TW201620124A - 具有一矽基板之光電模組及其製造方法 - Google Patents
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Abstract
光電模組包含一矽基板，其中一光電裝置位於該矽基板中或該矽基板上。一光學器件總成經安置於該光電裝置上，且一間隔將該矽基板與該光學器件總成分離。本發明亦描述製造此等模組之方法。
Description
本發明係關於具有一矽基板之光電模組，及其製造方法。
智慧型電話及其他裝置有時包含微型化之光電模組，諸如光模組、感測器或相機。光模組可包含一發光元件，諸如一發光二極體(LED)、一紅外線(IR)LED、一有機LED(OLED)、一紅外線(IR)雷射或將光發射透過一透鏡至裝置外部之一垂直空腔表面發射雷射(VCSEL)。其他模組可包含一光偵測元件。例如，CMOS及CCD成像感測器可用於主相機或前置相機。同樣地，近接感測器及環境光感測器可包含諸如一光電二極體之一光感測器元件。發光及光偵測模組以及相機可用於各種組合中。因此，(例如)諸如一閃光模組之一光模組可用於與具有一成像感測器之一相機結合。與光偵測模組結合之發光模組亦可用於其他應用中，諸如示意動作辨識或IR照明。
儘管已提出各種模組設計，但所屬產業仍需要繼續改良此等模組之各種態樣。例如，裝置中用於設計模組之空間通常係價格昂貴的。因此，可期望該模組具有盡可能實用之小佔用面積。此外，在一些情況中，遠離模組之較差熱傳遞可成為一問題。同樣地，在一些情況下，當溫度與標稱值不同時，模組之光學性質可降級。
本發明描述具有一矽基板之光電模組，及其製造方法。
由一些實施提供一或多個以下優勢。例如，藉由使用其中可形成各種電子及/或光電組件之一矽基板，模組可具有一相對較小之佔用面積。在一些情況中，可藉由消除對一印刷電路板基板之需求(及成本)而減少模組之整體成本。同樣地，在一些情況下，可藉由使用一矽基板避免原本要求之至基板之至少一些佈線。此外，由於矽之熱傳導相對較高，所以可改良遠離模組之熱傳遞。再者，鑒於矽之熱膨脹之係數，使用一矽基板可有助於減少當溫度與標稱值不同時模組之光學性質之降級。
取決於應用，一模組可具有一單一光通道或多重光通道。例如，根據一態樣，一光電模組包含一矽基板，其中一光電裝置位於該矽基板中或矽基板上。一光學器件總成安置於該光電裝置上。一間隔將矽基板與光學器件總成分離。
間隔較佳係實質上對由光電裝置發射及/或偵測之波長之光不透明或顯著使光衰減，此可實施為形成於矽基板中或安裝於矽基板上之一發光元件或實施為形成於矽基板中之一光偵測元件。在一些實施中，該間隔橫向環繞且直接接觸矽基板且可延伸超出該矽基板之一外部表面。亦可提供其他光學特徵，諸如光學濾光器或焦距校正層。
在另一態樣中，一種光電模組包含一第一光通道及一第二光通道。第一光通道中之一第一光電裝置整合至第一矽基板中或安置於第一矽基板上，且第二光通道中之一第二光電裝置整合至一第二矽基板中或安置於第二矽基板上。第一光學器件總成及第二光學器件總成分別安置於第一光電裝置及第二光電裝置上。一間隔將矽基板與光學器件總成分離，且該間隔之一部分將第一通道與第二通道彼此分離。間隔橫向環繞且直接接觸第一矽基板及第二矽基板。
在一些情況下，第一光學器件總成安置於間隔上與第一基板相距一第一距離，且第二光學器件總成安置於間隔上與第二基板相距一不同之第二距離。在一些情況中，第一光學器件總成及第二光學器件總成形成光學總成之一橫向鄰接陣列。
本發明亦描述製造光電模組之方法。例如，在一些實施中，一晶圓層級方法包含：將上真空注入工具及下真空注入工具施用至複數個光電裝置中，該等光電裝置之各者整合至一各自矽基板中或安置於各自矽基板上。該等工具界定將矽基板彼此分離之間隔。該方法進一步包含：將一聚合物材料注入至空間中；且固化該聚合物材料以形成一間隔。一或多個光學器件總成附接至該間隔以獲取其中一或多個光學器件總成之各者安置於光電裝置之至少一者上之一所得結構。接著，將該所得結構分離為複數個光電模組，該等光電模組之各者包含至少一光通道。
