KR20180043307A - 광학 지문 센서 패키지 - Google Patents

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Abstract

광학 센서들, 광학 지문 센서 패키지들, 및 광학 지문 센서 패키지들을 형성하는 방법들이 개시된다. 광학 센서는: 기판; 기판 위에 배치된 이미지 센서; 기판 위에 배치된 광원; 이미지 센서 위에 배치된 광 가이드; 및 광원 위에 배치된 봉합재를 포함하며, 봉합재는 광 가이드에 커플링되고 광원으로부터 방사된 광을 반사하고 반사된 광을 광 가이드 내로 지향시키도록 위치된 표면을 포함한다.

Description

광학 지문 센서 패키지
관련 출원들의 상호 참조
본 출원은 2015 년 9 월 18 일에 출원된 미국 특허 가출원 제 62/220,712 호를 우선권 주장하며, 그 전체 컨텐츠는 전체가 본원에 참조로서 통합된다.
본 개시물은 일반적으로 광학 센서들에 관한 것이고, 더 구체적으로, 광학 지문 센서들에 대한 패키징에 관한 것이다.
(터치패드 및 터치스크린 센서 디바이스들과 같은) 근접 센서 디바이스들 및 (지문 센서 및 아이 스캐너 디바이스들과 같은) 바이오메트릭 센서 디바이스들을 포함하는 입력 디바이스들은 다양한 전자 시스템들에서 널리 이용된다. 센서 디바이스는 통상적으로, 센서 디바이스가 위치 정보를 결정하고 및/또는 입력 오브젝트를 이미징하기 위해 하나 이상의 입력 오브젝트들을 검출하는, 표면에 의해 종종 경계가 정해지는 감지 영역을 포함한다. 센서 디바이스들은 전자 시스템에 대한 인터페이스들을 제공하는데 사용될 수도 있다. 예를 들어, 센서 디바이스들은 제어 입력들 및 사용자 인증을 위한 인터페이스들을 제공하기 위해 (셀룰러 폰들 및 웨어러블 컴퓨팅 디바이스들과 같은) 소형 컴퓨팅 시스템 및 (노트북 및 데스크톱 컴퓨터들과 같은) 대형 컴퓨팅 시스템들에 대한 입력 디바이스들로서 종종 이용된다.
광학 센서들을 활용하는 입력 디바이스들은 때때로, 입력 오브젝트 (예컨대, 손가락) 의 활성 조명을 통합한다. 이들은 통상적으로, 디바이스 설계 및 어셈블리의 비용 및 복잡도를 증가시키는 추가의 보조 광원들을 요구한다.
일 양태에서, 광학 센서는: 기판; 기판 위에 배치된 이미지 센서; 기판 위에 배치된 광원; 이미지 센서 위에 배치된 광 가이드; 및 광원 위에 배치된 봉합재를 포함하며, 봉합재는 광 가이드에 커플링되고 광원으로부터 방사된 광을 반사하고 반사된 광을 광 가이드 내로 지향시키도록 위치된 표면을 포함한다.
다른 양태에서, 광학 지문 센서 패키지는: 패키지 기판; 패키지 기판 위에 배치된 이미지 센서 다이로서, 이미지 센서 다이는 광검출기 어레이를 포함하고 패키지 기판에 전기적으로 접속되는, 이미지 센서 다이; 이미지 센서 다이 위에 배치된 광 필터; 패키지 기판 위에 배치된 발광 다이오드 (LED) 광원; 광 가이드와 광 필터 사이에 광 필터 위에 배치된 에어 갭; 및 LED 광원 위에 배치된 광학적으로 투명한 몰딩 컴파운드를 포함하며, 광학적으로 투명한 몰딩 컴파운드는 광 가이드에 커플링되고 광원으로부터 방사된 광을 반사하고 반사된 광을 광 가이드 내로 지향시키도록 위치된 표면을 포함한다.
또 다른 양태에서, 광학 지문 센서 패키지는: 패키지 기판; 패키지 기판 위에 배치된 이미지 센서 다이로서, 이미지 센서 다이는 광검출기 어레이를 포함하고 패키지 기판에 전기적으로 접속되는, 이미지 센서 다이; 패키지 기판 위에 배치된 발광 다이오드 (LED) 광원; 및 LED 광원 위에 배치된 광학적으로 투명한 몰딩 컴파운드를 포함하며, 광학적으로 투명한 몰딩 컴파운드는 광 가이드에 커플링되고 광원으로부터 방사된 광을 반사하고 반사된 광을 이미지 센서 다이 위의 감지 영역으로 지향시키도록 위치된 표면을 포함한다.
또 다른 양태에서, 광학 센서 패키지를 형성하는 방법은: 이미지 센서 다이를 기판에 어태치하는 단계; 이미지 센서 다이를 기판에 전기적으로 접속하는 단계; 기판에 발광 다이오드 (LED) 를 실장하는 단계; 및 LED 를 광학적으로 투명한 몰딩 컴파운드로 오버몰딩하는 단계를 포함하며, 이미지 센서 다이 위에 광 가이드가 배치되고, 광학적으로 투명한 몰딩 컴파운드는 LED 로부터 방사된 광을 반사하고 반사된 광을 광 가이드 내로 지향시키도록 위치된 표면을 포함한다.
본 개시물의 예시적인 실시형태들은 이하 첨부된 도면들과 함께 설명될 것이며, 여기서 유사한 도면 부호들은 유사한 엘리먼트들을 표시한다.
도 1a 내지 도 1c 는 와이어 본딩된 광학 센서 패키지들을 도시한다.
도 2a 및 도 2b 는 복수의 광학 센서 패키지들을 패널 또는 어레이 포맷으로 도시한다.
도 3 은 반사층을 갖는 광학 센서 패키지를 도시한다.
도 4a 및 도 4b 는 플립 칩 어태치된 광학 센서 패키지를 도시한다.
도 5 는 발광 다이오드 (LED) 광원 상에 봉합재 및 그 봉합재로부터 분리된 광 가이드를 갖는 광학 센서 패키지를 도시한다.
도 6 은 기판에 어태치된 반사기 구조들을 갖는 광학 센서 패키지를 도시한다.
