TWI773061B

TWI773061B - 近接感測裝置封裝結構及封裝方法

Info

Publication number: TWI773061B
Application number: TW109146803A
Authority: TW
Inventors: 林煒挺
Original assignee: 神煜電子股份有限公司
Priority date: 2020-12-30
Filing date: 2020-12-30
Publication date: 2022-08-01
Also published as: TW202226035A

Abstract

本發明提供近接感測裝置封裝結構與方法的解決方案，其具有降低串音干擾以及提高空間設計彈性的效果。本發明的光遮擋件，其上部為不透光材料，下部為晶片黏結薄膜。光遮擋件可設置在發光元件及感光元件間的基板表面、或部分在基板表面，或設置在感光元件表面，因而提高近接感測裝置的布局設計彈性。光遮擋件相對於近接感測裝置的發光元件之光具有低穿透率之性質，且與封裝材料具有共平面之特徵，避免或降低光穿透光遮擋件，隨之降低或避免串音干擾的效果。

Description

近接感測裝置封裝結構及封裝方法

本發明涉及近接感測裝置封裝結構及方法，特別是其具有降低串音干擾及提高布局設計彈性的效果。

近接感測裝置(proximity sensing device)需結合發光元件及感光元件來判斷與物體的距離。因此，需在發光元件及感光元件間設置光遮擋件，避免或降低串音干擾(crosstalk)。

常見的方式，是先完成初步封裝，在發光元件及感光元件間切割出一凹槽，在凹槽填入黑色的樹脂(epoxy)，固化後形成光遮擋件，表面研磨平整後，完成近接感測裝置。此種作法的問題是切割製程需傷及IC的基板表面，發光元件及感光元件間的連接線(circuit)無法布局在基板正面，電路線的布局需從通孔或從側邊，將導線繞道基板後表面，或擠壓連接腳(pad)的空間佈局設計。

第二種常見的方式是，先在發光元件及感光元件間的設置光遮擋件，再注模膠封(modeling)，完成近接感測裝置，此種先設置光遮檔件的方式，主要問題是必須先確定遮檔件在封裝結構的位置，在設置發光元件及感光元件之前，先完成該光遮檔件的結構，故其必須要額外製作模具。此種方式，可能因模具的設計製作，光遮擋件在膠封後，在封膠與光遮擋件可能形成具有一空隙形成漏光路徑，減損光的阻隔效果，衍生串音干擾的疑慮。

除了發光元件與感光元件設置光遮擋件外，發光元件與感光元件的感測器間須有一定距離，才能確保不會發生嚴重的干擾情況。通常發光元件面積小，感光元件具有感測信號處理電路，因而有較大的面積，再加上遮阻擋件與發光元件與、感光元件間的距離，使得近接感測裝置面積不易縮小。

另外，常見的發光元件通常採用發光二極體(LED)，具有較大的光發散角，散射角度大的光在封膜界面會生反射，而在封膠傳播，引發串音干擾。比較常看到的解決方式是在基板表面形成碗型凹槽(U-type Cave)，作為集光器，縮小光發散角，但製程工序則變得較複雜。

為了解決上述問題，本發明提供了一種感測裝置封裝結構，該感測裝置封裝結構，包含一發光元件以及一感光元件，設置於一基板表面；一光遮擋件，設置在該發光元件與該感光元件之間，其中該光遮擋件的下部具一晶片黏結薄膜，上部具有一不透光材料；以及一封裝材料，完全覆蓋該發光元件、該感光元件以及該不透光遮擋元件。

本發明另提供一種感測裝置封裝方法，包含準備一基板，在該基板表面進行電路布局；設置一發光元件以及一感光元件於一基板表面；設置一光遮擋件於該發光元件以及該感光元件之間；以及以一封裝材料完全覆蓋該發光元件、該感光元件以及該光遮擋件。

本發明所提供的感測裝置封裝結構所需空間小以及低串音干擾之特性，以及不需額外模具與切割的製程方式，即可達到具有相同效果的光遮檔件結構。因此，本發明有利近接感測裝置，具有較高的布局彈性以及低串擾性質。

