CN218386185U - 一种dToF传感器封装结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及光学传感器领域，公开了一种dToF传感器封装结构，包括：基板，在基板的上表面依次设置有第一芯片和第二芯片，第一芯片用于发射光源；第二芯片包括：接收SPAD单元和发射SPAD单元，在第二芯片上靠近第一芯片处布置发射SPAD单元，在第二芯片上远离第一芯片处布置接收SPAD单元；隔离带，贯穿设置在发射SPAD单元和接收SPAD单元之间，与基板相接；盖子，设置在基板之上，与基板构成内部空腔，经由隔离带将内部空腔分隔为发射空腔和接收空腔；其中，在发射空腔中设置有匀光器件，在匀光器件之上设置发射端滤光片，在接收空腔中设置有聚光器件和接收端滤光片。通过独立设置发射空腔与接收空腔，避免了光信号的串扰。

Description

一种dToF传感器封装结构

技术领域

本实用新型涉及光学传感器领域，具体涉及一种dToF传感器封装结构。

背景技术

直接飞行时间(direct Time of Flight，dToF)测距的原理是通过给被测物体连续发射光脉冲，然后用传感器接收从被测物体反射的光，根据测量的反射光脉冲和发射光脉冲之间的时间间隔，计算被测物体的距离。

dToF传感器是一种主动光传感器，至少包含发射端和接收端，通过发射端发射激光，照射到被测物体，部分激光被被测物反射后被接收端接收，相关技术中的发射端和接收端之间容易出现光串扰的问题，此外，如何设计dToF传感器的封装结构，以满足小尺寸、高性能、低成本的市场需求也是目前的研究重点。

实用新型内容

为此，本实用新型提供了一种dToF传感器封装结构，通过设置独立的发射空腔和接受空腔，使得发射端和接收端无法在封装结构内部进行光信号交流，减少光串扰的问题，同时封装结构的设计满足消费电子领域的可靠性需求，以及小尺寸、高性能、低成本需求。

为实现上述目的，本实用新型主要采用以下技术方案：

一种dToF传感器封装结构，所述封装结构中包括：基板，在所述基板的上表面依次设置有第一芯片和第二芯片，所述第一芯片用于发射光源；所述第二芯片包括：接收SPAD单元和发射SPAD单元，在所述第二芯片上靠近所述第一芯片处布置发射SPAD单元，在所述第二芯片上远离所述第一芯片处布置接收SPAD单元；隔离带，贯穿设置在所述发射SPAD单元和所述接收SPAD单元之间，与所述基板相接；盖子，设置在所述基板之上，与所述基板构成内部空腔，经由所述隔离带将所述内部空腔分隔为发射空腔和接收空腔；其中，在所述发射空腔中设置有匀光器件，在所述匀光器件之上设置发射端滤光片，在所述接收空腔中设置有聚光器件和接收端滤光片。

优选地，所述封装结构中还包括：导电层，所述导电层设置于所述第一芯片底部，用于形成所述第一芯片与所述基板之间的电连接；介质层，所述介质层设置于所述第二芯片底部，用于形成所述第二芯片与所述基板之间的连接。

优选地，所述封装结构中还包括：绝缘层，所述绝缘层设置在所述基板的上表面，且与所述盖子以及所述隔离带所在的位置对应处，所述绝缘层用于连接所述基板与所述盖子以及与所述隔离带，所述绝缘层能够阻挡红外光。

优选地，所述封装结构还包括：发射通孔，所述发射通孔设置在所述匀光器件之下，或设置在所述接收端滤光片之上。

优选地，所述封装结构还包括：接收通孔，所述接收通孔设置在所述接收端滤光片之上或所述接收端滤光片之下。

优选地，所述聚光器件设置在所述接收通孔之中，或设置在接收SPAD单元的上表面。

优选地，所述接收端滤光片设置在所述聚光器件的上部，或设置在所述聚光器件的下表面，或设置在所述接收SPAD单元的上表面。

优选地，所述第一芯片及所述第二芯片分别通过封装导线与所述基板电连接。

优选地，所述盖子能够阻挡可见光和红外光。

优选地，所述隔离带的宽度大于等于300um，贯穿高度大于等于80um。

优选地，所述第一芯片为VCSEL芯片，所述第二芯片为ASIC芯片。

本实用新型提供的dToF传感器封装结构，整合了dToF的必须组成部分，提供了一个小型化，高可靠性，高抗干扰性，低成本可商用的封装结构。

附图说明

图1为本申请实施例提供的dToF传感器封装结构示意图一；

图2为图1的正视图；

图3为沿图1中A-A截面的剖视图；

图4为本申请实施例提供的dToF传感器封装结构示意图二；

图5为本申请实施例提供的dToF传感器封装结构示意图三；

图6为本申请实施例提供的dToF传感器封装结构示意图四。

具体实施方式

下面将结合示意图对本实用新型的具体实施方式进行更详细的描述。根据下列描述，本实用新型的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本实用新型实施例的目的。

