KR20230135119A - 광전자 모듈 - Google Patents

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KR20230135119A
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optical
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optoelectronic module
driver
substrate
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하랄드 에치마이어
게르하르트 페하르츠
마틴 파치넬리
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에이엠에스-오스람 아시아 퍼시픽 피티이. 리미티드
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Abstract

실시예들은 광전자 모듈, 광전자 모듈을 제조하는 방법, 및 광전자 모듈을 포함하는 컴퓨팅 디바이스에 관한 것이다. 광전자 모듈은, 기판(114) 상에 장착된 드라이버 다이(108); 드라이버 다이의 상부 표면에 장착되고, 적어도 하나의 광학 검출기(306)를 포함하는 광학 센서 다이(106) ― 드라이버 다이는 광학 센서 다이에 전기적으로 연결됨 ―; 접착 층(104)을 통해 적어도 하나의 광학 검출기 위의, 광학 센서 다이(106)의 상부 표면에 장착되는 광학 스택(102); 및 광학 스택을 측방향으로 캡슐화하는 캡슐화 재료(116)를 포함한다.

Description

광전자 모듈
본 개시는 광학 센서 다이를 갖는 광전자 모듈(optoelectronic module)들에 관한 것이다.
스마트폰들, 태블릿들, 랩톱 컴퓨터들 및 기타 휴대용 컴퓨팅 디바이스들과 같은 모바일 통신 디바이스들에는 3 차원 이미지들을 기록하고, 모션 및/또는 제스처들을 감지하는 기술들이 포함될 수 있다. 디지털 기록 방법들은 카메라들과 상호 작용하여 3 차원 영역들에서 동적 이벤트들을 기록하는 다양한 유형들의 소형 광전자 모듈들을 사용한다. 이러한 광전자 모듈들은 다양한 형태들일 수 있고, 서로 다른 유형들의 기능들을 전달할 수 있다. 일부는 비행 시간(time of flight) 정보를 기록하는 LIDAR(Light Detection and Ranging)형 측정들을 위해 매우 짧은 펄스들로 넓은 구역을 조명한다. 다른 일부로는 펄스파 또는 연속파(CW)로서 구조화된 광 패턴들을 장면에 투사하는 것도 있다. 디지털 카메라가 구조화된 광 패턴의 이미지를 기록하고, 소프트웨어 알고리즘들을 사용하여 패턴화된 이미지의 수정들로부터 3 차원 장면 정보를 결정한다.
광전자 모듈은 광 검출기, 포토다이오드, 이미지 센서, 예를 들어 상보형 금속 산화막 반도체(CMOS: complementary metal-oxide-semiconductor) 센서 또는 전하 결합형 디바이스(CCD: charge coupled device), 광증배기(photomultiplier), 단일 광자 애벌랜치 다이오드(single photon avalanche diode) 등과 같은 광학 검출기 또는 센서를 포함할 수 있다. 검출기는 예를 들어, 복수의 픽셀들과 같은 복수의 방사선 민감 요소들을 포함할 수 있다.
광전자 모듈은 발광 다이오드와 같은 가시 및/또는 비가시 방사선의 방출을 위한 하나 이상의 디바이스들 또는 수직 캐비티 표면 방출 레이저(VCSEL: vertical cavity surface emitting laser) 디바이스와 같은 레이저를 추가적으로 포함할 수 있다. 빔 경로에 다양한 광학 구성요소들(예를 들어, 광학 디퓨저 및/또는 마이크로렌즈 어레이(micro lens array))을 배치하여 특정 적용예에 맞게 빔 속성들을 수정할 수 있다.
광학 구성요소들(예를 들어, 렌즈들, 애퍼처(aperture)들 등)이 광학 검출기에 잘 정렬되는 것이 바람직한 경우가 종종 있다. 예를 들어, 비행 시간 카메라 센서 패키지들은 필요한 공간 해상도(3D 감지)를 가능하게 하기 위해 광학 검출기(예를 들어, 센서 어레이)에 잘 정렬된 광학 구성요소들을 갖춰야 한다. 현재 모바일 적용예들을 위한 해결책들은 ― 스마트폰 카메라들에 적용되는 것들과 같은 ― 배럴 광학기들(barrel optics)에 기반한다. 나사산형 배럴(threaded barrel)은 광학 센서 위에 적층 배열로 제공되는 복수의 렌즈들을 둘러싼다. 초점 거리(focal length)는 이미지 센서와 렌즈 스택의 중심 사이의 거리로 정의된다. 배럴은 나사산형 하우징에 의해 지지된다. 이러한 공지된 광전자 모듈은 각각 공차 체인(tolerance chain)에 기여하는 공차들과 연관된 복수의 구성요소들(예를 들어, 나사산형 배럴, 나사산형 하우징, 렌즈들, 렌즈 사이에 제공되는 스페이서들)을 갖는다. 이 공차 체인을 고려하기 위해, 하우징과 배럴 상의 나사산들은 나사 조임 동작을 통해 초점 거리(z-높이)를 조정할 수 있는데, 이 조정은 광전자 모듈의 테스트 단계 동안 능동 정렬(active alignment)이라고 하는 프로세스에서 제조업체가 수행한다.
표준 카메라 광학기들 및 능동 정렬을 적용하면 높은 공간 해상도를 달성할 수 있다. 그러나, 본 발명자들은 이러한 공지된 광전자 모듈에서 달성할 수 있는 최소 치수들이 제한되어 있음을 확인하였다. 예를 들어, 공지된 비행 시간 카메라 광전자 모듈의 전형적인 치수들은 적어도 하나의 측면 치수가 10 ㎜를 초과하고, 높이가 2 ㎜를 초과한다.
