CN115015948A - 光学传感器及制作方法 - Google Patents

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Abstract

本公开的实施例提供了一种光学传感器及其制作方法。根据本公开的实施例，光学传感器包括：光学感应层、透光层、阻光层，其中，光学感应层包括光学感应元件阵列；透光层涂覆于光学感应层之上；阻光层上包括一个或多个入光孔，并且涂覆于透光层之上；其中，光学感应层、透光层和阻光层被封装为晶圆裸片；光线透过入光孔并经过透光层照射到光学感应元件阵列上。本公开提供的光学传感器能够有效减小光学传感器的厚度，降低光学传感器的尺寸，减轻光学传感器的重量，从而拓展光学传感器的应用范围。

Description

光学传感器及制作方法
技术领域
本公开涉及传感器及电路封装领域，更具体地，涉及一种光学传感器及其制作方法。
背景技术
当前手机、电脑作为日常生活中应用最广泛、使用频率最高的设备，其发展迅速。摄像头作为手机、电脑最重要的光学传感部件之一，其在图像检测、图像捕捉、图像处理、距离检测、运动感知等方面都承担着十分重要的角色。例如，ToF(Time of Flight)镜头作为当下流行的距离感测装置，其通过发射、接收光束，计算发射光与反射光之间的时间差或相位差，形成一组距离深度数据，从而辅助相机对焦，或得到立体的3D图像模型。
目前，应用于手机、电脑等智能设备的传感器的制作方式为：在传感器的各个零件生产好后将各个零件粘贴或者以其它结构连接方式组装在一起，最后再将所有组装好的所有零件密封地封装起来，以保护传感器中的零件不易受损坏。
在上述传感器制作方式下，要求各个零件之间精准地配合，实现难度较大，对制作设备的要求较高，制作设备成本较高。同时，由于制作设备精度限制，在这种传感器的制作方式下，很难再进一步地压缩传感器的体积，降低传感器的尺寸，从而使得传感器能够实现更多场景下的使用要求，以及满足电子设备日益小型化、轻型化、微型化的发展需求。
发明内容
为了减小光学传感器的厚度、降低光学传感器的尺寸，从而使得光学传感器能够应用于更多应用场景中，本公开在制作光学传感器时，提供包括光学感应元件阵列的光学感应层，通过晶圆级处理，在光学感应层上形成透光层，通过晶圆级处理，在透光层上形成阻光层，并且在阻光层上形成一个或多个入光孔，使得光线透过入光孔并经过透光层照射到光学感应元件阵列上。
由于基于晶圆级制作光学传感器，本公开提供的光学传感器能够有效减小光学传感器的厚度，降低光学传感器的尺寸，减轻光学传感器的重量，从而拓展光学传感器的应用范围。
本公开的实施例提供了一种光学传感器，包括：光学感应层、透光层、阻光层，其中，所述光学感应层包括光学感应元件阵列；所述透光层涂覆于所述光学感应层之上；所述阻光层上包括一个或多个入光孔，并且涂覆于所述透光层之上；其中，所述光学感应层、所述透光层和所述阻光层被封装为晶圆裸片(Wafer Die)；其中，光线透过所述入光孔并经过所述透光层照射到所述光学感应元件阵列上。
根据本公开的实施例，所述光学传感器还包括：滤光层，用于过滤特定波长范围的光，其中，所述滤光层涂覆于所述光学感应层之上，并且所述透光层涂覆于所述滤光层之上；或者所述透光层涂覆于所述光学感应层之上，并且所述滤光层涂覆于所述透光层之上，其中，所述光学感应层、所述滤光层、所述透光层和所述阻光层被封装为晶圆裸片(WaferDie)。
根据本公开的实施例，在所述透光层涂覆于所述滤光层之上的情况下，所述阻光层涂覆于所述透光层的上表面，或者所述阻光层涂覆于所述透光层的上表面和滤光层和/或透光层的至少一个侧面，并且所述阻光层的入光孔位于所述透光层的上表面上；或者在所述滤光层涂覆于所述透光层之上的情况下，所述阻光层涂覆于所述滤光层的上表面，或者所述阻光层涂覆于所述滤光层的上表面和滤光层和/或透光层的至少一个侧面，并且所述阻光层的入光孔位于所述滤光层的上表面上。
本公开的实施例还提供了一种光学传感器，包括：基底层、位于基底层上的光接收部分及模塑层，其中，所述光接收部分包括光学感应层、透光层、阻光层，其中，所述光学感应层包括光学感应元件阵列；所述透光层涂覆于所述光学感应层之上；所述阻光层上包括一个或多个入光孔，并且涂覆于所述透光层之上；所述模塑层用于将所述光接收部分封装到所述基底层上，并为所述光学传感器定型，所述光接收部分由模塑层全部或部分地包覆；其中，光线透过所述入光孔照射到所述光学感应元件阵列上。
根据本公开的实施例，所述模塑层为透明材料，其，其中，所述模塑层覆盖所述一个或多个入光孔中的至少一部分，或者完全不覆盖所述一个或多个入光孔。
根据本公开的实施例，所述透明材料的折射率大于空气的折射率，使得所述光接收部分的接收范围增大。
本公开的实施例还提供了一种光学传感器制作方法，包括：提供光学感应层，所述光学感应层包括光学感应元件阵列；通过晶圆级处理，在所述光学感应层上形成透光层；以及通过晶圆级处理，在所述透光层上形成阻光层，并且在所述阻光层上形成一个或多个入光孔。
根据本公开的实施例，在所述光学感应层上形成透光层还包括：通过晶圆级处理，在所述光学感应层上涂覆滤光层，并且在所述滤光层上涂覆透光层，其中，在所述透光层上形成阻光层还包括：通过晶圆级处理，在所述透光层的上表面涂覆所述阻光层，或者在所述透光层的上表面和滤光层和/或透光层的至少一个侧面涂覆所述阻光层，并且所述阻光层的入光孔位于所述透光层的上表面上。
根据本公开的实施例，在所述透光层上形成阻光层，还包括：通过晶圆级处理，在所述透光层上涂覆滤光层，并在所述滤光层上涂覆阻光层，其中，在所述滤光层上涂覆阻光层还包括：通过晶圆级处理，在所述滤光层的上表面涂覆所述阻光层，或者在所述滤光层的上表面和滤光层和/或透光层的至少一个侧面涂覆所述滤光层，并且所述阻光层的入光孔位于所述滤光层的上表面上。
