TWI811557B

TWI811557B - 光學感測模組

Info

Publication number: TWI811557B
Application number: TW109126276A
Authority: TW
Inventors: 李孝文; 陳義文; 童義興
Original assignee: 立碁電子工業股份有限公司
Priority date: 2020-07-31
Filing date: 2020-07-31
Publication date: 2023-08-11
Also published as: TW202207436A

Abstract

一種光學感測模組，其包含一基板、一發光晶片、一感測晶片、至少一封裝膠體以及一殼體，基板具有一安裝面，殼體係設置於安裝面上，發光晶片與感測晶片係相互分離地設置於殼體內，至少一封裝膠體係分別包覆發光晶片以及感測晶片，且該殼體具有一發射孔及一接收孔，該發射孔以及接收孔分別位於發光晶片以及感測晶片上方。

Description

光學感測模組

本發明是有關於一種感測模組，特別是關於一種光學感測模組。

環境光感測器是一種可以感知周圍光線情況的光學元件，根據環境光感測器檢測到的光線對顯示器或者攝像頭進行調節，距離感測器是一種利用「飛行時間法」(time of flight)的原理來檢測物體的距離，「飛行時間法」是通過發射特別短的並測量此光脈衝從發射到被物體反射回來的時間，通過測時間間隔來計算與物體之間的距離，然，習知的距離感測器於封裝完成後，由於光發射元件所發出之光線經由物體表面反射後，該光線之功率往往已大為降低，使得相鄰之光接收晶片所接收之光訊號產生不良，進而造成安裝該感測器之智慧型電子裝置訊號無法穩定且精確地作判讀。

故，現有的距離感測器內之光發射元件的發光路徑上通常需設置有聚光效果之物質或設計有聚光效果之結構，以增強發光單元光發射之強度，例如中華民國發明專利公告號第I627572 號「行動裝置及其近接感測模組」、中華民國發明專利公告號第I619208號「具聚光結構之光學模組的封裝方法」等，其可進一步將預定形狀的透明封裝材料形成在發光元件或光學感應器上方以形成透鏡，進而達到聚光或導引光線的效果，然，一般大多使用模塑成型(molding)技術來進行將透明封裝材料形成的透鏡的製程，倘若透鏡設計不良，無論來自是透鏡本體光學設計、模具模穴尺寸的誤差或模具對位的機械誤差所累加而造成透鏡尺寸、位置的誤差都會影響光學模組的運作，再者，現有的光感測裝置，大多是近距離感測，故有其改善之必要。

有鑑於上述的問題，本發明提供一種藉由一光學透鏡結構之設計，達到可提升發光之效率之光學感測模組。

本發明之一實施例提出一種光學感測模組，包括一基板、一發光晶片、一感測晶片、至少一封裝膠體以及一殼體，基板具有一安裝面，殼體係裝設於安裝面上，發光晶片與感測晶片係相互分離地設置於殼體內，至少一封裝膠體係分別包覆發光晶片以及感測晶片，且該殼體具有一發射孔及一接收孔，該發射孔以及接收孔分別於發光晶片以及感測晶片上方。

於一實施例中，該基板材質可為雙馬來醯亞胺三嗪基板、玻璃纖維基板、金屬基板或陶瓷基板等。

於一實施例中，該殼體為不透光材質，可由任何可阻隔光線之不透明材質製作，例如：樹脂、金屬、尼龍、塑膠、液晶聚合物、或其他不透明材料製作。

於一實施例中，該發光晶片為可見光或不可見光。

於一實施例中，至少一封裝膠體更包括至少一透鏡部與一底部，該透鏡部近似凸透鏡，以提供聚光效果。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