또한, 광전자 모듈의 견고성과 신뢰성은 전형적으로 광학 구성요소에 의해 제한된다. 특히, 공지된 광전자 모듈들에 사용되는 열가소성 재료들(사출 성형 렌즈들)의 최대 온도가 제한되며 표준 리플로우 프로세스들(SMT 장착)을 적용할 수 없다.
본 개시의 일 양태에 따르면, 광전자 모듈로서, 기판 상에 장착된 드라이버 다이; 드라이버 다이의 상부 표면에 장착되고, 적어도 하나의 광학 검출기를 포함하는 광학 센서 다이 ― 드라이버 다이는 광학 센서 다이에 전기적으로 연결됨 ―; 접착 층을 통해 적어도 하나의 광학 검출기 위의, 광학 센서 다이의 상부 표면에 장착되는 광학 스택; 및 광학 스택을 측방향으로 캡슐화하는 캡슐화 재료를 포함하는 광전자 모듈이 제공된다.
다수의 광학 스택들은 웨이퍼 레벨에서 미리 조립되고 정확한 초점 거리와 같은 성능에 따라 미리 스크리닝된다. 이렇게 미리 스크리닝된 광학 스택은 접착 층을 사용하여 광학 센서 다이에 직접 부착된다. 이 접근 방식에서는 배럴 광학기 기반의 공지된 광전자 모듈들과 달리 공차 체인에 기여하는 유일한 요소는 접착 층이며 접착 층과 연관된 공차가 최소화되므로 능동 정렬이 필요하지 않다. 따라서, 능동 정렬이 필요하지 않으므로 제조 프로세스가 간소화된다.
광전자 모듈의 풋프린트는 공지된 광전자 모듈들보다 실질적으로 작다. 이는 구성요소들이 드라이버 다이 상에 적층되는 고집적 패키지 개념으로 달성된다.
공지된 광전자 모듈들의 견고성과 신뢰성은 전형적으로 광학 구성요소들(예를 들어, 렌즈들)에 의해 제한된다. 특히, 열가소성 재료들(사출 성형 렌즈들)을 사용하는 경우 최대 온도가 제한되고 표준 리플로우 프로세스들(SMT 장착)을 적용할 수 없다. 실시예들에서, 광학 스택의 구성요소들은 고온들을 견딜 수 있는 재료들로 만들어져 광전자 모듈이 표준 표면 장착 기술(SMT) 프로세스에 의해 디바이스의 다른 구성요소들과 함께 PCB에 조립될 수 있다. 예를 들어, 광학 스택에 안정적인 리플로우 구성요소들을 사용하는 경우 리플로우 솔더링 프로세스를 사용하여 광전자 모듈을 장착할 수 있다.
본 개시의 광전자 모듈은 캡슐화 재료의 보호 밀봉, 사용되는 최소 부품들의 수 및 광학 스택의 납땜성을 포함한 다수의 기여 요인들에 의해 달성되는 높은 신뢰성을 제공한다.
또한, 캡슐화 재료는 구성요소들과 와이어 본드들에 가해지는 열-기계적 응력(thermal-mechanical stress)을 최소화하는 데 유리하다.
드라이버 다이는 하나 이상의 와이어 본드들을 통해 광학 센서 다이에 전기적으로 연결될 수 있으며, 캡슐화 재료는 하나 이상의 와이어 본드들을 캡슐화할 수 있다.
기판은 인쇄 회로 기판(PCB), 라미네이트 기판, 리드 프레임 기판 등일 수 있다. 드라이버 다이는 하나 이상의 추가 와이어 본드들을 통해 기판에 전기적으로 연결될 수 있으며, 여기서 캡슐화 재료는 하나 이상의 추가 와이어 본드들을 캡슐화한다.
일부 구현예들에서, 캡슐화 재료는 기판의 일부의 상부 표면을 덮는다.
일부 구현예들에서, 캡슐화 재료는 드라이버 다이를 측방향으로 캡슐화하고, 드라이버 다이의 상부 표면의 일부를 덮는다.
일부 구현예들에서, 캡슐화 재료는 광학 센서 다이를 측방향으로 캡슐화하고, 광학 센서 다이의 상부 표면의 일부를 덮는다.
접착 층은 다이 부착 필름(die-attach film)일 수 있다. 대안적으로, 접착 층은 접착제(glue)일 수 있다.
바람직하게는, 캡슐화 재료는 에폭시 몰딩 컴파운드(epoxy molding compound)로 구성된다.
광학 스택은, 상부에 광학 요소가 형성된 적어도 하나의 기판을 포함할 수 있다. 적어도 하나의 기판은 유리로 만들어질 수 있다. 렌즈는 수지, 예를 들어 에폭시 수지 또는 다른 폴리머 재료로 만들어질 수 있다.
광학 스택은 광학 스택의 캐비티를 둘러싸는 스페이서를 포함할 수 있다. 스페이서는 유리 또는 수지, 예를 들어 에폭시 수지 또는 다른 폴리머 재료로 만들어질 수 있다.
광학 스택은 광학 스택의 캐비티를 둘러싸는 스페이서를 포함할 수 있으며, 여기서 광학 스택은, 상부에 제1 광학 요소가 형성된 제1 기판 및 상부에 제2 광학 요소가 형성된 제2 기판을 포함하며, 스페이서는 제1 기판과 제2 기판 사이에 위치한다.
광학 스택은 광학 필터를 포함할 수 있다.
