TWI498585B - 光學距離感測裝置及其組裝方法 - Google Patents

Description

光學距離感測裝置及其組裝方法

本發明係有關於一種光學距離感測裝置及其組裝方法，尤其是與將多個經半導體封裝之晶片再進行板級組裝的光學距離感測裝置及其組裝方法相關。

光電裝置的應用相當廣泛，其中光學感測在許多自動化機械、產業機械、半導體設備、工具機等，是不可缺少的角色之一，舉例來說，接近感測(proximity sensing)透過兩個光學元件，一個發光元件，如發光二極體(LED)及一個感光元件，以感光元件擷取與處理來自發光元件的光訊號來達成偵測物體是否存在，以便讓控制器了解目前機構的有無、物體的位置或通過數量等。詳細地說，發光元件，如：紅外線發光二極體發射一束紅外線訊號，在偵測範圍內若有物體接近，部份紅外線訊號射至物體時，則會進行反射，此時感光元件，如：紅外線感光元件即可偵測到反射的紅外線訊號。透過訊號調節、類比數位轉換及其他處理製程後，微處理器或微控制器可應用數位化訊號進行後續處理。

在此提出目前常見的幾種組裝結構。首先，如第1圖所示，傳統的光學距離感測裝置1是由一發光單元40及一感光單元50組成。與一般電子晶片相似的，發光元件42與感光元件52 從晶圓上切割為晶粒之後，亦需要經由半導體封裝製程裝載於基板41、51上以增加其機械性強度、藉由金線製程以金線44、54建構出電源連接關係及訊號輸出/輸入連接通道、並將發光元件42與感光元件52密封於透明物質43、53中而維持其與水氣、空氣之阻隔性，如此以形成發光單元40及感光單元50。之後，再經板級組裝將發光單元40及感光單元50裝設於印刷電路板10上、以焊接物質41、51與印刷電路板10電性連接，而構成光學距離感測裝置1。然而，由於發光單元40及感光單元50之間並未有任何遮蔽元件，發光單元40所發出來的光訊號在無需通過穿射出保護蓋30、經物體20反射回感光單元50的路徑(以實線箭頭表示)，就可從側向直接射入感光單元50或在保護蓋30上以大角度反射進入感光單元50(以虛線箭頭表示)。如此會因誤讀或背景雜訊過大，造成誤判有物體靠近，並不是可靠的設計。

為了改善前述第1圖之缺點，目前常見的作法是在印刷電路板10與保護蓋30之間裝設一遮光橡膠60，如第2圖顯示的光學距離感測裝置2及第3圖顯示的光學距離感測裝置3。第.2圖與第3圖的差異僅在於第2圖的發光單元40及感光單元50是直接裝設在印刷電路板10上，第3圖的發光單元40及感光單元50是裝設在一軟性印刷電路板13上，軟性印刷電路板13再透過一連接單元14以裝設在印刷電路板10上。然而，無論是第2圖或第3圖的架構，遮光橡膠60都是在發光 單元40及感光單元50之間及其外側直接與印刷電路板10與保護蓋30連接，以防止光訊號從發光單元40及感光單元50之間通過而射入感光單元50或以大角度在保護蓋30上反射而進入感光單元50。可是由於遮光橡膠60的組立製程只能以人工進行，無法與目前的工業機器整合，而面臨到組裝不易、耗費時間與成本過高的問題。

因此，業界又提出可改善前述問題的架構，如第4圖顯示的光學距離感測裝置4，將一發光元件72及一感光元件73以多晶式半導體封裝的方式，裝設於基板71上。與單晶式半導體封裝類似地，在此亦藉由金線製程以金線74建構出電源連接關係及訊號輸出/輸入連接通道，之後將發光元件72與感光元件72密封於透明物質77中而維持其與水氣、空氣之阻隔性。然而，在金線製程之後，這裡的光學距離感測裝置4更裝設一遮光蓋75與基板71直接連接。遮光蓋75上形成兩個開口76，使得發光元件72發出的光訊號可從一開口76射出並從另一開口76進入感光元件73，遮光蓋75可遮蔽從發光元件72及感光元件73之間或外側來的光訊號。之後，以表面黏著技術(Surface mount technology)將多晶式光學距離感測單元70裝設於印刷電路板10上，透過焊接材料17與印刷電路板10電性連接。

若是要將從保護蓋30上反射的光訊號亦一同遮蔽，吾人需改以第5圖顯示的光學距離感測裝置5架構進行組裝。第5 圖與第4圖相較，乃是在遮光蓋75上多增加一遮光橡膠61。但是可想而知，如此仍會因遮光橡膠60的組立製程只能以人工進行，無法與目前的工業機器整合，而面臨到組裝不易、耗費時間與成本過高的問題。