10:光學感測模組

101:基板

102:發光晶片

1011:安裝面

1012:溝槽

103:感測晶片

104:封裝膠體

1041:透鏡部

1042:底部

105:殼體

106:遮光件

1051:發射孔

1052:接收孔

1053:微結構

1054:光蔽層

1055:頂面

L:距離範圍

R:光訊號

M:待測物

圖1為本發明之第一實施例之光學感測模組的剖面示意圖。

圖2為本發明之另一實施例之光學感測模組的剖面示意圖。

圖3為本發明之另一實施例之光學感測模組的剖面示意圖。

圖4為本發明之另一實施例之光學感測模組的剖面示意圖。

圖5A~5D為本發明之實施例光學感測模組的製造流程圖。

圖1為本發明之第一實施例之光學感測模組的剖面示意圖，請參閱圖1，如圖所示，光學感測模組10包含一基板101、一發光晶片102、一感測晶片103、至少一封裝膠體104以及一殼體105，基板101具有一安裝面1011，安裝面1011上可包含佈線、接合導線焊墊或導通孔(未繪製)等，發光晶片102與感測晶片103係相互分離地設置於基板101上，並分別與安裝面1011電性連接，其中，該基板101材質可為雙馬來醯亞胺三嗪基板、玻璃纖維基板、金屬基板或陶瓷基板等，發光晶片102則可發出一波長落在約700至1100奈米(nanometer,nm)的範圍內的紅外線不可見光或產生一波長落在約380至780nm的範圍內的可見光(例如：波長落在450-480nm的範圍內的藍光、波長落在500-560nm的範圍內的綠光或波長落在600-700nm的範圍內的紅光)，但不受限於此，具體而言發光晶片102可為發光二極體、雷射二極體或垂直共振腔面射型雷射(VCSEL)等，但不以此為限，又，感測晶片103則可感測來自不同方向(方位)之光線(包括可見光及不可見光，例如紅光(R)、綠光(G)、藍光(B)、白光(W)與紫外光(UV)、紅外光(IR))等功能，具體而言感測晶片102可為整合接近感測器(PS)或環境光感測器(ALS)功能的單晶片等，但不以此為限。

至少一封裝膠體104以模塑成型之方式(Molding)分別包覆發光晶片102以及感測晶片103，以防止各晶片免受水氣侵蝕並相互區隔，但不以此為限，封裝膠體104亦可以轉移成型(Transfer Molding)或射出成型(Injection Molding)等方式以一特定形狀固化而設置於安裝面1011上，該至少一封裝膠體104可由一透光樹脂之材料所製成，所述的可透光樹脂例如可為聚鄰苯二甲醯胺、聚對苯二甲酸環己烷二甲醇酯、環氧樹脂、或矽膠等，其折射率約為1.3~1.8，於較佳實施例中，其折射率約為1.5~1.6，本實施例中，係使用折射率約為1.54之材質製成。

又，殼體105同樣亦可藉由一模具(圖未示)進行模塑成型或是預先成型後設置於基板101上，該殼體105則可由任何可阻隔光線之不透明材質製作，例如：塑膠材料、聚合物、樹脂、金屬、金屬合金或其他不透明材料製作，其中，若以透明或半透明材質製造時，則可加上不透光染料，例如碳黑(Carbon Black)或填充料(filler)，如二氧化钛(TiO2)等具有此不透光特性的材料，藉此阻擋光線穿透，該殼體105還具有一發射孔1051及一接收孔1052，該發射孔1051以及接收孔1052分別設於發光晶片102以及感測晶片103上方。

圖2為本發明之另一實施例之光學感測模組的剖面示意圖，請參閱圖2，本實施例與第一實施例不同之處在於：位於發光晶片102上之封裝膠體104可更包含至少一透鏡部1041與一底部1042，且至少一透鏡部1041用以增加發光效率，故可為凸透鏡，且該至少一透鏡部1041之出光面1043的表面曲率可為球面、非球面、弧形面、拋物面、雙曲面或自由曲面等，在本發明的實施例中，係以透鏡部1041於俯視時所見之形狀之最遠兩端點之距離(長徑)D與透鏡部1041之第一高度H1的比值(以下簡稱為徑高比)以及透鏡部1041之第一高度H1與底部1042之第二高度H2的比值，來做為封裝膠體104在模塑過程中是否能夠有效防止氣泡產生的比較基準，具體而言，當透鏡部1041之徑高比太小時，表示透鏡部1041之空間太窄，雖可有效產生聚光效果，但易在模塑過程中導致透鏡部1041的頂部或出光面1043產生氣泡；當透鏡部1041之徑高比太大時，雖可降低氣泡的產生，但卻無法有效匯聚發射角度，故在本發明實施態樣中所述之徑高比範圍可約為0.5、0.8、0.9、1.3、1.5、2、2.5或落在0.5~2.5之間，較佳地，徑高比可約為0.8~1.5或0.9~1.3之間，又，第一高度H1相對於第二高度H2的比例值可介於0.5至3，較佳地，比例值可為1至2或0.7至1.5，透過上述的比例限定後發現可使封裝膠體104在模塑成型的過程中，透鏡部1041或出光面1043不會有產生氣泡的問題並同時達到聚光效果，此外，為增加收光效果，接收孔1052內壁可具有一傾斜角度θ，該傾斜角度可約為30~90度之間。

圖3為本發明之另一實施例之光學感測模組的剖面示意圖，請參閱圖3，本實施例與第二實施例之不同之處在於：該殼體105可因應使用上之需求而於該接收孔1052的內側壁形成一微結構1053且該接收孔1052之頂面1055與安裝面1011之距離介於.05mm~5mm，於較佳的實施例中，該接收孔1052之頂面與安裝面1011之距離介於0.5mm~3.0mm，如圖所示，為解決現有技術中太陽光對感測晶片103造成干擾，而導致感測晶片103感測準確性降低的問題，該微結構1053具有阻光之效果，微結構1053可為不規則凹凸狀或規則凹凸狀(非平直表面)，具體地，該規則凹凸狀可為鋸齒型，其凸伸部之形狀(即齒形)係為矩形、弧形、三角形或其它幾何形狀等，且該些凸伸部可依需求互相間隔或連續鄰接，應可理解地，該不規則凹凸狀可為形狀不一致(如混搭各種形狀)、大小不一致、排列不一致或間距不同，較佳地，該微結構1053凹凸狀的最高點與最低點之差距小於2mm以下，具體而言，可於接收孔1052內壁佈設一光蔽層1054，該光蔽層1054可通過吸收或反射的方式來屏蔽雜光訊號，光蔽層1054可為金屬材料、半導體材料或絕緣材料所形成，關於光蔽層1054的材料，為本領域技術人員所熟知且可商購，故於此不再詳細贅述。

