CN114287058A - 具有光发射器和检测器的光电设备及制造光电设备的方法 - Google Patents

Abstract

一种光电设备(50)，包括半导体芯片(30)、被布置在半导体芯片(30)上的第一再分布层(25)以及布置在第一再分布层(25)上的至少一个光发射器(11)和至少一个光检测器(12)，其中第一再分布层(25)将半导体芯片(30)电耦接到至少一个光发射器(11)和至少一个光检测器(12)。

Description

具有光发射器和检测器的光电设备及制造光电设备的方法

技术领域

本发明涉及一种包括光发射器和光检测器的光电设备以及用于制造光电设备的方法。

背景技术

光电设备可被用作测量人或动物的心跳或其他生命体征的传感器。传统健康传感器的设计通常体积庞大。此外，在传统的传感器和发射器中使用许多接合线以电耦接传感器和发射器的部件，这增加了生产成本。

发明内容

本发明的根本目的是提供一种与传统的光电设备相比具有更小封装尺寸和更低生产成本的光电设备。本发明的另一目的是提供一种包括该光电设备的便携式电子设备。此外，本发明的目的是提供一种用于制造光电设备的方法。

本发明的目的由具有独立权利要求1特征的光电设备实现。另一目的由具有独立权利要求8特征的便携式电子设备实现。此外，本发明的目的通过一种用于制造具有独立权利要求9特征的光电设备的方法实现。在从属权利要求中提出本发明的有利的其它改进和方面。

根据实施例的光电设备包括半导体芯片、第一再分布层、至少一个光发射器和至少一个光检测器。

第一再分布层被布置在半导体芯片上，该半导体芯片可以包括如下所说明的集成电路。至少一个光发射器和至少一个光检测器被布置在第一再分布层上。第一再分布层将半导体芯片电耦接到至少一个光发射器和至少一个光检测器。

至少一个光发射器被配置为在光电设备的操作期间发射光。所发射的光的至少一部分可以由至少一个光检测器检测。所发射的光的一部分也可以被光电设备的环境吸收。例如，光电设备可以被配置为生命体征传感器。在这种情况下，至少一个光发射器向人或动物的皮肤发射光。所发射的光被人或动物的血液部分地吸收。由至少一个光检测器检测的光可被用于测量一个或多个生命体征参数，例如，人或动物的心跳、心率、心脏频率、脉搏率和/或血液中的氧饱和度。光电设备的其它应用也是可能的。

至少一个光发射器可以是被配置为发射光的半导体芯片。例如，至少一个光发射器可以是发光二极管(LED)。该LED可以发射一定波长或一定波长范围内的光。该LED可以例如发射可见光或红外(IR)光或紫外(UV)光。

此外，光电设备可包括两个或多个光发射器。两个或多个光发射器可以被配置为发射不同波长的光。例如，光电设备可以包括发射红光的一个或多个光发射器、发射绿光的一个或多个光发射器以及发射红外光的一个或多个光发射器。

至少一个光检测器可以是被配置为检测光的半导体芯片。例如，至少一个光检测器可以是光电二极管。

半导体芯片可以包括集成电路(IC)并且可以被配置为控制至少一个光发射器和/或至少一个光检测器。附加地或可替代地，半导体芯片可以被配置为评估从至少一个光检测器接收的信号。例如，半导体芯片可以根据从至少一个光检测器接收的信号来计算生命体征参数。

第一再分布层可以包括被施加到至少一个光发射器、至少一个光检测器和半导体芯片的一个或多个导电层。导电层可以连接到至少一个光发射器、至少一个光检测器和半导体芯片的接触焊盘。导电层可以用于从光电设备外部与至少一个光发射器、至少一个光检测器和半导体芯片形成电接触，并在光电设备内形成电连接。导电层将至少一个光发射器和至少一个光检测器电耦接到半导体芯片。导电层可以被制造为具有任何期望几何形状和任何期望材料成分。例如，导电层可以由线性导体轨道组成或者可以是覆盖一区域的层的形式。任何合适的导电材料，例如铝、金、铜或其它金属，都可以用作导电层的材料。导电层可被布置在电绝缘的介电层之上或之下或之间。

