL)发射的一个或更多个波长的光至少部分透明。模层50包括第一透镜和第二透镜54、55，所述第一透镜和第二透镜例如借助于模制工艺被设置在光学透明材料中。第一透镜54设置在主光学检测器21上，并且第二透镜55设置在参考光学检测器22之上。例如，透镜与其各自的检测器对准，使得检测器位于透镜的光学视场中。例如，检测器分别位于透镜的焦点或焦平面中。
衬底10至少部分地被模层50覆盖。在图1A和1B所示的实施例中，仍然存在边界区域12，其未被模层50覆盖，而是安装到壳体60。此外，模层50包括沿着光屏障40横跨的切口51。实际上，切口51沿着集成电路20的整个轮廓24横跨，并且在衬底10的主表面11之上继续，直到边界区域12。在某种意义上，光屏障40和切口51桥接在集成电路20之上。这不是说切口51和光屏障40必须具有相同的高度和宽度。实际上，在该实施例中，屏障宽度42大于切口51的宽度59。这样，光屏障40允许以成本有效的方式桥接不均匀的轮廓24。
壳体60设置在模层50之上。实际上，壳体60可以例如在模制工艺中由光学不透明的材料预成形。壳体60封装模层50，但不接触模层50的外壁58和表面53。在壳体60与模层50之间留有间隙63。在这种意义上，壳体60封装了由壳体60本身和模层50限制的中空空间。在该特定实施例中，除了设置在透镜54、55之上的孔之外，壳体60限制了整个模层50。例如，设置了第一孔61并与第一透镜54对准。设置了第二孔62并与第二透镜55对准。在该实施例中，孔也不与模层接触，并且例如对环境空气是开放的。
然而，壳体60安装在切口51上，并且因此其与除了接触区域43之外的光屏障40连接并接触。接触区域43也不与模层50接触。而在模层50与壳体60之间建立的间隙63则继续朝向接触区域43。然而，壳体60包括凸起64，该凸起从内表面65朝向光屏障40延伸，同时保持间隙63。凸起64被设计为适合于切口51。凸起的宽度66设置为当安装在光屏障40上时留下间隙63。凸起的高度67设置为使得当其安装在衬底10上(即安装在边界区域12上)时，壳体与光屏障40接触。在该特定实施例中，壳体仅与边界区域12和光屏障40机械接触。
玻璃覆盖件70附接到壳体60的外表面61。玻璃覆盖件70在所需波长范围内是至少透明的。
应当注意的是，透镜、孔和玻璃覆盖件是可选部件，该可选部件对于实现光学传感器装置来说不是必需的。如果认为可以改善给定的应用程序，则可以设置所述透镜、孔和玻璃覆盖件。
壳体60的作用是保护光学传感器装置免受环境光的影响，并且还阻挡了来自光发射器30的发射以泄漏出光学封装。这是由于光学不透明材料和在边界区域12与光屏障40之间的接触所致。实际上，凸起64与光屏障40是互补的。例如，凸起延伸光屏障40的高度41。
在该特定实施例中，壳体60仅连接到衬底10的边界区域12和连接到光屏障40。这创建了间隙63，该间隙在较大程度上使壳体60与模层50机械解耦。在其他实施例中，壳体60可以仅连接到模层50的部分或连接到光屏障40。
这导致了热机械应力减小和光学传感器装置的可靠性提高。例如，考虑设计到模层50中的透镜54、55。这些透镜也与壳体60解耦。因此，透镜的光学对准只受环境温度变化或作用在壳体上的机械应力的影响，如果有的话，影响的程度也很低。即使在外部影响下也能保持光学对准，这保持了或提高了光学传感器装置的准确性和可靠性。例如，对于依赖于常规2D图像和1D深度图像的精确时间测量或对准的飞行时间应用而言，这尤其可能是正确的。
此外，能够使壳体60中的孔61、62的直径分别等于或小于透镜54、55的直径。例如，孔能够具有截圆锥的形状。底表面可以面向模层50，并且(面积更小的)顶表面可以背向模层(和壳体)。这种附加的自由度允许了设计孔尺寸，该孔尺寸引导更多的入射光通过透镜。减少的光损失可以提高信噪比，从而提高光学传感器装置的光学性能。
图2A至2F示出了用于制造光学传感器装置的示例方法。用于制造光学传感器装置的方法或封装工艺通常在阵列或晶圆级上完成，使得能够并行地依次处理多个设备。然而，在下文中，仅针对单个单元说明该过程。这些步骤能够类似地应用于阵列级。