도 7 은 이미지 센서 다이 위에 그리고 광학적으로 투명한 커버 또는 광 가이드 아래 에어 갭을 갖는 광학 센서 패키지를 도시한다.
도 8a 및 도 8b 는 리드를 갖는 광학 센서 패키지를 도시한다.
도 8c 는 기판에 어태치될 수 있는 리드 어레이를 도시한다.
도 9a 및 도 9b 는 기판의 대향측들에 적용된 광학적으로 투명한 몰드를 갖는 광학 센서 패키지를 도시한다.
도 10a 및 도 10b 는 곡선의 반사 표면을 갖는 광학 센서 패키지를 도시한다.
도 11 은 디스플레이 커버 유리 밑에 실장된 광학 센서 패키지를 도시한다.
도 12a 및 도 12b 는 광학 센서 패키지들을 형성하는 방법들을 도시한다.
다음의 상세한 설명은 그 특성이 거의 예시적이고, 실시형태들 및 실시형태들의 응용 또는 사용들을 제한하도록 의도되지 않는다. 추가로, 선행하는 기술분야, 배경, 개요 또는 다음의 상세한 설명에서 제시된 임의의 표현된 또는 암시된 이론에 의해 속박되도록 하려는 의도는 없다.
지금부터 도면들을 참조하여, 도 1a 및 도 1b 는 전면 조사형 (FSI) 이미지 센서 다이 (103) 가 와이어 본드들 (107) 을 사용하여 기판 (105) 에 접속되는, 광학 지문 센서 패키지 (101a) 를 도시한다. 도 1a 는 광학 지문 센서 패키지 (101a) 를 단면도로 도시하는 반면, 도 1b 는 광학 지문 센서 패키지 (101a) 를 등축도로 도시한다.
광학 지문 센서 패키지 (101a) 에서, 이미지 센서 다이 (103) 는 기판 (105) 위에 위치되고, 다이 어태치 층 (115) 을 사용하여 기판 (105) 에 어태치된다. 다이 어태치 층 (115) 은 이미지 센서 다이 (103) 를 기판 (105) 에 어태치 또는 본딩하고, 임의의 적절한 다이 어태치 재료를 포함할 수도 있으며, 에폭시 또는 땜납과 같은 접착제들이 몇몇 예들이다. 이미지 센서 다이 (103) 는 그 다이의 주변부에 접속된 와이어 본드들 (107) 을 사용하여 기판에 전기적으로 접속된다. 상기 예에서, 외부 센서 다이 (103) 는 FSI 이미지 센서이고, 와이어 본드들 (107) 은 다이의 활성측에 본딩되며, 활성측은 또한 상기 배향에서 다이의 상부 표면 또는 상부측에 대응한다. 기판 (105) 은 이미지 센서 다이 (103) 를 외부 디바이스들에 접속하기 위한 라우팅 또는 전기 상호접속들을 제공하는 임의의 적합한 전자 패키지 또는 집적 회로 (IC) 패키지 기판이다. 이미지 센서 다이 (105) 는 이미지 센서 다이 (103) 및 광학 지문 센서 패키지 (101a) 위의 감지 영역으로부터 지문 이미지를 광학적으로 캡처하기 위한 복수의 광 감지 엘리먼트들 또는 광검출기 어레이를 포함한다. 도 1a 에서, 감지 영역 또는 감지측은 패키지의 상부측과 도면의 상부측에 대응한다.
광 필터 (117) 또는 광학 엘리먼트 층은 이미지 센서 다이 (103) 위에 위치된다. 광 필터 (117) 는 적합한 지문 이미지를 캡처하기 위해 이미지 센서 다이 (103) 의 광검출기 어레이에 도달하는 광을 컨디셔닝 또는 필터링한다. 광 필터 (117) 는 입사 광을 필터링하는 콜리메이터 필터 (collimator filter) 를 포함할 수도 있어서, 오직 법선으로부터 콜리메이터 필터 평면으로의 수광각 (acceptance angle) 내에 있는 광의 광선들만이 콜리메이터 필터를 통과하도록 송신되거나 허용되는 반면, 콜리메이터 필터는 수광각의 외부에 있는 광의 광선들을 거부 또는 차단한다. 즉, 콜리메이터 필터는, 광의 광선들이 (또한 이미지 센서 평면의 법선인) 콜리메이터 필터 평면의 법선에 평행하는, 입사광을 송신하고, 콜리메이터 필터는 또한, 완전히 평행한 것이 아니라 그 법선에 대한 소정의 수광각 내에 있는 광선들의 세트를 송신하지만, 콜리메이터 필터는 법선에 대하여 소정 수광각의 외부에 있는 광선들의 세트를 차단한다. 콜리메이터 필터의 수광각은 원하는 이미지 해상도, 감지 거리, 또는 다른 파라미터들에 의존하여 가변할 수도 있다. 대안적인 구현들에서, 광 필터 (117) 는 렌즈들, 핀홀들, 회절 엘리먼트들 (예컨대, 존 플레이트들), 또는 광섬유 번들들과 같은, 이미지 센서 다이 (103) 에 도달하는 광에 작용하기 위한 다른 광학 엘리먼트들을 포함할 수도 있다. 광 필터 (117) 는 이미지 센서 다이들의 웨이퍼 프로세싱과 관련하여 웨이퍼 레벨 프로세싱을 사용하여 옵션으로 제작되거나 제조될 수도 있다.
