TW202205643A - 光學感測器封裝結構及其製造方法 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種光學感測器封裝結構的製造方法，其包括：設置一晶片於電路基板上，晶片包括光發射區與光接收區；設置至少一發光元件在晶片的光發射區上，且至少一發光元件電連接電路基板；塗佈一遮光材料於光發射區與光接收區之間；填充一透光材料以覆蓋電路基板、晶片、遮光材料與至少一發光元件；去除部分位於光發射區與光接收區之間的透光材料，以形成一第一凹槽並露出遮光材料；以及填充一防漏光材料在第一凹槽中，通過防漏光材料與遮光材料所堆疊形成的側光間隔結構以避免橫向干擾的發生。

Description

光學感測器封裝結構及其製造方法

本發明涉及一種光學感測器封裝結構及其製造方法，特別是涉及一種可有效防止漏光問題的光學感測器封裝結構及其製造方法。

圖1顯示現有智慧手表的示意圖，如圖1所示，在智慧手錶10的底部設置心率感測器11，當使用者戴上智慧手表時，可以通過心率感測器量測使用者的心跳等生理資訊。除了在智慧手表/手環外，智慧手機或智慧耳機也都開始設置心率感測器，只要將心率感測器接觸使用者的身體任何部位，就可以量測使用者心跳等生理資訊。

然而，智慧耳機的整體尺寸小於智慧手錶或智慧手環，因此需要更小的心率感測器，才能安裝在智慧耳機中。其中，集成式的心率感測器具有體積小的優勢，非常適合目前市場上快速增長的智慧耳機。如何有效地減小心率感測器的整體尺寸，以快速批量生產過程，來產出比現有競爭產品更窄，更薄的心率感測器，為這個產業的趨勢。

然而，在縮小光感測器的封裝尺寸時，會導致漏光問題，進而影響光感測器的感測效果。一種常見的方法是在封裝的外圍與發射器和接收器之間粘附遮光的材料外殼。另一種方法是在封膠用於保護晶片和金線的透明材料的過程之後，使用鋸切製程在發光元件和光接收器之間產生可填充其他遮光材料的空間。

上述方法中最常見的問題是，在發光元件和光接收器之間的光材料層的底部與晶片表面之間的漏光，降低了信號強度以及噪聲比(signal to noise ratio，SNR)。

當前，縮小感測器的尺寸一直是穿戴裝置的趨勢，因此，如何使用封裝技術來製作更窄或更薄的感測器，並可以降低漏光問題，已成為光感測器產業所欲解決的重要課題之一。

本發明所要解決的技術問題在於，針對現有技術的不足提供一種是用於縮小尺寸的光學感測器封裝結構的製造方法。

為了解決上述的技術問題，本發明所採用的其中一技術方案是提供一種光學感測器封裝結構的製造方法，其包括：設置一晶片於電路基板上，晶片包括一光發射區與一光接收區；設置至少一發光元件在晶片的光發射區上，且至少一發光元件電連接電路基板；塗佈一遮光材料於光發射區與光接收區之間；填充一透光材料以覆蓋電路基板、晶片、遮光材料與至少一發光元件；去除部分位於光發射區與光接收區之間的透光材料，以形成一第一凹槽並露出遮光材料；以及填充一防漏光材料在第一凹槽中，通過防漏光材料與遮光材料所相連接形成的一側光間隔結構以阻隔至少一發光元件的光束從側向直接傳遞至光接收區。

本發明所採用的另一技術方案是提供一種光學感測器封裝結構，其包括一電路基板、一晶片、至少一發光元件、一光接收器、一遮光材料、一透光材料以及一防漏光材料。晶片設置在電路基板上，且包括一光發射區與一光接收區，並電連接電路基板。至少一發光元件位於在所述晶片的所述光發射區上。遮光材料位於所述光發射區與所述光接收區之間，透光材料覆蓋在電路基板、晶片、至少一發光元件以及遮光材料，並具有一第一凹槽露出部分遮光材料。防漏光材料位於透光材料所形成的第一凹槽，其中，遮光材料與防漏光材料堆疊相連接而形成一側光間隔結構， 藉由側光間隔結構以阻隔至少一發光元件的光束從側向直接傳遞至光接收區。

