TW202038429A - 包括光發射器及光接收器之光電模組 - Google Patents

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Abstract

一種設備包含一光電模組，其包含經安裝於一PCB基板上之一發光晶粒及一光接收器晶粒。該光電模組進一步包含在該發光晶粒上之一光學元件及在該光接收器晶粒上之一光學元件，該等光學元件係由一第一環氧樹脂組成。一第二環氧樹脂橫向地圍繞該發光晶粒、該光接收器晶粒及該等光學元件之各自側表面並與其接觸，其中該第二環氧樹脂在該發光晶粒與該光接收器晶粒之間提供一光學障壁。亦描述製造此等模組之一方法。

Description

包括光發射器及光接收器之光電模組
本發明係關於包含光發射器及光接收器之光電模組。
各種消費電子產品及其他主機裝置包含具有整合光感測或發光裝置之緊湊型光電模組。在一些情況下，在主機裝置中，空間非常寶貴。因此，期望使模組儘可能小且緊湊。進一步言之，對於同時包含發光及光偵測組件之模組，在此等組件之間提供光學隔離可為重要的。
本發明描述包含光發射器及光接收器之光電模組及製造此等模組之方法。
在一個態樣中，例如，本發明描述一種方法，其包含：將光學元件複製至可操作以發射具有一波長之光之複數個發光晶粒之各自表面上及至可操作以偵測具有該波長之光之複數個光接收器晶粒之各自表面上。該等光學元件由一第一環氧樹脂組成，且該等發光晶粒及該等光接收器晶粒經安裝於由一雙面膠帶附接至一支撐玻璃之一PCB晶圓上。該方法進一步包含使用一真空射出成型技術注射一第二環氧樹脂。該第二環氧樹脂對於具有該波長之光實質上係不透明的，且注射該第二環氧樹脂，使得該第二環氧樹脂橫向地圍繞該複數個發光晶粒之各者、該複數個光接收器晶粒之各者及該等光學元件之各者的各自側表面且與其接觸。該方法包含：在將該等發光晶粒及該等光接收器晶粒之雙工對彼此分離之區域中的該第二環氧樹脂中形成各自溝渠，其中各雙工對包含該等發光晶粒之一者及該等光接收器晶粒之一者，且其中該等溝渠部分延伸至該PCB晶圓中。該方法亦包含：自該PCB晶圓卸離雙面膠帶及該支撐玻璃；在該等溝渠之位置處分離該PCB晶圓以形成單件化模組；及在該等單件化模組之一或多者之至少一暴露表面上方施加一IR塗層。該等單件化模組之各者包含該等發光晶粒之至少一者及該等光接收器晶粒之至少一者。
一些實施方案包含以下特徵之一或多者。例如，在一些例項中，在複製該等光學元件及注射該第二環氧樹脂材料之前，將該PCB晶圓之一第一側附接至一第一膠帶，該第一側與其上安裝有該等發光晶粒及該等光接收器晶粒之該PCB晶圓的一第二側對置。該方法可包含：使用一真空卡盤固持該PCB晶圓，其中該真空卡盤與該PCB晶圓之該第二側接觸；隨後自該PCB晶圓移除該第一膠帶；隨後使該PCB晶圓之該第一側與附接至該支撐玻璃之該雙面膠帶接觸；及隨後自該真空卡盤釋放該PCB晶圓。
在一些實施方案中，複製該等光學元件包含：將該第一環氧樹脂選擇性地施配至一彈性體層之結構化區域上；及隨後將該第一環氧樹脂按壓至該等發光晶粒及該等光接收器晶粒上。在一些情況下，該等光學元件係柵格陣列光學元件。
該方法亦可包含形成延伸穿過該第二環氧樹脂且穿過該PCB晶圓之額外溝渠，其中在自該PCB晶圓卸離該雙面膠帶及該支撐玻璃之前形成該等額外溝渠。在一些情況下，該第二環氧樹脂係一黑色環氧樹脂。在一些情況下，該雙面膠帶係一可熱釋放雙面膠帶。該方法亦可包含在該第二環氧樹脂中形成該等溝渠之後，在該第二環氧樹脂之一外表面處附接一載體；及施加熱以自該PCB晶圓移除該雙面膠帶及該支撐玻璃。
