CN116722007B - 基于混合异质基板材料的光学封装结构 - Google Patents
基于混合异质基板材料的光学封装结构 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于混合异质基板材料的光学封装结构，包括底部基板、架高层、Vcsel芯片、挡光外壳体、挡光内壳体和基板盖体；挡光外壳体底部装在底部基板上，基板盖体盖在挡光外壳体顶部，基板盖体通过挡光外壳体与底部基板导通；若干个挡光内壳体设在挡光外壳体顶部，挡光内壳体与挡光外壳体和基板盖体导通，挡光内壳体内设有第一光感元器件；Vcsel芯片通过架高层架高设在底部基板上，使Vcsel芯片位于架高层和相邻两个挡光内壳体形成的挡光腔室内，Vcsel芯片高于第一光感元器件，基板盖体上形成有第一透光部。本发明涉及光学传感器封装技术领域，能解决现有技术中壳体容易漏光、布线排版灵活性受限的问题。
Description
技术领域
本发明涉及光学传感器封装技术领域，尤其涉及一种基于混合异质基板材料的光学封装结构。
背景技术
中国实用新型专利CN206134714U公开了一种光学传感器封装结构，包括设置在第一容腔中的第一光学芯片，以及设置在第二容腔内的第二光学芯片；壳体上设置有与第一容腔对应的第一光学窗口，以及与第二容腔对应的第二光学窗口；在所述壳体上还贴装有覆盖所述第一光学窗口、第二光学窗口的透光盖板；所述透光盖板在第一光学窗口、第二光学窗口的位置分别形成有第一凸透镜结构、第二凸透镜结构。
该光学传感器封装结构存在以下不足之处：
1、该光学传感器采用胶粘的方式安装壳体，由于胶体无法100%挡光，壳体与基板连接部位的胶体存在漏光的质量缺陷。
2、该光学传感器的壳体采用不透光材质制成，不同的光感元器件需要通过不同的容腔安装，容腔之间需要设置挡光的板件，结构复杂，横向占用空间大，设计排版、布线时空间利用受限，调整灵活性较差，不适用于横向面积具有严格限制的产品。
因此，需要提供一种基于混合异质基板材料的光学封装结构，能够解决现有技术中壳体容易漏光、布线排版灵活性受限的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于混合异质基板材料的光学封装结构，能够解决现有技术中壳体容易漏光、布线排版灵活性受限的问题。
本发明是这样实现的：
一种基于混合异质基板材料的光学封装结构，包括底部基板、架高层、Vcsel芯片、挡光外壳体、挡光内壳体和基板盖体；挡光外壳体的底部固定安装在底部基板上，基板盖体罩盖在挡光外壳体的顶部，基板盖体通过挡光外壳体与底部基板导通；若干个挡光内壳体分别间隔设置在挡光外壳体的顶部，挡光内壳体与挡光外壳体和基板盖体导通，挡光内壳体内分别设有第一光感元器件；Vcsel芯片通过架高层架高设置在底部基板上，使Vcsel芯片位于架高层和相邻两个挡光内壳体形成的挡光腔室内，且Vcsel芯片的顶部高于第一光感元器件，基板盖体上位于Vcsel芯片上方的区域形成有第一透光部。
所述的挡光外壳体包括外壳本体和第一挡光层；外壳本体为不透光塑料材质制成，第一挡光层设置在外壳本体的外壁上；第一挡光层为溅镀金属层，使第一挡光层的顶部与基板盖体和挡光内壳体导通，第一挡光层的底部与底部基板内的线路导通。
所述的外壳本体半埋式安装在底部基板上，第一挡光层的底部随外壳本体埋设在底部基板内。
每个所述的挡光内壳体均包括内壳本体和第二挡光层；内壳本体为不透光塑料材质制成，第二挡光层设置在内壳本体的内壁上；第二挡光层为溅镀金属层，使第二挡光层的顶部与基板盖体和第一挡光层导通，内壳本体内的第一光感元器件与第二挡光层导通。
所述的基板盖体位于若干个内壳本体上方的区域分别形成有第二透光部，若干个第二透光部分别位于各第一光感元器件的上方；
所述的基板盖体为透明玻璃材质制成，基板盖体内集成有线路，线路的集成处形成遮光区域，线路与第一透光部和第二透光部错开设置。
所述的第一光感元器件包括光线感应器，光线感应器安装在其中一个内壳本体上且低于Vcsel芯片设置，光线感应器与该内壳本体内的第二挡光层电连接；