本發明的其中一有益效果在於，本發明所提供的光感測器的製作方法，其能通過將遮光材料設置在透光材料的下方以避免漏光問題產生，並可以防止在切割製程時，切割至晶片，除了可以縮小整體光感測器的體積並可以防止漏光問題。

為使能更進一步瞭解本發明的特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明的詳細說明與圖式，然而所提供的圖式僅用於提供參考與說明，並非用來對本發明加以限制。

以下是通過特定的具體實施例來說明本發明所公開有關“光學感測器封裝結構及其製造方法”的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所公開的內容瞭解本發明的優點與效果。本發明可通過其他不同的具體實施例加以施行或應用，本說明書中的各項細節也可基於不同觀點與應用，在不背離本發明的構思下進行各種修改與變更。另外，本發明的附圖僅為簡單示意說明，並非依實際尺寸的描繪，事先聲明。以下的實施方式將進一步詳細說明本發明的相關技術內容，但所公開的內容並非用以限制本發明的保護範圍。另外，本文中所使用的術語“或”，應視實際情況可能包括相關聯的列出項目中的任一個或者多個的組合。

[本發明製程方法實施例]

圖2顯示本發明第一實施例的光學感測器封裝結構的製造方法的流程圖，如圖2所示，並參考圖3A至圖3F以及圖4A至圖4F所示，本發明的實施例提供一種光學感測器封裝結構的製造方法，其包括下列步驟。

在步驟S201中，提供一電路基板31，並設置一晶片32在電路基板31上，在本發明的光學感測器封裝結構的製造方法中，將一晶片32設至在電路基板31上，在晶片32上包括一光發射區321與一光接收區322。其中在晶片32的光接收區322上具有一光接收器33。然後，在步驟S202中，設置至少一發光元件34在晶片32的光發射區322上，發光元件34較佳為發光二極體(Light Emitting Diode，LED)，發光元件34較佳是以晶片接合(die attach)的方式設置在電路基板31上，並分別將晶片32以及發光元件34電連接電路基板31，如圖3A與圖3B所示。進一步來說，可以通過打線接合的方式通過導線35將晶片32連接電路基板31，並通過導線35將發光元件34與晶片32連接。

在步驟S203中，以點膠方式塗佈遮光材料36A在光發射區321與光接收區322之間。在本發明的較佳實施例中，遮光材料36A是以點膠方式塗佈在晶片32的光發射區321與光接收區322之間，也就是在發光元件34與光接收器33之間以避免發光元件34的漏光問題，點膠的態樣可以如圖3A與圖3B所示，或者點膠的態樣也可以如圖4A與圖4B所示。

進一步來說，以圖3A與圖3B為例，為了防止發光元件34所發出的光直接傳遞至光接收器33，因此在發光元件34與光接收器33的相鄰區域，以點膠方式，先塗佈一遮光材料36A，或者，以圖4A與圖4B為例，在晶片32的光發射區321周圍，也就是在發光元件34的周圍，塗佈一ㄇ型的遮光材料36B。遮光材料36A或36B的厚度大約與發光元件34等高，且其厚度較佳不低於0.5毫米(mm)，或者，遮光材料36A或36B的厚度略小於發光元件34的高度，在此並不侷限。遮光材料36A或36B除了可作為遮光外，還可作為後續的切割或蝕刻的參考厚度，也就是做為切割終止層或蝕刻終止層。塗佈遮光材料36A或36B可以防止發光元件34的光束從側向直接傳遞至光接收器33，而遮光材料36B的局部環繞結構除了連接導線35的側邊沒有塗佈遮光材料36B外，其餘三個側邊皆塗上遮光材料36B，所以更可防止發光元件34所發出的光從發光元件34的下方傳遞而導致漏光問題產生。另外，遮光材料36A或36B較佳為不透光或限定波長不通過的液晶聚合物、環氧樹脂或矽樹脂所構成，且顏色較佳為黑色，其材料特性的觸變指數須至少大於或等於2.5以上較佳，以確保材料在點膠後能維持至少1:1.3以下的高寬比。