在一些情況下，該方法包含：將該等單件化模組附接至一耐熱膠帶；隨後將該IR塗層施加至該等單件化模組之暴露表面；及自該耐熱膠帶移除該等單件化模組。施加該IR塗層可包含(例如)噴塗該IR塗層。在一些情況下，該IR塗層經施加至該等單件化模組之頂表面及側表面。該IR塗層可用作一濾光器以僅允許該電磁光譜之一IR部分中之輻射通過。
本發明亦描述一種設備，其包含一光電模組，其包含安裝於一PCB基板上之一發光晶粒及一光接收器晶粒。該光電模組進一步包含在該發光晶粒上之一光學元件及在該光接收器晶粒上之一光學元件，該等光學元件由一第一環氧樹脂組成。一第二環氧樹脂在橫向上圍繞該發光晶粒、該光接收器晶粒及該等光學元件之各自側表面並與其接觸，其中該第二環氧樹脂在該發光晶粒與該光接收器晶粒之間提供一光學障壁。
在一些情況下，該第二環氧樹脂實質上填充該發光晶粒與該光接收器晶粒之間的空間。該第二環氧樹脂可為(例如)一黑色環氧樹脂。
在一些實施方案中，該等光學元件係柵格陣列光學元件。
該設備亦可包含一主機裝置，該主機裝置包含一處理器及一顯示螢幕。該光電模組可經整合為該主機裝置之一組件，其中該處理器可操作以至少部分基於來自該光接收器晶粒之信號來控制該主機裝置之一組件。
在一些情況下，本技術可簡化整個製程且亦可產生更小模組。
在一些實施方案中存在之其他優點包含以下之一或多者。其他技術可能需要之各種步驟係不必要的且可省略。進一步言之，在一些情況下，本技術可幫助增加晶圓密度，產生更小模組尺寸，減少因不均勻晶圓平整度而引起之表面滲漏，歸因於溝渠切割而提高良率，避免光學串擾及/或增強光洩漏。
將自以下詳細描述、附圖及申請專利範圍容易地明白其他態樣、特徵及優點。
本發明描述光電模組，該等光電模組可操作以發射一特定波長之光(例如，在光譜之紅外(IR)部分中)且偵測(例如)相同波長之光。本發明亦描述用於同時並行製造多個模組之晶圓級程序。
如圖1中所展示，一光電模組20包含一光源(有時指稱一光發射器) 22及經安裝於一支撐件(諸如一印刷電路板(PCB)基板26)上之一光接收器24。光源22可(例如)係實施為一VCSEL或LED晶粒(即半導體晶片)。同樣，光接收器24可(例如)係實施於包含偵測光之一光電二極體及相關聯處理電路之一積體電路晶粒(即半導體晶片)中。
可藉由一各自表面安裝技術(SMT)接觸墊21、23，將各晶粒22、24之底部上之電觸點電耦合至PCB基板26。類似地，可藉由經連接至墊30之各自焊線28，將各晶粒22、24之頂部上之電觸點電耦合至PCB基板26。在PCB基板26之底部表面上提供SMT或其他電接觸墊32。在PCB基板26之頂表面及底表面上方提供各自焊料遮罩34、36。例如，一焊料遮罩可存在於PCB基板之頂部表面的外部、非主動區域上。
黑色環氧樹脂40橫向地包圍個別半導體裝置晶粒(例如，光源22及光接收器24)。在所繪示之實例中，環氧樹脂40亦與晶粒22、24之側向側表面接觸。環氧樹脂40宜對由光源22發射並由光接收器24感測之光的波長係實質上不透明的。在所繪示之實例中，環氧樹脂40之上部亦界定擋板，擋板之部分橫向地圍繞經安置於晶粒22、24之發光及光偵測部分上的各自光學元件42、44 (諸如柵格光學器件陣列)。黑色環氧樹脂40亦與光學元件42、44之橫向側表面接觸。黑色環氧樹脂40亦用作一光學障壁，其在光源22與光接收器24之間提供光學隔離。
光學元件42、44可由(例如)一透明環氧樹脂組成。在所繪示之實例中，在模組20之上表面上方以及沿其側面提供一IR噴塗塗層46。塗層46用作一濾光器，其僅允許光譜之IR區域中之波長之光通過。