將易於從以下詳細描述、隨附圖式及技術方案中明白其他態樣、特徵及優勢。
20‧‧‧光電模組
20A‧‧‧模組
20B‧‧‧模組
22‧‧‧發射通道
24‧‧‧偵測通道
24A‧‧‧偵測通道
24B‧‧‧偵測通道
26A‧‧‧矽基板
26B‧‧‧矽基板
28‧‧‧光學器件總成
30‧‧‧間隔
30A‧‧‧部分/內壁部分
32‧‧‧發光元件/光電裝置
34‧‧‧光偵測元件/光電裝置
34A‧‧‧第一光感測器
34B‧‧‧第二光感測器
36‧‧‧蓋玻璃
36A‧‧‧透射蓋
36B‧‧‧透射蓋
38‧‧‧不透明區段/不透明之材料/透鏡晶圓
40‧‧‧光學元件/透鏡
41‧‧‧自動聚焦機構
42‧‧‧導電接點
43‧‧‧電連接
44A‧‧‧第一光學濾光器
44B‧‧‧第二光學濾光器
44C‧‧‧濾光器
44D‧‧‧光學濾光器
50‧‧‧下表面
52‧‧‧可加工特徵/間隔特徵
54‧‧‧焦距校正層
100‧‧‧矽晶圓
102‧‧‧積體光電組件
104‧‧‧電連接
106‧‧‧光學濾光器
108‧‧‧支撐晶圓
110‧‧‧矽裝置
112‧‧‧下真空注入工具/下工具/下支撐工具
114‧‧‧上真空注入工具/上工具
116‧‧‧空間
118‧‧‧間隔材料/間隔
120‧‧‧紫外線(UV)輻射
122‧‧‧晶圓層級光學器件總成
122A‧‧‧透鏡鏡筒
122B‧‧‧鄰接透鏡陣列晶圓
122C‧‧‧光學器件總成
124‧‧‧透明窗
126‧‧‧非透明PCB晶圓
128‧‧‧光束塑形元件
130‧‧‧切割線
圖1係一多重通道光電模組之一實例。
圖2係一單一通道光電模組之一實例。
圖3係一多重通道光電模組之另一實例。
圖4A至圖4I繪示製造光電模組之一晶圓層級方法中之步驟。
圖5係一光電模組之一進一步實例。
圖6A及圖6B繪示具有不同類型之光學器件總成之模組之實例。
圖7A及圖7B繪示具有可加工間隔特徵之模組之一實例。
圖8係包含焦距校正層之一光學器件總成之一實例。
圖9A及圖9B繪示具有光學濾光器之光電模組之實例。
如圖1中所展示，一光電模組20之一第一實例包含光通道之一陣列。在所繪示之實例中，模組20包含一發射通道22及一偵測通道24。
模組20具有藉由一間隔30與一光學器件總成28分離之矽基板26A、26B。因此，由基板26A、26B、間隔30及光學器件總成28界定模組20之內部區域之界線。
各矽基板26A、26B之不同部分可展現不同電子及/或光電性質。
一各自主動光電裝置經整合至各矽基板26A、26B中或經安置於其上。例如，一發光元件32(例如，一LED、一雷射二極體或一系列LED或雷射二極體)可係形成於發射通道22中之矽基板26A中或經安裝於矽基板26A上。同樣地，一單一光偵測元件(例如，一光電二極體)或光偵測元件34之一陣列(例如，一CMOS感測器之像素)可係形成於偵測通道24中之矽基板26B中。在一些情況下，額外電路組件可係形成於矽基板26A、26B中。
間隔30橫向地環繞光電裝置32、34且充當模組之側壁。此外，間隔之部分30A充當將發射通道22與偵測通道24彼此分離之一內壁。
間隔30(包含內壁部分30A)宜實質上對由發光元件32發射及/或由光偵測元件34偵測之波長的光不透明或顯著地使光衰減。例如，在一些情況中，間隔30係由含有一非透明填充物(例如，碳黑、顏料或燃料)之一聚合物材料(例如，環氧樹脂、丙烯酸酯、聚胺基甲酸酯或聚矽氧)組成。如圖1中所繪示，間隔30亦橫向地環繞且直接接觸矽基板26A、26B，且間隔之內壁部分30A將兩個矽基板26A、26B彼此分離。在一些情況下，可藉由提供相鄰半導體組件中之模組的電隔離及藉由提供可有助於防止鑿刻矽基板的結構性支撐而使得此等特徵變為優勢。
光學器件總成28之細節可取決於特定應用。在圖1之實例中，光學器件總成28包含橫向地嵌入於實質上係不透明之材料38內的透射蓋
