具有包括在光电子器件上方的不同高度处的光学元件的多个光学通道的模块

摘要

一种光电子模块具有多个光学通道，所述多个光学通道中的每者包括处于所述模块内的不同高度处的相应光学元件。所述模块可以包括并排地布置的通道，其中每个通道是由相应盖件覆盖，所述盖件对由所述模块中的所述光电子器件发射或可由所述光电子器件检测的光的一或多个波长为光学透射的。所述透射盖件设置在所述模块内的不同高度处，所述透射盖件在它们表面上分别可以包括一或多个无源光学元件。

说明书

技术领域

本公开案涉及光电子模块以及用于制造这样的模块的制造技术。

背景

智能电话以及其他装置有时包括小型化光电子模块，诸如光模块、传感器或相机。更一般地，各种光电子模块可集成到广泛小型电子装置(诸如生物装置、可移动机器人、监视相机、摄录像机、膝上型计算机和平板型计算机等等)之中。例如，光学接近度传感器可提供在移动电话或其他手持装置中，以便检测物体的定位或位置。此类传感器模块通常具有光发射通道和单独光检测通道。在一些情况下，对两个通道的光学需求可以不同。

概述

本公开案描述各种光电子模块，所述光电子模块具有多个光学通道，所述多个光学通道中的每者包括处于所述模块内的不同高度处的相应光学元件。因此，一些模块可以包括例如并排地布置的两个通道，其中每个通道是由相应盖件覆盖，所述盖件对由所述模块中的所述光电子器件发射或可由所述光电子器件检测的光的一或多个波长为光学透射的。所述透射盖件设置在所述模块内的不同高度处，所述透射盖件在它们表面上分别可以包括一或多个无源光学元件。例如，第一透射盖件可定位在其上安装有所述光电子器件的支撑基板上方的第一高度处，而第二透射盖件可定位在所述支撑基板上方的第二不同高度处。

在一些实施方案中，在不同高度处提供所述透射盖件可促进为所述光学通道提供不同焦距，或者可促进为所述不同通道调整所述焦距。

在一方面，例如，一种光电子模块包括支撑基板，在所述支撑基板上安装有第一光电子器件和第二光电子器件。第一透射盖件设置在所述第一光电 子器件之上的、所述支撑基板上方的第一高度处，并且第二透射盖件设置在所述第二光电子器件之上的、所述支撑基板上方的第二高度处，其中所述第二高度不同于所述第一高度。外壁侧向包围所述第一光电子器件和所述第二光电子器件，并由对由所述第一光电子器件和所述第二光电子器件发射或可由所述第一光电子器件和所述第二光电子器件检测的光的一或多个波长不透明的材料构成。内壁将所述第一光电子器件和所述第二光电子器件彼此分离，并由与所述外壁相同的材料构成。

本公开案还描述了用于制造这样的模块的各种制造技术。在一些实施方案中，可使用晶片级技术。另外，各种特征可以例如通过复制或真空注入来形成。因此，根据一个方面，一种制造光电子模块的方法包括将多个单切(singulated)透射基板支撑在组合的复制和真空注入工具之中。所述单切透射基板中的多者支撑在第一高度处，并且所述单切透射基板中的其他单切透射基板支撑第二不同高度处。所述方法包括在将所述单切透射基板支撑在所述组合的复制和真空注入工具中同时，将无源光学元件复制到每个单切透射基板的至少一侧上。真空注入技术用于在将所述单切透射基板支撑在所述组合的复制和真空注入工具中同时，在每个单切透射基板的第一侧上形成相应隔件特征，并且在每个单切透射基板的第二侧上形成相应挡板特征，并且形成将所述单切透射基板中的相邻单切透射基板彼此分离的内壁特征。所述方法还进一步包括从所述组合的复制和真空注入工具中移除包括所述透射基板、所述无源光学元件、所述隔件特征和所述内壁特征的结构。所得结构可以用于形成单独模块，所述单独模块具有多个光学通道，每个通道包括处于所述模块内的不同高度处的相应透射盖件。

在一些实施方案中，单切单切透射基板支撑在第一组合的复制和真空注入工具中的牺牲基板上。所述单切透射基板中的多者支撑在第一高度处，并且所述单切透射基板中的其他单切透射基板支撑第二不同高度处。