因此，如何在進行光學距離感測裝置組裝時，同時顧及光學特性、成本及製作複雜度實乃亟需研究之課題。

本發明之一目的係在提供一種光學距離感測裝置及其組裝方法，透過在半導體封裝時即裝設於感光單元中的不透明上蓋，遮蔽光雜訊以維持良好的訊號品質。

本發明之另一目的係在提供一種光學距離感測裝置及其組裝方法，以可與目前工業機器配合的不透明上蓋進行半導體封裝，簡化組裝製程並降低製程成本。

依據本發明，提供一種光學距離感測裝置及其組裝方法，光學距離感測裝置包括：一第一基板，其上裝配一發光單元及一感光單元旁設於發光單元，發光單元及感光單元皆與該第一基板電性連接，發光單元包括一第二基板及一發光元件與第二基板電性連接，感光單元包括一第三基板、一不透明上蓋及一感光元件與第三基板電性連接，不透明上蓋係與第三基板連接以設置於感光元件上方，其中並形成有一開口對應感光元件，其中發光元件發出的一光訊號可經開口射入至感光元件，然而 在感光單元旁側的方向的光訊號係被不透明上蓋遮蔽。

依據本發明，提供一種光學距離感測裝置組裝方法，包括下列步驟：(A)在一第二基板上裝配一發光元件與第二基板電性連接以形成一發光單元；(B)在一第三基板上裝配一感光元件與第三基板電性連接，且將一不透明上蓋設置於感光元件上方以形成一感光單元，不透明上蓋中形成有一開口對應感光元件；及(C)在一第一基板上裝配發光單元及感光單元旁設於發光單元，並將發光單元及感光單元與第一基板電性連接，使發光元件發出的一光訊號可經開口射入至感光元件，然而在感光單元旁側的方向的光訊號係被不透明上蓋遮蔽。

前述發光單元及感光單元較佳是經半導體封裝的結構，在半導體封裝製程中，更佳以一透明物質密封發光元件及感光元件，以阻隔水氣與空氣。透明物質之配方並無限制，其可為單一成分之化合物或多種化合物以若干比例混合而成的混合物，如：塑膠、硬化劑、催化劑、環氧樹脂(epoxy)、透明膠混合之混合物。透明物質之成形亦可藉由模塑(molding)工藝及/或其他成形工藝形成，在此無須限制。

前述第二及第三基板乃是半導體封裝層級使用的基板，第一基板乃是板級組裝層級使用的基板。第一、第二及第三基板可保護設置其上的元件並放大電極尺寸，在此並未限定其種類，舉例來說，可為球格陣列(Ball Grid Array)基板、導線架(leadframe)、銅箔基板、樹脂基板、印刷電路板基板、軟性印 刷電路板基板、或其他種類之基板，因此可依據設置其上的發光單元、感光單元之接腳規格或半導體基板的規格選用特定種類之基板。

前述不透明上蓋之材質並無限制，可由任何可阻隔光線之不透明材質製作，舉例來說，可選用樹脂、尼龍、塑膠、金屬、液晶聚合物(Liquid crystal polyester)、或其他不透明材料製作，較佳是耐高溫之材質製作之黑色不透明上蓋，本發明並無限定。舉例來說，尼龍可選用PA6T、PA9T、PA66、PPA、HTN、PA46等，樹脂可選用聚苯硫醚(PPS)樹脂，塑膠可選用PEK、PEEK、TPI等。其次，不透明上蓋可選擇性地包括其他細部結構，比如說額外形成一前板及至少一側壁與前板連接，前板可部分遮蔽感光單元之上表面，以阻隔部分自保護蓋上反射的光訊號，側壁可在感光單元之外側經一黏著物質與第三基板連接，以阻隔環境光源自外側方向干擾感光元件。類似地，前述黏著物質之配方亦無限制，然而較佳為環氧樹脂。不透明上蓋可為模塑製成、射出成形製成或其他工藝製成，在此無須限制。

是故，本發明係以與半導體封裝製程配合之不透明上蓋遮蔽光雜訊，提高從接近物體反射進入感光元件的光訊號成分，以提升光學距離感測裝置讀取光訊號的品質，並同時簡化光學距離感測裝置的組裝製程和降低製程成本。