图2A示出了封装工艺流程的第一步。集成电路20和光发射器30(例如VCSEL)附接到衬底10(例如印刷电路板(PCB))，并且通过端子25(例如顶部焊盘)与衬底10的主表面11上的专用焊盘14之间的焊线13建立电连接。通常，集成电路20是单独制造的，并且只需要安装在衬底10上并电连接到该衬底。
图2B示出了该工艺流程中的下一步。例如通过将材料施加在公共晶片表面23之上和集成电路20的边缘26及侧壁27之上、以及在衬底10的主表面11上来沿着集成电路的轮廓24分配阻光灌封材料(例如黑色红外(IR)吸收灌封材料)。阻光灌封材料被固化，并且在两个光学检测器21、22(例如光电二极管或SPAD阵列)之间形成光屏障40。例如，借助于传递模制直接施加或分配阻光灌封材料。
所得到的的光屏障40具有屏障宽度42，该屏障宽度在工艺参数内沿着轮廓24基本上恒定。然而，屏障高度41通常沿着轮廓24变化。例如，相对于主表面的绝对高度在工艺参数内基本上恒定，即光屏障40在其设置在集成电路20上的部分中较薄，并且在设置在衬底上(即在集成电路20外部)的端部处稍厚。在某种意义上，光屏障40桥接在集成电路20之上，并且具有类似于夹子或桥的形状。然而，这种特殊的几何形状不应被认为是限制为也可以实现的其他轮廓。光屏障40的几何外形和形状能够通过传递模制技术来精确控制。光屏障40的灵活的几何外形和形状允许了以成本有效的方式解决例如是由于集成电路引起的不平坦表面。
图2C示出了该工艺流程中的下一步，其包含模制或铸造透明化合物以及侧壁的切割。首先，光学传感器或光学传感器阵列被模制化合物覆盖，以形成模层50。模制化合物对由光发射器30(例如VCSEL)发射的波长(或波长范围)的光是至少透明的。该模制化合物也能够对可见光和红外(IR)完全透明，或者通过染色/着色来修改透射特性。
实现这一点的合适工艺是例如铸造或模制，其中所述模制允许在进一步的工艺步骤中整合表面特征，诸如透镜、扩散(哑光/粗糙/磨砂)表面或开放型腔。如上文关于图1A和1B所讨论的，模层50封装完整的集成电路20和光发射器30，即集成电路20和光发射器30被嵌入光学透明的材料中。第一透镜和第二透镜54、55能够借助于模制工艺(例如使用在相应的位置处具有透镜形状的模制工具)设置到光学透明的材料中。
可选地，诸如(有机的或基于干涉的)滤光器之类的光学功能涂层能够被施加到模层50或者被包括到光学透明材料(例如透明的化合物)中。因此，模层50的材料或表面可以具有选择性地阻挡光到达主光学检测器和/或参考光学检测器21、22，并且防止这种光干扰测量的作用。
图2D涉及光屏障40的切口。如果能够将模层50施加到衬底10，而在首先没有材料的情况下离开边界区域12，则该步骤可以被废弃。这能够使用模制工具来实现。然而，通常，多个光学传感器装置例如以晶圆级来并行地制造。然后，可以通过在整个晶圆之上模制透明材料来施加模层50。在干燥或固化模层50的化合物之后，例如通过切割制造四个切口以显露衬底10上的、即围绕每个单独的光学传感器装置的边界区域12。因此在两种情况下，衬底10被模层50覆盖，但是边界区域12保持未被覆盖。印刷电路板上的导电迹线不会受到损害。
在先前分配的光屏障40的轮廓24上制造另一个切口51或划口。该划口刚好足够深，以完全分离透明化合物，但只能部分分离或不分离先前分配的光屏障40。公共晶片表面23是保持完好的。例如，切口51沿着集成电路20的整个轮廓24横跨，并且在衬底10的主表面11之上继续，直到边界区域12。在一些实施例中，屏障宽度42能够大于切口51的宽度59。因此，在光屏障40上能够存在接触区域43。然而，宽度能够通过切口或切割步骤来精确控制。
图2E涉及将壳体60安装到衬底10和光屏障40上。壳体60能够在单独的工艺中形成，如将在下面相对于图3讨论。在安装步骤中，壳体60设置在模层50之上，并且然后连接到光屏障40和衬底10的边界区域12。可以通过粘合壳体60来建立连接。
壳体60形成为适合于在边界区域12处制造的切口和光屏障40之上的切口51，但同时在壳体60与模层50之间留下间隙63。在安装时，壳体60封装模层50并且覆盖模层50的整个外表面。当壳体60安装到边界区域12并且安装到切口51中时，能够将孔61、62设置在壳体60中并且与透镜54、55对准。