与传统的光电设备相比，可以用更小的封装尺寸和更低的生产成本来制造光电设备。尤其是，制造光电设备不需要焊线工艺。此外，与传统的光电设备相比，封装速度、检测速度和电磁干扰(EMI)鲁棒性更高。

在一个实施例中，至少一个光发射器和至少一个光检测器中的每一个具有第一主表面和与第一主表面相对置的第二主表面。侧表面从第一主表面延伸到相应的第二主表面。此外，至少一个光发射器的和至少一个光检测器的第一主表面被布置在公共平面中。至少一个光发射器可以通过第一主表面发射光。此外，由至少一个光检测器检测的光可以通过第一主表面进入至少一个光检测器。

电绝缘材料可以覆盖至少一个光发射器和至少一个光检测器，使得至少一个光发射器的和至少一个光检测器的第一表面从电绝缘材料露出。电绝缘材料可以覆盖至少一个光发射器的和至少一个光检测器的第二主表面和侧表面。

再分布层可以被施加到电绝缘材料。电绝缘材料允许再分布层延伸到至少一个光发射器和至少一个光检测器的轮廓之外的区域，从而产生扇形散开的再分布层。

电绝缘材料可以是模具材料或环氧基材料。在电绝缘材料是模具材料的情况下，其可以是例如适当的热塑性或热固性材料。可以采用各种技术(例如压缩成型或注射成型)用模具材料覆盖至少一个光发射器和至少一个光检测器。

光电设备可以包括从第一再分布层延伸到光电设备的组件表面的第二再分布层。此外，第二再分布层可被电耦接到第一再分布层。组件表面可用于将光电设备安装到另一部件(诸如电路板)上。

第二再分布层的至少部分，尤其是第二再分布层的表面，可以在组件表面上形成外部接触焊盘。外部接触焊盘可以从光电设备的外部使用并且允许从光电设备的外部与光电设备的电子部件形成电接触。

光电设备还可以包括第三再分布层，该第三再分布层被布置在至少一个光发射器和至少一个光检测器上方。第三再分布层可被电耦接到至少一个光发射器和至少一个光检测器。

光电设备可以是光电传感器，例如生命体征传感器。光电设备可以被配置为测量人和/或动物的心跳、心脏频率、脉搏、血液氧饱和度和/或其它生命体征参数。

根据实施例的便携式电子设备包括如上所描述的光电设备。便携式电子设备可以是可穿戴的，也称为可穿戴计算机或体载计算机。可穿戴是被穿戴在衣服下面、与衣服一起或衣服上面的小型电子或计算设备。例如，可穿戴可以是智能手表、头戴式显示器、活动跟踪器或健身跟踪器。

光电设备可被集成到便携式电子设备中，使得至少一个光发射器沿朝向用户皮肤的方向发射光。

此外，光电设备还可被集成到医疗设备中。

一种用于制造光电设备的方法包括：提供至少一个光发射器和至少一个光检测器；将第一再分布层施加到至少一个光发射器和至少一个光检测器；以及将半导体芯片放置在第一再分布层上。第一再分布层将半导体芯片电耦接到至少一个光发射器和至少一个光检测器。

用于制造光电设备的方法可包括上文结合光电设备所描述的实施例。

在施加第一再分布层之前，可以将至少一个光发射器和至少一个光检测器放置在临时载体上。至少一个光发射器与至少一个光检测器之间的距离可被自由选择。在将半导体芯片放置在第一再分布层上之后，可以从至少一个光发射器和至少一个光检测器移除临时载体。这并不意味着在将半导体芯片放置在第一再分布层上之后必须立即移除临时载体。在移除临时载体之前，在将半导体芯片放置在第一再分布层上之后可以存在其它制造步骤。可以提供的是，如下所说明，在产生第二再分布层之后移除临时载体。

