TWI751480B - 光電感測封裝結構 - Google Patents

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Abstract

根據本發明，係提出一種光電感測封裝結構，包括：一雷射元件，具 有一出光面；一收光元件，具有一收光面；及一基板，具有一底部及一凹部空間，該底部具有第一孔洞及第二孔洞，雷射元件和收光元件係設於凹部空間內且與基板電連接；其中，第一孔洞係對應於雷射元件之出光面，且第二孔洞係對應於收光元件之收光面。

Description

光電感測封裝結構
本發明是關於一種光電感測封裝結構，特別是關於一種包含雷射元件以及收光元件之光電感測封裝結構。
關於出光元件，例如垂直共振腔面射雷射(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL)之雷射元件，搭配收光元件，例如光偵測晶片(Photo-Detector Integrated Circuit，PDIC)，之封裝製程，一般需於製程中進行繁瑣的封膠(Molding)
Figure 109102393-A0305-02-0003-14
和對位程序，以避免雷射元件雷射元件和收光元件之間發生干擾(Cross-talk)效應。
請參閱第1A圖和第1B圖，係以雷射元件搭配收光元件的一種習知光電感測封裝結構10的上視示意圖和側視示意圖。先將發光用之雷射元件110和收光用之收光元件120固定於基板100上、分別打上導電線路112、122後，進行第一次封膠，在雷射元件110和收光元件120上形成透明保護結構130，其中透明保護結構130包含兩個彼此獨立的透明保護結構130A、130B分別包覆雷射元件110和收光元件120；接著再進行第二次封膠形成包覆在透明保護結構130外之黑膠層140。黑膠層140可以隔離透明保護結構130A與130B，以防止雷射元件110和收光元件120之間光串擾(Cross-talk)而影響光訊號偵測的準 確性。黑膠層140上對應於雷射元件110的出光(如箭頭方向E所示)和收光元件120的收光(如箭頭方向R所示)係形成有相應的孔洞，作為光電感測封裝結構10的出光孔141和收光孔142。然而，黑膠層140中所形成之出光孔141和收光孔142必須分別與雷射元件110和收光元件120精確對位，始可確保光電感測封裝結構10可以正確地發射光線與接收光線。
請參閱第2A圖和第2B圖，係以雷射元件搭配收光元件的另一種習知光電感測封裝結構20的上視示意圖和側視示意圖。先將出光用(如箭頭方向E所示)之雷射元件210和收光用(如箭頭方向R所示)之收光元件220固定於基板200上、分別打上導電線路212、222後，進行封膠，形成透明保護結構230。接著於透明保護結構230中形成切割道232，切割道232係延伸達基板200的上表面200A，使透明保護結構230形成兩個彼此獨立的透明保護結構230A、230B分別包覆雷射元件210和收光元件220，於切割道232中填入黑膠240以避免漏光串擾。此製程相對簡易，但因需切割破壞透明保護結構230，故將使整個封裝結構20變得相對脆弱。
請參閱第3A圖和第3B圖，係以雷射元件搭配收光元件的另一種習知光電感測感測封裝結構30的上視示意圖和側視示意圖。將出光用(如箭頭方向E所示)之雷射元件310和收光用(如箭頭方向R所示)之收光元件320固定於基板300上、分別打上導電線路312、322後，進行封膠，形成透明保護結構330。接著於透明保護結構330中形成切割道332；不同於第2A圖和第2B圖所示封裝結構20，在此例中，於基板的上表面300A上保留部分透明保護結構330，意即切割道332並未深達基板300的上表面300A。相較之下，此製程雖更簡易，但仍因需切割破壞透明保護結構330，故將使整個封裝結構20變得相對脆弱； 切割道332中所留下的部分透明保護結構330亦將因殘餘高度不同而導致不同程度的光串擾。
本發明提供一種光電感測封裝結構，係利用覆晶結構(Flip Chip)之雷射元件及收光元件形成，省去習知光電感測封裝製程中繁瑣的封膠和對位程序，亦省去習知封裝結構所需之打線空間，進一步減小整個封裝結構的體積。