為進一步說明各實施例，本發明乃提供有圖式。此些圖式乃為本發明揭露內容之一部分，其主要係用以說明實施例，並可配合說明書之相關描述來解釋實施例的運作原理。配合參考這些內容，本領域具有通常知識者應能理解其他可能的實施方式以及本發明之優點。圖中的元件並未按比例繪製，而類似的元件符號通常用來表示類似的元件。

首先請參考第6圖，其顯示依據本發明之一實施例之光學距離感測裝置之一剖面結構示意圖，在此使用包括一個發光單元40及一個感光單元57的光學距離感測裝置6為例，然本發明並不限於此，亦可為其他包括一個以上發光單元40或感光單元57之組合之態樣。如圖中所示，光學距離感測裝置6包括一第一基板18、一發光單元40、一感光單元57及一保護蓋30。發光單元40及感光單元57較佳是先經半導體封裝的結構，再於板級組裝製程中，透過焊接材料11、12裝設於第一基板18上。在此，發光單元40示例性地包括一第二基板41、一發光元件42、一透明物質43及若干金線44；感光單元57包括一第三基板51、一感光元件52、若干金線54、一透明物質55及一不透明上蓋56。

發光單元40之半導體封裝製程首先是在第二基板41上裝配發光元件42，須注意的是，在此並未限定第二基板41的種類，舉例來說，可為球格陣列(Ball Grid Array)基板、導線架(leadframe)、銅箔基板、樹脂基板、印刷電路板基板或其他種 類之基板，可依據設置其上的發光元件42之接腳規格選用特定種類之基板。第二基板41可保護設置其上的發光元件42並放大發光元件42的電極。第二基板41上裝配發光元件42的製程步驟亦無限定，端視第二基板41的種類，在此第二基板41舉例為導線架，發光元件42舉例為自晶圓切割下來的一紅外線發光二極體晶片。發光元件42可先經由固晶製程固定於第二基板41上，接著，再進行金線(wire bounding)製程透過金線(bonding wire)44將發光元件42與第二基板41上的輸出入電極(圖中未示)電性連接，以達成發光元件42與第二基板41上的導體媒介，如：接腳、接球、或其他形式的導體媒介的電性連接關係。

接著，以模塑製程將發光元件42密封於透明物質43中。透明物質4之配方並無限制，其可為單一成分之化合物或多種化合物以若干比例混合而成的混合物，如：塑膠、硬化劑、催化劑、環氧樹脂、透明膠混合之混合物。發光元件42經密封後可阻隔水氣等會影響發光元件42正常操作的物質。

感光單元57之半導體封裝製程主要是在第三基板51上裝配感光元件52與第三基板51電性連接，且將不透明上蓋56設置於感光元件52上方以形成一感光單元57，不透明上蓋56中形成有一開口563對應感光元件52。詳細地說，可有幾種變化：第一種是在感光單元57之半導體封裝製程進行固晶與金線製程之後，再進行模塑製程將感光單元57密封於透明物 質55中，接著於第三基板51上經一黏著物質(圖中未示)將不透明上蓋56與第三基板51連接，使不透明上蓋56設置於感光單元57上，以遮蔽光雜訊。第二種是在感光單元57之半導體封裝製程進行固晶與金線製程之後，先於第三基板51上經一黏著物質(圖中未示)將不透明上蓋56與第三基板51連接，使不透明上蓋56設置於感光單元57上，以遮蔽光雜訊，再將感光單元57密封於如透明膠等透明物質55中。第三種是在感光單元57之半導體封裝製程進行固晶與金線製程之後，先將感光單元57密封於如透明膠等透明物質55中，再經由模塑製成形成不透明上蓋56設置於感光單元57上，以遮蔽光雜訊。第四種是在感光單元57之半導體封裝製程進行固晶與金線製程之後，先以第一道模塑製程形成透明物質55將感光單元57密封於透明物質55中，再經由第二道模塑製程形成不透明上蓋56設置於感光單元57上，以遮蔽光雜訊。前述第一種與第四種半導體封裝製程都可以再於模塑步驟時，於透明物質55中形成可調變光線的結構，如可聚光的透鏡結構、或其他類型之結構。