드라이버 다이의 상부 표면에 광학 이미터(optical emitter)가 장착될 수 있으며, 광학 이미터는 캡슐화 재료에 의해 광학 스택으로부터 분리된 하우징에 수용될 수 있다. 광학 이미터는 수직 캐비티 표면 방출 레이저(VCSEL)일 수 있다. 캡슐화 재료는 광학 이미터에 의해 방출되는 광 파장들을 차단하여 광학 이미터와 광학 센서 다이의 적어도 하나의 광학 검출기 사이에 광학 장벽을 형성함으로써 광학 크로스토크(optical cross-talk)를 최소화한다.
본 개시의 다른 양태에 따르면, 본 명세서에 설명된 광전자 모듈을 포함하는 컴퓨팅 디바이스가 제공된다.
본 개시의 다른 양태에 따르면, 광전자 모듈을 제조하는 방법으로서, 기판 상에 드라이버 다이를 장착하는 단계; 드라이버 다이의 상부 표면에, 적어도 하나의 광학 검출기를 포함하는 광학 센서 다이를 장착하는 단계; 접착 층을 사용하여 적어도 하나의 광학 검출기 위의, 광학 센서 다이의 상부 표면에 광학 스택을 장착하는 단계; 드라이버 다이를 광학 센서 다이에 연결하는 단계; 광학 스택을 캡슐화 재료로 측방향으로 캡슐화하는 단계를 포함하는 광전자 모듈 제조 방법이 제공된다.
이들 및 다른 양태들은 이하에 설명되는 실시예들로부터 명백해질 것이다. 본 개시의 범위는 본 요약에 의해 제한되지 않으며, 또한 언급된 단점들 중 일부 또는 전부를 반드시 해결하는 구현예들로 한정되지 않는다.
이제, 본 개시의 일부 실시예들을 예시적으로만 그리고 첨부된 도면들을 참조하여 설명할 것이다:
도 1은 본 개시에 따른 일 예의 광전자 모듈을 예시하고;
도 2는 광전자 모듈의 광학 스택을 예시하고;
도 3은 광학 센서 다이의 개략적인 블록도를 예시하고;
도 4는 드라이버 다이의 개략적인 블록도를 예시하고;
도 5는 본 개시에 따른 광전자 모듈을 제조하기 위한 프로세스를 예시하며; 그리고
도 6은 본 명세서에 설명된 광전자 모듈을 포함하는 컴퓨팅 디바이스를 예시한다.
이제, 실시예들은 첨부된 도면들을 참조하여 예시적으로만 설명될 것이다.
도 1은 본 개시의 실시예들에 따른 일 예의 광전자 모듈(100)을 예시한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 광전자 모듈(100)은 드라이버 다이(예를 들어, 주문형 집적 회로와 같은 반도체 칩)(108)가 장착되는 기판(114)을 포함한다. 드라이버 다이(108)는 소비자 가전들에서의 전형적인 공급 전압인 4 V보다 비교적 높은 15 V의 전형적인 출력 전압을 제공하는 고전압 ASIC일 수 있다. 기판(114)은 인쇄 회로 기판(PCB), 라미네이트 기판, 리드 프레임 기판 등일 수 있다. 기판(114)의 배면은 예를 들어, 인쇄 회로 기판에 광전자 모듈(100)을 장착하기 위한 SMT 또는 다른 접점들을 포함할 수 있다.
드라이버 다이(108)를 기판(114)에 장착하기 위한 다양한 서로 다른 방법들이 사용될 수 있다. 드라이버 다이(108)는 접착(gluing)(예를 들어, 다이 부착 필름 또는 액체 접착제 사용) 또는 납땜에 의해 기판(114)에 장착될 수 있다.
드라이버 다이(108)의 배면 상에 와이어 본드들(112) 및/또는 접촉 패드들과 같은 전기적 연결부들이 제공되어 드라이버 다이(108)를 기판(114) 상의 접촉 패드들에 결합시킬 수 있다.
광학 센서 다이(106)(예를 들어, 주문형 집적 회로와 같은 반도체 칩)는 드라이버 다이(108)의 상부 표면에 장착된다. 광학 센서 다이(106)를 드라이버 다이(108)에 장착하기 위한 다양한 서로 다른 방법들이 사용될 수 있다. 광학 센서 다이(106)는 접착(예를 들어, 다이 부착 필름 또는 액체 접착제 사용) 또는 납땜에 의해 드라이버 다이(108)에 장착될 수 있다. 광학 센서 다이(106)는 비행 시간 광학 센서 다이일 수 있지만, 본 개시의 실시예들이 이 예로 한정되는 것은 아니다.
광학 센서 다이(106)의 배면에 와이어 본드들(110) 및/또는 접촉 패드들과 같은 전기적 연결부들이 제공되어 광학 센서 다이(106)를 드라이버 다이(108)의 접촉 패드들에 결합시킬 수 있다.
광학 센서 다이(106)는 하나 이상의 광학 검출기들을 포함한다. 광학 검출기들은 감광성 요소들이며, 이들 각각은 수신된 방사선(예를 들어, 가시광선 또는 적외선)량에 응답하여 신호를 생성하도록 작동될 수 있다. 즉, 광학 검출기들은 수신된 방사선(예를 들어, 가시광선 또는 적외선)을 전기 신호들로 변환한다. 광학 검출기들은 능동 픽셀 센서 기술을 기반으로 할 수 있으며, 예를 들어 상보형 금속 산화막 반도체(CMOS) 픽셀들의 어레이를 포함할 수 있다.
광학 검출기들은 광학 센서 다이(106)의 상부 표면에 입사되는 광이 광학 검출기들에 입사되도록 배열된다.