以下各實施例配合圖式，用以說明本發明之精神，讓本技術領域之人士能清楚理解本發明之技術，但非用以限制本發明的範圍，本發明之專利權範圍應由請求項界定。特別強調，圖式僅為示意之用，並非代表元件實際之尺寸或數量，部份細節可能也不完全繪出，以求圖式之簡潔。

以下說明本發明的技術手段之原理及其效果。

本發明的近接感測裝置，採用雷射二極體作為發光元件，其具有較小的光發散角，有效降低光散射的情況，相對在封膠傳播的光也減少，隨之降低串音干擾。常見的是採用垂直共振腔面射型雷射（VCSEL, Vertical Cavity Surface Emitting Laser）。

本發明採用的光遮擋件具有二部結構，上部為不透光材料(opaque or non-transparent material) ，通常為黑色具有較大的光遮擋能力，下部為晶片黏結薄膜(DAF, Die Attach Film)。光遮擋件的布局可以設置在發光元件與的感光元件間的基板表面、或在感光元件邊緣的表面、或部分在感光元件表面，部分在基板表面。下部晶片黏結薄膜，具有類似果凍膠的性質，不會傷害IC導電腳(die pad)、IC導線(wire)、基板表面線路(lead or lines of circuit)以及感光元件，上部不透光材料仍有效阻擋光的傳播。光遮擋件下部與基板表面或感光元件表面接觸，上表面及側表面與封膠則共平面。

在製程上，先將發光元件以及感光元件布局在基板表面，接著將光遮擋件設置在發光元件以及感光元件間的基板上、或部分在基板上，部分在感光元件表面、或全部在感光元件表面，注模膠封並固化後，可選擇地進行表面平整化，使光遮擋件與封膠裝材料的上表面及側表面具有共平面，同時平整化，完成近接感測裝置之製作。

本發明的光遮擋件的下部為晶片黏結薄膜，不會傷害IC導電腳、IC導線、基板表面線路以及晶片，因而可在基板表面佈線，導通發光元件以及感光元件，走線無須透過通孔或側面，布局在基板的下表面，也不會擠壓連接腳(pad)的布局設計。

本發明的光遮擋可以設置在發光元件與感光元件間的基板表面、部分在感光元件上或在感光元件邊緣，布局設計所需要的空間小，近接感測裝置整體大小以及長寬比具有較大的調整度，因而整體布局設計具有較大的彈性。

本發明光遮擋件上表面與側表面與封裝材料共平面，不會有餘留空隙形成漏光路徑，光無法反射回封裝材料內部，避免產生串音干擾。

本發明利用雷射二極體作為發光元件，降低光發散角，不會發生發散角大的反射現象，有效降低在封膠內部傳播的現象。

小結，本發明所提供的近接感測裝置封裝結構，利用光遮擋件可布局在發光元件及感光元件的基板表面、可部分在基板表面，部分在感光元件表面、或全部設置在感光元件表面，降低整體需求面積，實作時可縮小或調整整體面積大小。利用雷射發光元件具有小的發散角，可直接設置在基板表面，無須再另行設置集光器等基板加工程序，以及光遮檔件與封膠的上表面與側表面具有共平面的特性，降低或避免光串音干擾的情況。

以下說明利用本發明技術手段的實施例。

請參閱圖1、圖2及圖3，係為本發明的三種感測裝置封裝結構示意圖。感測裝置封裝結構包含基板10、發光元件20及感光元件30設置於基板10表面、光遮擋件以及以一封裝材料60。

封裝材料60完全覆蓋發光元件20、感光元件30、光遮擋件及基板表面，使得發光元件20、感光元件30及光遮擋件完全位於封裝材料60中。光遮擋件的上表面與封裝材料60的上表面與側表面具有共平面，意即光遮擋件與封膠同高同寬。

光遮擋件下部具有晶片黏結薄膜50，上部具有不透光材料40。晶片黏結薄膜50未硬化前，類似果凍膠，具有極大的壓縮能力且不會傷害基板10上的走線以及感光元件30的表面。因此可以設置在基板10上(如圖1所示)、或部分在感光元件30的表面、或全部在感光元件30的表面。