在将至少一个光发射器和至少一个光检测器放置在载体上之后，可以用电绝缘材料覆盖它们。此外，可以将第一再分布层施加到电绝缘材料。

可以是模具材料的电绝缘材料形成人造晶圆。围绕至少一个光发射器和至少一个光检测器的间隙和边缘可以填充有电绝缘材料。

嵌入式晶圆级球栅阵列(eWLB)技术可被用于制造光电设备。

半导体芯片也可以覆盖有电绝缘材料。此外，可以将第二再分布层施加到覆盖半导体芯片的电绝缘材料。第二再分布层可被电耦接到第一再分布层。

第二再分布层的部分可形成外部接触焊盘。

在将至少一个光发射器和至少一个光检测器从载体移除之后，可以将第三再分布层施加到至少一个光发射器和至少一个光检测器。第三再分布层可被施加到通过移除载体而露出的光电设备的表面。

附图说明

附图的以下描述可以进一步说明和解释示例性实施例。功能相同或具有相同效果的部件由相同的附图标记表示。相同或实际上相同的部件可以仅参照它们首先出现的附图来描述。它们的描述不必在连续的附图中重复。在附图中示出了：

图1A至图1P是用于制造光电设备的方法的示例性实施例的示意图；图2是光电设备的示例性实施例的示意图；以及

图3A至图3C是光电设备的另一示例性实施例的示意图。

具体实施方式

图1A至1P示意性地示出了用于制造光电设备的方法的示例性实施例。

图1A示出了两个光发射器11和光检测器12。已经在经过切割的前端处理晶圆上制造光发射器11和光检测器12。光发射器11和光检测器12的单个化芯片以倒装芯片配置而放置在临时载体13上，使得光发射器11和光检测器12的接触焊盘中的至少一些背离载体13。

可以提供的是，在载体13上放置比图1A所示的更多的光发射器11和光检测器12。尤其地，待制造的多个光电设备的光发射器11和光检测器12可被放置在载体13上。

每个光发射器11具有第一主表面14和与第一主表面14相对置的第二主表面15以及从第一主表面14延伸到第二主表面15的侧表面16。光检测器12具有第一主表面17和与第一主表面17相对置的第二主表面18以及从第一主表面17延伸到第二主表面18的侧表面19。光发射器11和光检测器12被放置在载体13上，使得第一主表面14和17面向载体13。

在图1B中，第一电绝缘材料20被沉积在光发射器11和光检测器13上。在本实施例中，第一电绝缘材料20是模具材料，尤其是硅模具材料。第一电绝缘材料20覆盖光发射器11和光检测器12的第二主表面15、18和侧表面16、19。此外，第一电绝缘材料20填充光发射器11和光检测器12周围的间隙和边缘。

然后构造第一电绝缘材料层20。为此，将第一光阻层21施加到第一电绝缘材料20的顶表面上，并如图1C所示构造。

如图1D所示，第一光阻层21的结构使得选择性蚀刻工艺能够从第一电绝缘层20的上表面接近光发射器11和光检测器12。等离子体蚀刻、液体蚀刻或任何其它合适的蚀刻技术可以用于蚀刻工艺。尤其是，通过在光发射器11和光检测器12上形成露出接触焊盘的通孔22，从光发射器11和光检测器12的接触焊盘移除第一电绝缘材料20。在蚀刻步骤之后，移除第一光阻层21。

在图1E中，第一再分布层25被施加到第一电绝缘材料20。第一再分布层25包括至少一个导电层，该导电层连接到光发射器11和光检测器12的接触焊盘，该光发射器和光检测器通过通孔22从第一电绝缘材料20露出。

在图1F中，在第一再分布层25和第一电绝缘材料20上沉积第二电绝缘材料26，例如，硅模具材料。

然后构造第二电绝缘材料层26。为此，将第二光阻层27施加到第二电绝缘材料26的顶表面，并如图1G所示构造。

应用选择性蚀刻工艺，例如等离子体或液体蚀刻工艺，用于蚀刻第二电绝缘材料26的从第二光阻层27露出的部分。由此在第二电绝缘材料26中产生孔28，其露出第一再分布层25的一个导电层的至少一部分，如图1H所示。