圖2至圖16繪示用於並行製造多個模組20之一晶圓級程序中之步驟。晶圓級程序對於同時並行製造多個(例如，數十、數百或甚至數千)模組可為有用的。本程序允許使用可回流材料(即，即使在經歷高溫(諸如270°C或更高)時仍保持其等機械穩定性及光學效能之材料)。該程序亦可提供不同層之間的經改良黏著。
如圖2中所展示，一印刷電路板(PCB)晶圓100 (在其上表面及下表面上包含電接觸墊)經附接至一膠帶102且由膠帶102支撐。多個光源22及光接收器24經安裝於PCB晶圓100上。在一些情況下，一晶圓框架104相鄰於PCB晶圓100之周邊存在於膠帶102上。對準標記108可提供於PCB晶圓100上以促進隨後步驟中之對準。
接下來，如圖3中所展示，將一真空卡盤110與PCB晶圓100對準並使其與PCB晶圓100接觸。為此目的，一或多個相機111與對準標記108一起可用於判定及確認適當對準。施加一真空以便固持PCB晶圓100。接著，將整個總成翻轉，如圖4中所展示，且膠帶102以及晶圓框架104經移除。
如圖5中所繪示，在真空卡盤110固持PCB晶圓100時，再次翻轉總成。真空卡盤110使PCB晶圓100與可熱釋放雙面膠帶112之一側接觸，該雙面膠帶112之相反側附接至一底部注射支撐玻璃114。支撐玻璃114有助於保持PCB晶圓100實質上平坦，其可幫助控制隨後形成之真空射出成型(VIM)層之厚度。在一些例項中，一樹脂間隔物116相鄰於PCB基板100之周邊提供於支撐玻璃114上且橫向地包圍PCB晶圓100之周邊。間隔物116可在VIM程序期間幫助補償PCB晶圓100及雙面膠帶112之厚度(下文參見圖8)。一旦將PCB晶圓100附接至膠帶112，則停止真空，且真空卡盤110釋放PCB晶圓100。
圖6繪示用於複製光學元件42、44及用於在其期間注射黑色環氧樹脂材料40之VIM程序的一彈性體(例如，聚二甲基矽氧烷(PDMS))工具117。如圖6中所展示，PDMS工具117包含在一玻璃透鏡工具120上之一結構化PDMS層118。PDMS層118之表面可具有結構化區域121，其界定光學元件42、44 (例如，柵格陣列光學器件)之形狀。結構化區域121可彼此相同或可彼此不同(例如，為光發射器22提供一種類型之光學元件且為光接收器24提供一不同類型之光學元件)。PDMS層118之外周邊122可比PDMS層之內部區域稍厚以便在隨後VIM程序期間提供厚度控制。
接下來，如圖7中所展示，將一透明環氧樹脂材料124施配(例如藉由噴射)至PDMS層118之結構化區域121上。在此情況下，不必在整個PDMS層118上方施配環氧樹脂材料124。代替地，可將環氧樹脂材料124選擇性地施配至結構化區域121上，該結構化區域121對應於將複製光學元件42、44之位置。
圖8繪示光學元件42、44之一複製程序。如圖8中所展示，使PDMS工具之PDMS層122與PCB晶圓100之頂表面以及間隔物116 (若存在)接觸。上部(PDMS)工具117抵靠光發射器22及光接收器24之頂表面按壓透明環氧樹脂材料124。接著使環氧樹脂材料124硬化(例如，藉由UV固化)。在此階段，PDMS層118與PCB晶圓100之間保留無環氧樹脂之空間125。
圖9分別繪示根據一些實施方案之注射支撐玻璃114、雙面膠帶112、間隔物116、PCB基板100及上注射工具117之進一步細節。例如，PCB基板100可具有包含一主動區域101之一正方形形狀。PCB基板100在相對隅角處具有孔202。孔202在VIM程序期間分別用作環氧樹脂流之一入口及出口。對於一些實施方案，一些或所有前述細節可不同。