所述的第一光感元器件还包括CIS芯片，另一个内壳本体的底面上集成有线路，CIS芯片焊接在另一个内壳本体的线路上，CIS芯片与该内壳本体内的第二挡光层电连接。
所述的光线感应器的顶部设有第一透明胶层，第一透明胶层呈椭球状结构。
所述的基板盖体的边缘处周向形成有外凸的挡光凸缘，挡光凸缘水平延伸至挡光外壳体的外侧。
所述的架高层为硅材料层，硅材料层内形成有若干个TSV，使Vcsel芯片通过若干个TSV与底部基板导通；
所述的架高层上还设有一个或若干个第二光感元器件，一个或若干个第二光感元器件分布若干个挡光内壳体的下方，且每个第二光感元器件均通过若干个TSV与底部基板导通；第二光感元器件包括MEMS和记忆体。
所述的Vcsel芯片的顶部设有第二透明胶层，第二透明胶层呈椭球状结构。
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
1、本发明由于设有架高层、挡光外壳体和挡光内壳体，架高层设置在底部基板上，挡光内壳体设置在挡光外壳体的内上部，从而在两个挡光内壳体和架高层之间形成挡光容腔，使挡光容腔内Vcsel芯片发射的光线不会影响挡光内壳体内的光线感应器，保证了有效的挡光效果。
2、本发明由于设有架高层，将Vcsel芯片架高设置，使Vcsel芯片高于光线感应器形成高度差，从而进一步避免Vcsel芯片发射的光线直射干扰光线感应器，保证了光线感应器和Vcsel芯片的正常使用功能。
3、本发明由于设有基板盖体，采用玻璃材质制作基板盖体，在基板盖体上集成布设线路用于与底部基板、挡光外壳体和挡光内壳体的导通，并在基板盖体上预留第一透光部和第二透光部，保证光学元器件的收发光功能；同时，通过基板盖体的挡光凸缘在挡光外壳体的外侧形成光屏障，进一步提高挡光效果。
4、本发明由于设有挡光外壳体和挡光内壳体，通过金属溅镀的第一导通层和第二导通层保证与基板盖体和底部基板之间的导通；同时，挡光内壳体将挡光外壳体分隔成多个空间，有利于光学元器件的排布安装，能充分利用挡光内壳体的内部空间，布线排版更灵活，减少横向占用空间，可适用于尺寸受限或有严格尺寸要求的产品。
5、本发明由于设有第一透明胶层和第二透明胶层，能通过透明胶体保证收发光线的正常透射，并能通过椭圆球状的第一透明胶层和第二透明胶层的尺寸调整改变收发光的角度，以满足光学封装结构的功能需求。
附图说明
图1是本发明基于混合异质基板材料的光学封装结构的内部结构示意图；
图2是本发明基于混合异质基板材料的光学封装结构中基板盖体的仰视图。
图中，1底部基板，2架高层，201 TSV，202 MEMS，203记忆体，3 Vcsel芯片，301第二透明胶层，4挡光外壳体，401外壳本体，402第一挡光层，5挡光内壳体，501内壳本体，502第二挡光层，6基板盖体，601第一透光部，602第二透光部，603线路，604挡光凸缘，701光线感应器，702粘接层，703 CIS芯片，704第一透明胶层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
请参见附图1，一种基于混合异质基板材料的光学封装结构，包括底部基板1、架高层2、Vcsel（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，即垂直腔面发射激光器）芯片3、挡光外壳体4、挡光内壳体5和基板盖体6；挡光外壳体4的底部固定安装在底部基板1上，基板盖体6罩盖在挡光外壳体4的顶部，基板盖体6通过挡光外壳体4与底部基板1导通；若干个挡光内壳体5分别间隔设置在挡光外壳体4的顶部，挡光内壳体5与挡光外壳体4和基板盖体6导通，挡光内壳体5内分别设有第一光感元器件；Vcsel芯片3通过架高层2架高设置在底部基板1上，使Vcsel芯片3位于架高层2和相邻两个挡光内壳体5形成的挡光腔室内，且Vcsel芯片3的顶部高于第一光感元器件，基板盖体6上位于Vcsel芯片3上方的区域形成有第一透光部601。