实施例1

本实用新型提供了一种dToF传感器封装结构，图1为本申请实施例中提供的dToF传感器封装结构示意图一，图2为图1的正视图，如图2所示，本申请实施例提供的封装结构中包括：

基板110，在基板110的上表面依次设置有第一芯片130和第二芯片131，第一芯片130用于发射光源。

这里，第一芯片130为VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，垂直腔面激光发射器)芯片，第二芯片131为ASIC(Application Specific Integrated Circuit，专用集成电路)芯片。第二芯片131包括：接收SPAD(Single Photon Avalanche Aiode，单光子雪崩二极管)单元132和发射SPAD单元133，在第二芯片131上靠近第一芯片130处布置发射SPAD单元132，在第二芯片131上远离第一芯片130处布置接收SPAD单元133；这里，发射SPAD单元132用于接受第一芯片130发射的光源，并对其进行光电转化后，发射光信号至封装结构外部，当封装结构外部存在被探测物体时，该被探测物体的反射光信号能够被接收SPAD单元133接收，根据发射SPAD单元132接收到光信号的时间与接收SPAD单元133接收到光信号的时间计算被探测物体的距离。

隔离带120，贯穿设置在发射SPAD单元132和接收SPAD单元133之间，与基板110相接；这里，隔离带120能够阻挡波长范围780nm～1000nm之间的光信号，阻挡率≥98％，可以是环氧树脂等材料，隔离带120的宽度w大于等于300um，贯穿高度h大于等于80um。

盖子140，设置在基板110之上，与基板110构成内部空腔，经由隔离带 120将所述内部空腔分隔为发射空腔141和接收空腔142；隔离带120为贯穿设置，一端连接基板110，一端连接盖子140。这里，发射空腔141内部包含第一芯片130、发射SPAD单元132，接收空腔142内部包含接收SPAD单元133，盖子140能够阻挡可见光和红外光，阻挡率≥98％，可以是聚酰胺类塑料、工业化液晶聚合物等材料。

其中，在发射空腔141中设置有匀光器件151，在匀光器件151之上设置发射端滤光片161，在接收空腔142中设置有聚光器件152和接收端滤光片162。

图3为沿图1中的A-A截面的剖视图，如图3所示，在本申请实施例中，封装结构中还包括：导电层135，导电层135设置于第一芯片130的底部，用于形成第一芯片130与基板110之间的电连接；介质层136，介质层136设置于第二芯片131底部，用于形成第二芯片131与基板110之间的连接。这里，导电层135可以是导电胶等具有导电功能的粘接材料，用于固定第一芯片的同时形成第一芯片与基板之间的电连接，而介质层136为绝缘胶层，仅用于固定第二芯片131于基板110之上。

继续参见图2，封装结构中还包括：绝缘层121，绝缘层121设置在基板110 的上表面，且与盖子140以及隔离带120所在的位置对应处，绝缘层121用于连接基板110与盖子140以及与隔离带120。结合图3，绝缘层设置在基板110 上表面的四周处以及隔离带对应位置处，用于将基板110和盖子140连接起来，同时，将隔离带120与基板110连接起来。绝缘层121能够阻挡红外光，对波长780nm～1000nm的光阻挡率≥95％，且绝缘层121的厚度不低于30um。通过设置能够阻挡环境光的绝缘层121、盖子140和隔离带120，将发射SPAD单元 132和接收SPAD单元133完全阻隔开来，以避免光信号的串扰。

在本申请实施例中，封装结构中还包括：发射通孔171，发射通孔171设置在匀光器件151之下，第一芯片130发射的光信号经过发射通孔171到达匀光器件151和发射端滤光片161。在封装结构中还包括：接收通孔172，聚光器件 152顶部的凸透镜部分嵌于接收通孔172中，此时接收端滤光片162位于聚光器件152之上。这里，发射通孔171和接受通孔172均为光路通孔。

在本申请实施例中，第一芯片130及第二芯片131分别通过封装导线134、封装导线135与基板110电连接，这里，封装导线134、135的材料可以是金属材料或合金组合物。