미리 조립된 광학 스택(102)은, 광학 검출기들 위의, 광학 센서 다이(106)의 상부 표면에 장착된다. 광학 스택(102)은 서로의 위에 수직으로 적층된 복수의 광학 구성요소들을 포함한다.
광학 스택(102)은 웨이퍼 레벨에서 미리 조립되고 정확한 초점 거리와 같은 성능에 따라 미리 스크리닝된다. 광학 스택은 접착 층(104)을 사용하여 광학 센서 다이(106)의 상부 표면에 장착된다. 접착 층(104)은 다이 부착 필름 또는 액체 접착제일 수 있다.
광학 스택(102)은 수신된 방사선의 적어도 일부를 광학 센서 다이(106)의 광학 검출기들 상에 투사하도록 배열된다. 광학 스택(102)은 도 2를 참조하여 보다 상세하게 논의된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 캡슐화 재료(116)는 광학 스택(102)을 측방향으로 캡슐화한다. 즉, 캡슐화 재료(116)는 광학 스택(102)의 외부 측벽들을 덮는다.
도 1에 도시된 예에서, 캡슐화 재료(116)는 광학 센서 다이(106)를 드라이버 다이(108)의 접촉 패드들에 결합시키는 와이어 본드들(110)을 캡슐화할 수 있고, 또한 드라이버 다이(108)를 기판(114) 상의 접촉 패드들에 결합시키는 와이어 본드들(112)을 캡슐화할 수 있다. 캡슐화 재료(116)는 광학 스택(102)과 접촉하지 않는 광학 센서 다이(106)의 상부 표면의 일부들을 덮을 수 있다. 캡슐화 재료(116)는 광학 센서 다이(106)를 측방향으로 캡슐화할 수 있다(예를 들어, 광학 센서 다이(106)의 측벽들을 덮을 수 있다). 캡슐화 재료(116)는 광학 센서 다이(106)와 접촉하지 않는 드라이버 다이(108)의 상부 표면의 일부들을 덮을 수 있다. 캡슐화 재료(116)는 드라이버 다이(108)를 측방향으로 캡슐화할 수 있다(예를 들어, 드라이버 다이(108)의 측벽들을 덮을 수 있다). 캡슐화 재료(116)는 드라이버 다이(108)와 접촉하지 않는 기판(114)의 일부들을 덮을 수 있다.
캡슐화 재료(116)는 에폭시 몰딩 컴파운드, 예를 들어 흑색 에폭시 수지와 같은 에폭시 수지 또는 다른 폴리머 재료일 수 있다.
캡슐화 재료(116)는 필름 보조 전사 성형(FAM) 프로세스에 의해 도포될 수 있으며, 그 후에 캡슐화 재료(116)가 경화된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 광전자 모듈(100)은 선택적으로 캡슐화 재료(116)에 의해 광학 스택으로부터 분리된 하우징(154)에 수용된 광학 이미터(152)를 더 포함한다. 하우징(154)은 광학 이미터(152)를 측방향으로 둘러싸는 벽 또는 벽들을 포함한다. 본 개시의 실시예들은 광학 이미터(152) 및 하우징(154)을 포함하는 광전자 모듈(100)로 한정되지 않으며, 이러한 구성요소들은 별도의 모듈 또는 패키지로 제공될 수 있다.
광학 이미터(152)는 하나 이상의 발광 다이오드들(LED들), 레이저들, 또는 다른 디바이스들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 광학 이미터(152)는 하나 이상의 수직 캐비티 표면 방출 레이저들(VCSEL들)을 포함한다. 광학 이미터(152)는 가시광선 및/또는 적외선 또는 근적외선과 같은 비가시 방사선을 방출하도록 구성될 수 있다.
광학 이미터(152)는 드라이버 다이(108)의 상부 표면에 장착된다. 광학 이미터(152)를 드라이버 다이(108)에 장착하기 위한 다양한 서로 다른 방법들이 사용될 수 있다. 광학 이미터(152)는 전도성 접착제로 접착하거나 납땜하여 드라이버 다이(108)에 장착될 수 있다. 광학 이미터(152)는 드라이버 다이(108)에 전기적으로 연결된다(예를 들어, 와이어 본드들 사용).
하우징(154)은 인터록 피처(interlock feature)를 포함한다. 인터록 피처는 하우징(154)의 일부를 형성하는 투명 기판의 표면 상에 배치될 수 있다. 대안적인 예에서, 인터록 피처는 투명 기판 내부에 적어도 부분적으로 캡슐화될 수 있다. 인터록 피처는 예를 들어, 인듐 주석 산화물, 산화 크롬, 또는 임의의 다른 적합한 전기 전도성 재료를 포함할 수 있다. 인터록 피처는 드라이버 다이(108)에 전기적으로 연결된다.
이러한 실시예들에서, 캡슐화 재료(116)는 광학 이미터(152)에 의해 방출되는 관련 광학 파장에 대해 불투명하고, 광학 이미터(152)와 광학 센서 다이(106)의 광학 검출기들 사이에 광학 장벽을 형성하여 광학 크로스토크, 즉 광학 이미터(152)로부터 광학 센서 다이(106)로의 광의 직접 투과를 최소화한다.
도 2는 광학 스택(102)을 예시한다. 도 2에 도시된 광학 스택(102)은 단지 일 예일 뿐이며, 본 개시의 실시예들은 도 2에 도시된 광학 스택(102)을 사용하는 것으로 제한되지 않는다는 것이 이해될 것이다.