在图1I中，半导体芯片30以倒装芯片配置被放置在孔28中，并且半导体芯片30的接触焊盘连接到第一再分布层25。

在图1J中，半导体芯片30和第二电绝缘材料26被第三电绝缘材料31覆盖，该第三电绝缘材料可以是硅模具材料。

在图1K中，第三光阻层32被施加到第三电绝缘材料31的顶表面并被构造。

在图1L中，蚀刻第三电绝缘材料31的从第三光阻层32露出的部分。由此在第三电绝缘材料31中产生通孔33，其露出第一再分布层25的部分。之后，移除第三光阻层32。

在图1M中，创建第二再分布层34。第二再分布层34经由第三电绝缘材料31中的通孔33连接到第一再分布层25。此外，第二再分布层34可以在第三电绝缘材料31的顶表面上延伸。

然后从载体13上移除由电绝缘材料20、26和31制成的晶圆。如图1N所示，晶圆被翻转并安装在临时载体40上。

在图1O中，在平坦表面上产生第三再分布层41，其预先附着到载体13。第三再分布层41可以电互连光发射器11和光检测器12。

在图1P中，黑色阻焊剂42被沉积在第一电绝缘材料20的露出的顶表面上。

在晶圆包括几个光电设备的情况下，这些光电设备通过电绝缘材料20、26和31的分离而彼此分离，例如通过锯割。然后从载体40释放光电设备。

图2以截面示意性地示出了光电设备50的示例性实施例，其从图1A至1P所示的制造工艺获得。

光发射器11和光检测器12的第一表面14、17被布置在公共平面中。其原因是它们在图1A所示的制造步骤中已经被放置在平面载体13上。

光发射器11通过其第一表面14发射光。光检测器12通过其第一表面17接收由光发射器11发射的光。

半导体芯片30经由第一再分布层25电耦接到光发射器11和光检测器12。在光电设备50的操作期间，半导体芯片30可以控制光发射器11和光检测器12，此外，可以评估由光检测器12提供的测量信号。

外部接触焊盘51由光电设备50的底表面上的第二再分布层34形成。半导体芯片30以及、尤其是光发射器11和光检测器12可以通过外部接触焊盘51接触。

光电设备50的底表面形成组件表面52。组件表面52可以用于将光电设备50安装到另一部件(诸如，电路板)上。

图3A至3C示意性地示出了作为另一示例性实施例的光电设备60。图3A示出了光电设备60的三维视图。图3B和3C分别示出光电设备60的顶视图和侧视图。

光电设备60包括发射红光的LED 61、发射红外光的LED 62和发射绿光的两个LED63。LED 61至63被布置成阵列。此外，光电设备60包括被布置在LED阵列中间的光电二极管64。

光电设备60可以具有3.0mm的宽度W、2.5mm的深度D和0.65mm的高度H。光电设备60还可以具有其它尺寸。光电设备60的尺寸尤其取决于半导体芯片30、LED 61至63和光电二极管64的尺寸。

附图标记列表

11 光发射器

12 光检测器

13 载体

14 第一主表面

15 第二主表面

16 侧表面

17 第一主表面

18 第二主表面

19 侧表面

20 第一电绝缘材料

21 第一光阻层

22 通孔

25 第一再分布层

26 第二电绝缘材料

27 第二光阻层

28 孔

30 半导体芯片

31 第三电绝缘材料

32 第三光阻层

33 通孔

34 第二再分布层

40 载体

41 第三再分布层

42 黑色阻焊剂

50 光电设备

51 外部接触焊盘

52 组件表面

60 光电设备

61 发射红光的LED

62 发射红外光的LED

63 发射绿光的LED

64 光电二极管。

Claims (16)

1.一种光电设备(50，60)，包括：

半导体芯片(30)，

第一再分布层(25)，被布置在所述半导体芯片(30)上，以及至少一个光发射器(11，61-63)和至少一个光检测器(12，64)，被布置在所述第一再分布层(25)上，