如圖9中進一步所展示，底部注射玻璃114可具有帶有倒角隅角204之基本正方形形狀之一表面。在一些例項中，倒角隅角204之存在可用於允許底部注射玻璃114裝配至其他設備中用於隨後處理(例如一切割機)。雙面膠帶112及間隔物116 (若存在)可具有與底部注射玻璃114大約相同之外側尺寸，且亦可具有倒角隅角。底部注射玻璃114亦具有孔206以在VIM程序期間分別為環氧樹脂之流動提供入口及出口，且因此與PCB晶圓100中之對應孔202對準。同樣，雙面膠帶112包含與底部注射玻璃114之前述孔206及PCB晶圓100之孔202對準之入口孔208及出口孔208。對於一些實施方案，一些或全部前述細節可不同。
如圖9中進一步所展示，上PDMS工具117可為正方形形狀，其中外側尺寸與底部注射玻璃114之對應外側尺寸相同。上注射工具117可具有與PCB晶圓100中之入口/出口孔202之位置重疊的狹槽210。對於一些實施方案，一些或全部前述細節可不同。
如圖10中所繪示，可藉由將一黑色(或其他不透明)環氧樹脂126材料注射至PDMS層118與PCB晶圓100之間的空間125中來執行VIM程序。環氧樹脂126橫向地囊封其他組件，包含光發射器22及光接收器24。本技術可避免(例如)在一透明環氧樹脂材料中形成溝渠，隨後用一不透明材料填充溝渠以用作一發射器22與一相鄰接收器24之間之一光學障壁的需要。因此，本技術可簡化整個程序且亦可產生更小模組。同樣，如圖10中可見，間隔物116在VIM程序期間提供更均勻(即平坦)支撐且防止PCB晶圓110之彎曲。
在將黑色環氧樹脂材料126注射至空間125中之後，可(例如)藉由UV及/或熱固化來硬化環氧樹脂材料126。在一些例項中，此可係在PDMS工具117保留在適當位置中時完成。在環氧樹脂材料126硬化之後，移除PDMS工具117。
接下來，如圖11中所展示，穿過黑色環氧樹脂126形成狹窄垂直溝渠130。溝渠宜部分延伸至PCB晶圓100中且用於釋放應力。溝渠130可係(例如)藉由切割形成。在所繪示之實例中，溝渠130將成對之一發光晶粒22及一相關聯光接收器晶粒24分離。另外，較大溝渠132可係形成為更靠近PCB晶圓100之邊緣，且可在PCB晶圓100自膠帶102之隨後釋放期間提供幫助。
接著，如圖12中所繪示，將一中間載體134附接至總成之頂部(即，在黑色環氧樹脂126及經複製光學元件124之外表面上)。接著，如圖13中所展示，施加熱以移除雙面膠帶112以及底部注射支撐玻璃114。在一最後單粒化程序(例如切割)期間，部分分離之模組(參見圖14)彼此完全分離，如圖15中所繪示。
接下來，如圖16中所展示，可將模組附接至一耐熱膠帶136上。接著在模組之頂表面及側表面上噴塗一IR塗層138，該IR塗層138用作一濾光器以僅允許電磁光譜之IR部分中之輻射通過。可應用一後烘烤程序來固化IR塗層138且為模組之其他部分(諸如黑色環氧樹脂126)提供一最後熱固化。該程序導致多個模組，該等模組之各者具有上文結合圖1所討論之模組20之特徵。接著可將模組自耐熱膠帶136卸離。
對於提供一載體玻璃以支撐PCB晶圓100之實施方案，可容易地回收該載體玻璃用於重複使用，因為很少或沒有環氧樹脂與玻璃接觸(除(例如)在VIM程序期間環氧樹脂流之入口孔及出口孔外)。
儘管經注射環氧樹脂126可指稱黑色環氧樹脂，但更一般而言，環氧樹脂126較佳地對由安裝於PCB晶圓100上之光電裝置22、24 (例如，光接收器晶片或發光晶片)感測或發射之一波長之光不透射。