图2F示出了诸如玻璃层或塑料层之类的覆盖层的可选附接。覆盖层70能够附接到壳体60的外表面61。在此阶段，附加的玻璃覆盖件70能够附接到图中所示的单个封装的顶部或并行制造的多个光学传感器装置的整个阵列。覆盖层70可以通过选择性吸收/透射或通过滤光器涂层承载有的附加的滤光器。
在代替覆盖层70或者除其之外的替代实施例中，在透明模制步骤之前，玻璃片被预先切割成适当的片，并且直接附接到光发射器30或者检测器21、22。
最后，能够在阵列上分离单独的单元。这个分离步骤的切割宽度比先前的切口窄，以使不透明材料留在封装的侧壁上。
图3示出了示例壳体。壳体60能够例如在模制过程中预先形成。例如，能够使用具有相反结构的模制工具、即例如使用传递模制来制造壳体60。光学不透明材料包括聚合物，该聚合物易于模制和操纵，但在固化时硬化成永久形式，例如热固性聚合物。在这种情况下，不透明意味着该材料不传输(即吸收)所有或某些波长的光，该光例如通过VCSEL、LED发射或从封装的外部入射。孔61、62能够使用诸如薄膜辅助传递模制之类的模制来制造，其中模制工具包含压在透明模具上并防止不透明模具材料流入该区域的销。
附图示出了从下侧，即要安装到光屏障40和边界区域12的一侧观察的壳体60。壳体60包括具有壁68的连续不透明材料的主体。当安装壳体60时，壁68具有适合于边界区域12的宽度。此外，壳体60包括借助于凸起64分成两部分的内表面65。在本实施例中，每个部分包括孔61、62，该孔设置在内表面65中并且穿过该内表面。
凸起64具有宽度66和高度67。宽度和高度设置为适合于光屏障40。例如，当壳体60安装在模层50之上时，凸起64接触光屏障40或放置在所述光屏障上。选择宽度66以便在壳体60(例如内表面65)和壁68之间留下间隙63。当壳体60安装到凸起64时，选择高度67以接触光屏障40。这样，在安装状态下，凸起64与光屏障40互补。截面69稍微加宽了壁68，并且延伸到壳体的内部。截面69能够用于容纳光屏障40并将该光屏障连接到壳体60的壁68。此外，截面69允许补偿由光屏障限定的不平坦的表面。
凸起64和光屏障40形成光学屏障，以将截面彼此光学屏蔽。用于光屏障40的第一不透明材料和用于壳体的第二不透明材料能够是不同的化合物。例如，第一不透明材料包括用于电子器件的封装的热固性塑料、硅橡胶凝胶或环氧树脂。使用不同的不透明材料可以进一步提高光学传感器装置的热机械稳定性。例如，一种材料可以比另一种更柔韧，使得能够通过在光屏障与壳体的连接之间的一定程度的弹性来补偿机械应力。
光学传感器装置能够用于不同的设备中，该设备包括主机系统，其中嵌入或集成有至少一个光学传感器装置。例如，光学传感器装置能够被配置成接近检测器。主机系统包括移动设备、显示器、照明系统、带有自动对焦系统的相机或在没有任何物理接触的情况下使用有关附近物体的存在的信息的任何其他主机系统中之一。
例如，移动设备能够是移动电话、智能手机、计算机、可穿戴设备、智能手表、平板电脑等。光学传感器装置能够被实现到移动设备中。光学传感器装置包括用于其操作的内部电子器件，诸如微处理器或状态机等。然而，该设备也可以提供或补充电子器件以操作光学传感器装置。
在另一个示例中，光学传感器装置被配置成飞行时间传感器。主机系统包括移动设备、3D相机、或分光计、或使用距离信息的任何系统之一。例如，作为主机系统的3D相机包括飞行时间TOF相机，并且被配置用于3D成像。通常，例如系统包括诸如光电二极管或激光二极管之类的照明单元。一个示例照明单元包括垂直腔面发射激光器VCSEL，以用于照明外部物体。通常，照明单元以高达100MHz的速度发射调制光。替代地，也能够使用每帧单个脉冲，诸如30Hz。光学传感器装置的光发射器能够用作照明单元或有助于照明单元。
光学传感器装置能够用于确定到外部物体的飞行时间，例如，光检测器能够被读出并且提供传感器信号，该传感器信号是对光从照明单元到物体并且返回阵列所用的时间的直接测量。包括光学传感器装置的主机系统(例如成像设备)包括驱动电子器件，以控制照明单元和光学传感器装置。此外，光学传感器装置可以具有接口，以便与主机系统通信。在3D相机成像系统中，可以生成两种类型的图像：常规2D图像和带有距离信息的附加1D图像。这两种图像能够被组合来产生3D图像。