在本申请实施例中，第一芯片130提供指定波段的光信号，该光信号经过发射空腔141，被位于发射空腔141的发射SPAD单元132探测到，进行光电转换，随后经过第一通孔171、匀光器件151和发射端滤光片161后离开封装结构；光信号接触到被探测物体后，其中一部分光信号反射到封装结构的接收端部分，经过接收端滤光片162、接收通孔172和聚光器件152后最终达到接收SPAD单元133，进行光电转换；此时，第二芯片131接收发射SPAD单元132和接收 SPAD单元133感测到的光信号，根据两端光信号的时间差计算出被探测物体距离第一芯片130的距离。

本申请实施例提供的dToF传感器封装结构提供了一个小型化，高可靠性，高抗干扰性，低成本可商用的硬件结构。封装形式可以是LGA(Land Grid Array，栅格阵列封装)或BGA(Ball Grid Array，球栅阵列封装)，即栅格阵列封装或球栅阵列封装，支持通用的封装加工工艺，下游仅需通过SMT(Surface Mount Techno，表面贴装)工艺即可安装使用，以满足市场需求。此外，本申请实施例中的发射空腔与接收空腔在封装结构内部完全独立，封装结构内部无光通路连接，使得分别位于两个空腔内的两个SPAD，无法在封装内部交流光信号，避免了光信号的串扰。

实施例2

本申请实施例提供另一种dToF传感器封装结构，图4为本申请实施例中提供的dToF传感器封装结构示意图二，如图4所示，本申请实施例提供的封装结构中包括：

基板110，在基板110的上表面依次设置有第一芯片130和第二芯片131，第一芯片130用于发射光源。

第二芯片131包括：接收SPAD单元132和发射SPAD单元133，在第二芯片131上靠近第一芯片130处布置发射SPAD单元132，在第二芯片131上远离第一芯片130处布置接收SPAD单元133。

隔离带120，贯穿设置在发射SPAD单元132和接收SPAD单元133之间，与基板110相接。

盖子140，设置在基板110之上，与基板110构成内部空腔，经由隔离带 120将所述内部空腔分隔为发射空腔141和接收空腔142。

其中，在发射空腔141中设置有匀光器件151，在匀光器件151之上设置发射端滤光片161，在接收空腔142中设置有聚光器件152和接收端滤光片162。

在本申请实施例中，封装结构中还包括：绝缘层121，绝缘层121设置在基板110的上表面，且与盖子140以及隔离带120所在的位置对应处，绝缘层121 用于连接基板110与盖子140以及与隔离带120。

在本申请实施例中，封装结构中还包括：发射通孔171，这里，发射通孔 171设置在接收端滤光片161之上。封装结构中还包括：接收通孔172，接收通孔172设置在接收端滤光片162之上。

在本申请实施例中，聚光器件152设置在接收SPAD单元133的上表面，这里，可以通过黄光工艺制作在SPAD上的聚光器件133。在本申请实施例中，第一芯片130及第二芯片131分别通过封装导线134、封装导线135与基板110 电连接。

实施例3

本申请实施例提供另一种dToF传感器封装结构，图5为本申请实施例中提供的dToF传感器封装结构示意图三，如图5所示，本申请实施例提供的封装结构中包括：

基板110，在基板110的上表面依次设置有第一芯片130和第二芯片131，第一芯片130用于发射光源。

第二芯片131包括：接收SPAD单元132和发射SPAD单元133，在第二芯片131上靠近第一芯片130处布置发射SPAD单元132，在第二芯片131上远离第一芯片130处布置接收SPAD单元133。

隔离带120，贯穿设置在发射SPAD单元132和接收SPAD单元133之间，与基板110相接。

盖子140，设置在基板110之上，与基板110构成内部空腔，经由隔离带 120将所述内部空腔分隔为发射空腔141和接收空腔142。

其中，在发射空腔141中设置有匀光器件151，在匀光器件151之上设置发射端滤光片161，在接收空腔142中设置有聚光器件152和接收端滤光片162。

在本申请实施例中，封装结构中还包括：绝缘层121，绝缘层121设置在基板110的上表面，且与盖子140以及隔离带120所在的位置对应处，绝缘层121 用于连接基板110与盖子140以及与隔离带120。

在本申请实施例中，封装结构中还包括：发射通孔171，发射通孔171设置在接收端滤光片161之上；接收通孔172，接收通孔172设置在接收端滤光片 162之上，这里，聚光器件152顶部的凸透镜部分嵌于接收通孔172中，接收端滤光片162固定设置在聚光器件152的下表面。