本公开的实施例还提供了一种光学传感器制作方法，包括：提供光学感应层，所述光学感应层包括光学感应元件阵列；在所述光学感应层上涂覆透光层；以及在所述透光层上涂覆阻光层，并且在所述阻光层上形成一个或多个入光孔；将所述光学传感器的光接收部分排布在基底层之上，其中，所述光接收部分包括所述光学感应层、所述透光层以及所述阻光层，通过模塑方式将所述光学传感器的所述光接收部分封装在基底层之上。
本公开的实施例提供了一种光学传感器及其制作方法。根据本公开的实施例，光学传感器包括：光学感应层、透光层、阻光层，其中，光学感应层包括光学感应元件阵列；透光层涂覆于光学感应层之上；阻光层上包括一个或多个入光孔，并且涂覆于透光层之上；其中，光学感应层、透光层和阻光层被封装为晶圆裸片；光线透过入光孔并经过透光层照射到光学感应元件阵列上。本公开提供的光学传感器能够有效减小光学传感器的厚度，降低光学传感器的尺寸，减轻光学传感器的重量，从而拓展光学传感器的应用范围。
附图说明
为了更清楚地说明本公开的实施例的技术方案，下面将对实施例的描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些示例性实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
在此，附图中：
图1是示出根据本公开的实施例的光学距离感测模组工作场景的示意图；
图2是示出根据本公开的实施例的光学距离感测模组的结构的示意图；
图3A～图3E是示出根据本公开的实施例的光学传感器的结构的示意图；
图4A和图4B是示出根据本公开的实施例的光学距离感测模组的结构的示意图；
图5A和图5B是示出根据本公开的实施例的模塑层对视场角(FOV)的影响效果的示意图；
图6A～图6C是示出根据本公开的实施例的光学距离感测模组的安装方式的示意图；
图7是示出根据本公开的实施例的光学传感器制作方法的示意性流程图；
图8A～图8C是示出根据本公开的实施例的光学传感器制作方法的示意图；
图9是示出根据本公开的实施例的光学距离感测模组制作方法的示意性流程图；以及
图10A～图10D是示出根据本公开的实施例的光学距离感测模组制作方法的示意图。
具体实施方式
为了使得本公开的目的、技术方案和优点更为明显，下面将参照附图详细描述根据本公开的示例实施例。显然，所描述的实施例仅仅是本公开的一部分实施例，而不是本公开的全部实施例，应理解，本公开不受这里描述的示例实施例的限制。
此外，在本说明书和附图中，具有基本上相同或相似步骤和元素用相同或相似的附图标记来表示，且对这些步骤和元素的重复描述将被省略。
此外，在本说明书和附图中，根据实施例，元素以单数或复数的形式来描述。然而，单数和复数形式被适当地选择用于所提出的情况仅仅是为了方便解释而无意将本公开限制于此。因此，单数形式可以包括复数形式，并且复数形式也可以包括单数形式，除非上下文另有明确说明。
此外，在本说明书和附图中，所涉及的术语“第一/第二”仅仅是是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序，可理解地，“第一/第二”在允许的情况下可以互换特定的顺序或先后次序，以使这里描述的本发明实施例能够以除了在这里图示或描述的以外的顺序实施。
此外，在在本说明书和附图中，所使用的“上”、“下”、“垂直”、“水平”等涉及方位或位置关系的术语仅用于方便描述根据本公开的实施例，而无意将本公开限制于此。因此不应理解为对本公开的限制。
此外，在本说明书和附图中，除非另有明确说明，“连接”并不意味着必须“直接连接”或“直接接触”，在此，“连接”既可表示固定作用也可表示电学意义上的连通。
光学传感器主要通过光为媒介进行工作，它的检测距离长、检测速度快、灵敏度高、无需接触即可以实现高精度的检测，光学传感器可以在不接触检测物体的前提下，实现检测内部状况，而不会对检测物体和传感器造成损伤，这样既保证了被检测物的安全，也使得光学传感器能够长期使用。光学传感器也可以被用于遥测、遥控、图像信息提取等领域。
距离传感器通常通过发射、接收光束，计算发射光与反射光之间的时间差和/或相位差，形成一组距离深度数据，从而辅助相机对焦，或得到立体的3D图像模型。距离传感技术目前在许多技术领域中都有应用，例如：无人机、无人驾驶汽车、或机器人的避障，机械臂自动搬运，医疗监护，智能手机或电脑的距离感测模块，AR/体感游戏，全息影像交互等等。
作为一个示例，本公开涉及光学传感器、光学距离感测模组以及它们的制作方法，下面将结合附图对本公开的实施例进行进一步地描述。
图1是示出根据本公开的实施例的光学距离感测模组工作场景的示意图。
光学距离感测模组通常利用“飞行时间法”(flying time)来确定距离，即光学距离感测模组中的光发射模块向被测物体(包括动物、人物等)发出用于测距的出射光，光到达被测物体后将光线反射，该反射光能够被光学距离感测模组中的光接收模块检测到。由于光在传播过程中损失很少，不易被干扰，因此，光学距离感测模组通过计算该出射光与反射光之间的时间差和/或相位差能够计算出传感器与被测物体之间的距离。
应当理解，本公开中的光学距离感测模组收发的光并不仅指日常生活中的可见光，而是包括例如：光脉冲、红外线、超声波等不易受干扰、并且不易干扰外界环境的不可见光。根据被测物体及应用场景的不同，光学距离感测模组的作用可能为距离检测、动作识别等。
图2是示出根据本公开的实施例的光学距离感测模组的结构的示意图。
如图2所示，光学距离感测模组包括：基底层201、位于基底层201上的光发射部分和光接收部分、以及外壳206，光发射部分包括光发射器202、电路元件203，光接收部分包括光接收器(例如，包括具有光学感应元件阵列2111的光学感应层211)，光发射部分与光接收部分之间用电线217连接；外壳206上包括出光孔2061和入光孔2062，外壳206下嵌有滤光玻璃204，入光孔2062与光接收器相对布置，出光孔2061与光发射器202相对布置，光发射器202发射的光透过滤光玻璃204后，经出光孔2061被发射至待测物体；经待测物体反射的光通过入光孔2062，经滤光玻璃204过滤后，被光接收器接收。因此，光学距离感测模组可以通过光发射器202发出的光和光学接收器接收到的反射光之间的时间差和/或相位差来检测外部对象距光学距离感测模组的距离。