根據本發明，係提出一種光電感測封裝結構，包括：一雷射元件，具有一出光面；一收光元件，具有一收光面；及一基板，具有一底部及一凹部空間，該底部具有一第一孔洞和一第二孔洞，雷射元件和收光元件係設於凹部空間內且與基板電連接；其中，第一孔洞係對應於雷射元件之出光面，且第二孔洞係對應於收光元件之收光面。
10:光電感測封裝結構
100:基板
110:雷射元件
112:導電線路
120:收光元件
122:導電線路
130:保護結構
140:黑膠層
141:出光孔
142:收光孔
20:光電感測封裝結構
200:基板
200A:上表面
210:雷射元件
212:導電線路
220:收光元件
222:導電線路
230:保護結構
232:切割道
240:黑膠
30:光電感測封裝結構
300:基板
300A:上表面
310:雷射元件
312:導電線路
320:收光元件
322:導電線路
330:保護結構
332:切割道
40:光電感測封裝結構
400:導電基板
400A1~400A6:接腳
401:側壁
402:底部
403:凹部空間
410:雷射元件
410A:出光面
412:第一導電結構
420:收光元件
420A:收光面
422:第二導電結構
430:保護結構
451:出光孔
452:收光孔
E:出光方向
R:收光方向
為能更進一步瞭解本發明之特徵與技術內容，請參閱下述有關本發明實施例之詳細說明及如附圖式。惟所揭詳細說明及如附圖式係僅提供參考與說明之用，並非用以對本發明加以限制；其中：第1A圖和第1B圖，係以雷射元件搭配收光元件的一種習知光電感測封裝結構的上視示意圖和側視示意圖。
第2A圖和第2B圖，係以雷射元件搭配收光元件的另一種習知光電感測封裝結構的上視示意圖和側視示意圖。
第3A圖和第3B圖，係以雷射元件搭配收光元件的另一種習知光電感測封裝結構的上視示意圖和側視示意圖。
第4A圖至第4G圖，係本發明之光電感測封裝製程中各步驟所形成結構的示意圖，用以說明根據本發明之實施例的光電感測封裝結構。
下文係參照圖式、並且以示例實施例說明本發明之概念，在圖式或說明中，相似或相同的部分係使用相同的元件符號；再者，圖式係為利於理解而繪製，圖式中各層之厚度與形狀並非元件之實際尺寸或特定比例關係。
請參閱第4A圖至第4G圖，係本發明之光電感測封裝製程中各步驟所形成結構的示意圖，以說明根據本發明之實施例的光電感測封裝結構40。
第4A圖係導電基板400之示意下視圖，在本發明中，係直接於光電感測封裝製程用之導電基板400中形成光電感測封裝結構之出光孔451和收光孔452。第4B圖係沿第4A圖中線AA’所示之截面圖，說明用於本實施例中之導電基板400的側面形態；如第4B圖所示，導電基板400具有複數個側壁401、底部402、以及由側壁401與底部402圍設而成的凹部空間403。底部402上具有出光孔451和收光孔452。
如第4C圖所示，出光孔451和收光孔452的孔徑需分別大於或等於雷射元件410的出光面410A和後續形成之收光元件420之收光面420A，以利於雷射元件410的光束通過出光孔451以及光束反射後通過收光孔452被收光元件420吸收。在本發明中，導電基板400可為陶瓷基板、經射出成型或鑄模成形(Molding)之塑膠基板、環氧玻璃複層基板(FR4)、雙馬來醯亞胺-三氮雜 環樹脂(Bismaleimide Triazine，BT)基板、鋁基板(MCPCB)、或其他具有導電線路之基板。基板中具有相應的設計導電結構(未示)以供電性連接用。