实施例4

本申请实施例提供另一种dToF传感器封装结构，图6为本申请实施例中提供的dToF传感器封装结构示意图四，如图6所示，本申请实施例提供的封装结构中包括：

基板110，在基板110的上表面依次设置有第一芯片130和第二芯片131，第一芯片130用于发射光源。

第二芯片131包括：接收SPAD单元132和发射SPAD单元133，在第二芯片131上靠近第一芯片130处布置发射SPAD单元132，在第二芯片131上远离第一芯片130处布置接收SPAD单元133。

隔离带120，贯穿设置在发射SPAD单元132和接收SPAD单元133之间，与基板110相接。

盖子140，设置在基板110之上，与基板110构成内部空腔，经由隔离带 120将所述内部空腔分隔为发射空腔141和接收空腔142。

其中，在发射空腔141中设置有匀光器件151，在匀光器件151之上设置发射端滤光片161，在接收空腔142中设置有聚光器件152和接收端滤光片162。

在本申请实施例中，封装结构中还包括：绝缘层121，绝缘层121设置在基板110的上表面，且与盖子140以及隔离带120所在的位置对应处，绝缘层121 用于连接基板110与盖子140以及与隔离带120。

在本申请实施例中，封装结构中还包括：发射通孔171，发射通孔171设置在接收端滤光片161之上；接收通孔172，接收通孔172设置在接收端滤光片 162之上，这里，聚光器件152顶部的凸透镜部分嵌于接收通孔172中，接收端滤光片162固定设置在接收SPAD单元的上表面。

以上所述仅是本实用新型的优选实施例而已，并非用以限定本实用新型，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (11)

1.一种dToF传感器封装结构，其特征在于，所述封装结构中包括：

基板，在所述基板的上表面依次设置有第一芯片和第二芯片，所述第一芯片用于发射光源；

所述第二芯片包括：接收SPAD单元和发射SPAD单元，在所述第二芯片上靠近所述第一芯片处布置发射SPAD单元，在所述第二芯片上远离所述第一芯片处布置接收SPAD单元；

隔离带，贯穿设置在所述发射SPAD单元和所述接收SPAD单元之间，与所述基板相接；

盖子，设置在所述基板之上，与所述基板构成内部空腔，经由所述隔离带将所述内部空腔分隔为发射空腔和接收空腔；

其中，在所述发射空腔中设置有匀光器件，在所述匀光器件之上设置发射端滤光片，在所述接收空腔中设置有聚光器件和接收端滤光片。

2.根据权利要求1所述的封装结构，所述封装结构中还包括：导电层，所述导电层设置于所述第一芯片底部，用于形成所述第一芯片与所述基板之间的电连接；介质层，所述介质层设置于所述第二芯片底部，用于形成所述第二芯片与所述基板之间的连接。

3.根据权利要求2所述的封装结构，其特征在于，所述封装结构中还包括：绝缘层，所述绝缘层设置在所述基板的上表面，且位于所述盖子以及所述隔离带所在的位置对应处，所述绝缘层用于连接所述基板与所述盖子以及与所述隔离带，所述绝缘层能够阻挡红外光。

4.根据权利要求3所述的封装结构，其特征在于，所述封装结构还包括：发射通孔，所述发射通孔设置在所述匀光器件之下，或设置在所述接收端滤光片之上。

5.根据权利要求4所述的封装结构，其特征在于，所述封装结构还包括：接收通孔，所述接收通孔设置在所述接收端滤光片之上或所述接收端滤光片之下。

6.根据权利要求5所述的封装结构，其特征在于，所述聚光器件设置在所述接收通孔之中，或设置在接收SPAD单元的上表面。

7.根据权利要求6所述的封装结构，其特征在于，所述接收端滤光片设置在所述聚光器件的上部，或设置在所述聚光器件的下表面，或设置在所述接收SPAD单元的上表面。

8.根据权利要求7所述的封装结构，其特征在于，所述第一芯片及所述第二芯片分别通过封装导线与所述基板电连接。

9.根据权利要求8所述的封装结构，其特征在于，承载部能够阻挡可见光和红外光。

10.根据权利要求9所述的封装结构，其特征在于，所述隔离带的宽度大于等于300um，贯穿高度大于等于80um。

11.根据权利要求10所述的封装结构，其特征在于，所述第一芯片为VCSEL芯片，所述第二芯片为ASIC芯片。

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