광학 스택(102)은, 상부에 광학 요소가 형성된 적어도 하나의 투명 기판을 포함할 수 있다. 투명 기판은 관심 파장 또는 파장들을 갖는 광을 투과한다. 예를 들어, 광전자 모듈(100)이 광학 이미터(152)를 포함하는 실시예들에서, 투명 기판은 광학 이미터(152)에 의해 방출되는 광의 파장들을 투과한다.
투명 기판은 바람직하게는 유리를 포함한다. 그러나, 다른 재료들, 예를 들어 플라스틱이 적합하다. 일부 실시예들에서, 기판은 SiO2 또는 "디스플레이" 유리, 이를테면 Schott D263T-ECO 또는 Borofloat 33, Dow-Corning Eagle 2000를 포함할 수 있다.
광학 요소는 예를 들어 하나 이상의 렌즈들, 마이크로렌즈 어레이 및/또는 디퓨저를 포함할 수 있다. 광학 요소는 에폭시 몰딩 컴파운드, 예를 들어 에폭시 수지로 만들어질 수 있다.
도 2는 제1 투명 기판(202)의 상부 표면 상에 제1 광학 요소(204)를 지지하는 제1 투명 기판(202) 및 제2 투명 기판(206)의 하부 표면 상에 제2 광학 요소(208)를 지지하는 제2 투명 기판(206)을 광학 요소들(204, 204)이 서로 마주보도록 포함하는 광학 스택(102)을 도시하고 있다.
제1 투명 기판(202)과 제2 투명 기판(206)은 동일한 재료 또는 서로 다른 재료들로 제조될 수 있다. 제1 광학 요소(204)는 제2 광학 요소(208)와 동일하거나 서로 다를 수 있다.
제1 투명 기판(202)은 스페이서(210)를 통해 제2 투명 기판(206)으로부터 분리된다. 스페이서(210)는 유리로 만들어질 수 있다. 스페이서(210)는 에폭시 몰딩 컴파운드, 예를 들어 에폭시 수지로 만들어질 수 있다. 스페이서(210)는 공기로 채워진 캐비티(212)를 형성한다.
도 2는 광학 스택(102)이 2 개의 투명 기판들과 2 개의 광학 요소들을 갖는 것으로 예시되어 있지만, 이는 단지 일 예일 뿐이며, 광학 스택(102) 내에 2 개를 초과하는 투명 기판들과 2 개를 초과하는 광학 요소들이 사용될 수 있다. 도 2는 서로 다른 방향들을 향하는 광학 요소들을 예시하고 있지만, 광학 스택(102) 내에서 사용되는 광학 요소들은 동일한 방향을 향할 수 있다. 도 2는 오목 렌즈들로 형성되는 광학 요소들을 예시하고 있지만, 이는 단지 일 예일 뿐이며 광학 스택(102) 내에서 볼록 렌즈들을 사용할 수 있다.
광학 스택(102)은 하나 이상의 광학 필터들을 포함할 수 있다. 하나 이상의 광학 필터들은 대역 통과 필터를 포함할 수 있으며; 다른 필터 작업들이 하나 이상의 광학 필터들에 의해 수행될 수 있다는 것이 인식될 것이다. 광학 스택(102)의 투명 기판은 하나 이상의 광학 필터를 위한 캐리어로서 작용할 수 있다. 도 2는 제2 투명 기판(206)의 상부 표면 상의 광학 필터(216)를 예시한다. 도 2에 도시된 광학 필터(216)의 위치는 단지 일 예일 뿐이며, 광학 필터(216)는 대안적인 위치들에서 광학 스택(102) 내에 위치할 수 있다는 것이 이해될 것이다.
광학 스택(102)은 애퍼처(214)를 포함할 수 있다. 광학 스택(102)의 투명 기판은 애퍼처(214)를 위한 캐리어로서 작용할 수 있다. 도 2에 도시된 애퍼처(214)의 위치는 단지 일 예일 뿐이며, 애퍼처(214)는 대안적인 위치들에서 광학 스택(102) 내에 위치할 수 있다는 것이 이해될 것이다.
일부 실시예들에서, 광학 스택(102)의 구성요소들 각각은 리플로우 안정 재료, 즉 상대적으로 높은 작동 온도들(예를 들어, 렌즈의 형상 안정성을 위해 260 ℃를 초과하는 온도들)에 노출되더라도 투과율이 실질적으로 일정하게 유지되는 열적으로 안정한 재료로 제조된다.
도 3은 광학 센서 다이(106)의 단순화된 개략적인 블록도를 예시한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 광학 센서 다이(106)는 인터페이스(304) 및 하나 이상의 광학 검출기들(306)(예를 들어, 포토다이오드들)에 결합된 신호 처리 회로(302)를 포함한다. 일부 실시예들에서, 신호 처리 회로(302)의 주요 기능은 광학 검출기들로부터의 신호를 3 차원 이미지로 변환하는 것이다. 신호 처리 회로(302)의 구체적인 구현예는 본 개시의 범위를 벗어나지만, 신호 처리 회로(302)는 전형적으로 광학 검출기들을 위한 시간-디지털 컨버터들, 메모리, 중앙 처리 유닛들 및 퀀칭 회로(quenching circuitry)를 포함할 것이다.
전술한 바와 같이, 광학 검출기들(306)은 감광성 요소들로서, 이들 각각은 수신된 방사선(예를 들어, 가시광선 또는 적외선)량에 응답하여 신호를 생성하도록 동작할 수 있다. 광전자 모듈(100)이 광학 이미터(152)를 포함하는 실시예들에서, 광학 검출기들(306)은 광학 이미터(152)에 의해 방출되는 파장들에 대응하는 파장들을 갖는 광을 검출하도록 구성될 수 있다.