如第4C圖所示，將雷射元件410和收光元件420以覆晶方式固定於導電基板400的底部402上。在本實施例中，雷射元件410係一垂直共振腔面射雷射(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL)晶片用以發出一雷射光束，具有出光面410A面對底部402上的出光孔451；收光元件420係一光電偵測晶片(Photo-Detector IC，PDIC)用以吸收雷射元件410發出的雷射光束反射回來的光線，並將光線轉換成電訊號，並具有收光面420A面對底部402上的收光孔452。在本實施例中，雷射元件410和收光元件420皆為覆晶式晶片，其中雷射元件410具有第一導電結構412設置在出光面410A上，收光元件420具有第二導電結構422設置在收光面420A上；雷射元件410和收光元件420分別藉由第一導電結構412和第二導電結構422而固接於導電基板400的凹部空間403中，並藉由第一導電結構412和第二導電結構422以覆晶方式與導電基板400電連接。第一導電結構412和第二導電結構422可使用導電性膠材形成，例如錫膏、銀膠、或其他具有導電性之接著材料等。
接著，如第4D圖所示，於凹部空間403中填入膠材包覆雷射元件410和收光元件420，形成保護結構430。將第4D圖所示結構倒置後，即形成如第4E圖所示之光電感測封裝結構40。光電感測封裝結構40之上視圖係如第4F圖所示，光電感測封裝結構40之下視圖係如第4G圖所示。
復參第4E圖所示，本發明之光電感測封裝結構40包括：雷射元件410，其具有一出光面410A；收光元件420，其具有收光面420A；及導電基板400。導電基板導電具有複數個側壁401、底部402以及由側壁401和底部402 所限定的凹部空間403；雷射元件410和收光元件420係固定於凹部空間403內，且分別藉由第一導電結構412和第二導電結構422與導電基板400之底部402的電路(圖未示)電連接。在一實施例中，光電感測封裝結構40之下視圖如第4G圖所示。導電基板400包含位於下表面400S上的接腳400A1~400A6，藉由導電基板400中的電路層(圖未示)，接腳400A3、400A4透過第一導電結構412與雷射元件410電連接；接腳400A1、400A2透過第二導電結構422與收光元件420電連接。本實施例中，光電感測封裝結構40可藉由接腳400A1~400A6與電源及/或外部電路電連接，用以引入電流控制雷射元件410、收光元件420以及輸出收光元件420的電訊號。
出光孔451以及收光孔452分別貫穿基板400的底部402，出光孔451係對應於雷射元件410的出光面410A，收光孔452係對應於
Figure 109102393-A0305-02-0008-15
收光元件420的收光面420A。在本實施例中，雷射元件410係一VCSEL晶片以發出一雷射光束(如箭頭方向E所示)通過出光孔451射出，當雷射光束被待測物體反射後，通過收光孔452被
Figure 109102393-A0305-02-0008-16
收光元件420所吸收，收光元件420係一PDIC晶片用以將反射回來的雷射光束(如箭頭方向R所示)吸收後轉換成電訊號，再輸出給其他的外部電子元件做進一步的處理，例如用於感測物體、量測距離等應用。如第4F圖所示，在一實施例中，收光孔452的孔徑大於出光孔451的孔徑，以增加被反射後之雷射光束通過收光孔452的機率。在本實施例中，封裝結構40具有保護結構430，其係藉由於導電基板400的凹部空間403內填充保護膠材包覆雷射元件410和收光元件420而形成，其中保護結構430包含絕緣的膠材，例如矽膠(Silicone)或者環氧樹脂(Epoxy resin)。在一實施例中，出光孔451及收光孔452可填入透明材料，例如透明的矽膠(Silicone)、環氧樹脂(Epoxy resin)，或置入透 鏡，以分別保護雷射元件410及收光元件420。此外，透鏡也可以改變入射光或出射光的光學路徑，例如，聚光、散光或準直光。
基於前述，本發明提供了一種新穎的覆晶式超薄光電感測封裝結構。根據本發明，利用覆晶方式，直接利用覆晶封裝之導電基板作為VCSEL和PDIC之間的遮蔽結構，除簡化感測封裝製程外，亦可減小封裝結構之厚度，實現超薄型之光電感測封裝結構。
此外，本發明利用覆晶式晶片於光電感測封裝結構之中，由於覆晶式晶片不需要打線，因而省去線材佔據的空間，進而可以減小封裝結構的體積。更因雷射元件出光面與封裝結構出光孔之間的距離、收光元件收光面與封裝結構收光孔之間的距離大幅減少，故可顯著降低漏光風險；同時不需要設置如第1B圖及第2B圖中的黑膠將雷射元件110/210及收光元件120/220隔開，即可實現零串擾(Zero Cross-talk)之功效，進一步提升光電感測封裝結構的效能。