不透明上蓋56之材質並無限制，可由任何可阻隔光線之不透明材質製作，舉例來說，可選用樹脂、尼龍、塑膠、金屬、液晶聚合物(Liquid crystal polyester)、或其他不透明材料製作，較佳是耐高溫之材質製作之黑色不透明上蓋，本發明並無限定。舉例來說，尼龍可選用PA6T、PA9T、PA66、PPA、HTN、 PA46等，樹脂可選用聚苯硫醚(PPS)樹脂，塑膠可選用PEK、PEEK、TPI等。在此，不透明上蓋56示例性地包括一側壁561及一前板562，前板562邊緣形成有一開口563對應其下的感光單元57。側壁561可在感光單元57之外側經一黏著物質(圖中未示)與第三基板51連接，以阻隔環境光源自外側方向干擾感光元件52，而前板562可部分遮蔽感光單元57之上表面，以阻隔部分自保護蓋30上反射的光訊號進入感光單元57。黏著物質之配方並無限制，然而較佳為環氧樹脂。不透明上蓋56可為模塑製成、射出成形製成或其他工藝製成，在此無須限制。

須注意的是，本實施例並未限定第三基板51的種類，舉例來說，可為球格陣列(Ball Grid Array)基板、導線架(leadframe)、銅箔基板、樹脂基板、印刷電路板基板或其他種類之基板，可依據設置其上的感光元件52之接腳規格選用特定種類之基板。之後，進行一板級組裝製程，在第一基板18上裝配發光單元40及感光單元57旁設於發光單元40，並將發光單元40及感光單元57與第一基板18電性連接，使發光元件40發出的光訊號可經開口563射入至感光元件52，然而在感光單元57旁側的方向的光訊號係被不透明上蓋56遮蔽。在此的板級組裝製程先是將發光單元40及感光單元57以焊接材料11、12固定於第一基板18的預留位置上，通常此預留位置已配置相應的接腳點，因此經焊接後，即形成發光單元40、 感光單元57與第一基板18之間的電性連接關係。此時，發光單元40及感光單元57透過第一基板40上的導體媒介，如：連接器或其他形式的導體媒介輸出/輸入電子訊號或電源，以進行發光或感光之操作，使得發光元件42所發出的光訊號經位於一距離範圍內的一物體20反射之後，可經開口563射入感光單元57。然而，從發光元件42側向發出的光訊號及大部分自保護蓋30上反射的光訊號(以虛線表示)都會被不透明上蓋56遮蔽，而不致被感光單元57偵測到。感光單元57偵測到反射的光訊號時，將光訊號轉換電子訊號輸出提供給後端元件(圖中未示)，以確認有物體20接近。

須注意的是，第一基板18乃是板級組裝層級使用的基板，可保護設置其上的發光單元40及感光單元57並放大電極尺寸，在此並未限定其種類，舉例來說，可為印刷電路板基板、軟性印刷電路板基板、或其他種類之基板，因此可依據設置其上的第二基板41或第三基板51的規格選用特定種類之基板。

是故，本發明係以與半導體封裝製程配合之不透明上蓋遮蔽光雜訊，提高從遮蔽物反射進入感光元件的光訊號成分，以提升感光元件讀取訊號的品質，並同時簡化組裝製程和降低製程成本。

以上敍述依據本發明多個不同實施例，其中各項特徵可以單一或不同結合方式實施。因此，本發明實施方式之揭露為闡明本發明原則之具體實施例，應不拘限本發明於所揭示的實施 例。進一步言之，先前敍述及其附圖僅為本發明示範之用，並不受其限囿。其他元件之變化或組合皆可能，且不悖于本發明之精神與範圍。