在步驟S204中，填充一透光材料37以覆蓋電路基板31、晶片32、遮光材料36A或36B以及至少一發光元件34，且進一步覆蓋在光接收器33與導線35上。透光材料37較佳為環氧樹脂或矽膠，且透過模製成型的方式包覆發光元件34、光接收器33、晶片32、電路基板31以及導線35，達到保護發光元件34、光接收器33、晶片32、電路基板31以及導線35的目的，如圖3C與圖4C所示。

接著，在步驟S205中，去除部分位於光發射區321與光接收區322之間的透光材料37，以形成第一凹槽381並露出遮光材料36A或36B。透光材料37主要用途在於保護發光元件34、光接收器33、晶片32、電路基板31以及導線35，發光元件34所發射的光束會在透光材料37中傳遞，因此，為了避免發光元件34的所發射的光束直接橫向傳輸至光接收器33，去除在光發射區321與光接收區322之間部分的透光材料37，以形成圖3D或圖4D中的第一凹槽381。

詳細來說，在步驟S205中，可以僅去除位於光發射區321與光接收區322之間的透光材料37，以形成第一凹槽381，或者，在不同實施例中，在步驟S205中，也可以除了去除光發射區321與光接收區322之間的透光材料37而形成第一凹槽381以外，可進一步地，去除在晶片32周圍的透光材料37以形成第二凹槽382，如圖3D或圖4D所示，便於在後續的製程步驟中，在第一凹槽381與第二凹槽382中填充防漏光材料39；或者，如圖4D所示，更可以在光發射區的上下兩側形成一第三凹槽383，第三凹槽383可與第一凹槽381同時形成，第三凹槽383與第二凹槽382連通，且第三凹槽383的深度小於第二凹槽382的深度。另外，在此需要說明的是，於本發明的實施例中，可以僅形成第一凹槽381，或者先形成第一凹槽381，然後再形成第二凹槽382，順序不侷限，且第一凹槽381與第二凹槽382的外觀可以是任何形狀，例如U型凹槽等，在此亦並不侷限。

進一步來說，如圖3D與圖4D所示，在步驟S205中，去除在光發射區321與光接收區322之間的透光材料37以及周圍的透光材料37，在透光材料37內定義出光發射區321與光接收區322之間的第一凹槽381與環繞晶片32外圍的第二凹槽382，甚至位於光發射區321上下兩側的第三凹槽383，以便於在後續的製程將第一防漏光材料391與第二防漏光材料392分別對應填充於其中。另外，在去除部分透光材料37的步驟中，在形成第一凹槽381以及第三凹槽383時，可以參考遮光材料36A或36B的厚度，遮光材料36A或36B做為切割終止層或蝕刻終止層，當向下往晶片32的方向切割或蝕刻透光材料37時，是利用一切割工具沿一縱軸方向向下切割以形成第一凹槽381或第三凹槽383，亦即向晶片32方向切割或蝕刻後，直到遮光材料36A或36B露出於第一凹槽381或第三凹槽383內，較佳的切割終止點為晶片32上方至少0.04毫米(mm)，表示已經切割或蝕刻的深度夠深了，若再切割或蝕刻下去，可能會損壞晶片32，而此時遮光材料36A或36B的寬度在切割後大約在0.2毫米(mm)，切割後的遮光材料36A或36B寬度大小與製程工藝或不透光材料的選擇有關，切割位置不一定要完全切割遮光材料36A或36B的上方，切割位置部分位於遮光材料36A或36B上方即可。如上所述，本發明的遮光材料36A或36B，除了可以阻止漏光外，還可以做為後續的切割或蝕刻的參考位置。