此處所描述之模組20可整合至廣泛範圍之可攜式計算裝置(諸如智慧型電話、可穿戴裝置、生物裝置、行動機器人、監控相機、攝錄機、膝上型電腦及平板電腦等)中。該等模組可用作(例如)接近感測器模組或其他光學感測模組，諸如用於手勢感測或識別。
本發明中引用之智慧型電話及其他可攜式計算裝置之設計可包含一或多個處理器、一或多個記憶體(例如，RAM)、儲存器(例如，一磁碟或快閃記憶體)、一使用者介面(其可包含(例如)一小鍵盤、TFT LCD或OLED顯示螢幕、觸控或其他手勢感測器、一相機或其他光學感測器、一指南針感測器、一3D磁力計、一3軸加速度計、一3軸陀螺儀、一或多個麥克風等及用於提供一圖形使用者介面之軟體指令)、此等元件(例如匯流排)之間的互連及用於與其他裝置通信之一介面(其可為無線的(諸如GSM、3G、4G、CDMA、WiFi、WiMax、Zigbee或藍芽)及/或有線的(諸如透過一乙太網局域網路、一T-1網際網路連接))。在一些例項中，一或多個處理器使用來自模組之信號(例如，來自接收器晶粒24之信號)來調整主機裝置之顯示螢幕之一亮度。
各種修改將係顯而易見的且可對前述實例進行修改。結合不同實施例所描述之特徵在一些情況下可併入至同一實施方案中，且結合前述實例所描述之各種特徵可自一些實施方案省略。因此，其他實施方案在申請專利範圍之範疇內。
20:光電模組 21:表面安裝技術(SMT)接觸墊 22:光源 23:表面安裝技術(SMT)接觸墊 24:光接收器 26:印刷電路板(PCB)基板 28:焊線 30:墊 32:電接觸墊 34:焊料遮罩 36:焊料遮罩 40:環氧樹脂 42:光學元件 44:光學元件 46:IR噴塗塗層 100:印刷電路板(PCB)晶圓 101:主動區域 102:膠帶 104:晶圓框架 108:對準標記 110:真空卡盤 111:相機 112:膠帶 114:底部注射支撐玻璃 116:樹脂間隔物 117:聚二甲基矽氧烷(PDMS)工具 118 :PDMS層 120:玻璃透鏡工具 121:結構化區域 122:外周邊 124:環氧樹脂材料 125:空間 126:黑色環氧樹脂材料 130:溝渠 132:較大溝渠 134:中間載體 136:耐熱膠帶 138:IR塗層 202:孔 206:孔 208:入口孔 210:狹槽
圖1繪示一光電模組之一實例。
圖2至圖8繪示用於製造多個光電模組之一晶圓級程序中之各個步驟。
圖9繪示晶圓級程序之態樣之進一步細節。
圖10至圖16繪示晶圓級程序中之額外步驟。
20:光電模組
21:表面安裝技術(SMT)接觸墊
22:光源
23:表面安裝技術(SMT)接觸墊
24:光接收器
26:印刷電路板(PCB)基板
28:焊線
30:墊
32:電接觸墊
34:焊料遮罩
36:焊料遮罩
40:環氧樹脂
42:光學元件
44:光學元件
46:IR噴塗塗層

Claims (17)

  1. 一種方法，其包括： 將光學元件複製至可操作以發射具有一波長之光之複數個發光晶粒之各自表面上及至可操作以偵測具有該波長之光之複數個光接收器晶粒之各自表面上，其中該等光學元件係由一第一環氧樹脂組成，其中該複數個發光晶粒及該複數個光接收器晶粒經安裝於由一雙面膠帶附接至一支撐玻璃之一PCB晶圓上； 使用一真空射出成型技術注射一第二環氧樹脂，其中該第二環氧樹脂對具有該波長之光係實質上不透明的，且其中注射該第二環氧樹脂，使得該第二環氧樹脂橫向地圍繞該複數個發光晶粒之各者、該複數個光接收器晶粒之各者及該等光學元件之各者的各自側表面且與其接觸； 