壳体和模层的解耦能够以不同的方式来实现。中空空间(例如被实现为间隙63)能够在不同的设计中实现。以下图4A至4C中以及图1A和1B中的实施例应当被认为是示例，而非限制性的。例如，在图1A和1B中引入的间隙63除了边界区域12和光屏障40之外可以没有接触点。在其他实施例中，中空空间或间隙能够被另外的接触点、接触区域和/或填充材料(诸如胶水或弹性材料的中间层)打断。下面将在图4A至4C中讨论示例。
图4A示出了光学传感器装置的另一个示例实施例。该光学传感器装置基于上面关于图1A和1B所示的装置。然而，壳体的凸起64适合于模层50的切口51。例如，切口51和光屏障40可以具有相同的高度和宽度，使得屏障宽度42适合于切口51的宽度59。在一些实施例中，这些宽度可以留下一定的间隙，以用于例如用胶水或粘合剂进行填充。在某种意义上，中空空间或间隙63在光屏障40处或其周围被打断。
图4B示出了光学传感器装置的另一个示例。该光学传感器装置基于上面关于图1A和1B所示的装置。在该特定实施例中，中空空间或间隙63沿着整个模层50和壳体60的内侧不间断地延伸(例如，如在图1A和1B的实施例中)。然而，中空空间或间隙63用填充材料填充。填充材料可以在中间步骤中施加、模制、灌封或涂覆在模层50上。例如，填充材料可以是胶水或粘合剂。例如，其他可能的填充材料包括聚合物或灌封材料。此外，填充材料可以是填充间隙63的应力解耦弹性材料。另外，填充材料还可以用作光谱滤波器。这能够通过材料本身(例如由于诸如材料的透射之类的光学特性)或者通过添加具有期望的透射特性的填充粒子(诸如纳米粒子、量子点或染料分子)来实现。
图4C示出了光学传感器装置的另一个示例实施例。该光学传感器装置基于上面关于图1A和1B所示的装置。然而，在本实施例中，壳体60不具有延伸到切口51中的凸起64，或者在安装时会与光屏障40建立接触。相反，在光屏障40与壳体60之间的接触是用以上引入的填充材料来建立。例如，切口51用粘合剂或胶水(或其他填充材料)填充，直到其填充了在壳体60与模层50之间间隙63的一部分。在某些情况下，这能够是一个优点，例如，如果凸起的尺寸难以控制，则能够将其消除，这可能会进一步增加制造成本。
附图标记
10 衬底
11 主表面
12 边界区域
13 焊线
14 衬底上的焊盘
20 集成电路
21 光学检测器
22 光学检测器
23 公共晶片表面
24 集成电路的轮廓
25 集成电路上的焊盘
26 集成电路的边缘
27 集成电路的侧壁
30 光发射器
40 光屏障
41 屏障高度
42 屏障宽度
43 接触区域
44 表面
50 模层
51 切口
52 切口的深度
53 模层的表面
54 透镜
55 透镜
57 表面
58 壁
59 切口的宽度
60 壳体
61 第一孔
62 第二孔
63 间隙
64 凸起
65 (壳体的)内表面
66 凸起的宽度
67 凸起的高度
68 (壳体的)壁
69 截面
70 玻璃覆盖件或覆盖层

Claims (15)

1.一种光学传感器装置，其包括：
-衬底(10)，其具有表面(11)
-集成电路(20)，其包括可操作以检测一波长范围的光的第一光学检测器(21)，其中，所述集成电路(20)和光发射器(30)安装到所述表面(11)上，所述光发射器(30)可操作以发射所述波长范围内的光，并且其中，所述集成电路(20)和光发射器(30)彼此电连接，并且电连接到所述衬底(10)，
-光屏障(40)，其形成在所述第一光学检测器(21)与光发射器(30)之间，并且包括沿着所述集成电路(20)的轮廓(24)设置的第一光学不透明材料，
-模层(50)，其用光学透明材料封装所述集成电路(20)、所述光发射器(30)，以及所述衬底(10)的至少一部分，以及
-壳体(60)，其安装到由第二光学不透明材料制成的所述光屏障(40)，并且包围所述壳体(60)与模层(50)之间的中空空间。
2.根据权利要求1所述的光学传感器装置，其中，
-所述集成电路(20)包括第二光学检测器(22)，所述第二光学检测器设置在位于集成电路(20)之上或之中的第一光学检测器(21)旁边，并且
-所述光屏障(40)沿着集成电路(20)的轮廓(24)位于第一光学检测器与第二光学检测器(21、22)之间。
3.根据权利要求1或2所述的光学传感器装置，其中，所述中空空间包括壳体(60)与模层(50)之间的至少一个间隙(63)。