광학 지문 센서 패키지 (101a) 는 또한, 센서 다이 영역 외부의 영역들에서 기판 (105) 위에 또는 이미지 센서 (103) 다음에 위치된 복수의 LED 광원들 (119) 을 포함한다. 다수의 LED 광원들 (119) 은 이미지 센서 다이 (103) 의 대향측들에 포함된다. 상기 예에서, 이미지 센서 다이 (103) 의 일 측상에 2 개 및 이미지 센서 다이 (103) 의 대향 측상에 2 개인 4 개의 LED 광원들 (119) 이 포함된다. LED 광원들 (119) 은 기판 (105) 에 땜납되거나 그렇지 않으면 어태치될 수도 있는, 상향 방사 LED 들을 포함한다. 광학적으로 투명한 에폭시 몰딩 컴파운드 (OCEMC) (121) 는 LED 광원들 (119) 위에 위치되고, LED 광원들 (119) 위에 봉합재를 제공한다. OCEMC (121) 는 또한, (이미지 센서 다이 (103) 의 활성 영역에 대응하는) 감지 영역에 걸쳐 확장하여 LED 광원들 (119) 위에 위치되는 OCEMC 의 부분과 일체형이고 광학적으로 커플링되는 광 가이드 (122a) 를 상기 감지 영역에서 형성한다. 광 가이드 (122a) 는 LED 광원들 (119) 로부터 방사된 광을, 감지 영역 위에 위치된 손가락과 같은 입력 오브젝트 또는 감지 영역을 향해 지향하는데 사용될 수 있다. OCEMC (121) 는 LED 광원 (119) 으로부터 방사된 광을 반사하고, 반사된 광을, 광 가이드 (122a) 에서 전체 내부 반사를 생성하는 각도로 광 가이드 (122a) 내로 지향시키도록 위치된 내부적으로 반사하는 표면 (123) 을 LED 광원 (119) 위 또는 근접한 영역에 포함한다.
LED 광원들 (119) 위의 OCEMC (121) 는, LED들로부터의 광이 그를 통과하여 이미지 센서 다이 (103) 위의 감지 영역에 도달하게 하는데 충분한 정도로, LED들에 의해 방사된 광에 대해 투명하다. 상기 예에서, OCEMC 는 또한, 이미지 센서 다이 (103) 를 둘러싸고, 와이어 본드들 (107) 을 포함하여, 이미지 센서 다이 (103) 를 또한 캡슐화한다. OCEMC (121) 는 특정 재료의 선택에 의존하여 가변할 수도 있는, 공기 (또는 구조 또는 동작 환경에 의존하여, OCEMC (121) 표면 (123) 경계 외부의 다른 매체) 보다 더 큰 굴절률을 갖는다. OCEMC 에 대한 예시적인 굴절률은 약 1.5 이지만, 이는 사용되는 재료의 선택에 의존하여 상이한 구현들에서 가변할 수도 있다. 주변 환경 (예컨대, 공기) 에 대한 OCEMC (121) 의 굴절률은 LED 광원들 (119) 에 의해 방사된 광이 프레넬 반사 (Fresnel reflection) 를 사용하여 표면 (123) 에서 반사하게 한다. 이는 LED 광원 (119) 에 대하여 반사 표면 (123) 을 위치시키는 것에 의해 달성될 수도 있어서, LED 에 의해 방사된 광의 일부는 상기 인터페이스에 의해 결정되고 원하는 감지 영역으로 지향되는 임계각으로 상기 표면 (123) 에서 입사하게 한다. 광학 지문 센서 패키지 (101a) 에서, 이는 상기 방식으로 표면 (123) 에 입사하는 광을 반사하고, 이 광을 광 가이드 (122a) 로 지향시키도록 LED들에 대하여 각진 플랫 지오메트리를 갖는 기울어진 또는 경사진 표면을 가짐으로써 달성된다. 상기 효과를 달성하기 위한 특정 각도 또는 각도들은 상이한 구현들에서 변화할 수도 있는 것이 인식될 것이다.
기판 (105) 은 이미지 센서 다이 (103) 와 LED 광원들 (119) 을 다른 컴포넌트들에 전기적으로 접속하기 위한 전기 상호접속들, 라우팅 또는 와이어링을 인터포저에 제공한다. 도 1a 및 도 1b 의 광학 지문 센서 패키지 (101a) 는 기판 (105) 에 전기적으로 접속된 커넥터 (109) 와 플렉스 테일 (111) (즉, 플렉시블 커넥터) 을 포함한다. 도 1c 는, 이 구현에서, 볼 그리드 어레이 (BGA) 볼들 (113) 이 기판 (105) 에 전기적으로 접속된다는 점을 제외하고, 도 1a 와 도 1b 에 도시된 광학 지문 센서 패키지 (101a) 와 유사한 광학 지문 센서 패키지 (101b) 의 단면도를 도시한다. 플렉시블 커넥터 (111) 또는 BGA 볼들 (113) 은 (도시되지 않은) 외부 디바이스들 또는 회로에 센서 패키지를 접속하는데 사용될 수 있고, 다른 상호접속들이 또한 적합할 수도 있는 것이 인식될 것이다. 도 1a 내지 도 1c 에서 광학 모듈들은 CMOS (complementary metal-oxide-semiconductor) 이미지 센서 및 LED들, 예컨대 수동 컴포넌트들, 다른 제어 칩들, 등 이외에 다른 컴포넌트들을 포함할 수 있다. 완성된 모듈은 정확한 제품 또는 애플리케이션 파라미터들에 의존한다. 그러나, 모든 컴포넌트들이 다양한 구현들에서 동일한 패키지 내에 (OCEMC 영역 내에 또는 외부에) 포함되는 것이 가능하다.
도 2a 및 도 2b 는 도 1a 및 도 1b 로부터의 광학 지문 센서 패키지들 (101a) 에 대한 광학 FPS 패키지 어셈블리 흐름에 적용될 수 있는 패널 또는 스트립 레벨 프로세싱 포맷을 도시한다. 도 2a 는 개별 센서 패키지들의 싱귤레이션 전에 패널 또는 스트립에서 다수의 광학 지문 센서 패키지들 (101a) 의 상부도 또는 평면도를 도시하지만, 도 2b 는 광학 지문 센서 패키지들 (101a) 을 등축도로 도시한다. 패널 또는 스트립 레벨 프로세싱을 활용함으로써, 더 낮은 비용 및 더 작은 폼 팩터 디바이스들이 실현될 수 있다. 광학 FPS 패키지들을 제작하는 것은, 모든 개별 광학 지문 센서 패키지들 (101a) 을 통해 연속하는 몰딩된 섹션을 사용하여 표준 패널 레벨 (또는 스트립 레벨) 프로세스들을 사용하여 완료될 수 있고, 개별 광학 지문 센서 패키지들 (101a) 은 그 후, 일 예로서, 싱귤레이션 라인들 (137) 을 따라 기계적인 톱날 (blade saw) 또는 레이저 다이싱과 같은 다양한 기법들을 사용하여 싱귤레이트될 수 있다. 도 2a 및 도 2b 에서의 예는 도 1a 및 도 1b 로부터의 광학 지문 센서 패키지 9101a) 를 사용하는 반면, 패널, 스트립 또는 어레이 프로세싱 포맷은 본원에 설명된 다른 패키지들에 적용될 수 있다. 광학 FPS 패키지의 보드 레벨 어태치먼트가 예컨대, 플렉스 회로들 및 BGA 볼들과 같은 표준 제 2 레벨 상호접속들을 구현함으로써 실현될 수 있다.