36A、36B。透射蓋36A、36B可係由(例如)玻璃、藍寶石或一聚合物材料組成。透射蓋36A、36B通常對由光電裝置32、34發射或偵測之光的波長係透明的。不透明區段38可係由(例如)與間隔30相同之材料或一些其他實質上不透明的材料組成。透射蓋36A、36B之各者可具有一或多個光學元件40，諸如透鏡或形成於透鏡上之其他光束塑形元件。以下描述光學器件總成之其他實例。
各矽基板26A、26B之外側可具有一或多個焊接凸塊或其他導電接點42(例如，一球柵陣列)，導電接點42可以一已知方式經電耦合至光電裝置32、34之各自者。一些實施包含用於電連接之矽穿孔。
在一些實施中，一模組可僅包含一單一光通道。例如(如實例所展示)，在圖2中，模組20A具有一單一光偵測通道且包含一光偵測元件34。在其他情況中，該模組可具有一單一光發射通道且可包含一發光元件32。
在一些情況下，一光學濾光器係設置於一或多個通道中。例如，如圖3中所展示，一模組20B包含兩個偵測通道24A、24B。一第一光學濾光器44A經安置於一第一光感測器34A上，且一第二光學濾光器44B經安置於一第二光感測器34B上。第一濾光器44A及第二濾光器44B可允許相同波長(或波長之範圍)通過或可經定製以允許不同波長(或波長之範圍)通過。因此，例如，光學濾光器可包含彩色濾光器陣列、IR截止濾光器、帶通濾光器、單色濾光器或不包含濾光器。
可在(例如)一晶圓層級程序中製造上述模組。晶圓層級程序允許同時平行製造多重模組。通常，一晶圓係指一實質上似碟或板形狀之品項，其沿一方向(y方向或垂直方向)之延伸相對於沿其他兩個方向(x方向及z方向或橫向方向)之延伸係較小的。在一些實施中，晶圓之直徑係在5cm與40cm之間且可(例如)在10cm與31cm之間。晶圓可為具有(例如)2吋、4吋、6吋、8吋或12吋之一直徑之圓柱狀，一吋係大約
2.54cm。在一晶圓層級程序之一些實施中，可沿各橫向方向供應至少十個模組，且在一些情況中可沿各橫向方向供應至少三十個或甚至五十個或更多之模組。以下段落描述用於製造諸如以上描述之光電模組之此一晶圓層級製造程序之一實例。
如圖4A中所繪示，提供其中形成積體光電組件102之一矽晶圓100。該晶圓可具有位於其後側上之電連接104(例如，焊接凸塊或球柵陣列)且亦可包含矽穿孔連接。光學濾光器106可被施用至一些或全部光電組件上。在一些情況下，光學濾光器可不被施用至光電組件102之任何者。在一些情況中，可施用一保護層(例如，由玻璃或其他透明材料組成)(例如)，以保護光電組件不受在後續切割期間產生之灰塵或微粒的影響。諸如LED、雷射二極體或VCSEL之外部光發射器亦可安裝於矽晶圓上。接著，如圖4B中所展示，施用一支撐晶圓108以支撐矽晶圓100，且如圖4C所指示，將該晶圓分離(例如，藉由切割)為多重個別矽裝置110，該等裝置之各者包含至少一光電組件102。
矽裝置110可從支撐晶圓108上移除且被放置於一下真空注入工具112上(參閱圖4D)。一上真空注入工具114亦被施用至裝置110。當接觸矽裝置110時(如圖4D中所展示)，真空注入工具112、114界定圍繞矽裝置110之空間116。一間隔材料(例如，具有一非透明填充物之環氧樹脂)118注入至空間116(例如，如圖4E中所繪示)且隨後(例如)由紫外線(UV)輻射120及/或熱處理(參閱圖4F)固化。
間隔材料118經固化之後，可移除上工具114。所得結構可留存於下工具112上，下工具112在一些後續製造步驟期間充當一支撐結構(參閱圖4G)。例如，一晶圓層級光學器件總成122可(例如，藉由黏合劑)經附接至間隔118之自由端(參閱圖4H)。在此實例中，晶圓層級光學器件總成122包含經形成於一非透明PCB晶圓126之通孔中之透明窗124。光學器件總成122可包含經形成(例如，藉由一複製技術)於透明
窗124之各者上之一或多個光束塑形元件(例如透鏡)128，以幫助將傳入光聚集於(若干)對應光偵測元件上。接著，如圖4I中所揭示，將所得結構分離(例如，沿切割線130)為個別光電模組，該等光電模組之各者包含一單一光通道或通道之一陣列。接著，可從下支撐工具112上移除模組。
