JP2016523415A

JP2016523415A - 光検出モジュール及びその製造方法

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Publication number: JP2016523415A
Application number: JP2016522175A
Authority: JP
Inventors: ウィンサンチャン
Original assignee: Lin dai Wei
Current assignee: Lin dai Wei
Priority date: 2013-06-26
Filing date: 2013-07-01
Publication date: 2016-08-08
Also published as: JP2019109915A; CN103309476A; WO2014205860A1

Abstract

本発明は、光検出機能を有するセンサアレイ（１１）及び少なくとも非検出機能を有する制御ユニット（１２）を備える撮像素子（１）と、外界表面によって反射されてセンサアレイ（１１）に受光されるコヒーレント光線を発光する発光チップ（４）と、撮像素子（１）及び発光チップ（４）を載置する基板（５）と、基板（５）に設置され、撮像素子（１）及び発光チップ（４）を覆い、光線（４１）の伝達経路において第一の透光部（６１）が設置されるカバーと、を備える光検出モジュールを提供する。この光検出モジュールがベース（７０）に設置され、このベース（７０）において光線（４１）を透過させるための第二の透光部（７０）が設置される。本発明は、光学レンズを設置する必要がなくなり、製造コストを低減でき、さらに、光学式マウスの検出モジュール全体の素子サイズを低減し、光検出モジュールから外界光線反射面までの距離を効果的に短縮できるため、光路全体における光線の光損失を低減し、さらに、光検出モジュールの応答性を上げる。

Description

本発明は、光検出モジュール及びその製造方法に関し、特に、撮像素子及び発光チップを備える光検出モジュール及びその製造方法に関する。

光学式マウスを応用する分野では、その光検出モジュールは、主に、レンズ、撮像素子及び光源を備える。常用の光源は、発光ダイオード及びレーザダイオード等の光学素子である。光学式マウスを操作する際に、発光ダイオードが発行する光線は、周辺に発散してレンズに接触し、そして、一連の反射及び屈折を行う。主光路においては、光線が、レンズを透過し、デスクの表面に照射し、デスクの表面によってレンズの集光部に反射され、集光部で集光され、撮像素子によって取り込まれ、そして、デジタル信号処理素子によって光学式マウスが移動した距離及び方向が算出される。

従来の光学式マウスでは、光検出モジュールの発光チップのパッケージ方法は、一般的に、トランジスタアウトラインパッケージ（ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｏｕｔｌｉｎｅｐａｃｋａｇｅ）またはランプパッケージ（ｌａｍｐｐａｃｋａｇｅ）である。図１は、従来の光検出モジュール３０を示す。この光検出モジュール３０は、ランプパッケージを採用した垂直共振器型面発光レーザ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ−ＣａｖｉｔｙＳｕｒｆａｃｅ−ＥｍｉｔｔｉｎｇＬａｓｅｒ）３２を光源とし、垂直共振器型面発光レーザ３２が回路基板３４に設置され、撮像素子３６が固定ベース３８の内側に設置される。垂直共振器型面発光レーザ３２と撮像素子３６との間に、レンズ部材４０は設置され、垂直共振器型面発光レーザ３２に生じた光ビーム４２がレンズ部材４０の集光によってデスク４４に照射し、デスク４４に反射された光ビーム４２がレンズ部材４０の集光部３５によって集光され、撮像素子３６に画像を形成する。

この設計では、垂直共振器型面発光レーザ３２のパッケージサイズが大きく（レンズ部材４０を固定するための固定具をさらに設置する必要がある）、且つ、垂直共振器型面発光レーザ３２に生じた光ビーム４２が、デスク４４に照射して撮像素子３６に反射される前に、レンズ部材４０によって長い光路で数回屈折される必要があり、主光路以外の光線が撮像素子３６に受光されないため、光ビーム４２がレンズ部材４０を透過する際に、エネルギー損失が生じ、光路全体の光損失を招きやすくなる。撮像素子３６が取り込む信号が弱すぎ、検出に影響を及ぼすことを回避するために、光信号を補強させるための集光部（図示せず）をレンズ部材４０に設置する以外、垂直共振器型面発光レーザ３２のパワーが小さいわけではない。