도 3 은 다른 광학 지문 센서 패키지 (101c) 를 도시한다. 광학 지문 센서 패키지 (101c) 는 LED들에 의해 방사된 광의 반사를 제공하거나 향상시키기 위해 반사 표면 (123) 위에 위치된 반사층 (131) 을 포함한다. 반사층 (131) 은 손가락 또는 다른 오브젝트로부터 감지된 광이 이미지 센서 다이 (103) 의 검출기 엘리먼트들에 도달하게 하기 위해 이미지 센서 다이 (103) 의 활성 영역 또는 감지 영역 위의 윈도우 (133) 를 포함한다. 반사층 (131) 은 감지 영역이 노출되거나 반사 금속 필름에 자유롭게 하면서, OCEMC (121) 의 외부 표면상에, 특히 각진 표면 (123) 상에 금속 필름을 코팅함으로써 형성될 수도 있다. 이러한 코팅은 마스킹 기법들 및 상업적으로 입수가능한 금속 스퍼터링 또는 도금을 사용하여 적용될 수 있다. 알루미늄 (AI), 은 (Ag), 금 (Au), 및 니켈 (Ni) 필름들은 반사층에서 사용될 수 있는 재료들의 예들이며, 이들은 예컨대, 도 2a 및 도 2b 에 도시된 것과 같이 패널 몰딩 이후에 적용될 수 있다.
도 4a 및 도 4b 는 다른 광학 지문 센서 패키지 (101d) 를 도시한다. 도 1a 내지 도 1c 는 와이어 본딩 솔루션을 도시하는 반면, 도 4a 및 도 4b 는 이미지 센서 다이 (103) 를 기판 (105) 에 어태치하고 전기적으로 접속하기 위해 TSV (through silicon via) 기술 및 플립 칩 어태치 기술 (예컨대, Cu 기둥 범프들, 땜납 범프들, 등) 을 활용하는 상보적 금속 산화물 반도체 (CMOS) 이미지 센서 다이 (103) (이 경우에, 후면 조사형 타입) 의 사용을 도시한다. 플립 칩 솔루션은 다이 주변부 주위의 와이어 본드들이 전기 접속들을 형성해야 하는 필요성을 제거함으로써, (패널 또는 스트립 레벨 어셈블리와 커플링된) 폼 팩터를 감소시키는 것을 도울 수 있다. 이는 플립 칩 프로세스에 의존하여, x, y 치수들에서 패키지 사이즈에서 ~300 내지 500 um 을 절약할 수 있는 것이 추정된다. 언더필 (139) 은 이 예에서, 통상적으로 플립 칩 다이 어태치 프로세스와 함께 사용되는 것처럼 사용되지만, 언더필은 (통상적으로 몰딩된 언더필 또는 "MUF" 로 알려진) 적절한 재료 속성들을 갖는 오버몰드 재료의 사용에 의해 제거될 수도 있다.
도 5 은 다른 광학 지문 센서 패키지 (101e) 를 도시한다. 광학 센서 패키지 (101e) 는, OCEMC (121) 로부터 분리되고, 이미지 센서 다이 (103) 및 광 필터 (117) 위에 위치되는 광 가이드 (122b) 를 포함한다. 광 가이드 (122b) 는 OCEMC (121) 에 광학적으로 커플링되는 광학적으로 투명한 층을 포함한다. 이 경우에, 광 가이드 (122b) 는 이들 2 개 층들을 서로 접촉하여 위치시킴으로써 분리된 OCEMC 층 (121) 에 광학적으로 커플링된다. 광 가이드 (122b) 층은 광 필터 층의 상부 위에 적용된 웨이퍼 레벨일 수도 있다. 이러한 광 가이드 층은 또한, 웨이퍼의 표면에 라미네이트함으로써 적용될 수도 있다. 광 가이드 (122b) 층은 광 필터 (117) 의 상부 위에 직접 형성된 웨이퍼 레벨 적용된 (또는 라미네이트된) 광학적으로 투명한 조명 층(들)을 사용함으로써 패키징 이전에 적용될 수도 있다. 개선된 성능은 포획된 개방 공간들을 감소시키고 더 양호한 광 가이드 성능을 제공함으로써 실현될 수도 있다. 이는 일부 예시들에서 더 비용이 드는 접근방식일 수도 있지만, (예를 들어 더 높은 성능의 광 가이드 조명층에 대하여 마이크로구조들을 포함하는 층을 라미네이트하기 위해) 제작 모드들에서 더 많은 유연성을 고려할 수도 있다.
도 6 은 다른 광학 센서 패키지 (101f) 를 도시한다. 광학 센서 패키지 (101f) 는 광 가이드 (122a) 에 진입하는 광량을 향상시키기 위해 오버몰딩 또는 캡슐화 이전에 기판 (105) 상에 전략적으로 위치될 수 있는 반사기 구조들을 포함한다. 이 예에서, 반사기 구조들은 LED 광원 (119) 과 이미지 센서 다이 (103) 사이에 위치된다. LED 광원들 (119) 은 바로 위로, 패키지의 외부 부분을 향하는 것, 그리고 패키지의 내부 부분을 향하는 것을 포함하는 여러 방향으로 확산되는 광범위한 각도로 광을 방사할 수도 있다. 반사기 구조들 (141) 은 패키지의 내부 부분을 향해 방사되는 광을 다시 반사 표면 (123) 을 향해 반사시키도록 위치되며, 여기서 광 가이드 (122a) 를 향해 추가로 반사될 수 있다. 이 예에서 다중 반사 구조들이 포함되지만, 더 많거나 더 적은 수의 구조들이 사용될 수도 있다. 예를 들어, 오직 단일 LED 만이 패키지에 포함되는 경우, 단일 반사 구조 (141) 가 포함될 수도 있다. 이러한 구조들은 다른 구조들을 캡슐화하는데 사용된 동일한 프로세스 동안 OCEMC 로 오버 몰딩될 수 있다.