可實施對上述方法及模組之各種修改。例如，儘管在一些情況中，間隔30之底部可實質上與矽基板26A、26B之底部齊平，但在其他情況中，該等間隔可在某種程度上突出超出(若干)矽基板之底部(參閱圖5)。特定言之，間隔30可延伸超出(若干)矽基板之下表面50，外部導電接點42係位於矽基板上。
各種類型之光學器件總成可附接至間隔30。例如，可將具有合適透鏡40之一各自透鏡鏡筒122A(而非圖4H之晶圓層級光學器件總成122)提供至各通道(參閱圖6A)。在一些情況中，一自動聚焦機構41可(例如)包含於透鏡鏡筒122A中。該自動聚焦機構可實施為(例如)一可調諧透鏡或一壓電元件。可(例如)沿間隔30之表面提供從自動聚焦機構41至矽基板之電連接43，或將電連接43提供為貫穿間隔之連接。自動聚焦機構41可單獨使用或結合一玻璃光學元件及/或客製化垂直對準特徵使用，以提供用於模組之十分精確及準確之光學效能。
此外，在一些情況中，一橫向鄰接透鏡陣列晶圓122B可提供為光學器件總成之一部分(參閱圖6B)。在後者情況中，一單一鄰接透鏡陣列晶圓122B橫跨通道之整個陣列。(例如)當所有通道具有相同高度時，此一配置可係尤其有優勢的。
另一方面，在一些情況中，可預期將用於一些通道之光學總成定位於與其他通道之高度不同之一高度。此一情況可在製程期間提供焦距校正上有幫助。例如，在將一光學器件總成附接至一特定通道上之前，可進行(若干)光學量測以判定通道之焦距偏離一指定目標值之
程度。若需要校正焦距，則提供該校正之一方式係透過機械加工調整間隔之高度。如所展示，例如在圖7A中，間隔30可在其等自由端包含可加工特徵52。當一光學器件總成122C附接至間隔時(參閱圖7B)，用於特定通道之間隔30之自由端可經微加工以獲取一指定焦距。接著，可(例如)使用抓取與放置設備將光學器件總成122C定位於通道上。在一些情況下，各光學器件總成122C包含一透鏡40及蓋玻璃36，或僅一透鏡40，或僅一蓋玻璃36。如圖7B中所展示，所得結果為一非鄰接透鏡陣列，而非鄰接透鏡陣列，該非鄰接透鏡陣列根據需要允許用於各通道之光學器件總成放置於一不同高度。在一些情況中，此程序可導致一多重通道模組，其中用於一個通道之光學器件總成之一高度稍不同於用於另一通道之光學器件總成之高度。
替代地或此外，在一些情況中提供一焦距校正層54來微加工間隔30之高度以調整一通道之焦距(例如，位於蓋玻璃36之一表面上，或位於透鏡晶圓38之一表面上，如圖8中所繪示)。可(例如)藉由將層暴露於輻射中以獲取用於通道之一指定焦距而調整焦距校正層54之厚度。因此，一些通道可包含微加工之間隔特徵52及/或一焦距校正層54。其他通道可不包含上述特徵之任何者。在微加工(若干)間隔30之高度及/或調整焦距校正層54之厚度後，一光學器件總成可附接至該間隔。
如先前所描述，可將光學濾光器提供至一或多個通道。在一些實施中，替代地或此外，可將一濾光器44C提供於透鏡總成晶圓38之一表面上(圖9A)或蓋玻璃36之表面上(圖9B)，從而將一濾光器直接提供於光電裝置(例如，34A)上。在一些情況中，一光學濾光器44D整合至光學器件總成內(圖9A及圖9B)。
如在本發明中所使用，參考由模組中之裝置發射或偵測之(若干)特定波長而理解術語「透明」、「非透明」及「透射」。因此，一特定
特徵(例如)可被視為「非透明」的，即使其可允許其他波長之光通過。
本文描述之模組可用作為(諸如)用於示意動作感測、辨識或成像之近接感測器模組或其他光學感測模組。該等模組可整合至一廣泛範圍之小型電子裝置內，諸如智慧型電話、生物醫療裝置、移動機器人、監視攝影機、攝錄影機、膝上型電腦及平板電腦等等。
可在上述描述之精神範圍內作出各種修改。據此，其他實施在申請專利範圍之範疇內。
110‧‧‧矽晶圓/矽裝置
112‧‧‧下真空注入工具/下工具/下支撐工具
118‧‧‧間隔材料/間隔