利用挡光内壳体5的下沉式设置和架高层2抬高设置，将Vcsel芯片3从传统的安装在底部基板1上改进为架高安装，使挡光内壳体5在Vcsel芯片3的两侧形成挡光；同时，利用Vcsel芯片3与第一光感元器件之间的高度差避免Vcsel芯片3发射的光线直射在第一光感元器件上，在保证Vcsel芯片3和第一光感元器件正常运行的同时，保证了有效的挡光防干扰效果。
Vcsel芯片3的光线通过基板盖体6的第一透光部601向外射出，第一透光部601可采用透明玻璃制成，挡光外壳体4和挡光内壳体5均可采用塑料等不透光材料制成，保证Vcsel芯片3发射的光线仅从第一透光部601射出。
底部基板1、基板盖体6、挡光外壳体4和挡光内壳体5之间导通，保证所有线路节点的电性连接。挡光内壳体5优选为两个，且对称设置在Vcsel芯片3的上部两侧。
请参见附图1，所述的挡光外壳体4包括外壳本体401和第一挡光层402；外壳本体401为不透光塑料材质制成，第一挡光层402设置在外壳本体401的外壁上；第一挡光层402为溅镀金属层，使第一挡光层402的顶部通过导电银胶与基板盖体6和挡光内壳体5导通，第一挡光层402的底部与底部基板1内的线路导通。
优选的，第一挡光层402可采用不锈钢SUS、铜CU等具有导通性能的金属材质溅镀形成，用于在基板盖体6和底部基板1之间形成导通，从而保证电性连接。
请参见附图1，所述的外壳本体401半埋式安装在底部基板1上，第一挡光层402的底部随外壳本体401埋设在底部基板1内。
将外壳本体401的底部埋设在底部基板1内，无需使用透明塑封胶的方式连接外壳本体401和底部基板1，相比传统的壳体与基板直接胶粘的方式，本发明的半埋式安装具有以下有益效果：
1、增加外壳本体401与底部基板1之间连接部位的接触面积，从而在保证外壳本体401与底部基板1的可靠连接性。
2、无需胶粘，能避免外壳本体401与底部基板1连接部位处的透明塑封胶漏光的问题，且避免了胶粘过程中的气泡、溢胶等质量问题，还可降低材料成本、加工成本和模具费。
3、能避免透明塑封胶的高收缩率造成的外壳翘曲问题。
4、通过对外壳本体401的埋深控制，能使整个封装结构达到不同的厚度，从而满足不同产品的厚度尺寸要求。
请参见附图1，每个所述的挡光内壳体5均包括内壳本体501和第二挡光层502；内壳本体501为不透光塑料材质制成，第二挡光层502设置在内壳本体501的内壁上；第二挡光层502为溅镀金属层，使第二挡光层502的顶部通过导电银胶与基板盖体6和第一挡光层402导通，内壳本体501内的第一光感元器件与第二挡光层502导通。
优选的，第二挡光层502可采用不锈钢SUS、铜CU等具有导通性能的金属材质溅镀形成，用于与基板盖体6和第一挡光层402导通，从而保证电性连接。根据排版和布线要求，内壳本体501可与外壳本体401一体成型制作。
请参见附图1，所述的第一光感元器件包括光线感应器701，光线感应器701通过粘接层702安装在其中一个内壳本体501上且低于Vcsel芯片3设置，光线感应器701通过金线与该内壳本体501内的第二挡光层502电连接。
光线感应器701低于Vcsel芯片3，保证Vcsel芯片3在发射光线时不会影响光线感应器701，同时也通过挡光内壳体5的设置在Vcsel芯片3与光线感应器701之间形成光屏障，进一步保证了光线感应器701和Vcsel芯片3的相互独立使用，从而保证光学封装结构的收发光功能。
优选的，粘接层702可采用DAF（Die Attach Film）形成的粘接材料层，DAF 是在半导体封装工序中用于连接半导体芯片与封装基板、芯片与芯片的一种超薄型薄膜黏合剂。
请参见附图1，所述的光线感应器701的顶部设有第一透明胶层704，第一透明胶层704呈椭球状结构。
优选的，第一透明胶层704为透明胶质材料制成，不影响光线的穿透效率，但会改变光线穿透时的角度，可通过不同尺寸的椭球状结构的第一透明胶层704调节光线感应器701的收光角度。