根据本公开的实施例，图2中的光学距离感测模组通常采用的制作方式为：将光发射器202、光接收器(包括具有光学感应元件阵列2111的光学感应层211)、基底层201及其上的电路元件203提前生产好，针对光发射部分和光接收部分的尺寸设计合适的外壳封装，其中，外壳206上打有入光孔2062和出光孔2061，使得入光孔2062与光接收器相对布置，出光孔2061与光发射器202相对布置；在入光孔2062和出光孔2061下的外壳内侧镶嵌滤光玻璃204。光学距离感测模组的各个组成部分通常采用粘贴或者其它结构连接方式组装在一起。由于采用这种方法制作的光学距离感测模组需要在每一部分生产好后将它们安装在一起，因此安装时要求精度高，实现难度大；而且，由于工艺技术限制，整个光学距离感测模组的加工尺寸较大，由于图2中的光学距离感测模组采用外壳来将光发射部分、光接收部分封装在一起，这对外壳的强度和厚度有一定的要求，因此整个光学距离感测模组的厚度较大、重量不理想。
通常，采用传统制作方式，各层组件的厚度通常会超过100微米，而整个光学距离感测模组的厚度大约为1～1.5毫米。然而，对于一些应用场景，例如在将光学距离感测模组应用于智能终端时，由于智能终端的屏幕下空间有限，需要进一步降低光学距离感测模组的厚度。
为了减小光学距离感测模组以及光接收部分的尺寸，减轻光学距离感测模组以及光接收部分的重量，本公开提出了一种通过晶圆级封装制作的光学传感器。图3A～图3E是示出根据本公开的实施例的光学传感器的结构的示意图。
如图3A所示，光学传感器包括：光学感应层311、透光层313、阻光层314，其中，光学感应层311包括光学感应元件阵列3111；透光层313涂覆于光学感应层311之上；阻光层314上包括一个或多个入光孔3141，并且涂覆于透光层313之上；其中，光学感应层311、透光层313和阻光层314被封装为晶圆裸片(Wafer Die)；其中，光线透过入光孔3141并经过透光层313照射到光学感应元件阵列3111上。
传统封装步骤主要在裸片切割分片后进行，即先对晶圆(Wafer)进行切割分片(Dicing)，然后再封装(Packaging)成各种形式。而晶圆级封装(Wafer Level Package，WLP)在封装过程中大部分处理过程都是对晶圆进行操作，即在晶圆上进行整体封装，封装完成后再进行切割分片。因为封装完成后再进行切割分片，因此，封装后的芯片尺寸和裸片(裸芯片)相差不大，因此也被称为CSP(Chip Scale Package)或者WLCSP(Wafer LevelChip Scale Packaging)，此类封装符合消费类电子产品轻、小、短、薄化的市场趋势，寄生电容、电感都比较小，并具有低成本、散热佳等优点。而且，由于在晶圆上进行整体封装并在封装完成后再进行切割分片，则一次性地在一片晶圆上完成数百或数千个裸片(芯片)的封装，极大地节省了制作工序和制作时间。
目前，常见光学感应元件有电荷耦合元件(CCD)、金属氧化物半导体元件(CMOS)和单光子雪崩二极管(SPAD)等。在CCD的感光像素点接受光照之后，光学感应元件产生对应的电流，电流大小与光强对应，光学感应元件直接输出模拟量形式的电信号。CMOS中的每一个光学感应元件都直接整合了放大器和模数转换逻辑，当感光二极管接受光照、产生模拟的电信号之后，电信号首先被该光学感应元件中的放大器放大，然后直接转换成对应的数字信号。SPAD中的光学感应元件接收到单一光子后，可利用雪崩式倍增技术将电子放大而输出相应的数字信号，使得微弱的光带也能被检测到。应当理解，不论是CCD光学感应元件、CMOS光学感应元件还是SPAD光学感应元件的主要目的都是将采集到的光信号转换为后续电路或计算机能够处理的电信号，所有能将光信号转换为电信号的元件都可以属于本公开所描述的光学感应元件。
可选地，光学传感器还可以包括：滤光层，用于过滤特定波长范围的光。光通过滤光层后，只允许特定波长范围的光通过。
可选地，在光学传感器包括滤光层的情况下，光学传感器的结构可以为如图3B所示的结构，即透光层313涂覆于光学感应层311之上，并且滤光层312涂覆于透光层313之上，其中，光学感应层311、滤光层312、透光层313和阻光层314被封装为晶圆裸片。
可选地，在光学传感器包括滤光层312的情况下，光学传感器的结构还可以为如图3C所示的结构，即滤光层312涂覆于光学感应层311之上，并且透光层313涂覆于滤光层312之上，其中，光学感应层311、滤光层312、透光层313和阻光层314被封装为晶圆裸片。
可选地，在滤光层312涂覆于透光层313之上的情况下，阻光层314可以涂覆于滤光层312的上表面(例如，图3B所示的结构)，或者阻光层314可以涂覆于滤光层312的上表面和滤光层312和/或透光层313的至少一个侧面(例如，图3D所示的结构)，并且阻光层314的入光孔3141位于滤光层312的上表面上。
可选地，在透光层313涂覆于滤光层312之上的情况下，阻光层314可以涂覆于透光层313的上表面(例如，图3C所示的结构)，或者阻光层314可以涂覆于透光层313的上表面和滤光层312和/或透光层313的至少一个侧面(例如，图3E所示的结构)，并且阻光层314的入光孔3141位于透光层313的上表面上。
如图3A-3E所示，通过晶圆级封装所制作的光学传感器中并不存在空腔结构，从而使得光学传感器结构更紧凑，这与传统封装方式不同。在传统封装方式下，例如如图2所示，在入光孔3141下的滤光玻璃204与光接收器之间存在空腔结构。应了解，根据本公开实施例的入光孔3141不属于空腔结构。