122‧‧‧晶圓層級光學器件總成
124‧‧‧透明窗
126‧‧‧非透明PCB晶圓
128‧‧‧光束塑形元件
Claims (21)
- 一種光電模組，其包括：一矽基板，一光電裝置位於該矽基板中或該矽基板上；一光學器件總成，其經安置於該光電裝置上；一間隔，其將該矽基板與該光學器件總成分離，其中該間隔實質上對由該光電裝置發射及/或偵測之波長的光不透明或顯著地使光衰減。
- 如請求項1之光電模組，其中該間隔橫向地環繞且直接接觸該矽基板。
- 如請求項1或2之光電模組，其中該間隔延伸超出該矽基板之一外部表面。
- 如請求項1或2之光電模組，其中該光電裝置為經形成於該矽基板中或經安裝於該矽基板上之一發光元件。
- 如請求項1或2之光電模組，其中該光電裝置為經形成於該矽基板中之一光偵測元件。
- 如請求項1或2之光電模組，其包含與至該光電裝置之一光路徑或自該光電裝置之一光路徑交叉之一光學濾光器。
- 如請求項1或2之光電模組，其包含與至該光電裝置之一光路徑或自該光電裝置之一光路徑交叉之一焦距校正層。
- 一種光電模組，其包括：一第一光通道及一第二光通道；一第一矽基板，該第一光通道中之一第一光電裝置位於該第一矽基板中或該第一矽基板上；一第二矽基板，該第二光通道中之一第二光電裝置位於該第二矽基板中或該第二矽基板上； 第一光學器件總成及第二光學器件總成，其等分別經安置於該第一光電裝置及該第二光電裝置上；一間隔，其將該等矽基板與該等光學器件總成分離，其中該間隔之一部分將該第一通道與該第二通道彼此分離，且其中該間隔橫向地環繞且直接接觸該第一矽基板及該第二矽基板。
- 如請求項8之光電模組，其中該第一光學器件總成經安置於該間隔上與該第一基板相距一第一距離，且其中該第二光學器件總成經安置於該間隔上與該第二基板相距一不同之第二距離。
- 如請求項8之光電模組，其中該第一光學器件總成及該第二光學器件總成形成光學總成之一橫向鄰接陣列。
- 一種製造光電模組之晶圓層級方法，該方法包括：將上真空注入工具及下真空注入工具施用至複數個光電裝置，該等光電裝置之各者經整合至一各自矽基板中或經安置於各自矽基板上，其中該等工具界定將該等矽基板彼此分離之間隔；將一聚合物材料注入至該等空間中；固化該聚合物材料以形成一間隔；將一或多個光學器件總成附接至該間隔以獲取其中一或多個光學器件總成之各者係安置於該等光電裝置之至少一者上之一所得結構；且將該所得結構分離為複數個光電模組，該等光電模組之各者包含至少一光通道。
- 如請求項11之方法，進一步包含：在附接該等各自光學器件總成之前調整該間隔之一高度。
- 如請求項12之方法，其中藉由微加工調整該間隔之該高度。
- 如請求項13之方法，其包含：在一第一光通道上之一第一高度 處將一第一光學器件總成附接至該間隔，且在一第二光通道上之一不同第二高度處將一第二光學器件總成附接至該間隔。
- 如請求項11之方法，進一步包含：執行用於該等光電裝置之至少一者之一光學量測；減少該間隔之一高度至少部分基於該光學量測之一結果之一量；且隨後將該等光學器件總成之一各自者附接至該間隔之一經加工的部分。
- 如請求項15之方法，其中該間隔之高度的減少係進一步基於一目標焦距。
- 如請求項15之方法，其中藉由微加工該間隔之一表面而獲取該間隔之高度的減少。
- 如請求項11之方法，其中將該所得結構分離為複數個光電模組包含：沿通過該間隔之線進行切割。
- 如請求項11之方法，其中將一或多個光學器件總成附接至該間隔包含：將橫跨複數個光通道之一晶圓層級光學器件總成附接至該間隔。
- 如請求項11之方法，進一步包含：在施用該上真空注入工具及該下真空注入工具之前：提供一矽晶圓，其中複數個光電裝置經形成於該矽晶圓中或該矽晶圓上；且切割該矽晶圓以形成複數個分離光電裝置。
- 如請求項20之方法，進一步包含：在切割該矽晶圓之前，將一光學濾光器層施用至該等光電裝置中之至少一者。
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