圖2所示實施例中，光遮擋件完全設置於感光元件30上。光遮擋件的晶片黏結薄膜50被壓縮到最薄，光遮擋件與封膠(封裝材料60)的上表面及側表面維持共平面。

圖3所示實施例中，光遮擋件部分設置於感光元件30表面以及部分設置於基板10表面，感光元件30下方與基板10表面上方的簍空部分為晶片黏結薄膜50，其可提供光遮擋件的支撐基礎，使光遮擋件亦可緊固地黏附在基板10上，但光遮擋件與封膠(封裝材料60)的上表面及側表面還是可維持共平面。

封裝材料60為透明的物質，發光元件20所發出光才得以傳播並射出，打在物體表面反射回封裝材料60，而被感光元件30捕捉，達到近物感測的功能。但是，發光元件20所射出的光，在封裝材料60界面會發生反射現象，此反射光會在封裝材料60傳播，也被感光元件30捕捉，形成干擾源，此即為串音干擾。因此，利用光遮擋件即在阻止此類光傳播至感光元件30。本發明的光遮擋件與封裝材料60的上表面與側表面具有共平面，光遮擋件與封裝材料60沒有空隙作為反射光的傳播路徑，因而避免反射光傳播的可能性。

光遮擋件的不透光遮材料40可由矽晶圓、金屬、環氧樹脂、樹脂與矽膠混合膠或壓克力膠等材料製成。不透光遮材料40的選用是依據發光元件20的光譜決定，通常選用對發射光源穿透率低的材料，旨在降低光穿透光遮擋件的可能性。另外，光遮擋件的厚度W不小於100μm，通常大於或等於200μm。光在不透明材料40中的穿透率，隨厚度而降低，舉例而言，若一般不透明材料40為矽，厚度W如大於或等於200μm，對近紅外光源穿透率通常會降到1%以下。明顯的，光遮擋件的不透光材料40的選用，是依據光譜，選擇相對低穿透率為原則，搭配一定的厚度W，即可達到所設定的光遮擋效果。如上述，一般要求光遮擋件的光穿透率低於1%。

晶片黏結薄膜40黏著性強、壓縮比高，且固化前具有果凍膠的效果，固化後可研磨，常用於高速晶圓貼覆處理，且不影響導線的導電性。將晶片黏結薄膜40設置在光遮擋件下部，可保護基板或晶片。晶片黏結薄膜40的厚度通常略大於感光元件30的厚度，壓縮後，晶片黏結薄膜40厚度仍可控制在20μm以下。因此，如圖1以及圖2所示實施例，利用晶片黏結薄膜40的特性，發光元件20以及感光元件30導通電路走線(圖未示)仍可布局在基板10表面。

以下說明本發明近接感測裝置封裝方法的實施例。

封裝前準備工作項目，需先製作光遮擋件。光遮擋件之製作。先準備不透光材料40，再將晶片黏結薄膜50設置於不透光材料40下，形成光遮擋件。通常晶片黏結薄膜50厚度略高於感光元件30的高度，且不透光材料40不小於近接感測裝置整體的厚度及寬度。

接著說明封裝製程，請參閱圖4。

步驟S401，設置一電路布局於一基板表面，用以電性導通發光元件20以及感光元件30。

步驟S402，設置發光元件20以及感光元件30於基板10上。

步驟S403，設置光遮擋件於發光元件20以及感光元件30間的基板10表面、或部分在基板10表面，部分在感光元件30表面、或者在感光元件30的表面。

通常晶片黏結薄膜50不高於一定厚度，通常小於20μm，使得整體光遮擋件略高於近接感測裝置整體的高度。特別要說明的是，在光遮擋件部分在基板表面，部分在感光元件表面之實施例中，在光遮擋件與基板的空間是由晶片黏結薄膜50作為支撐，厚度約等於感光元件的厚度，但布局在感光元件表面的晶片黏結薄膜50的厚度不大於20μm，避免晶片黏結薄膜50變成為光路。

步驟S404，注模膠封該基板10，使封裝材料60覆蓋基板10、發光元件20、感光元件30以及光遮擋件。

步驟S405，若封裝製程造成光遮擋件40高於封裝整體之表面，可選擇地進行表面平整化的處理，使光遮擋件以及封裝材料60的上表面及側表面具有共平面並平整化，完成近接感測裝置。常見的平整化處理包含表面研磨、切割、噴砂或拋光等。需特別說明的是，本發明的表面平整化隨封裝整體的研磨完成，無需特別的模具或切割，降低製程複雜度及成本。