可选地，光学传感器还可以包括：基底层，基底层包括至少一个电路元件，光学感应层311位于基底层之上。基底层可以是包括电路元件及电路线路的印制电路板(PrintedCircuit Board，PCB)或软性印制电路板(Flexible Printed Circuit Board，FPC)。光学感应层311可以通过打线连接至电路元件，或者可以通过硅通孔连接至电路元件。应了解，基底层与光学感应层311的连接可以不是按照晶圆级处理进行的。
可选地，光学感应层311、透光层313、阻光层314形成光接收部分，或者光学感应层311、透光层313、滤光层312、阻光层314形成光接收部分，光学传感器还可以包括：模塑层，模塑层将所述光接收部分封装到基底层上，并为光学传感器定型及保护，并且光接收部分由模塑层全部或部分地包覆。所述模塑层覆盖一个或多个入光孔3141中的至少一部分，或者完全不覆盖一个或多个入光孔3141。将在下文中具体描述模塑层的特点。
可选地，光学传感器还可以包括：光发射器，其与光学感应层311间隔布置在基底层上，其中，光发射器发出光，光透过光学传感器射出，经外部对象反射后从入光孔3141射入，其中，光学传感器通过光发射器发出的光和光学感应元件接收到的反射光之间的时间差和/或相位差来检测外部对象距光学传感器的距离。应了解，光发射器与基底层的连接也可以不是按照晶圆级处理进行的。
由于在晶圆级进行制作，各元件无需生产好后再组装，而是采用半导体工艺(例如涂覆(coating)的方式)将光学感应层311、透光层313、阻光层314组合在一起，并且采用曝光显影、蚀刻或剥离等图案化(patterning)的方式在阻光层314上制作入光孔3141，因此，光学传感器的尺寸能够得到有效地降低，而且，各层装配精度极高。
通过在晶圆级进行制作，光学传感器的滤光层312、透光层313和阻光层314中各层的厚度通常小于100微米，且通常在数微米或数十微米，相较於传统的封装方式可以有效减少光学传感器的厚度。由此，根据本公开实施例，通过晶圆级封装所制作的光学传感器的整体厚度将可小于1毫米，甚至于达到0.5毫米，更合适用于智能终端中。
类似地，为了减小光学距离感测模组的尺寸，减轻光学距离感测模组的重量，本公开提出了一种采用了由晶圆级封装制作的光接收部分的光学距离感测模组。图4A和图4B是示出根据本公开的实施例的光学距离感测模组的结构的示意图。
如图4A和图4B所示，光学距离感测模组，包括：基底层201、位于基底层201上的光发射部分和光接收部分、以及模塑层215，光发射部分包括光发射器202，光接收部分包括光学感应层211、透光层213以及阻光层214，其中，光学感应层211包括光学感应元件阵列2111；透光层213涂覆于光学感应层211之上；阻光层214上包括一个或多个入光孔2141，并且涂覆于透光层213的表面；其中，光学感应层211、透光层213和阻光层214被封装为晶圆裸片；其中，光发射部分和光接收部分被容纳在由模塑层215和基底层201限定的空间内，并且并列排布在基底层201之上，其中，光发射器202发出光，光透过模塑层215射出，经外部对象反射后从入光孔2141射入，其中，光学距离感测模组通过光发射器202发出的光和光学感应元件接收到的反射光之间的时间差和/或相位差来检测外部对象距光学距离感测模组的距离。
光学距离感测模组的光接收部分可以采用如图3A～图3E所示的设计。即光接收部分还可以包括滤光层212，用于过滤特定波长范围的光，其中，滤光层212涂覆于光学感应层211之上，并且透光层213涂覆于滤光层212之上；或者透光层213涂覆于光学感应层211之上，并且滤光层212涂覆于透光层213之上，其中，光学感应层211、滤光层212、透光层213和阻光层214被封装为所述晶圆裸片。
可选地，在透光层213涂覆于滤光层212之上的情况下，阻光层214涂覆于透光层213的上表面，或者阻光层214涂覆于透光层213的上表面和滤光层212和/或透光层213的至少一个侧面，并且阻光层214的入光孔2141位于透光层213的上表面上；或者在滤光层212涂覆于透光层213之上的情况下，阻光层214涂覆于滤光层212的上表面，或者阻光层214涂覆于滤光层212的上表面和滤光层212和/或透光层213的至少一个侧面，并且阻光层214的入光孔2141位于滤光层212的上表面上。
可选地，如图4A和图4B所示的光学距离感测模组的光接收部分与光发射部分之间可以设置光隔离带(图中未示出)。该光隔离带的作用是使光学距离感测模组的光发射部分发出的光与光学距离感测模组的光接收部分接收的光之间互不干扰，以免影响光学距离感测模组的测距结果。
通过在晶圆级进行制作，光学距离感测模组的光接收部分中各层的厚度小于100微米，且通常在数微米或数十微米。由此，根据本公开实施例，通过晶圆级封装所制作的光接收部分的整体厚度将可小于1毫米，甚至于达到0.5毫米，更合适用于智能终端中。
可选地，光学距离感测模组的基底层201还可以包括至少一个电路元件203，光学感应层211位于基底层201之上。基底层201可以是包括电路元件203及电路线路的PCB电路板或FPC电路板。光学感应层211可以通过打线连接至电路元件(例如，在图4A所示的结构中，光学感应层211通过电线217连接至电路元件203)，或者可以通过硅通孔连接至电路元件(例如，在图4B所示的结构中，光学感应层211通过硅通孔216连接至电路元件203)。应了解，基底层201的布置可以是常规的封装。
由于在晶圆级进行制作，各元件无需生产好后再组装，而是采用涂覆的方式将光学感应层211、透光层213、阻光层214组合在一起，因此，光学距离感测模组的尺寸能够得到有效地降低，而且，各层装配精度极高。同时，由于元件的封装不再采用密封外壳，而是采用模塑层填充的方式，因此光学距离感测模组的重量较轻，整个光学距离感测模组的厚度能够被明显地降低。