本発明は、従来の技術欠陥を克服し、光線のパワー損失を効果的に低減することを目的とする。

本発明は、センサアレイ及び少なくとも制御ユニットを備え、前記センサアレイが前記制御ユニットに電気的に接続される撮像素子と、外界表面に入射して前記外界表面によって前記センサアレイに反射される光線を発光するための発光チップと、前記撮像素子及び前記発光チップを載置する基板と、前記基板に設置され、前記撮像素子及び前記発光チップを覆い、前記光線の伝達経路において前記光線を透過させるための第一の透光部が設置されるカバーと、を備える光検出モジュールである。

具体的には、前記第一の透光部の直径と前記光線の波長との比率が１０以上である。

具体的には、前記発光チップがレーザダイオードである。

本発明は、センサアレイ及び少なくとも制御ユニットを備え、前記センサアレイが前記制御ユニットに電気的に接続される撮像素子と、外界表面に入射して前記外界表面によって前記センサアレイに反射される光線を発光するための発光チップと、前記撮像素子及び前記発光チップを載置する基板と、前記基板に設置され、前記撮像素子及び前記発光チップを覆い、前記光線の伝達経路に前記光線を透過させるための第一の透光部が設置されるカバーと、前記基板及び前記カバーを載置するベースと、を備え、前記カバーが前記ベースと前記基板との間に位置し、前記ベースに、前記光線の経路において前記光線を透過させるための第二の透光部が設置される光学式マウスのレーザ指向装置をさらに提供する。

具体的には、前記第一の透光部及び前記第二の透光部がそれぞれ開口である。

具体的には、前記第一の透光部の直径と前記光線の波長との比率が１０以上であり、前記第二の透光部の直径と前記光線の波長との比率が１０以上である。

本発明は、ダイアタッチプロセスを行い、撮像ダイ及びレーザダイオードダイを基板に実装し、前記撮像ダイ及び前記レーザダイオードダイを電気的に接続するステップと、前記撮像ダイ及び前記レーザダイオードダイをカバーで覆い、前記カバーに、前記レーザダイオードダイが発光する光線の伝達経路において第一の透光部を設置するステップと、を備える光検出モジュールの製造方法を提供する。

具体的には、前記ダイアタッチプロセスがチップ直接パッケージプロセスである。

具体的には、前記ダイアタッチプロセスは、前記基板の一つの平面に接合材料を形成するステップと、前記レーザダイオードダイ及び前記撮像ダイを前記接合材料に固定し、前記接合材料によって前記レーザダイオードダイ及び前記撮像ダイを接合するステップと、を備える。

具体的には、前記ダイアタッチプロセスは、前記基板の一つの平面に第一の接合材料を形成するステップと、前記撮像ダイを前記第一の接合材料に固定し、前記第一の接合材料によって前記撮像ダイを接合するステップと、前記撮像ダイの一つの表面に第二の接合材料を形成するステップと、前記レーザダイオードダイを前記第二の接合材料に固定し、前記第二の接合材料によって前記レーザダイオードダイを接合するステップと、を備える。

本発明は、光学レンズを設置する必要がなくなり、製造コストを低減でき、さらに、光学式マウスの検出モジュール全体の素子サイズを低減し、光検出モジュールから外界光線反射面までの距離を効果的に短縮できるため、光路全体における光線の光損失を低減し、さらに、光検出モジュールの応答性を上げ、また、光損失の低減により、光源の出力パワーを低減し、さらに、光検出モジュールの応答性を上げ、且つ、節電、省エネルギーの機能を奏する。

図１は、従来技術によるレーザ光学式マウスにおける光源のパッケージ構造の概略図である。図２は、本発明の第一の実施形態による光検出モジュールの構造の概略図である。図３は、本発明の第二の実施形態による光検出モジュールの構造の概略図である。図４は、光学式マウスの光検出モジュールの構造の概略図である。図５は、本発明の第三の実施形態によるセンサアレイの構造の概略図である。図６は、本発明による光検出モジュールの製造プロセスの概略図である。