1、2、3、4、5、6‧‧‧光學距離感測裝置

10‧‧‧印刷電路板

11、12、15、16、17‧‧‧焊接材料

13‧‧‧軟性印刷電路板

14‧‧‧連接單元

18‧‧‧第一基板

20‧‧‧物體

30‧‧‧保護蓋

40‧‧‧發光單元

41‧‧‧第二基板

42‧‧‧發光元件

43‧‧‧透明物質

44‧‧‧金線

50、57‧‧‧感光單元

51‧‧‧第三基板

52‧‧‧感光元件

53‧‧‧透明物質

54‧‧‧金線

55‧‧‧透明物質

56‧‧‧不透明上蓋

60、61‧‧‧遮光橡膠

70‧‧‧多晶式光學距離感測單元

71‧‧‧基板

72‧‧‧發光元件

73‧‧‧感光元件

74‧‧‧金線

75‧‧‧遮光蓋

76‧‧‧開口

77‧‧‧透明物質

561‧‧‧側壁

562‧‧‧前板

563‧‧‧開口

第1圖顯示傳統之一光學距離感測裝置之一剖面結構示意圖。

第2圖顯示傳統之另一光學距離感測裝置之一剖面結構示意圖。

第3圖顯示傳統之另一光學距離感測裝置之一剖面結構示意圖。

第4圖顯示傳統之另一光學距離感測裝置之一剖面結構示意圖。

第5圖顯示傳統之另一光學距離感測裝置之一剖面結構示意圖。

第6圖顯示依據本發明之一實施例之一光學距離感測裝置之一剖面結構示意圖。

6‧‧‧光學距離感測裝置

11、12‧‧‧焊接材料

18‧‧‧第一基板

20‧‧‧物體

30‧‧‧保護蓋

40‧‧‧發光單元

41‧‧‧第二基板

42‧‧‧發光元件

43‧‧‧透明物質

44‧‧‧金線

51‧‧‧第三基板

52‧‧‧感光元件

54‧‧‧金線

55‧‧‧透明物質

56‧‧‧不透明上蓋

57‧‧‧感光單元

561‧‧‧側壁

562‧‧‧前板

563‧‧‧開口

Claims (16)

1. 一種光學距離感測裝置，包括：一第一基板，其上裝配一發光單元及一感光單元旁設於該發光單元，該發光單元及該感光單元皆與該第一基板電性連接，該發光單元包括一第二基板及一發光元件與該第二基板電性連接，該感光單元包括一第三基板、一不透明上蓋及一感光元件與該第三基板電性連接，該不透明上蓋係與該第三基板連接以設置於該感光元件上方，其中並形成有一開口對應該感光元件；其中，該發光元件發出的一光訊號可經該開口射入至該感光元件，然而在該感光單元旁側的方向的該光訊號係被該不透明上蓋遮蔽。
2. 如申請專利範圍第1項所述之光學距離感測裝置，其中該不透明上蓋更形成一前板及至少一側壁與該前板連接，該側壁在該感光單元之外側經一黏著物質與該第三基板連接。
3. 如申請專利範圍第2項所述之光學距離感測裝置，其中該黏著物質為環氧樹脂。
4. 如申請專利範圍第1項所述之光學距離感測裝置，其中該不透明上蓋為一黑色不透明上蓋。
5. 如申請專利範圍第1項所述之光學距離感測裝置，其中該不透明上蓋為尼龍、塑膠、金屬、或液晶聚合物。
6. 如申請專利範圍第1項所述之光學距離感測裝置，其中該不透明上蓋為經模塑製成。
7. 如申請專利範圍第1項所述之光學距離感測裝置，其中該第一基板為一銅箔基板、一導線架、一樹脂基板、一印刷電路板基板或一軟性印刷電路板基板。
8. 如申請專利範圍第1項所述之光學距離感測裝置，其中該第二基板為一銅箔基板、一導線架、一樹脂基板、一印刷電路板基板或一軟性印刷電路板基板。
9. 如申請專利範圍第1項所述之光學距離感測裝置，其中該第三基板為一銅箔基板、一導線架、一樹脂基板、一印刷電路板基板或一軟性印刷電路板基板。
10. 如申請專利範圍第1項所述之光學距離感測裝置，其中該發光元件及該感光元件皆以一透明物質密封。
11. 如申請專利範圍第10項所述之光學距離感測裝置，其中該透明物質包括任意比例混合的塑膠、硬化劑、催化劑、環氧樹脂、透明膠之混合物。
12. 一種光學距離感測裝置組裝方法，包括下列步驟：(A)在一第二基板上裝配一發光元件與該第二基板電性連接以形成一發光單元；(B)在一第三基板上裝配一感光元件與該第三基板電性連接，且將一不透明上蓋設置於該感光元件上方以形成一感光單元，該不透明上蓋中形成有一開口對應該感光元件；及(C)在一第一基板上裝配該發光單元及該感光單元旁設於該發光單元，並將該發光單元及該感光單元與該第一基板電性連接，使該發光元件發出的一光訊號可經該開口射入至該感光元件，然而在該感光單元旁側的方向的該光訊號係被該不透明上蓋遮蔽。
13. 如申請專利範圍第12項所述之光學距離感測裝置組裝方法，其中步驟(B)更包括：使與該不透明上蓋之一前板連接之至少一側壁，在該感光單元之外側經一黏著物質與該第三基板連接。
14. 如申請專利範圍第13項所述之光學距離感測裝置組裝方 法，其中步驟B)更包括：以環氧樹脂作為該黏著物質將該不透明上蓋之該側壁與該第三基板連接。
15. 如申請專利範圍第12項所述之光學距離感測裝置組裝方法，其中步驟(B)更包括：以尼龍、塑膠、金屬、或液晶聚合物形成該不透明上蓋。
16. 如申請專利範圍第12項所述之光學距離感測裝置組裝方法，其中步驟(B)更包括：以模塑製程製作該不透明上蓋。