通常，模塑层采用环氧树脂模塑料(Epoxy Molding Compound，EMC)制成，EMC主要原料为树脂基材料，其余成份为填料(Filer)和硬化剂。粉末状环氧树脂熔化后，在溶解成凝胶状态时，粘度会变小。当温度降低后，环氧树脂固化，粘度与温度成反比增加。当温度进一步降低时，环氧树脂与周围的PCB电路板、引线框(Lead Frame)、导线、芯片等牢固粘结，成为硬度非常高的材料，另外，材料固化后，当半导体投入使用时，若温度波动，EMC能够随着芯片一同膨胀和收缩。另外，此类材料也便于向外散热。应了解，模塑层的制作可以是常规的封装。
此外，根据本公开实施例，通过采用模塑层对光学距离感测模组进行封装，可以使得光学距离感测模组的整体厚度小于1毫米，更适合用于智能终端中。对于本公开的实施例，在光学距离感测模组的应用场景下，当通过模塑方式将光发射部分和光接收部分封装在基底层上时，模塑层为透明材料，其用于将光发射部分和光接收部分封装到基底层上，并为光学距离感测模组定型，以及保护其免受外部环境影响。同时，透明模塑材料的折射率可以大于空气的折射率，在这样的情况下，由于光的折射，可以使得在发射光角度一定的情况下增大光发射器的光发射范围。
图5A和图5B是示出根据本公开的实施例的模塑层对视场角(FOV)的影响效果的示意图。
图5A中图示了在类似图2所示的存在空腔结构的实施例中，光发射器与出光孔之间为空气的情况。光发射器以空气为传播介质，通过出光孔直接向外发送光线，由于光沿直线传播，因此，光发送的视场角由光发射器发出的光线角度和出光孔大小直接决定。
在图5B中，光发射部分不具有出光孔结构，光发射器外部填充有由透明材料形成的模塑层，该透明材料的折射率大于空气的折射率。在光发射器发出的光线角度一定的情况下，光发射器发出的光先以模塑层为传播介质，再传输到模塑层与空气层的接触面上时，该光经过折射后进入空气中传播，由于光的折射作用，此时的光按照图中所示的角度传播，光发射的视场角的大小大于如图5A所示的视场角。
从图5A和图5B的对比可以看出，折射率大于空气折射率的透明模塑层能够在光发射器发出的光线角度一定的情况下增大光发射器的光发射范围。
类似地，通过在光接收器的入光孔外部填充折射率大于空气折射率的透明模塑层同样可以使得在入光孔大小一定的情况下增大光接收器的光接收范围。
光学距离感测模组具有一个入光孔，光线通过该入光孔被光学感应层接收。在靠近入光孔中心处光强大，边缘处光强小，通常应将入光孔的中心尽量接近光学感应层的中心，从而使得更多、更强的光被接收。
对于类似图2所示的实施例，由于采用这种方法制作的光学距离感测模组需要在每一部分生产好后将它们安装在一起，因此安装误差较大，容易出现入光孔的中心偏离光学感应层的中心的情况，使得光接收效率较低。
而对于光学感应层、滤光层、透光层和阻光层被封装为所述晶圆裸片的实施例(例如，类似图4A和图4B所示的实施例)，由于其安装精度高，很容易实现将入光孔的中心尽量接近光学感应层的中心，因此光接收效率高。
进一步地，为了改善光的接收效率，还可以将使用一个入光孔来接收光改为使用多个入光孔来接收光，多个入光孔可以呈阵列分布。例如，光学距离感测模组可以具有16个入光孔，这些入光孔呈4×4的阵列分布，光线通过每一个入光孔都能被光学感应层上与该入光孔对应的光学感应区所接收。在与入光孔对应的每一个光学感应区中心处光强大，边缘处光强小，虽然入光孔所在区域及光学感应层所在区域的大小相同，但是，16个入光孔的情况下接收的总光强大于一个入光孔的情况下接收的总光强，因此，将多个入光孔呈阵列分布可以有效提升光接收的效率。
应当理解，这里以光学距离感测模组接收光的情形作为一个示例，并非限制，任何包含入光孔及光学感应层的光学传感器都可以通过增加入光孔数目的方式使得同样入光孔大小的情况下，光接收的效率更高。可选地，多个入光孔可以呈阵列分布。
由于本公开中的光学距离感测模组采用晶圆级处理在光学感应层上形成透光层；以及在透光层上形成阻光层，并且在阻光层上形成一个或多个入光孔。相比传统的在光学距离感测模组的在各个零件生产好后将各个零件粘贴或者以其它结构连接方式组装在一起，最后再将所有组装好的所有零件密封地封装起来的制作方法具有更小的尺寸和体积。通过原来的制作方法制作的光学距离感测模组尺寸较大，只能被放置于手机、平板电脑等电子设备的后置摄像头，不能安装于电子设备的屏幕下方。利用本公开中的光学距离感测模组在尺寸上的优势，可以将其应用电子设备的屏幕下方。通过将光学距离感测模组应用于电子设备的屏幕下方可以使光学距离感测模组能够检测屏幕前的事物距离、识别人物动作、辅助前置摄像头对焦等，具有广阔的发展前景。
图6A～图6C是示出根据本公开的实施例的光学距离感测模组的安装方式的示意图。在光学距离感测模组610被布置在电子设备的显示屏620下方的情形下，光学距离感测模组610与电子设备的中框630连接，并通过电子设备的中框630被置于电子设备的显示屏620下方。
可选地，如图6A和图6B所示，光学距离感测模组610可以被布置在电子设备(例如手机或笔记本电脑)的显示屏620和中框630之间。所述中框630起到支撑固定作用，使光学距离感测模组610能够固定在电子设备的显示屏620下方。光学距离感测模组610透过显示屏620收发光，以实现光学距离感测。
可选地，如图6B所示，中框630上可以具有凹槽，光学距离感测模组610位于凹槽上，从而使光学距离感测模组610被固定在电子设备的显示屏620和中框630之间。
可选地，如图6C所示，中框630上可以具有开孔，光学距离感测模组610通过开孔与显示屏620相对布置。可选地，中框630的开孔的下表面可以设置有凹槽，光学距离感测模组610被固定至凹槽的下表面上。可选地，光学距离感测模组610可以部分或全部容纳于开孔中。