请参见附图1，所述的第一光感元器件还包括CIS（CMOS image sensor，即互补金属氧化物半导体图像传感器）芯片703，另一个内壳本体501的底面上集成有线路（图中未示出），CIS芯片703焊接在另一个内壳本体501的线路上，CIS芯片703通过金线与该内壳本体501内的第二挡光层502电连接。
光学传感、影像感测等功能的芯片可通过内壳本体501安装在外壳本体401内，充分利用竖向空间提高芯片集成度，减少横向占用空间，能满足各种形式的产品对尺寸的要求。
请参见附图1，所述的基板盖体6位于若干个内壳本体501上方的区域分别形成有第二透光部602，若干个第二透光部602分别位于各第一光感元器件的上方。
优选的，第二透光部602可采用透明玻璃制成，保证各第一光感元器件的收发光。
请参见附图2，所述的基板盖体6为透明玻璃材质制成，基板盖体6内集成有线路603，线路603的集成处形成遮光区域，线路603与第一透光部601和第二透光部602错开设置。
玻璃材质的盖板6的内部可集成线路603，既能通过线路603的布设满足基板盖体6的遮光要求和导通要求，又能通过开设第一透光部601和第二透光部602满足内部元器件的收发光要求。
第一透光部601和第二透光部602的数量、位置和尺寸可根据实际透光需求适应性调节。
请参见附图1，所述的盖板6的边缘处周向形成有外凸的挡光凸缘604，挡光凸缘604水平延伸至挡光外壳体4的外侧。
凸出设置的挡光凸缘604在挡光外壳体4的外侧形成光屏障，进一步保证了挡光外壳体4的挡光效果。优选的，挡光凸缘604的边缘处可形成上宽下窄或上窄下宽的斜面结构，以满足不同形式的挡光要求。
所述的架高层2为硅材料层，硅材料层内形成有若干个TSV（Through-Silicon-Via，即硅通孔，用于在芯片和芯片之间、晶圆和晶圆之间制作垂直导通，实现芯片之间互连）201，使Vcsel芯片3通过若干个TSV 201与底部基板1导通。
硅材料层的厚度根据Vcsel芯片3的架高要求确定，通过带有TSV 201的硅材料层的设置，保证了Vcsel芯片3的架高设置，也保证了设置在硅材料层上的Vcsel芯片3等元器件与底部基板1之间的导通连接。
请参见附图1，所述的Vcsel芯片3的顶部设有第二透明胶层301，第二透明胶层301呈椭球状结构。
优选的，第二透明胶层301为透明胶质材料制成，不影响光线的穿透效率，但会改变光线穿透时的角度，可通过不同尺寸的椭球状结构的第二透明胶层301调节Vcsel芯片3的发光角度。
请参见附图1，所述的架高层2上还设有一个或若干个第二光感元器件，一个或若干个第二光感元器件分布若干个挡光内壳体5的下方，且每个第二光感元器件均通过若干个TSV 201与底部基板1导通。
架高层2与挡光内壳体5形成挡光容腔，用于排布安装第二光感元器件，第二光感元器件的数量和安装位置可根据实际需求适应性调整，且通过TSV 201的设置保证了第二光感元器件与底部基板1之间的导通。
请参见附图2，所述的第二光感元器件可包括MEMS（Microelectro MechanicalSystem，即微机电系统，是指通过微纳米制造技术制造的微型机械系统、微型电系统和微型光学系统）202、记忆体203等。
第二光感元器件的芯片类型可根据实际封装需求适应性选择。
本发明采用透明玻璃材质的基板盖体6、不透光塑料材质的外壳本体401和内壳本体501、金属溅镀的第一挡光层402和第二挡光层502、以及透明胶材质的第二透明胶层301和第一透明胶层704，多种异质材料保证了光学封装结构的导通性能和收发光性能。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定发明的保护范围，因此，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于混合异质基板材料的光学封装结构，其特征是：包括底部基板（1）、架高层（2）、Vcsel芯片（3）、挡光外壳体（4）、挡光内壳体（5）和基板盖体（6）；挡光外壳体（4）的底部固定安装在底部基板（1）上，基板盖体（6）罩盖在挡光外壳体（4）的顶部，基板盖体（6）通过挡光外壳体（4）与底部基板（1）导通；若干个挡光内壳体（5）分别间隔设置在挡光外壳体（4）的顶部，挡光内壳体（5）与挡光外壳体（4）和基板盖体（6）导通，挡光内壳体（5）内分别设有第一光感元器件；Vcsel芯片（3）通过架高层（2）架高设置在底部基板（1）上，使Vcsel芯片（3）位于架高层（2）和相邻两个挡光内壳体（5）形成的挡光腔室内，且Vcsel芯片（3）的顶部高于第一光感元器件，基板盖体（6）上位于Vcsel芯片（3）上方的区域形成有第一透光部（601）。