在將該等發光晶粒及該等光接收器晶粒之雙工對彼此分離之區域中的該第二環氧樹脂中形成各自溝渠，其中各雙工對包含該等發光晶粒中之一者及該等光接收器晶粒中之一者，且其中該等溝渠部分延伸至該PCB晶圓中； 自該PCB晶圓卸離該雙面膠帶及該支撐玻璃； 在該等溝渠之位置處分離該PCB晶圓以形成單件化模組，該等模組之各者包含該等發光晶粒中之至少一者及該等光接收器晶粒中之至少一者；及 在該等單件化模組中之一或多者之至少一暴露表面上方施加一IR塗層。
  2. 如請求項1之方法，其中在複製該等光學元件及注射該第二環氧樹脂材料之前，將該PCB晶圓之一第一側附接至一第一膠帶，該第一側係與其上經安裝有該等發光晶粒及該等光接收器晶粒之該PCB晶圓之一第二側對置，該方法包含： 使用一真空卡盤固持該PCB晶圓，其中該真空卡盤與該PCB晶圓之該第二側接觸； 隨後自該PCB晶圓移除該第一膠帶； 隨後使該PCB晶圓之該第一側與經附接至該支撐玻璃之該雙面膠帶接觸；及 隨後自該真空卡盤釋放該PCB晶圓。
  3. 如請求項1或2之方法，其中複製該等光學元件包含： 將該第一環氧樹脂選擇性地施配至一彈性體層之結構化區域上；及 隨後將該第一環氧樹脂按壓至該等發光晶粒及該等光接收器晶粒上。
  4. 如請求項1或2之方法，其中該等光學元件係柵格陣列光學元件。
  5. 如請求項1或2之方法，其中該第二環氧樹脂係一黑色環氧樹脂。
  6. 如請求項1或2之方法，進一步包含形成延伸穿過該第二環氧樹脂且穿過該PCB晶圓之額外溝渠，其中在自該PCB晶圓卸離該雙面膠帶及該支撐玻璃之前形成該等額外溝渠。
  7. 如請求項1或2之方法，其中該雙面膠帶係一可熱釋放雙面膠帶。
  8. 如請求項7之方法，進一步包含： 在該第二環氧樹脂中形成該等溝渠之後，於該第二環氧樹脂之一外表面處附接一載體；及 施加熱以自該PCB晶圓移除該雙面膠帶及該支撐玻璃。
  9. 如請求項1或2之方法，其包含： 將該等單件化模組附接至一耐熱膠帶； 隨後將該IR塗層施加至該等單件化模組之暴露表面；及 自該耐熱膠帶移除該等單件化模組。
  10. 如請求項1或2之方法，其中施加該IR塗層包含噴塗該IR塗層。
  11. 如請求項1或2之方法，其中該IR塗層經施加至該等單件化模組之頂表面及側表面。
  12. 如請求項1或2之方法，其中該IR塗層用作一濾光器以僅允許該電磁光譜之一IR部分中之輻射通過。
  13. 一種設備，其包括： 一光電模組，其包含經安裝於一PCB基板上之一發光晶粒及一光接收器晶粒， 該光電模組進一步包含在該發光晶粒上之一光學元件及在該光接收器晶粒上之一光學元件，該等光學元件係由一第一環氧樹脂組成， 一第二環氧樹脂，其在橫向上圍繞該發光晶粒、該光接收器晶粒及該等光學元件之各自側表面並與其接觸，其中該第二環氧樹脂在該發光晶粒與該光接收器晶粒之間提供一光學障壁。
  14. 如請求項13之設備，其中該第二環氧樹脂實質上填充該發光晶粒與該光接收器晶粒之間的空間。
  15. 如請求項13或14之設備，其中該等光學元件係柵格陣列光學元件。
  16. 如請求項13或14之設備，其中該第二環氧樹脂係一黑色環氧樹脂。
  17. 如請求項13或14之設備，進一步包含一主機裝置，該主機裝置包含一處理器及一顯示螢幕，該光電模組經整合為該主機裝置之一組件，其中該處理器係可操作以至少部分基於來自該光接收器晶粒之信號來控制該主機裝置之一組件。
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