图7是示出根据本公开的实施例的光学传感器制作方法700的示意性流程图。方法700包括步骤S701至步骤S703。
在步骤S701中，提供光学感应层，光学感应层包括光学感应元件阵列。
可选地，光学感应元件阵列可以是单光子雪崩二极管元件(SPAD)阵列、电荷耦合元件(CCD)阵列和/或金属氧化物半导体元件(CMOS)阵列。
在步骤S702中，在光学感应层上涂覆透光层。例如，可以通过晶圆级处理，在光学感应层上形成透光层。
在步骤S703中，在透光层上涂覆形成阻光层，并且在阻光层上形成一个或多个入光孔。例如，可以通过晶圆级处理，在透光层上形成阻光层。
对于步骤S702和S703，可选地，可以通过晶圆级处理，在光学感应层上涂覆滤光层，并且在滤光层上涂覆透光层，然后，通过晶圆级处理，在透光层的上表面涂覆阻光层，或者在透光层的上表面和滤光层和/或透光层的至少一个侧面涂覆阻光层，并且阻光层的入光孔位于透光层的上表面上。
对于步骤S702和S703，可选地，可以通过晶圆级处理，在透光层上涂覆滤光层，并在滤光层上涂覆阻光层，然后，通过晶圆级处理，在滤光层的上表面涂覆阻光层，或者在滤光层的上表面和滤光层和/或透光层的至少一个侧面涂覆滤光层，并且阻光层的入光孔位于滤光层的上表面上。
对于步骤S703，可选地，可以将多个入光孔按照阵列分布。
所述的一个或多个入光孔可以通过晶圆级处理，在阻光层以曝光显影、蚀刻或剥离等图案化的方式除去阻光层的一部分而制作入光孔。
此外，可选地，可以将光学感应层置于基底层之上，其中，基底层包括至少一个电路元件；通过打线连接方式将光学感应层与电路元件连接；或者通过硅通孔连接方式将光学感应层与电路元件连接。
图8A～图8C是示出根据本公开的实施例的光学传感器制作方法的示意图。
在图8A中，提供光学感应层311，光学感应层311包括光学感应元件阵列3111；通过晶圆级处理，在光学感应层311上涂覆滤光层312，该滤光层312用于过滤特定波长的光。
完成图8A所示的制作后，通过晶圆级处理，滤光层312上涂覆透光层313，即得到图8B。
完成图8B所示的制作后，通过晶圆级处理，在透光层313的上表面涂覆阻光层314并经蚀刻等方式形成入光孔3141，即得到图8C，阻光层314的入光孔3141位于透光层313的上表面上。
此外，应了解，尽管在图7和图8A-8C中未示出，光学感应层311、透光层313以及阻光层314可以用于形成光学传感器的光接收部分，或者光学感应层311、透光层313、滤光层312以及阻光层314可以用于形成光学传感器的光接收部分，并且还可以通过模塑方式将所述光学传感器的所述光接收部分封装在基底层之上。
根据本公开实施例，所述模塑层为透明材料，其用于将所述光接收部分封装到所述基底层上，并为所述光学传感器定型，其中，所述模塑层覆盖所述一个或多个入光孔3141中的至少一部分，或者完全不覆盖所述一个或多个入光孔3141。
应当理解，图8A～图8C只是给出了光学传感器制作的一个示例，光学传感器还可以不包括滤光层312，或者将滤光层312涂覆于透光层313与阻光层314之间。或者，可以在透光层313的上表面和滤光层312和/或透光层313的至少一个侧面涂覆阻光层314。通过图7和图8A～图8C中示意的方法可以制作图3A～图3E中任意一种光学传感器或它们的组合。
图9是示出根据本公开的实施例的光学距离感测模组制作方法900的示意性流程图。方法900包括步骤S901至步骤S904。
在步骤S901中，提供光学感应层，光学感应层包括光学感应元件阵列。
可选地，光学感应元件阵列可以是电荷耦合元件(CCD)阵列和/或金属氧化物半导体元件(CMOS)阵列。
在步骤S902中，通过晶圆级处理，在光学感应层上形成透光层。
在步骤S903中，通过晶圆级处理，在透光层上形成阻光层，并且在阻光层上形成一个或多个入光孔。
对于步骤S902和S903，可选地，可以通过晶圆级处理，在光学感应层上涂覆滤光层，并且在滤光层上涂覆透光层，然后，通过晶圆级处理，在透光层的上表面涂覆阻光层，或者在透光层的上表面和滤光层和/或透光层的至少一个侧面涂覆阻光层，并且阻光层的入光孔位于透光层的上表面上。
对于步骤S902和S903，可选地，可以通过晶圆级处理，在透光层上涂覆滤光层，并在滤光层上涂覆阻光层，然后，通过晶圆级处理，在滤光层的上表面涂覆阻光层，或者在滤光层的上表面和滤光层和/或透光层的至少一个侧面涂覆滤光层，并且阻光层的入光孔位于滤光层的上表面上。
可选地，可以将多个入光孔按照阵列分布。
在步骤S904中，将光学距离感测模组的光发射部分和光接收部分并列排布在基底层之上，其中，光发射部分包括光发射器，光接收部分包括光学感应层、透光层以及阻光层。应了解，该步骤S904可以是传统的封装过程。
可选地，可以在光接收部分与光发射部分之间设置光隔离带。
可选地，可以通过打线连接方式将光学感应层与基底层上用于光接收部分的电路元件连接；或者可以通过硅通孔连接方式将光学感应层与基底层上用于光接收部分的电路元件连接。
可选地，方法900还可以包括：通过模塑方式将光发射部分和光接收部分封装在基底层上。应了解，该模塑方式可以是传统的模塑封装过程。
通过模塑方式对芯片进行封装的技术指先熔化再固化EMC进行密封。由于通过模塑方式对芯片进行封装的方法法与附接陶瓷板或金属盖板对芯片进行密封的方法相比，灵活性更高、价格较低、且更轻便，因此应用更为广泛。
模塑封装方法通常包括传递模塑法(Transfer Molding)和压缩模塑法。
传递模塑法将环氧树脂熔化为凝胶状态，然后强制施加一定的压力，使其流过狭窄的路径。随着芯片越来越小，层次越来越多，引线结构越来越复杂，环氧树脂在模塑过程中难以均匀铺开，导致成型不完整或存在空隙。一些技术人员为了解决该问题，也使用一边施加压力注入环氧树脂材料，一边抽真空的方式来使环氧树脂更均匀地分布，从而减少空隙。