詳細來說，請參考圖4A與圖4D，去除環繞晶片32周圍的透光材料37步驟中，亦可多至少一道沿一橫軸方向向下切割以形成半蝕的第三凹槽383於晶片上方至少0.04毫米(mm)，也就是說於，部分環繞晶片32外圍的第二凹槽382會與周圍的第三凹槽383相疊加，形成有階梯狀的凹槽結構。更進一步的說，以圖4D為例，亦可以光發射區321上下兩側的橫向延伸遮光材料36B作為蝕刻或切割的終止層，部分遮光材料36B外露於上述的階梯狀的凹槽結構。

在步驟S206中，填充防漏光材料39在第一凹槽381中。進一步來說，最後，如圖3E與圖3F或圖4E與圖4F所示，在步驟S206中，將第一防漏光材料391填充在去除透光材料37所形成的第一凹槽381中，或甚至可以將第一防漏光材料391與第二防漏光材料392填充在去除透光材料37所形成的第一凹槽381與第二凹槽382和第三凹槽383中，以完成本發明的光感測器的製程。通過以兩種不同的材料堆疊達到所要擋光效果，亦即在光發射區321與光接收區322之間的遮光材料36A或36B與第一防漏光材料391會堆疊而形成一擋牆，有效防止橫向光直接穿透的問題。第二防漏光材料392填充在圖3D的第二凹槽382或圖4D的第二凹槽382與第三凹槽383中，以形成在電路基板31的四個側邊，包圍晶片32周圍的防漏光結構，達到阻隔周遭環境光照射的功效。在第二實施例中，如圖4E所示，在發光元件34外圍的部分第二防漏光材料392也會堆疊在遮光材料36B上，進一步避免光從發光元件34的下方傳遞的問題。

另外，通過本發明的光學感測器封裝結構的製造方法，可以有效地將光學感測器的表面積縮小大約2.3%~9.3%，且其體積大約4.2mm x 2.6mm x 1mm。遮光材料36為不透光材料或可阻擋特定波長訊號的液晶聚合物、環氧樹脂或矽樹脂所構成，遮光材料36A或36B與的材料特性的觸變指數至少大於或等於2.5以上，防漏光材料39為不透光或限定波長不通過的阻光材料所構成，其材料特性黏度＜1k厘泊(cps)。

[本發明封裝結構實施例]

請參閱圖3E與圖3F或圖4E與圖4F，在本發明的較佳實施例中，本發明的光學感測器封裝結構包括一電路基板31、一晶片32、一光接收器33、一發光元件34、多條導線35、一遮光材料36A或36B、一透光材料37與防漏光材料39。

晶片32設置在電路基板31上，而晶片32包括一光發射區321與一光接收區322，在晶片32的光接收區322上具有光接收器33，而發光元件34設置在晶片32的光發射區321，晶片32與發光元件34通過多條導線35電連接電路基板31。遮光材料36A或36B設置在光發射區321與光接收區322之間，遮光材料36A是以點膠方式塗在光發射區321與光接收區322的相鄰區域，會在發光元件34與光接收器32之間形成一下擋牆，如圖3C所示，或者，在不同實施例中，遮光材料36B也可以塗在發光元件34的周圍以形成一ㄇ型結構或壩狀結構的下擋牆，如圖4A與圖4B所示的標號36B，以阻隔發光元件34的光束從側向直接傳遞至光接收器33。遮光材料36A或36B的厚度不大於發光元件34高度，厚度較佳不低於0.5毫米(mm)，但在此並不侷限。遮光材料36A或36B除了可作為遮光外，還可作為後續的切割或蝕刻的參考厚度，也就是做為切割終止層或蝕刻終止層。