도 7 은 다른 광학 센서 패키지 (101g) 를 도시한다. 광학 센서 패키지 (101g) 는 에어 갭 (143) 을 포함한다. 에어 갭 (143) 은 광 가이드 (122a) 아래 및 광 필터 (117) 위에 있고, 에어 갭 (143) 은 이 예에서 몰딩될 수도 있다. 대안적인 구현들에서, 에어 갭 (143) 은 광 가이드 (122a) 보다 낮은 굴절률을 갖는 저 굴절률 재료로 대체될 수도 있다.
도 8a 및 도 8b 는 다른 광학 센서 패키지 (101h) 를 도시한다. 광 센서 패키지 (101h) 는 이미지 센서 다이 (103) 위에 위치된 광학적으로 투명한 리드 (151) 또는 캡을 포함한다. 리드 (151) 는 광 가이드와 광 필터 층 (117) 사이에, 광 가이드 아래의 에어 갭 (143) 으로 이미지 센서 다이 (103) 위에 보호 커버 및 광 가이드 (122a) 를 제공한다. 리드 (151) 는 또한, 이미지 센서 다이 (103) 주위 및 와이어 본드들 (107) 위에 에어 캐비티 (153) 를 제공한다. 이 구성은 광 가이드 솔루션을 여전히 제공하면서, "비접촉"을 사용하여 CMOS 이미지 센서, 임의의 수동소자들 또는 다른 컴포넌트들, 및 와이어 본드들을 보호한다. 리드 (151) 는 광학적으로 투명한 에폭시 몰딩 컴파운드 또는 다른 재료들로 이루어질 수 있고, 미리 실장된 LED들의 상부에 직접 위치될 수 있다. 리드 (151) 는 또한, LED 광원 (119) 위에 반사 표면 (123) 을 포함한다. 커플링 접착제들 또는 유체들은 미리 실장된 LED 들과 투명한 리드 또는 캡 사이의 광 커플링을 향상시키는데 사용될 수 있다. 또한, 광학 센서 패키지 (101h) 는 이미징 센서 및 다른 컴포넌트들이 행렬 (어레이) 형태로 이미 실장될 때, 패널 형태로 기판 (105) 에 적용될 수 있는 미리 몰딩된 투명한 리드들을 이용할 수 있다. 이는 도 8c 에 도시된다. 리드 어레이 (251) 는 기판 패널 (205) 에 접착식으로 본딩될 수 있고, 이후 기계적인 또는 다른 수단들을 사용하여 싱귤레이트될 수 있다. 이 포맷은 리드 어레이의 저비용 및 제작 용이성을 고려하고, 잠재적으로 유리한 비-접촉 (즉, CMOS 이미지 센서와의 비접촉) 지오메트리를 고려한다. 또한, 리드 어레이들을 기판에 어태치하기 위한 저 모듈러스 접착제들의 사용은, 통상적으로 높은 열팽창 계수 (CTE) 의 광학적으로 투명한 리드와 기판 사이에 기계적 버퍼를 제공하기 위해 채용될 수 있고, 따라서 최종 생성물에서 응력 및 뒤틀림을 감소시킨다.
도 9a 및 도 9b 는 다른 광학 센서 패키지 (101i) 를 도시한다. 광학 센서 패키지 (101i) 는 패키지의 저부 측에 제 2 몰딩 컴파운드 층 (155) 을 포함한다. 제 2 몰딩 컴파운드 (155) 는 기판 (105) 의 저부 측에 적용될 수 있으며, 표준 본드 패드 치수들을 나타내기 위해 폴리싱될 수 있는 솔더 볼들 (113) 을 캡슐화한다. 부가적으로, 이는 제어 다이 (157), 수동 디바이스들 등과 같은 저부 실장 컴포넌트들의 포함을 고려하여, 결과적으로 더 작은 폼 팩터 및 더 비용 효율적인 패키지를 발생할 수 있다. 통상적으로 OCEMC 재료들은 패키지 구성에 사용되는 다른 재료들과 비교하여 비교적 높은 열팽창 계수 (CTE들) 를 갖는다. 제 2 몰드 컴파운드 층 (155) 은 상온으로 냉각될 때보다 높은 온도에서 큐어링되는 높은 CTE 재료들의 원하지 않는 영향들 (예를 들어, 비틀림, 응력) 을 상쇄시킬 수 있다.
도 10 은 다른 광학 센서 패키지 (101j) 를 도시한다. 광 센서 패키지 (101j) 는 LED 광원 (119) 에 의해 방사된 광을 반사시키고 이 광을 감지 영역으로 지향시키도록 구성된 곡면을 갖는 반사 표면 (523) 을 포함한다. 반사 표면은 LED 위의 봉합재 또는 보호 커버 내로 통합된다. 곡선 지오메트리는 제공된 조명을 추가 튜닝하는 데 사용될 수도 있다. 곡선 반사 표면 (523) 은 2 개의 예들로서, 포물선 또는 타원 형상을 포함할 수도 있다. 포물선 반사 표면은 포물선의 초점에 위치된 LED 광원 (119) 과 함께 사용되어 그 표면 (523) 으로부터 광 가이드로 반사된 고도로 콜리메이트된 광 빔을 제공할 수 있다.