压缩模塑法将EMC被放入模塑框架中，然后进行熔化，接着将晶圆垂直向下放置在凝胶状环氧树脂上，形成模塑封装。这种方法能够减少模塑空隙问题，同时，该方法的环氧树脂用量小，更节约成本。
图10A～图10D是示出根据本公开的实施例的光学距离感测模组制作方法的示意图。
应了解，图8C所示的结构仅为一片晶圆上的单个小结构，在图8C的晶圆级封装过程中，所形成的一片晶圆上可以包括数百或数千个图8C所示的小结构。根据实际使用需求，需要对图8C中的晶圆结构再进行切割分片，即可得到图10A。图8C中的结构与图10A中的结构厚度相同，但是图10A中的结构尺寸仅为单个小结构。
将图10A中的结构作为光学距离感测模组的光接收部分，将光学感应层置于基底层201之上，并且将光学距离感测模组的光发射部分(包括光发射器202和电路元件203)和光接收部分并列排布在基底层201之上，即可得到图10B，其中，光发射部分包括光发射器202，光接收部分包括光学感应层、透光层以及阻光层。
基底层201上包括至少一个电路元件203；可以通过打线连接方式将光学感应层与电路元件203连接；或者通过硅通孔连接方式将光学感应层与电路元件203连接，使得光学感应层能够与基底层201上的电路元件203传递信号。
对于图10B中的结构，可以通过模塑方式将光发射部分和光接收部分全部或部分封装在基底层201上。其中，模塑层215为透明材料，其用于将光发射部分和光接收部分封装到基底层201上，并为光学距离感测模组定型。而且，透明材料的折射率可以大于空气的折射率以增大光发射或接收的范围。
例如，在图10C所示的示例中，光发射部分和光接收部分由模塑层全部包覆。可选地，光发射部分和光接收部分可以由模塑层215部分地包覆，例如，在图10D所示的示例中，模塑层215只包覆了光发射部分的全部和光接收部分的四周，而没有包覆光接收部分的上表面。可选地，入光孔中既可以填充模塑层，也可以不填充模塑层。此外，模塑层也可以只包覆光发射器的一部分等等。
通过在晶圆级进行制作，光学距离感测模组的光接收部分中各层的厚度小于100微米，且通常在数微米或数十微米。由此，根据本公开实施例，通过晶圆级封装所制作的光接收部分的整体厚度将小于1毫米，甚至于达到0.5毫米，并且使得光学距离感测模组的整体厚度小于1毫米，更合适用于智能终端中。
因此，本公开提供了一种光学传感器、光学距离感测模组及它们的制作方法。
根据本公开的实施例，光学传感器包括：光学感应层、透光层、阻光层，其中，光学感应层包括光学感应元件阵列；透光层涂覆于光学感应层之上；阻光层上包括一个或多个入光孔，并且涂覆于透光层之上；其中，光学感应层、透光层和阻光层被封装为晶圆裸片；光线透过入光孔并经过透光层照射到光学感应元件阵列上。本公开提供的光学传感器能够有效减小光学传感器的厚度，降低光学传感器的尺寸，减轻光学传感器的重量，从而拓展光学传感器的应用范围。
本公开使用了特定词语来描述本公开的实施例。如“第一/第二实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本公开至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”或“一替代性实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本公开的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。
除非另有定义，这里使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有与本发明所属领域的普通技术人员共同理解的相同含义。还应当理解，诸如在通常字典里定义的那些术语应当被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义相一致的含义，而不应用理想化或极度形式化的意义来解释，除非这里明确地这样定义。
上面是对本发明的说明，而不应被认为是对其的限制。尽管描述了本发明的若干示例性实施例，但本领域技术人员将容易地理解，在不背离本发明的新颖教学和优点的前提下可以对示例性实施例进行许多修改。因此，所有这些修改都意图包含在权利要求书所限定的本发明范围内。应当理解，上面是对本发明的说明，而不应被认为是限于所公开的特定实施例，并且对所公开的实施例以及其他实施例的修改意图包含在所附权利要求书的范围内。本发明由权利要求书及其等效物限定。

Claims (25)

1.一种光学传感器，包括：光学感应层、透光层、阻光层，其中，
所述光学感应层包括光学感应元件阵列；
所述透光层涂覆于所述光学感应层之上；
所述阻光层上包括一个或多个入光孔，并且涂覆于所述透光层之上；
其中，所述光学感应层、所述透光层和所述阻光层被封装为晶圆裸片(Wafer Die)；
其中，光线透过所述入光孔并经过所述透光层照射到所述光学感应元件阵列上。
2.如权利要求1所述的光学传感器，还包括：滤光层，用于过滤特定波长范围的光，其中，
所述滤光层涂覆于所述光学感应层之上，并且所述透光层涂覆于所述滤光层之上；或者
所述透光层涂覆于所述光学感应层之上，并且所述滤光层涂覆于所述透光层之上，
其中，所述光学感应层、所述滤光层、所述透光层和所述阻光层被封装为所述晶圆裸片。
3.如权利要求2所述的光学传感器，其中，
在所述透光层涂覆于所述滤光层之上的情况下，所述阻光层涂覆于所述透光层的上表面，或者所述阻光层涂覆于所述透光层的上表面和滤光层和/或透光层的至少一个侧面，并且所述阻光层的入光孔位于所述透光层的上表面上；或者
在所述滤光层涂覆于所述透光层之上的情况下，所述阻光层涂覆于所述滤光层的上表面，或者所述阻光层涂覆于所述滤光层的上表面和滤光层和/或透光层的至少一个侧面，并且所述阻光层的入光孔位于所述滤光层的上表面上。
4.如权利要求1所述的光学传感器，其中，所述多个入光孔呈阵列分布。