其中，所述第一再分布层(25)将所述半导体芯片(30)电耦接到所述至少一个光发射器(11，61-63)和所述至少一个光检测器(12，64)。

2.根据权利要求1所述的光电设备(50，60)，其中，所述至少一个光发射器(11，61-63)和所述至少一个光检测器(12，64)中的每一个具有第一主表面(14，17)和与所述第一主表面(14，17)相对置的第二主表面(15，18)，并且其中，所述至少一个光发射器(11，61-63)的和所述至少一个光检测器(12，64)的所述第一主表面(14，17)被布置在公共平面中。

3.根据权利要求2所述的光电设备(50，60)，其中，电绝缘材料(20)覆盖所述至少一个光发射器(11，61-63)和所述至少一个光检测器(12，64)，并且其中，所述至少一个光发射器(11，61-63)和所述至少一个光检测器(12，64)的所述第一表面(14，17)从所述电绝缘材料(20)露出。

4.根据前述权利要求中任一项所述的光电设备(50，60)，还包括延伸到所述光电设备(50，60)的组件表面(52)的第二再分布层(34)，其中，将所述第二再分布层(34)电耦接到所述第一再分布层(25)。

5.根据权利要求4所述的光电设备(50，60)，其中，所述第二再分布层(34)的至少部分形成外部接触焊盘(51)。

6.根据前述权利要求中任一项所述的光电设备(50，60)，还包括被布置在所述至少一个光发射器(11，61-63)和所述至少一个光检测器(12，64)上的第三再分布层(41)，其中，将所述第三再分布层(41)电耦接到所述至少一个光发射器(11，61-63)和所述至少一个光检测器(12，64)。

7.根据前述权利要求中任一项所述的光电设备(50，60)，其中，所述光电设备(50，60)是光电传感器，并且尤其被配置为测量人和/或动物的心跳、心脏频率、脉搏和/或血液氧饱和度。

8.一种包括根据前述权利要求中任一项所述的光电设备(50，60)的便携式电子设备。

9.一种用于制造光电设备(50，60)的方法，包括：

提供至少一个光发射器(11，61-63)和至少一个光检测器(12，64)，

将第一再分布层(25)施加到所述至少一个光发射器(11，61-63)和所述至少一个光检测器(12，64)，以及

将半导体芯片(30)放置在所述第一再分布层(25)上，

其中，所述第一再分布层(25)将所述半导体芯片(30)电耦接到所述至少一个光发射器(11，61-63)和所述至少一个光检测器(12，64)。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，在将所述第一再分布层(25)施加到所述至少一个光发射器(11，61-63)和所述至少一个光检测器(12，64)之前，将所述至少一个光发射器(11，61-63)和所述至少一个光检测器(12，64)放置在载体(13)上，并且其中，在随后的步骤中将所述载体(13)从所述至少一个光发射器(11，61-63)和所述至少一个光检测器(12，64)移除。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，被放置在所述载体(13)上的所述至少一个光发射器(11，61-63)和所述至少一个光检测器(12，64)由电绝缘材料(20)覆盖，并且将所述第一再分布层(25)施加到所述电绝缘材料(20)。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述电绝缘材料(20)是模具材料。

13.根据权利要求9至12中任一项所述的方法，其中，所述半导体芯片(30)被覆盖有电绝缘材料(31)。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，将第二再分布层(34)施加到覆盖所述半导体芯片(30)的电绝缘材料(31)，并且将所述第二再分布层(34)电耦接到所述第一再分布层(25)。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述第二再分布层(34)的部分形成外部接触焊盘(51)。

16.根据权利要求9至15中任一项所述的方法，其中，在从载体(13)移除所述至少一个光发射器(11，61-63)和所述至少一个光检测器(12，64)之后，将第三再分布层(41)施加到所述至少一个光发射器(11，61-63)和所述至少一个光检测器(12，64)。

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