透光材料37主要設置在電路基板31、晶片32、光接收器33、發光元件34、導線35以及遮光材料36A或36B上，以覆蓋電路基板31、晶片32、光接收器33、發光元件34、導線35以及遮光材料36A或36B，達到保護電路基板31、晶片32、光接收器33、發光元件34以及導線35的功效。防漏光材料39設置在晶片32的光發射區321的周圍以及光接收區322的周圍，由透光材料37所形成的凹槽38中，進一步來說，在形成透光材料37後，切割或蝕刻透光材料37，在發光元件34與光接收器33之間形成第一凹槽381，並進一步在晶片32的周圍形成圖3D的第二凹槽382或圖4D的第二凹槽382與第三凹槽383，讓第一防漏光材料391與第二防漏光材料392可以分別填充在圖3D的透光材料37所形成的第一凹槽381與第二凹槽382中或圖4D的透光材料37所形成的第一凹槽381與第二凹槽382和第三凹槽383中。另外，在填充完防漏光材料39後，第一防漏光材料391堆疊在遮光材料36A或36B所形成的下擋牆上，再形成一堆疊其上的上擋牆。詳細來說，由遮光材料36A或36B與第一防漏光材料391相連而形成上下相連接的階梯狀擋牆結構，而堆疊構成一側光間隔結構，進而達到良好的遮光效果。在不同實施例中，所移除透光材料37的區域亦可包含形成在晶片32的周圍且部份位於晶片32上，也就是圖4D所示第三凹槽383的位置，進一步來說，上述第三凹槽383的位置與在光發射區321上下兩側延伸的ㄇ型結構或壩狀結構的遮光材料36B所定義的位置要有部分的重疊，或者說遮光材料36B部分外露於光發射區321上下兩側的多個第三凹槽383。因此，當第二防漏光材料392形成在晶片32外圍時，除了一部分的第二防漏光材料392會填充於第三凹槽383，亦即堆疊在發光元件34外圍的部分遮光材料36B上，另一部分的第二防漏光材料392會填充於第二凹槽382上，亦即堆疊在電路基板31上，最終形成階梯狀環繞結構，如圖4E與圖4F所示。

形成凹槽38的方式可以是先形成透光材料37，然後再以蝕刻或切割製程形成凹槽，或者在不同實施例中，可應用模具放置在光學感測器封裝結構上，然後填充透光材料37，並固化透光材料37，當透光材料37塑形後，即可同時形成凹槽38。

[實施例的有益效果]

本發明的其中一有益效果在於，在本發明所提供的光感測器的製作方法中，其能通過將遮光材料設置在透光材料的下方以避免漏光問題產生，並可以防止在切割製程時，切割至晶片，除了可以縮小整體光感測器的體積並可以防止漏光問題。

以上所公開的內容僅為本發明的優選可行實施例，並非因此侷限本發明的申請專利範圍，所以凡是運用本發明說明書及圖式內容所做的等效技術變化，均包含於本發明的申請專利範圍內。

10:智慧手表 11:心率感測器 S201~S206:步驟 31:電路基板 32:晶片 321:光發射區 322:光接收區 33:光接收器 34:發光元件 35:導線 36A:遮光材料 36B:遮光材料 37:透光材料 38:凹槽 381:第一凹槽 382:第二凹槽 383:第三凹槽 39:防漏光材料 391:第一防漏光材料 392:第二防漏光材料

圖1顯示現有智慧手表的示意圖。

圖2顯示本發明光學感測器封裝結構的製造方法的流程圖。

圖3A為本發明一實施例的晶片上塗佈遮光材料的俯視圖。

圖3B為本發明晶片上塗佈遮光材料的剖面圖。

圖3C為本發明晶片上設置透光材料的剖面圖。

圖3D為本發明去除部分透光材料以及部分電路基板的剖面圖。

圖3E與圖3F為本發明塗佈防漏光材料的剖面圖與俯視圖。

圖4A為本發明另一實施例的晶片上塗佈遮光材料的俯視圖。

圖4B為圖4A之IVB-IVB線的剖面圖。

圖4C為本發明的晶片上設置透光材料的剖面圖。

圖4D為本發明去除部分透光材料以及部分電路基板的剖面圖。

圖4E與圖4F為本發明塗佈防漏光材料的剖面圖與俯視圖。

S201-S206:步驟

Claims (10)