5.如权利要求1-4所述的光学传感器，其中，所述光学传感器中各层的厚度小于100微米。
6.如权利要求1-4所述的光学传感器，其中，所述光学传感器中无空腔结构，其中所述入光孔不属于空腔结构。
7.如权利要求1所述的光学传感器，还包括：基底层，所述基底层包括至少一个电路元件，
其中，所述光学感应层位于所述基底层之上，并通过打线连接至所述电路元件，或者通过硅通孔连接至所述电路元件。
8.一种光学传感器，包括：基底层、位于基底层上的光接收部分及模塑层，
其中，所述光接收部分包括光学感应层、透光层、阻光层，其中，所述光学感应层包括光学感应元件阵列；所述透光层涂覆于所述光学感应层之上；所述阻光层上包括一个或多个入光孔，并且涂覆于所述透光层之上；
所述模塑层将所述光接收部分封装到所述基底层上，并为所述光学传感器定型，并且所述光接收部分由模塑层全部或部分地包覆；
其中，光线透过所述入光孔照射到所述光学感应元件阵列上。
9.如权利要求8所述的光学传感器，其中，所述模塑层为透明材料，并且所述模塑层覆盖所述一个或多个入光孔中的至少一部分，或者完全不覆盖所述一个或多个入光孔。
10.如权利要求9所述的光学传感器，其中，所述透明材料的折射率大于空气的折射率，使得所述光接收部分的光接收范围增大。
11.如权利要求8所述的光学传感器，还包括：滤光层，用于过滤特定波长范围的光，其中，
所述滤光层涂覆于所述光学感应层之上，并且所述透光层涂覆于所述滤光层之上；或者
所述透光层涂覆于所述光学感应层之上，并且所述滤光层涂覆于所述透光层之上。
12.如权利要求11所述的光学传感器，其中，
在所述透光层涂覆于所述滤光层之上的情况下，所述阻光层涂覆于所述透光层的上表面，或者所述阻光层涂覆于所述透光层的上表面和滤光层和/或透光层的至少一个侧面，并且所述阻光层的入光孔位于所述透光层的上表面上；或者
在所述滤光层涂覆于所述透光层之上的情况下，所述阻光层涂覆于所述滤光层的上表面，或者所述阻光层涂覆于所述滤光层的上表面和滤光层和/或透光层的至少一个侧面，并且所述阻光层的入光孔位于所述滤光层的上表面上。
13.如权利要求8所述的光学传感器，其中，所述多个入光孔呈阵列分布。
14.如权利要求8所述的光学传感器，
其中，所述光学感应层位于所述基底层之上，并通过打线连接至所述电路元件，或者通过硅通孔连接至所述电路元件。
15.一种光学传感器制作方法，包括：
提供光学感应层，所述光学感应层包括光学感应元件阵列；
通过晶圆级(Wafer Level)处理，在所述光学感应层上形成透光层；以及
通过晶圆级处理，在所述透光层上形成阻光层，并且在所述阻光层上形成一个或多个入光孔。
16.如权利要求15所述的光学传感器制作方法，其中，在所述光学感应层上形成透光层还包括：
通过晶圆级处理，在所述光学感应层上涂覆滤光层，并且在所述滤光层上涂覆透光层，
其中，在所述透光层上形成阻光层还包括：
通过晶圆级处理，在所述透光层的上表面涂覆所述阻光层，或者在所述透光层的上表面和滤光层和/或透光层的至少一个侧面涂覆所述阻光层，并且所述阻光层的入光孔位于所述透光层的上表面上。
17.如权利要求15所述的光学传感器制作方法，其中，在所述透光层上形成阻光层，还包括：
通过晶圆级处理，在所述透光层上涂覆滤光层，并在所述滤光层上涂覆阻光层，
其中，在所述滤光层上涂覆阻光层还包括：
通过晶圆级处理，在所述滤光层的上表面涂覆所述阻光层，或者在所述滤光层的上表面和滤光层和/或透光层的至少一个侧面涂覆所述滤光层，并且所述阻光层的入光孔位于所述滤光层的上表面上。
18.如权利要求15所述的光学传感器制作方法，还包括：
将所述多个入光孔按照阵列分布。
19.如权利要求15-18所述的光学传感器制作方法，其中，所述光学传感器制作方法制作的光学传感器中各层的厚度小于100微米。
20.如权利要求15-18所述的光学传感器制作方法，其中，所述光学传感器中无空腔结构，其中所述入光孔不属于空腔结构。
21.如权利要求15所述的光学传感器制作方法，还包括：
将所述光学感应层置于所述基底层之上，其中，所述基底层包括至少一个电路元件；
通过打线连接方式将所述光学感应层与所述电路元件连接；或者
通过硅通孔连接方式将所述光学感应层与所述电路元件连接。
22.一种光学传感器制作方法，包括：
提供光学感应层，所述光学感应层包括光学感应元件阵列；
在所述光学感应层上涂覆透光层；以及
在所述透光层上涂覆阻光层，并且在所述阻光层上形成一个或多个入光孔；
将所述光学传感器的光接收部分排布在基底层之上，其中，所述光接收部分包括所述光学感应层、所述透光层以及所述阻光层，
通过模塑方式将所述光学传感器的所述光接收部分封装在基底层之上。
23.如权利要求22所述的光学传感器制作方法，其中，在所述光学感应层上涂覆透光层还包括：
在所述光学感应层上涂覆滤光层，并且在所述滤光层上涂覆透光层，
其中，在所述透光层上涂覆阻光层还包括：
在所述透光层的上表面涂覆所述阻光层，或者在所述透光层的上表面和滤光层和/或透光层的至少一个侧面涂覆所述阻光层，并且所述阻光层的入光孔位于所述透光层的上表面上。
24.如权利要求22所述的光学传感器制作方法，其中，在所述透光层上形成阻光层，还包括：
在所述透光层上涂覆滤光层，并在所述滤光层上涂覆阻光层，
其中，在所述滤光层上涂覆阻光层还包括：
在所述滤光层的上表面涂覆所述阻光层，或者在所述滤光层的上表面和滤光层和/或透光层的至少一个侧面涂覆所述滤光层，并且所述阻光层的入光孔位于所述滤光层的上表面上。
25.如权利要求22所述的光学距离感测模组制作方法，还包括：
通过打线连接方式将所述光学感应层与所述基底层上用于光接收部分的电路元件连接；或者
通过硅通孔连接方式将所述光学感应层与所述基底层上用于光接收部分的电路元件连接。
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