도 11 은 광학 지문 센서 패키지 (301) 의 최종 사용 애플리케이션의 일 예를 도시한다. 도 11 에서, 광학 지문 센서 패키지 (301) 는 디스플레이의 커버 유리 (360) 아래, 예를 들어 모바일 디바이스 상에 배치된다. 센서 패키지 (301) 는 커버 유리 (158) 에 광학적으로 커플링되게 하는 광학적으로 투명한 접착제 (OCA) (159) 를 사용하여 커버 유리 (158) 의 하부에 어태치된다. 또한, 이 CMOS 이미지 센서-기반 지문 센서 패키지는 또한, 터치스크린 아래에 직접 실장될 수 있어 터치스크린 기능들과 광학 지문 센서의 커플링을 가능하게 할 수 있다. "언더 버튼" 폼 팩터들은 또한, 이 패키지 설계와도 호환가능하다.
도 11 을 참조하면, 광학 지문 센서 패키지 (301) 는 다음과 같이 지문을 감지하는데 사용될 수도 있다. 손가락 (140) 이 센서 위에 존재할 때, LED 광원들 (119) 은 패키지의 반사 표면 (123) 을 향해 광을 상향으로 방사한다. 반사 표면 (123) 은 손가락 (140) 에 의해 영향을 받을 수 있는 감지 영역을 향하여 이 광의 전부 또는 일부를 반사시킨다. 특히, 전체 내부 반사 (TIR) 모드 조명이 사용되면, 반사 표면 (123) 은 광을 이미지 센서 다이 (103) 위의 감지 영역에 위치된 광 가이드로 반사시킨다. 광 가이드는 광 센서 패키지 (301) 자체에 의해, 커버 유리 (158) 에 의해, 또는 이들의 조합에 의해 제공될 수도 있다. 광 가이드 내의 광은 손가락이 커버 유리 (158)의 상부면과 접촉하는 영역들에서 손가락 (140) 에 의해 영향받는다. 예를 들어, 손가락 (140) 으로부터의 접촉은 광 가이드에서 광의 충족되지 못한 전체 내부 반사 또는 산란을 야기하며, 이 광을 아래의 이미지 센서 다이 (103) 를 향해 다시 아래로 지향할 수도 있다. 그 다음, 이 광은 이미지 센서 다이 (103) 의 광 검출기 엘리먼트들에 도달하기 전에 광 필터 층 (117) 을 통과하며, 여기서 광 필터 (117) 층은 이미지 센서 다이 (103) 에 의한 적절한 지문 이미지 포착을 제공하기 위해 광에 작용한다. 유사한 동작 모드가 커버 유리 (158) 이외의 커버 층들로 또는 커버 층이 전혀 없이 달성될 수도 있으며, 이 경우에 센서 패키지의 상부면은 손가락에 대한 감지면을 제공한다. 또한, 직접 조명 또는 비-TIR 조명 모드들과 같은 다른 조명 모드들이 사용될 수도 있으며, 이 경우 반사 표면 (123) 의 각도, 형상 또는 포지셔닝은 이에 따라 광을 적절한 영역으로 지향시키도록 조정될 수도 있다. 비-TIR 조명 모드가 사용되는 경우, 광 가이드는 패키지에 포함될 필요가 없거나, 또는 광 가이드는 광을 추출하기 위한 산란층과 같은 다른 피처들로 대체되거나 향상 될 수도 있다.
도 12a 및 도 12b 는 광학 센서 패키지들의 구성을 위한 2 개의 프로세스 흐름들을 도시한다. 도 12a 는 와이어 본딩된 솔루션의 구성을 위한 프로세스 흐름 (661a) 을 도시한다. 이미지 센서 및 광 필터 (117) 층과 같은 개별 컴포넌트들의 일부의 제조는 명확함을 위해 생략된다. 단계 (663) 에서, 이미지 센서 웨이퍼는 기계식 톱, 레이저 또는 다른 수단을 사용하여 싱귤레이트되거나 다이싱된다. 옵션으로, 이미지 센서 웨이퍼에는 웨이퍼 레벨 적용 광 필터 및/또는 광 가이드 층이 제공된다. 단계 (665) 에서, 개개의 이미지 센서 다이들은 픽 앤 플레이스 머신을 사용하여 기판 패널에 어태치된다. 단계 (667) 에서, 이미지 센서 다이들은 와이어 본딩을 사용하여 기판 패널에 전기적으로 접속된다. 단계 (669) 에서, LED들은 이미지 센서 다이들에 이웃하는 영역들에서, 기판 패널에 표면 실장된다. 단계 (671) 에서, LED들은 광학적으로 투명한 에폭시 몰딩 컴파운드로 오버몰딩된다. 광학적으로 투명한 에폭시 몰딩 컴파운드는 LED들로부터 방사된 광을 반사시키도록 구성된 표면으로 형성될 수 있다. 광학적으로 투명한 몰딩 컴파운드는 이 단계에서 이미지 센서 다이들의 전부 또는 일부 위에 선택적으로 형성될 수도 있다. 단계 (673) 에서, 요구되는 경우, 광학적으로 투명한 에폭시 몰드 컴파운드의 외부면 상에 반사 필름이 성막된다. 반사 필름은 이 단계에서 이미지 센서 다이들의 활성 감지 영역 위에 윈도우들로 형성 될 수 있다. 단계 (675) 에서, 이미지 센서 다이들 및 그에 어태치된 오버몰딩된 LED들을 갖는 기판 패널은 복수의 개별 광 센서들로 싱귤레이트된다. 단계 (677) 에서, BGA 또는 플렉시블 회로는 기판에 어태치되고 그에 전기적으로 접속된다.