4.根据权利要求3所述的光学传感器装置，其中，所述间隙(63)至少部分地填充有填充材料。
5.根据权利要求1至4之一所述的光学传感器装置，其中，所述壳体(60)包括：
-具有壁(68)的不透明材料的连续主体，其中，所述壁(68)接触表面(11)，
-内表面(65)，其通过凸起(64)被分成两个部分，其中，所述凸起(64)接触光屏障(40)。
6.根据权利要求1至5之一所述的光学传感器装置，其中，
-所述模层(50)包括横跨所述轮廓(24)切入到模层(50)中的切口(51)，以使得所述光屏障(40)的表面(44)从第一光学不透明材料显露，并且
-所述凸起(64)延伸到切口(51)中并且接触所述表面(44)，其中，所述壳体(60)安装在光屏障(40)上。
7.根据权利要求1至6之一所述的光学传感器装置，其中，所述衬底(10)包括在主表面(11)上包围集成电路(20)的边界区域(12)，并且所述壳体(60)安装到边界区域(12)。
8.根据权利要求1至7之一所述的光学传感器装置，其中，
-所述模层(50)包括在第一光学检测器(21)之上的第一透镜(54)和/或在光发射器(30)之上的第二透镜(55)，其中，所述透镜设置在光学透明材料中，并且
-所述壳体(60)包括与第一透镜(54)对准的第一孔(61)，和/或包括与第二透镜(55)对准的第二孔(62)。
9.一种设备，其包括：
-至少一个根据权利要求1至8之一所述的光学传感器装置，其中，所述光学传感器装置被配置成收集接近信号，以及
-主机系统，其中，所述至少一个光学传感器装置集成在主机系统中。
10.一种设备，其包括：
-根据权利要求1至8之一所述的至少一个光学传感器装置，其中，所述光学传感器装置被配置成收集飞行时间信号，以及
-主机系统，其中集成有所述至少一个光学传感器装置集成在主机系统中。
11.一种制造光学传感器装置的方法，所述方法包括以下步骤：
-设置具有表面(11)的衬底(10)，并且设置集成电路(20)，所述集成电路包括可操作以检测一波长范围的光的第一光学检测器(21)，
-将所述集成电路(20)和光发射器(30)安装到所述表面(11)上，所述光发射器(30)可操作以发射所述波长范围内的光，
-将所述集成电路(20)和光发射器(30)彼此电连接，并且电连接到所述衬底(10)，
-通过沿着所述集成电路(20)的轮廓(24)分配第一光学不透明材料来在所述第一光学检测器(21)与光发射器(30)之间形成光屏障(40)，
-通过用光学透明材料至少部分地封装所述衬底(10)、所述集成电路(20)和所述光发射器(30)来形成模层(50)，以及
-在所述光屏障(40)上安装由第二光学不透明材料制成的壳体(60)，并且由此包围所述壳体(60)与模层(50)之间的中空空间。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，使用模制工具来形成所述壳体(60)，使得安装所述壳体(60)时，在所述壳体(60)与模层(50)之间留下间隙(63)。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述间隙(63)至少部分地填充有填充材料。
14.根据权利要求11至13之一所述的方法，其中，使用模制工具来形成所述壳体(60)，使得所述壳体(60)包括：
-具有壁(68)的不透明材料的连续主体，其中，当所述壳体(60)安装到光屏障(40)时，所述壁(68)接触表面(11)，
-内表面(65)，其通过凸起(64)被分成两个部分，其中，当所述壳体(60)安装到光屏障(40)时，所述凸起(64)接触光屏障(40)。
15.根据权利要求11至14之一所述的方法，其中，
-通过模制和/或铸造工艺来形成所述模层(50)，并且其中，
-所述模制和/或铸造工艺包含在所述第一光学检测器(21)之上设置第一透镜(54)，和/或在所述光发射器(30)之上设置第二透镜(55)，并且
-安装所述壳体(60)包含设置第一孔(61)并将该第一孔与第一透镜(54)对准，和/或设置第二孔(62)并将该第二孔与第二透镜(55)对准。
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