綜上所述，本發明的近接感測裝置的封裝結構，利用不透光遮材料以及晶片黏結薄膜形成光遮擋件，得設置在基板表面或感光元件表面的特性，降低布局所需面積且不影響導線電性，同時可避免或降低反射光在封裝材料傳播的情況，提高近接感測裝置的封裝品質。

10 基板 20 發光元件 30 感光元件 40 不透光材料 50 晶片黏結薄膜 60 封裝材料 W 厚度 S401~S405 步驟

圖1為本發明一實施例的感測裝置封裝結構示意圖。

圖2為本發明另一實施例的感測裝置封裝結構示意圖。

圖3為本發明又另一實施例的感測裝置封裝結構示意圖。

圖4為本發明一實施例的感測裝置封裝流程圖。

10 基板 20 發光元件 30 感光元件 40 不透光材料 50 晶片黏結薄膜 60 封裝材料 W 厚度

Claims

一種近接感測裝置封裝結構，包含：一發光元件以及一感光元件，設置於一基板表面，其中該基板表面上具有導通該發光元件與該感光元件的一電路；一光遮擋件，設置在該感光元件表面、該電路或其兩者上以區隔該發光元件與該感光元件，其中該光遮擋件的下部具一晶片黏結薄膜，上部具有一不透光材料；以及一封裝材料，完全覆蓋該發光元件、該感光元件、該不透光遮擋元件以及該基板。
如請求項1所述之近接感測裝置封裝結構，其中該光遮擋件的該晶片黏結薄膜厚度不大於20μm。
如請求項1所述之近接感測裝置封裝結構，其中該光遮擋件部分設置於該電路上，部分設置在該感光元件表面。
如請求項3所述之近接感測裝置封裝結構，其中該光遮擋件的該晶片黏結薄膜厚度，在該感光元件表面的部分不大於20μm，在該基板的表面等於該感光元件，作為該光遮擋件的底部支撐。
如請求項1所述之近接感測裝置封裝結構，其中該光遮擋件設置在該感光元件表面。
如請求項5所述之近接感測裝置封裝結構，其中該光遮擋件的該晶片黏結薄膜厚度不大於20μm。
如請求項1所述之近接感測裝置封裝結構，其中該光遮擋件的該不透光材料，係依據該發光元件所發出的光決定，使得該光遮擋件的光穿透率不高於1%。
如請求項7所述之近接感測裝置封裝結構，其中該光遮擋件的該不透光材料是矽晶圓、金屬、環氧樹脂、樹脂與矽膠混合膠或壓克力膠或其組合。
如請求項1所述之近接感測裝置封裝結構，其中該光遮擋件的厚度不小於100μm。
如請求項9所述之近接感測裝置封裝結構，其中該光遮擋件的該不透光材料，相對於該發光元件所發出的光，光穿透率不高於1%。
如請求項1所述之近接感測裝置封裝結構，其中該發光元件為一雷射二極體。
如請求項11所述之近接感測裝置封裝結構，其中該雷射二極體為一垂直共振腔面射型雷射二極體。
如請求項1所述之近接感測裝置封裝結構，其中該光遮擋件與該封裝材料的上表面及下表面皆具有共平面。
一種近接感測裝置封裝方法，包含：設置一電路於一基板表面；設置一發光元件以及一感光元件於該基板表面，該發光元件以及該感光元件透過該電路達成電性導通；結合一晶片黏結薄膜於一不透光材料下部形成一光遮擋件；設置該光遮擋件於該感光元件表面、該電路或其兩者上以區隔該發光元件與該感光元件；以及注入一封裝材料至完全覆蓋該發光元件、該感光元件、該光遮擋件以及該基板表面。
如請求項14所述之近接感測裝置封裝方法，於注入該封裝材料之步驟後，更包含一平整化之步驟，其中該平整化步驟使得該光遮擋件與該封裝材料的側表面及上表面皆具有共平面。