1. 一種光學感測器封裝結構的製造方法，其包括： 設置一晶片於一電路基板上，所述晶片包括一光發射區與一光接收區； 設置至少一發光元件在所述晶片的所述光發射區上，且至少一所述發光元件電連接所述電路基板； 塗佈一遮光材料於所述光發射區與所述光接收區之間； 填充一透光材料以覆蓋所述電路基板、所述晶片、所述遮光材料與至少一所述發光元件； 去除部分位於所述光發射區與所述光接收區之間的所述透光材料，以形成一第一凹槽並露出所述遮光材料；以及 填充一防漏光材料在所述第一凹槽中，通過所述防漏光材料與所述遮光材料形成的一側光間隔結構以阻隔至少一所述發光元件的光束從側向直接傳遞至所述光接收區。
2. 如請求項1所述的光學感測器封裝結構的製造方法，其中，塗佈所述遮光材料的步驟中，是以點膠方式塗佈所述遮光材料在所述光發射區與所述光接收區之間以形成一擋牆。
3. 如請求項2所述的光學感測器封裝結構的製造方法，其中，塗佈所述遮光材料至所述光發射區兩側，形成一ㄇ型結構或一壩狀結構。
4. 如請求項1至3中任一項所述的光學感測器封裝結構的製造方法，其中，在去除所述透光材料的步驟中，進一步去除在所述晶片周圍的部分所述透光材料以形成一第二凹槽，且在填充所述防漏光材料的步驟中，進一步的填充所述防漏光材料於所述第二凹槽，以阻隔環境光傳遞至所述光發射區與所述光接收區。
5. 如請求項4所述的光學感測器封裝結構的製造方法，其中，在去除所述透光材料的步驟中，進一步在形成所述第一凹槽時，同時在所述晶片的上下兩側形成一第三凹槽，且所述第三凹槽與所述第二凹槽連通。
6. 如請求項1至3中任一項所述的光學感測器封裝結構的製造方法，其中，所述遮光材料的材料特性的觸變指數至少大於或等於2.5以上，且所述防漏光材料的材料特性黏度＜1k厘泊(cps)。
7. 一種光學感測器封裝結構，其包括： 一電路基板； 一晶片，位於在所述電路基板上，且包括一光發射區與一光接收區，並電連接所述電路基板； 至少一發光元件，位於在所述晶片的所述光發射區上； 一遮光材料，位於所述光發射區與所述光接收區之間； 一透光材料，覆蓋在所述電路基板、所述晶片、至少一所述發光元件以及所述遮光材料，並具有一第一凹槽露出部分所述遮光材料；以及 一防漏光材料，位於所述透光材料所形成的所述第一凹槽； 其中，所述遮光材料與所述防漏光材料堆疊而形成一側光間隔結構，藉由所述側光間隔結構以阻隔至少一所述發光元件的光束從側向直接傳遞至所述光接收區。
8. 如請求項7所述的光學感測器封裝結構，其中，所述遮光材料進一步延伸至所述光發射區上下兩側，形成一ㄇ型結構或一壩狀結構。
9. 如請求項7或8所述的光學感測器封裝結構，其中，所述透光材料進一步包括在所述晶片周圍的一第二凹槽，所述防漏光材料亦位於所述第二凹槽，以阻隔環境光傳遞至所述光發射區與所述光接收區。
10. 如請求項7或8所述的光學感測器封裝結構，所述遮光材料的材料特性的觸變指數至少大於或等於2.5以上，且所述防漏光材料的材料特性黏度＜1k厘泊(cps)。

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