以下に、本発明の実施形態における図面を参照しながら、本発明の実施形態による技術手段を明瞭に、詳細に説明する。

図２は、本発明の第一の実施形態による光検出モジュールの構造の概略図である。図２を参照すると、本実施形態では、光検出モジュール１００は、撮像素子１、発光チップ４、基板５及びカバー６を備える。撮像素子１は、センサアレイ１１及び少なくとも制御ユニット１２を備え、センサアレイ１１が電荷結合素子または相補形金属酸化膜半導体撮像素子からなってもよい。発光チップ４が、コヒーレント光源（ｃｏｈｅｒｅｎｔｌｉｇｈｔｓｏｕｒｃｅ）であり、本実施形態では、発光チップ４がレーザダイオードであってもよく、レーザ光線４１を発光する。一実施形態では、基板５が回路基板であり、下表面１５１を備え、この撮像素子１及び発光チップ４が共に基板５の下表面１５１に設置される。そして、カバー６がセンサアレイ１１及び発光チップ４を覆い、且つ、カバー６に、光線４１の伝達経路において光線４１を透過させるための第一の透光部６１が設置される。

続いて説明すると、図２に示すように、発光チップ４が外界表面５０に照射する光線４１を発光し、光線４１が外界表面５０に反射され、撮像素子１に入射し、撮像素子１のセンサアレイ１１によって、外界表面５０に反射された光線４１が検出される。このように、ユーザが光学式マウスを移動する際に、撮像素子１が取り込む画像が変わっている。

本発明のセンサアレイ１１及び発光チップ４が基板５の下表面１５１に高度に集積され、且つ、カバー６がセンサアレイ１１及び発光チップ４を覆う。カバー６の第一の透光部６１が開口の形状であってもよく、この開口が、外界表面５０によって屈折・散乱された反射光線４１を遮蔽できるフィルタ機能を有する。このように、カバー６を設置することにより、エネルギー収集効率を上げ且つ不要な乱反射及び環境干渉光源を排除することができ、集光のための付加的な光学レンズを設置する必要がなくなるとともに、センサアレイ１１と発光チップ４のダイボンド（ｄｉｅｂｏｎｄ）とワイヤボンド（ｗｉｒｅｂｏｎｄ）に対しての防塵と保護を提供できる。

図３は、本発明の第二の実施形態による光検出モジュールの構造の概略図である。図３に示される発光チップ４と図２に示される撮像素子１は、共に集積回路７に集積される。基板５が、上記集積回路７を載置するための下表面１５１を有する。具体的には、この集積回路７が光電子集積回路（ＯＥＩＣ、ＯｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔｓ）であってもよく、撮像素子１及び発光チップ４が載置板８に電気的に接続されて設置され、そして、載置板８が基板５の下表面１５１に電気的に接続されて設置される。このように、分離型の素子の離散効果による応答速度への制限を低減でき、且つ、小型化、高信頼性、耐震性及び耐衝撃性等の利点を有する。

図４は、光学式マウスの光検出モジュール１００の構造の概略図である。本発明の光検出モジュール１００を光学式マウス（図示せず）に応用する際に、この光検出モジュール１００が光学式マウスのベース７０に設置される。図２及び図４を参照すると、本実施形態では、発光チップ４がレーザダイオードであり、外界表面５０に照射するレーザ光４１を発光する。この外界表面５０が、このレーザ光をセンサアレイ１１に反射する。このベース７０に、レーザ光４１の伝達経路において第二の透光部６２が設置され、この透光部６２が開口であってもよい。

本実施形態では、発光チップ４が発光したレーザ光４１が外界表面５０に照射され、レーザ光４１が外界表面５０に反射された後、ベース７０の第二の透光部６２の開口を介してセンサアレイ１１に入射する。このように、第二の透光部６２の開口のフィルタ機能により、レーザ光４１が外界表面５０に反射された後に生じる散乱光源及び環境光源を排除し、これらの光源によるセンサアレイ１１の応答性への影響を低減する。

続いて説明すると、この第二の透光部６２も空間フィルタ機能を有する。レーザ光４１が出射した後、空気内の粒子の散乱または光学素子の欠陥の影響に起因して光線散乱を招く恐れがあり、これらの干渉が総称されて空間騒音と言われる。この第二の透光部６２の直径とレーザ光４１の波長との比率を設定し、第二の透光部６２と発光チップ４の空間配置距離を調整し、例えば、本実施形態では、この第二の透光部６２の直径とレーザ光４１の波長との比率が１０以上であることにより、この第二の透光部６２が空間フィルタ機能を有し、光線散乱を招く空間騒音干渉を排除する。