인터페이스(304)는 광학 센서 다이(106)가 드라이버 다이(108)에 전기적으로 연결될 수 있도록 한다. 인터페이스(304)는 (예를 들어, 와이어 본드들(110)을 통해) 드라이버 다이(108)의 접촉 패드들에 연결하기 위한 하나 이상의 접촉 패드들을 포함할 수 있다.
도 4는 드라이버 다이(108)의 단순화된 개략적인 블록도를 예시한다.
드라이버 다이(108)는 드라이버 다이(108)가 광학 센서 다이(106)에 전기적으로 연결될 수 있도록 하는 인터페이스(404)를 포함한다. 인터페이스(404)는 (예를 들어, 와이어 본드들(110)을 통해) 광학 센서 다이(106)의 접촉 패드들에 연결하기 위한 하나 이상의 접촉 패드들을 포함할 수 있다.
드라이버 다이(108)는 광학 이미터 드라이버 회로(408) 및 결함 검출 회로(414)를 추가로 포함한다.
광학 이미터 드라이버 회로(408)는 인터페이스(410) 및 인터페이스(412)에 결합된 것으로 도시되어 있다. 이들 인터페이스들 중 하나 또는 둘 모두가 제공될 수 있음을 하기로부터 이해할 수 있을 것이다.
광전자 모듈(100)이 드라이버 다이(108)에 장착된 광학 이미터(152)를 포함하는 실시예들에서, 인터페이스(410)는 광학 이미터 드라이버 회로(408)가 광학 이미터(152)에 전기적으로 연결될 수 있도록 한다. 인터페이스(410)는 (예를 들어, 와이어 본드들을 통해) 광학 이미터(152)의 접촉 패드들에 연결하기 위한 하나 이상의 접촉 패드들을 포함할 수 있다.
인터페이스(412)는 광학 이미터 드라이버 회로(408)가 기판(114)에 전기적으로 연결될 수 있도록 한다. 인터페이스(412)는 (예를 들어, 와이어 본드들을 통해) 기판(114) 상의 접촉 패드들에 연결하기 위한 하나 이상의 접촉 패드들을 포함할 수 있다. 광학 이미터(152)가 광전자 모듈(100)의 외부에 있는 실시예들에서, 인터페이스(412)는 광학 이미터 드라이버 회로(408)가 외부 광학 이미터(152)와 통신할 수 있도록 한다.
광학 이미터 드라이버 회로(408)는 광학 이미터(152)가 하우징(154)을 통해 광을 방출하도록 하는 하나 이상의 전류들과 같은 하나 이상의 전기 신호들로 광학 이미터(152)를 구동한다. 광학 센서 다이(106)는 드라이버 다이(108)의 광학 이미터 드라이버 회로(408)와 통신하여 광학 이미터(152)로부터 광의 방출을 촉발할 수 있다. 예를 들어, 광전자 모듈이 비행 시간 모듈인 실시예들에서, 광학 센서 다이(106)는 광학 이미터 드라이버 회로(408)를 촉발하여 광학 이미터(152)를 제어함으로써 VCSEL 펄스를 송출하도록 한다. 즉, 광학 이미터 드라이버 회로(408)는 충전 펌프를 사용하여 광학 이미터(152)(예를 들어, VCSEL)에 대한 초단(ultra-short) 전압 펄스들을 생성한다.
결함 검출 회로(414)는 하우징(154)의 인터록 피처에 결합된다. 결함 검출 회로(414)는 또한 인터페이스(410) 및/또는 인터페이스(412)에 결합된다. 광전자 모듈(100)이 드라이버 다이(108)에 장착된 광학 이미터(152)를 포함하는 실시예들에서, 인터페이스(410)는 결함 검출 회로(414)가 광학 이미터(152)에 전기적으로 연결될 수 있도록 한다. 인터페이스(412)는 결함 검출 회로(414)가 원격 디바이스로 경고를 전송하기 위해 기판(114)에 전기적으로 연결될 수 있게 하거나, 광학 이미터(152)가 광전자 모듈(100)의 외부에 있는 실시예들에서, 결함 검출 회로(414)가 외부 광학 이미터(152)와 통신할 수 있도록 한다.
전류는 하우징(154)의 인터록 피처에 공급된다. 광학 이미터 드라이버 회로(408) 및/또는 결함 검출 회로(414)는 인터록 피처에 전류를 공급할 수 있다.
결함 검출 회로(414)는 인터록 피처와 연관된 전기 파라미터를 모니터링한다. 예를 들어, 결함 검출 회로(414)는 인터록 피처의 저항 및/또는 커패시턴스를 모니터링하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 결함 검출 회로(414)는 전기 파라미터가 미리 결정된 범위를 벗어났는지 여부를 결정하도록 구성될 수 있으며, 이는 인터록 피처가 손상 및/또는 하우징(154)으로부터 분리되어 광전자 모듈(100)의 하나 이상의 구성요소들의 무결성이 손상되었음을 나타낼 수 있다. 대안적으로, 또는 추가로, 결함 검출 회로(414)는 인터록 피처를 통한 전기 전도의 중단을 검출하도록 구성될 수 있다. 결함 검출 회로(414)는 추가로, 광전자 모듈(100)이 안전하지 않을 수 있음을 사용자에게 알리기 위해 인터페이스(412)를 통해 사용자에게 경고를 전송하도록 구성될 수 있다. 대안적으로, 또는 추가로, 결함 검출 회로(414)는 인터페이스(410) 또는 인터페이스(412)를 통해 광학 이미터(152)에 결합될 수 있고(광학 이미터(152)가 광전자 모듈(100)의 외부에 있는 경우), 결함 검출 회로(414)는 제어 신호를 광학 이미터(152)에 전송하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 제어 신호는 광학 이미터(152)가 전원을 차단하거나, 아니면 광 출력을 안전한 레벨로 조절(예를 들어, 감소)하도록 유도할 수 있다. 따라서, 인터록 피처는, 그렇지 않으면 고출력 방사선 방출에 직접 노출되어 발생할 수 있는, 사람에 대한 우발적인 위해(accidental harm)를 방지하는 역할을 한다.