需注意的是，本發明所提之前述實施例係僅用於例示說明本發明，而非用於限制本發明之範圍。熟習本發明所屬領域技藝之人對本發明所進行之諸般修飾和變化皆不脫離本發明之精神與範疇。不同實施例中相同或相似的構件、或不同實施例中以相同元件符號表示的構件係具有相同的物理或化學特性。此外，在適當的情況下，本發明之上述實施例係可互相組合或替換，而非僅限於上文所描述的特定實施例。在一實施例中所描述的特定構件與其他構件的連接關係亦可應用於其他實施例中，其皆落於本發明如附申請專利範圍之範疇。
40:封裝結構
400:導電基板
401:側壁
402:底部
403:凹部空間
410:雷射元件
410A:出光面
412:第一導電結構
420:收光元件
420A:收光面
422:第二導電結構
430:保護結構
451:出光孔
452:收光孔
E:出光方向
R:收光方向

Claims (10)

  1. 一種光電感測封裝結構，包括：一雷射元件，具有一出光面及一表面相對於該出光面；一收光元件，具有一收光面；一基板，具有一底部及一凹部空間，該底部具有第一孔洞及第二孔洞，該雷射元件和該收光元件係設於該凹部空間內且固接於該底部，且該雷射元件和該收光元件分別電連接於該基板；及一保護結構，覆蓋該表面；其中，該第一孔洞係對應於該雷射元件之該出光面，且該第二孔洞係對應於該收光元件之該收光面，且該第二孔洞的孔徑大於該第一孔洞的孔徑。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之光電感測封裝結構，其中，該雷射元件具有一第一導電結構，係設置於該出光面，該第一導電結構直接連接於該底部且與該基板電連接。
  3. 如申請專利範圍第1或2項所述之光電感測封裝結構，其中，該收光元件包含一第二導電結構，係設置於該收光面上，該第二導電結構直接連接於該底部且與該基板電連接。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之光電感測封裝結構，其中，該基板圍繞該保護結構。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之光電感測封裝結構，其中該保護結構未覆蓋該出光面或該收光面。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之光電感測封裝結構，其中該雷射元件係一垂直共振腔面射雷射(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL)元件，且該收光元件係一光偵測元件。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之光電感測封裝結構，其中，該雷射元件具有一第一側壁，該收光元件具有一第二側壁，且該基板與該第一側壁分離，該基板與該第二側壁分離。
  8. 一種光電感測封裝結構包括：一雷射元件，具有一出光面及一表面相對於該出光面；一收光元件，具有一收光面；一基板，具有一底部及一凹部空間，該底部具有第一孔洞及第二孔洞，該雷射元件和該收光元件係設於該凹部空間內且固接於該底部，且該雷射元件和該收光元件分別電連接於該基板；及一保護結構，覆蓋該表面；其中，該第一孔洞係對應於該雷射元件之該出光面，且該第二孔洞係對應於該收光元件之該收光面；及其中，於一剖面圖中，該雷射元件具有一第一寬度且該第一孔洞具有一第二寬度，該第二寬度小於該第一寬度。
  9. 如申請專利範圍第1或8項所述之光電感測封裝結構，更包含一透明材料或一透鏡設置於該第一孔洞及該第二孔洞中。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之光電感測封裝結構，其中，該雷射元件具有一第一側壁、該收光元件具有一第二側壁，該保護結構位於該第一側壁及該基板之間、以及位於該第二側壁與該基板之間。
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