図５を参照すると、図５は、本発明の第三の実施形態によるセンサアレイの構造の概略図である。本実施形態によるセンサアレイ１１が、複数の検出素子１１１からなるセンサアレイ組１１２を備える。当該複数の検出素子１１１が固体撮像素子であってもよく、フォトゲート（ｐｈｏｔｏｇａｔｅ）、フォトダイオード（固定型、選択固定型または非固定型）または電荷結合素子（ＣＣＤ，ｃｈａｒｇｅＣｏｕｐｌｅｄＤｅｖｉｃｅ）を含むが、これらに限定されない。本発明の一実施形態では、この検出素子がフォトダイオードであり、特に、周知の相補形金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ，ＣｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙＭｅｔａｌＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）プロセスを使用し、特別にカバーの設計を変更する必要がなくなり、フォトダイオードタイプの相補形金属酸化膜半導体撮像素子（ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ−ｔｙｐｅＣＭＯＳｉｍａｇｅｒ）を製造できる。

図６を参照すると、図６は、本発明による光検出モジュールの製造プロセスの概略図である。この光検出モジュール１００の製造プロセスは、撮像ウエハーに対してプローブカードによって撮像測定及び光源測定を行い、そして、不良のウエハーにマークをつけ、ウエハー実装（ｗａｆｅｒｍｏｕｎｔ）を行い、ウエハー実装が行われた撮像ウエハーの電気的特性をプローブカードによって測定するステップと、そして、撮像ウエハーを薄く研磨し、タッピングし、切断し、非タッピングすることにより、複数の撮像ダイを形成するステップと、この撮像ダイをダイアタッチプロセス（ＤｉｅＡｔｔａｃｈＰｒｏｃｅｓｓ）で基板に実装するステップと、レーザダイオードダイをダイアタッチプロセスでこの基板に実装し、レーザダイオードダイを検出半導体集積回路の近くに貼り付け、または、レーザダイオードダイを検出半導体集積回路に貼り付け、そのうち、撮像ダイ及びレーザダイオードダイを電気的に接続するステップと、この撮像ダイ及びこのレーザダイオードダイを硬化させるステップと、プラズマで表面を清浄した後、この撮像ダイ及びこのレーザダイオードダイにワイヤをボンディングするステップと、この撮像ダイ及びこのレーザダイオードダイをカバーで覆い、このカバーに、レーザダイオードダイが発光する光線の伝達経路に第一の透光部を設置するステップと、最後に、硬化させ、モールディングし、検知するステップとを備える。

続いて説明すると、図５に示すように、このダイアタッチプロセスは、チップ直接パッケージプロセス、例えば、ピン挿通プロセス（ＰＴＨ、ＰｉｎＴｈｒｏｕｇｈＨｏｌｅ）または表面実装プロセス（ＳＭＴ、ＳｕｒｆａｃｅＭｏｕｎｔＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）である。
続いて説明すると、上記ダイアタッチプロセスは、基板の一つの平面に接合材料を形成するステップと、レーザダイオードダイ及び撮像ダイをこの接合材料に固定し、この接合材料によってレーザダイオードダイ及び撮像ダイを接合するステップとを備える。

続いて説明すると、上記ダイアタッチプロセスは、基板の一つの平面に第一の接合材料を形成するステップと、撮像ダイをこの第一の接合材料に固定し、この第一の接合材料によって撮像ダイを接合するステップと、撮像ダイの一つの表面に第二の接合材料を形成するステップと、レーザダイオードダイをこの第二の接合材料に固定し、この第二の接合材料によってレーザダイオードダイを接合するステップとを備える。

以上により、本発明の光検出モジュールは、以下の利点を備える。
１．本発明の光検出モジュールは、光学式マウスのコヒーレント光源を集積し、集光のための付加的な光学レンズを設置する必要がなくなることにより、光学式マウスの検出モジュール全体の素子サイズを低減するとともに、光路全体における光線の光損失を低減し、さらに、光検出モジュールの応答性を上げ、節電、省エネルギーの機能を奏する。

２．本発明の光検出モジュールは、直接パッケージで、発光チップ及び撮像素子をそれぞれ基板に貼り付け、または、発光チップ及び撮像素子を集積回路に集積して基板に実装し、組み立てを完成することにより、基板の使用面積を低減する。