도 5는 본 개시에 따른 광전자 모듈(100)을 제조하기 위한 프로세스(500)를 예시한다.
단계(S502)에서, 드라이버 다이(108)가 기판(114)에 장착된다. 전술한 바와 같이, 드라이버 다이(108)를 기판(114)에 장착하기 위해 다양한 서로 다른 방법들이 사용될 수 있다.
접촉 패드들이 기판(1114)의 상부 표면 상의 접촉 패드들에 대응하는 포지션들에서 드라이버 다이(108)의 배면에 제공된다면, 드라이버 다이(108)를 기판(114)의 상부 표면에 장착함으로써 드라이버 다이(108)를 기판(114)에 전기적으로 연결할 수 있다. 대안적으로, 드라이버 다이(108)는 하나 이상의 와이어 본드들(112)을 사용하여 기판(114)에 전기적으로 연결될 수 있다.
단계(S504)에서, 광학 센서 다이(106)는 드라이버 다이(108)의 상부 표면에 장착된다. 전술한 바와 같이, 광학 센서 다이(106)를 드라이버 다이(108)에 장착하기 위해 다양한 서로 다른 방법들이 사용될 수 있다.
단계(S506)에서, 미리 조립된 광학 스택(102)이 접착 층(104)을 사용하여 광학 센서 다이(106)의 상부 표면에 장착된다. 미리 조립된 광학 스택(102)은 광학 검출기들(306) 상부에 위치하여, 광전자 모듈(100)에 입사된 광이 광학 검출기들(306)에 입사되기 전에 광학 스택(102)을 통과하도록 한다.
단계(S508)에서, 드라이버 다이(108)는 광학 센서 다이(106)에 전기적으로 연결된다.
광학 센서 다이(106)의 배면에 접촉 패드들이 드라이버 다이(108)의 상부 표면 상의 접촉 패드들에 대응하는 포지션들에 제공되면, 단계(S504)에서 수행되는 드라이버 다이(108)의 상부 표면에 대한 광학 센서 다이(106)의 장착을 통해 드라이버 다이(108)를 광학 센서 다이(106)에 전기적으로 연결할 수 있다. 대안적으로, 단계(S508)는 하나 이상의 와이어 본드들(110)을 사용하여 드라이버 다이(108)를 광학 센서 다이(106)에 전기적으로 연결하는 것을 포함할 수 있다.
단계(S510)에서, 광학 스택(102)은 캡슐화 재료(116)로 측방향으로 캡슐화된다(예를 들어, 캡슐화 재료(116)가 광학 스택(102)의 측벽들을 덮는다).
전술한 바와 같이, 캡슐화 재료(116)는 광학 센서 다이(106)를 측방향으로 캡슐화하거나(예를 들어, 광학 센서 다이(106)의 측벽들을 덮거나), 그리고/또는 드라이버 다이(108)를 측면에서 캡슐화할 수 있다(예를 들어, 드라이버 다이(108)의 측벽들을 덮을 수 있다). 와이어 본드들(110)이 사용되는 실시예들에서, 캡슐화 재료(116)는 와이어 본드들(110)을 캡슐화한다. 유사하게, 와이어 본드들(112)이 사용되는 실시예들에서, 캡슐화 재료(116)는 와이어 본드들(112)를 캡슐화한다.
캡슐화 재료(116)는 필름 보조 전사 성형(FAM) 프로세스에 의해 도포될 수 있고, 그 후에 캡슐화 재료(116)가 경화된다.
프로세스(500)의 단계들이 특정 순서로 설명되어 있지만, 본 개시의 실시예들은 설명된 순서로 수행되는 프로세스(500)의 단계들로 제한되지 않으며, 프로세스(500)의 단계들은 대안적인 순서로 수행될 수 있다.
도 6은 본 명세서에 설명된 실시예들 중 임의의 실시예에 따른 광전자 모듈(100)을 포함하는 컴퓨팅 디바이스(602)를 예시한다. 도 6에 도시된 컴퓨팅 디바이스(602)는 디스플레이(604)를 구비하는 휴대 전화이지만, 본 개시의 실시예들에 따른 장치는 다른 유형들의 컴퓨팅 디바이스(휴대 전화인지 여부와 무관하게), 예를 들어 태블릿 디바이스, 랩톱 컴퓨터, 게임 디바이스에 통합될 수 있음이 이해될 것이다. 예를 들어, 컴퓨팅 디바이스(602)는 웨어러블 디바이스(예를 들어, 스마트 워치)일 수 있다.
광전자 모듈(100)은 레이저 검출 자동 초점(LDAF), 3D 이미징 및 존재 검출을 포함하는 다수의 다른 적용예들에서 활용될 수 있다.
당업자는 전술한 설명 및 첨부된 청구항들에서 '위', '따라', '측면' 등과 같은 위치 용어들이 첨부된 도면들에 도시된 것들과 같은 개념 예시를 참조하여 이루어졌다는 것을 이해할 것이다. 이러한 용어들은 참조의 용이성을 위해 사용되었지만 제한적인 성격으로 의도된 것은 아니다. 따라서, 이들 용어들은 첨부된 도면들에 도시된 바와 같은 배향에 있는 물체를 지칭하는 것으로 이해되어야 한다.