2.根据权利要求1所述的基于混合异质基板材料的光学封装结构，其特征是：所述的挡光外壳体（4）包括外壳本体（401）和第一挡光层（402）；外壳本体（401）为不透光塑料材质制成，第一挡光层（402）设置在外壳本体（401）的外壁上；第一挡光层（402）为溅镀金属层，使第一挡光层（402）的顶部与基板盖体（6）和挡光内壳体（5）导通，第一挡光层（402）的底部与底部基板（1）内的线路导通。
3.根据权利要求2所述的基于混合异质基板材料的光学封装结构，其特征是：所述的外壳本体（401）半埋式安装在底部基板（1）上，第一挡光层（402）的底部随外壳本体（401）埋设在底部基板（1）内。
4.根据权利要求2所述的基于混合异质基板材料的光学封装结构，其特征是：每个所述的挡光内壳体（5）均包括内壳本体（501）和第二挡光层（502）；内壳本体（501）为不透光塑料材质制成，第二挡光层（502）设置在内壳本体（501）的内壁上；第二挡光层（502）为溅镀金属层，使第二挡光层（502）的顶部与基板盖体（6）和第一挡光层（402）导通，内壳本体（501）内的第一光感元器件与第二挡光层（502）导通。
5.根据权利要求4所述的基于混合异质基板材料的光学封装结构，其特征是：所述的基板盖体（6）位于若干个内壳本体（501）上方的区域分别形成有第二透光部（602），若干个第二透光部（602）分别位于各第一光感元器件的上方；
所述的基板盖体（6）为透明玻璃材质制成，基板盖体（6）内集成有线路（603），线路（603）的集成处形成遮光区域，线路（603）与第一透光部（601）和第二透光部（602）错开设置。
6.根据权利要求4或5所述的基于混合异质基板材料的光学封装结构，其特征是：所述的第一光感元器件包括光线感应器（701），光线感应器（701）安装在其中一个内壳本体（501）上且低于Vcsel芯片（3）设置，光线感应器（701）与该内壳本体（501）内的第二挡光层（502）电连接；
所述的第一光感元器件还包括CIS芯片（703），另一个内壳本体（501）的底面上集成有线路，CIS芯片（703）焊接在另一个内壳本体（501）的线路上，CIS芯片（703）与该内壳本体（501）内的第二挡光层（502）电连接。
7.根据权利要求6所述的基于混合异质基板材料的光学封装结构，其特征是：所述的光线感应器（701）的顶部设有第一透明胶层（704），第一透明胶层（704）呈椭球状结构。
8.根据权利要求1、2、4、5任一所述的基于混合异质基板材料的光学封装结构，其特征是：所述的基板盖体（6）的边缘处周向形成有外凸的挡光凸缘（604），挡光凸缘（604）水平延伸至挡光外壳体（4）的外侧。
9.根据权利要求1所述的基于混合异质基板材料的光学封装结构，其特征是：所述的架高层（2）为硅材料层，硅材料层内形成有若干个TSV（201），使Vcsel芯片（3）通过若干个TSV（201）与底部基板（1）导通；
所述的架高层（2）上还设有一个或若干个第二光感元器件，一个或若干个第二光感元器件分布若干个挡光内壳体（5）的下方，且每个第二光感元器件均通过若干个TSV（201）与底部基板（1）导通；第二光感元器件包括MEMS（202）和记忆体（203）。
10.根据权利要求1或9所述的基于混合异质基板材料的光学封装结构，其特征是：所述的Vcsel芯片（3）的顶部设有第二透明胶层（301），第二透明胶层（301）呈椭球状结构。
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