３．本発明の光検出モジュールは、基板に設置されるカバー及びベースに設置される第二の透光部により、散乱した反射光を遮蔽し、導光構造の垂直運動による光検出モジュールへの影響を回避する。普通の光検出システムと異なり、本装置は、有効な光路を短縮及び保護し、異なる使用表面に優れた光指向機能を奏する。

以上は、本発明の好適な実施形態であるが、当業者にとっては、本発明の要旨を逸脱しない範囲内に、若干の改善及び改良を加えてもよく、また、これらの改善及び改良が請求の範囲に記載された範疇に属する。

３０光検出モジュール
３２垂直共振器型面発光レーザ
３４回路基板
３５集光部
３６撮像素子
３８固定ベース
４０レンズ部材
４２光ビーム
４４デスク
１００光検出モジュール
１撮像素子
１１センサアレイ
１１１検出素子
１１２センサアレイ組
１２制御ユニット
４発光チップ
４１光線
５０外界表面
５基板
６カバー
７集積回路
８載置板
６１第一の透光部
６２第二の透光部
７０ベース
１５１下表面

Claims

センサアレイ及び少なくとも制御ユニットを備え、前記センサアレイが前記制御ユニットに電気的に接続される撮像素子と、
外界表面に入射して前記外界表面によって前記センサアレイに反射される光線を発光するための発光チップと、
前記撮像素子及び前記発光チップを載置する基板と、
前記基板に設置され、前記撮像素子及び前記発光チップを覆い、前記光線の伝達経路において前記光線を透過させるための第一の透光部が設置されるカバーと、を備えることを特徴とする光検出モジュール。
前記第一の透光部の直径と前記光線の波長との比率が１０以上であることを特徴とする請求項１に記載の光検出モジュール。
前記発光チップがレーザダイオードであることを特徴とする請求項１に記載の光検出モジュール。
センサアレイ及び少なくとも制御ユニットを備え、前記センサアレイが前記制御ユニットに電気的に接続される撮像素子と、
外界表面に入射して前記外界表面によって前記センサアレイに反射される光線を発光するための発光チップと、
前記撮像素子及び前記発光チップを載置する基板と、
前記基板に設置され、前記撮像素子及び前記発光チップを覆い、前記光線の伝達経路において前記光線を透過させるための第一の透光部が設置されるカバーと、
前記基板及び前記カバーを載置するベースと、を備え、
前記カバーが前記ベースと前記基板との間に位置し、前記ベースに、前記光線の経路において前記光線を透過させるための第二の透光部が設置されることを特徴とする光学式マウスのレーザ指向装置。
前記第一の透光部及び前記第二の透光部がそれぞれ開口であることを特徴とする請求項４に記載の光学式マウスのレーザ指向装置。
前記第一の透光部の直径と前記光線の波長との比率が１０以上であり、前記第二の透光部の直径と前記光線の波長との比率が１０以上であることを特徴とする請求項４に記載の光学式マウスのレーザ指向装置。
ダイアタッチプロセスを行い、撮像ダイ及びレーザダイオードダイを基板に実装し、前記撮像ダイ及び前記レーザダイオードダイを電気的に接続するステップと、
前記撮像ダイ及び前記レーザダイオードダイをカバーで覆い、前記カバーに、前記レーザダイオードダイが発光する光線の伝達経路において第一の透光部を設置するステップと、を備えることを特徴とする光検出モジュールの製造方法。
前記ダイアタッチプロセスがチップ直接パッケージプロセスであることを特徴とする請求項７に記載の光検出モジュールの製造方法。
前記ダイアタッチプロセスは、
前記基板の一つの平面に接合材料を形成するステップと、
前記レーザダイオードダイ及び前記撮像ダイを前記接合材料に固定し、前記接合材料によって前記レーザダイオードダイ及び前記撮像ダイを接合するステップと、を備えることを特徴とする請求項７に記載の光検出モジュールの製造方法。
前記ダイアタッチプロセスは、
前記基板の一つの平面に第一の接合材料を形成するステップと、
前記撮像ダイを前記第一の接合材料に固定し、前記第一の接合材料によって前記撮像ダイを接合するステップと、
前記撮像ダイの一つの表面に第二の接合材料を形成するステップと、
前記レーザダイオードダイを前記第二の接合材料に固定し、前記第二の接合材料によって前記レーザダイオードダイを接合するステップと、を備えることを特徴とする請求項７に記載の光検出モジュールの製造方法。