圖4為本發明之另一實施例之光學感測模組的剖面示意圖，請參閱圖4，本實施例與上述實施例不同之處在於：光學感測模組10更包括一遮光件106，該遮光件106是不透光材質製成，該遮光件106設置於基板101之安裝面1011上，且遮光件106其中一側抵持於該接收孔1052之內壁，俾藉由遮光件106遮蔽至少部份穿透基板101進入接收孔1052之光線的干擾，換言之，遮光件106可有效阻擋基板101與接收孔1052之間的漏光間隙，具體而言，遮光件106可成型為一塊狀或環狀之態樣，且可具有彈性或可撓性，進一步地，當遮光件106為一塊狀之態樣時，其係設置於靠近發光晶片102之一側，於較佳實施例中，可於基板101的安裝面1011上或者於封裝膠體104上成型有至少一溝槽1012，且該溝槽1012具體位置可於基板101中心或者靠近接收孔1052之一側，如此當殼體105進行壓模製程而成型或設置於基板101上時，不僅可增加殼體105與基板101之間的結合力，更可有效的阻擋基板101與接收孔1052之間的漏光間隙，故，本實施例透過上述設計，可使光學感測模組10的發光晶片102發出的光訊號R經位於一距離範圍L的一待測物M反射後，從接收孔射入感測晶片103仍可精準偵測到待測物M之距離，該距離範圍L距離可能為2、3、4、5、6、8、10、12、15公尺或距離範圍L落在2~10公尺內。

請接著參考第5A~5D圖，係為本發明實施例光學感測模組的製造流程圖，並請搭配參考第1~4圖，係包含下列步驟：

步驟(a)：提供一基板101，該基板101之安裝面1011定義有一發光區域1013及一接收區域1014，將發光晶片102以及感測晶片103相互分離地設置於發光區域1013及接收區域1014，其中，接收區域1014之面積與發光區域1013之面積其比值介於0.25~4之間，於較佳實施例中，其比值介於0.3~2之間，透過上述比例關係可進一步提升光接收效果。

步驟(b)：至少一封裝膠體104包覆發光晶片102及感測晶片103，於本實施例中封裝膠體104的折射率約為1.5~1.6，其係使用模壓成型(Molding)的方式，將封裝膠體104包覆發光晶片102及感測晶片103，且各封裝膠體104形成有一透鏡部1041以及一底部1042，並更進一步限定透鏡部的徑高比值，該徑高比約為0.5~2.5，較佳來說，徑高比可約為0.9~1.5，藉此，有效提高光發光晶片102之發光效率以及感測晶片103的感測效果，且同時改善封裝膠體104頂部出光面1043氣泡產生之缺失。

步驟(c)：利用一切割刀具於基板101中心位置切割一溝槽1012，具體而言，係於發光區域1013及接收區域之間切割一溝槽1012，於較佳實施例中，其切割深度可由封裝膠體104至基板 101之安裝面1011上或低於安裝面1011之表面。

步驟(d)：殼體105設置於基板101之安裝面1011上，該殼體105具有一發射孔1051及一接收孔1052，且接收孔1052內壁可成型有一微結構1053，具體而言，更包含一遮光件106設置於接收孔1052中，該遮光件106的其中一側設於安裝面1011上，而鄰近其中一側之另一側則抵持接收孔1052之內壁，並靠近發射孔1051方向，故，當殼體105進行壓模製程而成型或預先成型設置於基板101上時，殼體105可崁入於溝槽1012中，進而增加接觸面積以提升殼體105與基板101之間的結合性，並且亦可有效遮光，又，俾藉由遮光件106遮蔽至少部份穿透基板101進入接收孔1052之光線的干擾，以防止發光晶片1002及感測晶片1033之間互相干擾，再者，微結構1053可降低太陽光對感測晶片103造成干擾，而導致感測晶片103感測準確性降低的問題。

由上所述可知，本發明提出一種光學感測模組，包括一基板、一發光晶片、一感測晶片、至少一封裝膠體以及一殼體，基板具有一安裝面，殼體係裝設於安裝面上，發光晶片與感測晶片係相互分離地設置於殼體內，至少一封裝膠體係分別包覆發光晶片以及感測晶片，且該殼體具有一發射孔及一接收孔，該發射孔以及接收孔分別於發光晶片以及感測晶片上方。

是以，本發明據以實施後，確實可達到提供一種藉由一光學透鏡結構之設計，達到可提升發光之效率之光學感測模組。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

綜上所述，本發明之功效，係具有發明之「產業可利用性」、「新穎性」與「進步性」等專利要件；申請人爰依專利法之規定，向鈞局提起發明專利之申請。