본 개시가 상술한 바와 같이 바람직한 실시예들의 관점에서 설명되었지만, 이러한 실시예들은 예시적인 것일 뿐이며 청구항들이 이러한 실시예들로 한정되는 것은 아니라는 점을 이해해야 한다. 당업자들은 첨부된 청구항들의 범위에 속하는 것으로 고려되는 본 개시의 관점에서 수정들 및 대안들을 도출할 수 있을 것이다. 본 명세서에 개시되거나 예시된 각각의 특징은 단독으로 또는 본 명세서에 개시되거나 예시된 다른 특징과의 임의의 적절한 조합으로 임의의 실시예들에 통합될 수 있다.
100 광전자 모듈
102 광학 스택
104 접착 층
106 광학 센서 다이
108 드라이버 다이
110 와이어 본드들
112 와이어 본드들
114 기판
116 캡슐화 재료
152 광학 이미터
154 하우징
202 투명 기판
204 광학 요소
206 투명 기판
208 광학 요소
210 스페이서
212 캐비티
214 애퍼처
216 광학 필터
302 신호 처리 회로
304 인터페이스
306 광학 검출기들
404 인터페이스
408 광학 이미터 드라이버 회로
410 인터페이스
412 인터페이스
414 결함 검출 회로
500 프로세스
S502 내지 S510 프로세스 단계들
602 컴퓨팅 디바이스
604 디스플레이

Claims (16)

  1. 광전자 모듈(optoelectronic module)로서,
    기판(114) 상에 장착된 드라이버 다이(108);
    상기 드라이버 다이의 상부 표면에 장착되고, 적어도 하나의 광학 검출기(306)를 포함하는 광학 센서 다이(106) ― 상기 드라이버 다이는 상기 광학 센서 다이에 전기적으로 연결됨 ―;
    접착 층(104)을 통해 상기 적어도 하나의 광학 검출기 위에, 상기 광학 센서 다이(106)의 상부 표면에 장착되는 광학 스택(102); 및
    상기 광학 스택을 측방향으로 캡슐화하는 캡슐화 재료(116)
    를 포함하는, 광전자 모듈.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 드라이버 다이는 하나 이상의 와이어 본드들(110)을 통해 상기 광학 센서 다이에 전기적으로 연결되고, 상기 캡슐화 재료는 상기 하나 이상의 와이어 본드들을 캡슐화하는, 광전자 모듈.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 드라이버 다이는 하나 이상의 추가 와이어 본드들(112)을 통해 상기 기판에 전기적으로 연결되고, 상기 캡슐화 재료는 상기 하나 이상의 추가 와이어 본드들을 캡슐화하는, 광전자 모듈.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 캡슐화 재료는 상기 기판의 일부의 상부 표면을 덮는, 광전자 모듈.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 캡슐화 재료는 상기 드라이버 다이를 측방향으로 캡슐화하고, 상기 드라이버 다이의 상부 표면의 일부를 덮는, 광전자 모듈.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 캡슐화 재료는 상기 광학 센서 다이를 측방향으로 캡슐화하고, 상기 광학 센서 다이의 상부 표면의 일부를 덮는, 광전자 모듈.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 접착 층은 다이 부착 필름(die-attach film)인, 광전자 모듈.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 접착 층은 접착제(glue)인, 광전자 모듈.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 캡슐화 재료는 에폭시 몰딩 컴파운드(epoxy molding compound)로 구성되는, 광전자 모듈.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 광학 스택은, 상부에 광학 요소가 형성된 적어도 하나의 기판을 포함하는, 광전자 모듈.
  11. 제1 항에 있어서,
    상기 광학 스택은 상기 광학 스택의 캐비티를 둘러싸는 스페이서를 포함하고, 상기 광학 스택은, 상부에 제1 광학 요소가 형성된 제1 기판 및 상부에 제2 광학 요소가 형성된 제2 기판을 포함하며, 상기 스페이서는 상기 제1 기판과 상기 제2 기판 사이에 위치되는, 광전자 모듈.
  12. 제1 항에 있어서,
    상기 광학 스택은 광학 필터를 포함하는, 광전자 모듈.
  13. 제1 항에 있어서,
    상기 드라이버 다이의 상부 표면에 광학 이미터(optical emitter)가 장착되고, 상기 광학 이미터는 상기 캡슐화 재료에 의해 상기 광학 스택으로부터 분리된 하우징(154)에 수용되는, 광전자 모듈.
  14. 제13 항에 있어서,
    광학 이미터는 수직 캐비티 표면 방출 레이저(vertical cavity surface emitting laser)를 포함하는, 광전자 모듈.
  15. 제1 항 내지 제14 항 중 어느 한 항의 광전자 모듈을 포함하는 컴퓨팅 디바이스.
  16. 광전자 모듈을 제조하는 방법으로서,
    기판(114) 상에 드라이버 다이(108)를 장착하는 단계(S502);
    상기 드라이버 다이의 상부 표면에, 적어도 하나의 광학 검출기(306)를 포함하는 광학 센서 다이(106)를 장착하는 단계(S504);
    접착 층(104)을 사용하여 상기 적어도 하나의 광학 검출기 위의, 상기 광학 센서 다이의 상부 표면에 광학 스택(102)을 장착하는 단계(S506);
    상기 드라이버 다이를 상기 광학 센서 다이에 연결하는 단계(S508); 및
    상기 광학 스택을 캡슐화 재료(116)로 측방향으로 캡슐화하는 단계(S510)
    를 포함하는, 광전자 모듈 제조 방법.
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