도 12b 는 플립 칩 솔루션의 구성을 위한 다른 프로세스 흐름 (661b) 을 도시한다. 단계 (663) 에서, 이미지 센서 웨이퍼는 기계식 톱, 레이저 또는 다른 수단을 사용하여 싱귤레이트되거나 다이싱된다. 옵션으로, 이미지 센서 웨이퍼에는 웨이퍼 레벨 적용 광 필터 및/또는 광 가이드 층이 제공된다. 단계 (665) 에서, 개개의 이미지 센서 다이들은 픽 앤 플레이스 머신을 사용하여 기판 패널에 어태치된 플립 칩이다. 단계 (681) 에서, 언더필은 디스펜스되고 큐어링된다. 단계 (669) 에서, LED들은 이미지 센서 다이들에 이웃하는 영역들에서, 기판 패널에 표면 실장된다. 단계 (671) 에서, LED들은 광학적으로 투명한 에폭시 몰딩 컴파운드로 오버몰딩된다. 광학적으로 투명한 에폭시 몰딩 컴파운드는 LED들로부터 방사된 광을 반사시키도록 구성된 표면으로 형성된다. 광학적으로 투명한 몰딩 컴파운드는 이 단계에서 이미지 센서 다이들의 전부 또는 일부 위에 선택적으로 형성될 수도 있다. 단계 (673) 에서, 요구되는 경우, 광학적으로 투명한 에폭시 몰드 컴파운드의 외부면 상에 반사 필름이 성막된다. 반사 필름은 이 단계에서 이미지 센서 다이들의 활성 감지 영역 위에 윈도우들로 형성 될 수 있다. 단계 (675) 에서, 이미지 센서 다이들 및 그에 어태치된 오버몰딩된 LED들을 갖는 기판 패널은 복수의 개별 광 센서들로 싱귤레이트된다. 단계 (677) 에서, BGA 또는 플렉시블 회로는 기판에 어태치되고 그에 전기적으로 접속된다.
본원에 설명된 다양한 실시형태들은 광학 지문 센서 패키지를 생성하기 위한 최신의 접근방식과 연관된 하기의 근본적인 문제들 중 하나 이상을 해결할 수도 있다:
(1) 상호 접속들 및/또는 활성 칩 영역들을 동시에 보호하기 위해, 매우 신중한 몰딩 프로세스들 및 상업적으로 입수가능한 광학적으로 투명한 몰딩 컴파운드들을 활용하면서, 또한 비용 효율적인 방식으로 기능적 광 가이드를 생성하는 것;
(2) 모든 현재 이용가능한 이미지 센서 타입들 을 사용하는 것 (예를 들어, 더 낮은 비용의 전면 조사형 (FSI) 타입 및 후면 조사형 (BSI) 타입 CMOS 이미지 센서들이 활용될 수 있음);
(3) 다중 다이 상호접속 기술들이 이 패키징 프로세스에서 채용될 수 있고 (예를 들어, 표준 또는 낮은 프로파일 와이어 본딩 (예컨대, 역방향 본딩을 통해 제공되는 것과 같이, 상부 측면 여유각을 최대로 하기 위해) 이 사용될 수 있고), 플립 칩 기술 (다수 타입들) 이 또한 패키지의 폼 팩터 (사이즈) 를 더 감소시키기 위해 채용될 수 있다;
(4) 플립 칩 상호접속 프로세스들을 사용하기 위해, TSV (through silicon via) 기술은 다이의 후면으로 신호들을 라우팅하여 이미지 센서의 활성측이 대향측 에서 상호접속들과 대면하게 하기 위해 사용될 수 있고, 이 상호접속 기술로 CMOS 이미지 센서들을 사용함으로써, 더 작은 폼 팩터 디바이스가 실현될 수 있다;
(5) 광학 모델링과 커플링된 새로운 몰드 설계는 (OCEMC를 사용하여) 몰딩된 광 가이드들의 사용을 허용하여 저 비용으로 더 높은 성능을 제공한다;
(6) 일 실시형태가 트랩된 개방 공간들을 감소시키고 더 양호한 광 가이드 성능을 제공함으로써 성능을 향상시킬 수도 있는, 웨이퍼 레벨 적용된 콜리메이터 및/또는 다른 광 필터 층의 상부에 직접 형성된 웨이퍼 레벨 적용된 (라미네이트될 수 있는) 광학적으로 투명한 조명 층(들)을 사용함으로써 달성될 수 있다;
(7) 반사기 구조들은 광 가이드 성능을 향상시키기 위해 전략적으로 배치될 수 있고, OCEMC 를 사용하여 오버몰딩될 수 있다.
(8) 센서의 성능을 향상시키기 위해 웨이퍼 레벨 적용된 (라미네이트될 수 있는) 낮은 굴절률 층 또는 몰딩된 에어 갭;
(9) 모든 패키지 타입들은 더 낮은 비용과 더 높은 용적이 달성될 수 있도록 행렬 몰딩된 프로세싱을 사용할 수 있다; 그리고
(10) 반사 필름들은 최종 패키지 구조의 광학 특성들을 미세 조정하기 위해 요구되는 바에 따라 사후 몰딩이 적용될 수 있다.
앞서 설명된 다양한 실시형태들이 다양한 방식들로 수정될 수 있고, 본원에 포함된 다양한 특징들이 본 개시물의 사상 및 범위로부터 일탈함없이 다양한 방식들로 결합되거나, 수정되거나, 제거될 수 있음이 인식될 것이다.
따라서, 본원에 설명된 실시형태들 및 실시예들은 본 개시물과 그 특정 애플리케이션을 최적으로 설명하고, 그에 따라 당업자가 다양한 실시형태들을 실행하고 사용할 수 있도록 하기 위해 제시되었다. 그러나, 앞의 설명 및 실시예들이 오직 예시 및 예의 목적들을 위해서만 제시되었음을 당업자는 인식할 것이다. 기술된 것과 같은 설명은 완전하거나 실시형태들을 개시된 정확한 형태로 제한하도록 의도된 것은 아니다. 당업자는 또한, 본원에 설명된 상이한 실시형태들 및 실시예들로부터의 다양한 특징들이 본 개시물의 사상으로부터 벗어남 없이 함께 결합되고, 수정되고, 및/또는 사용될 수 있음을 인식할 것이다.

Claims (24)

  1. 광학 센서로서,
    기판;
    상기 기판 위에 배치된 이미지 센서;
    상기 기판 위에 배치된 광원;
    상기 이미지 센서 위에 배치된 광 가이드; 및
    상기 광원 위에 배치된 봉합재를 포함하며,
    상기 봉합재는 상기 광 가이드에 커플링되고, 상기 광원으로부터 방사된 광을 반사하고 반사된 상기 광을 상기 광 가이드 내로 지향시키도록 위치된 표면을 포함하는, 광학 센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판은 전기적 상호접속들을 갖는 패키지 기판을 포함하고,
    상기 이미지 센서는 상기 패키지 기판에 전기적으로 접속되고,
    상기 광원은 상기 패키지 기판에 전기적으로 접속되는, 광학 센서.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 이미지 센서는 광검출기 어레이를 포함하는, 광학 센서.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 이미지 센서는 상기 기판에 어태치된 반도체 다이를 포함하는, 광학 센서.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 이미지 센서는 상기 기판의 제 1 영역 위에 배치되고,
    상기 광원은 상기 기판의 상기 제 1 영역 외부의 상기 기판의 제 2 영역 위에 배치되는, 광학 센서.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 광원은 상기 기판에 어태치된 발광 다이오드 (LED) 를 포함하는, 광학 센서.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 광원은 상기 이미지 센서의 대향측들에서 상기 기판 위에 배치된 복수의 발광 다이오드들 (LED들) 을 포함하는, 광학 센서.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 봉합재는 광학적으로 투명한 몰딩 컴파운드를 포함하는, 광학 센서.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 봉합재 및 상기 광 가이드는 일체형으로 형성되고,
    상기 봉합재 및 상기 광 가이드는 광학적으로 투명한 몰딩 컴파운드를 포함하는, 광학 센서.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 이미지 센서 위에 배치되고 상기 광 가이드와 상기 이미지 센서 사이에 배치된 에어 갭을 더 포함하는, 광학 센서.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 이미지 센서 위에 배치되고 상기 광 가이드와 상기 이미지 센서 사이에 배치된 광 필터를 더 포함하는, 광학 센서.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 광 필터 위에 배치되고 상기 광 가이드와 상기 광 필터 사이에 배치된 에어 갭을 더 포함하는, 광학 센서.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 광 필터는 콜리메이터 필터를 포함하는, 광학 센서.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 봉합재 위에 배치된 반사층을 더 포함하는, 광학 센서.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 반사층은 광을 반사하도록 위치된 상기 표면 위에 금속 코팅을 포함하고,
    상기 금속 코팅은 상기 광 가이드 위 그리고 상기 이미지 센서의 활성 영역 위의 영역에서 윈도우를 포함하는, 광학 센서.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 봉합재의 상기 표면은 프레넬 반사 (Fresnel reflection) 를 사용하여 상기 광을 반사하도록 구성되는, 광학 센서.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 봉합재의 상기 표면은 상기 광원에 대하여 기울어진 평면을 포함하는, 광학 센서.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 봉합재의 상기 표면은 곡면을 포함하는, 광학 센서.
  19. 광학 지문 센서 패키지로서,
    패키지 기판;
    상기 패키지 기판 위에 배치된 이미지 센서 다이로서, 상기 이미지 센서 다이는 광검출기 어레이를 포함하고 상기 패키지 기판에 전기적으로 접속되는, 상기 이미지 센서 다이;
    상기 이미지 센서 다이 위에 배치된 광 필터;
    상기 패키지 기판 위에 배치된 발광 다이오드 (LED) 광원;
    상기 광 필터 위에 배치된 광 가이드;
    상기 광 가이드와 상기 광 필터 사이에 상기 광 필터 위에 배치된 에어 갭; 및
    상기 LED 광원 위에 배치된 광학적으로 투명한 몰딩 컴파운드를 포함하며,
    상기 광학적으로 투명한 몰딩 컴파운드는 상기 광 가이드에 커플링되고, 상기 광원으로부터 방사된 광을 반사하고 반사된 상기 광을 상기 광 가이드 내로 지향시키도록 위치된 표면을 포함하는, 광학 지문 센서 패키지.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 광 필터는 콜리메이터 필터를 포함하고,
    상기 콜리메이터 필터는 법선으로부터 상기 콜리메이터 필터로의 수광각 내에서 입사 광 광선들의 세트를 송신하도록 구성되며,
    상기 콜리메이터 필터는 상기 법선으로부터 상기 콜리메이터 필터로의 수광각 외부의 입사 광 광선들의 세트를 거부하도록 구성되는, 광학 지문 센서 패키지.
  21. 광학 지문 센서 패키지로서,
    패키지 기판;
    상기 패키지 기판 위에 배치된 이미지 센서 다이로서, 상기 이미지 센서 다이는 광검출기 어레이를 포함하고 상기 패키지 기판에 전기적으로 접속되는, 상기 이미지 센서 다이;
    상기 패키지 기판 위에 배치된 발광 다이오드 (LED) 광원; 및
    상기 LED 광원 위에 배치된 광학적으로 투명한 몰딩 컴파운드를 포함하며,
    상기 광학적으로 투명한 몰딩 컴파운드는 광 가이드에 커플링되고, 상기 광원으로부터 방사된 광을 반사하고 반사된 상기 광을 상기 이미지 센서 다이 위의 감지 영역으로 지향시키도록 위치된 표면을 포함하는, 광학 지문 센서 패키지.
  22. 광학 센서 패키지를 형성하는 방법으로서,
    이미지 센서 다이를 기판에 어태치하는 단계;
    상기 이미지 센서 다이를 상기 기판에 전기적으로 접속하는 단계;
    발광 다이오드 (LED) 를 상기 기판에 실장하는 단계; 및
    상기 LED 를 광학적으로 투명한 몰딩 컴파운드로 오버몰딩하는 단계를 포함하며,
    상기 이미지 센서 다이 위에 광 가이드가 배치되고,
    상기 광학적으로 투명한 몰딩 컴파운드는 상기 LED 로부터 방사된 광을 반사하고 반사된 상기 광을 상기 광 가이드 내로 지향시키도록 위치된 표면을 포함하는, 광학 센서 패키지를 형성하는 방법.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 이미지 센서 다이는 상기 이미지 센서 다이를 상기 기판에 와이어 본딩함으로써 상기 기판에 전기적으로 접속되는, 광학 센서 패키지를 형성하는 방법.
  24. 제 22 항에 있어서,
    상기 이미지 센서 다이는 상기 기판에 어태치되고, 상기 이미지 센서 다이를 상기 기판에 플립 칩 어태치함으로써 상기 기판에 전기적으로 접속되는, 광학 센서 패키지를 형성하는 방법.
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