在附图以及以下描述中阐述一或多个实施方案细节。其他方面、特征和优点将从说明书和附图、以及从权利要求书显而易见。

附图说明

图1是例示根据本发明的光电子模块的实例的横截面。

图2-7例示用于制作如图1中的多个模块的晶片级制造工艺中的步骤。

图8-13例示用于制作如图1中的多个模块的另一晶片级制造工艺中的步骤。

图14是例示根据本发明的光电子模块的另一实例的横截面。

图15-16例示用于制作如图14中的多个模块的晶片级制造工艺中的步骤。

图17-22例示根据另一晶片级制造工艺的步骤。

图23是根据本发明的另一光电子模块的横截面。

图24是根据本发明的又一光电子模块的横截面。

图25和图26例示根据用于制作图24的模块的晶片级制造技术的步骤。

详述

如图1所示，模块20包括安装在印刷电路板(PCB)或其他支撑基板24上的第一光电子器件22A和第二光电子器件22B。在所例示的实例中，第一光电子器件22A包括光发射元件，诸如LED、IR LED、OLED、IR激光器或VCSEL。第二光电子器件22B包括光检测元件，诸如光电二极管、CCD或其他光传感器，所述光检测元件被布置来检测由光发射器件发射的处于一或多个波长(例如，红外波长)下的光。因此，模块20具有两个光学通道21A、21B，一个用于光发射，而另一个用于光检测。在其他实施方案中，作为光发射通道和光检测通道的替代，模块可以包括例如两个或更多个具有对应的光发射器件的光发射通道，或者两个或更多个具有对应的光检测器件的光检测通道。

器件22A、22B分别是由透射盖件26A、26B保护。盖件26A、26B分别与模块的光学发射通道21A和光学检测通道21B对准，并且可由对由光发射器件22A发射和可由光检测器件22B检测的光的波长(例如，红外或近红外波长)为透明的材料(例如，玻璃、蓝宝石或聚合物)构成。

在一些实施方案中，光学元件(诸如透镜或漫射体)设置在每个透射盖件26A、26B的顶侧和底侧中的一或两者上。如图1所示，第一对透镜29与光学发射通道21A对准，而第二对透镜29与光学检测通道21B对准。光学元件29可例如由复制技术形成。

透射盖件26A、26B可定位在支撑基板24之上的不同高度处。将透射盖件26A、26B放在不同高度处可以允许对模块的光学设计中的更大的灵活性。例如，在一些实施方案中，可能期望发射通道21A和检测通道21B具有不同于彼此的相应焦距。例如，发射通道21A可以具有第一焦距，而检测通道21B可以具有第二不同焦距。不同焦距可通过使相应盖件26A、26B放在相应器件22A、22B上方的不同高度处来实现。因此，在图1的实例中，光发射器件22A之上的盖件26A被定位成比光检测器件22B之上的盖件26B更靠近支撑基板24。在其他实施方案中，光发射器件22A之上的盖件26A可定位成比光检测器件22B之上的盖件26B更远离支撑基板24。

将透射盖件26A、26B放在不同高度处还可在一些实施方案中实现另外或不同的优点。例如，在一些情况下，光学通道21A、21B具有相同焦距，但是器件22A、22B的不同高度可通过将透射盖件定位在支撑基板24上方的不同高度处来补偿。另外，透射盖件26A、26B可以由彼此不同的材料制成，或具有彼此不同的厚度。

盖件26A、26B由隔件28与基板24分离，所述隔件侧向包围器件22A、22B。隔件36优选地由不透明材料构成，并且用作模块20的外部侧壁。由于盖件26A、26B位于支撑基板24上方的不同高度处，因此隔件28的高度在环绕通道21B的区域中较大，而在环绕通道21A的区域中较小。

模块20还包括了内壁30，所述内壁将发射通道21A和检测通道21B彼此分离。内壁30可例如由与隔件28相同的不透明材料构成。这些特征可有助于减小通道21A、21B之间的光学串扰，并且可有助于减小进入模块的杂散光的量。在一些实施方案中，挡板40被提供在盖件26A、26B之上，以进一步减少杂散光和/或光学串扰。挡板40还形成了模块的外壁的上部。内壁30可以向上延伸，使得所述内壁到达基板支撑件24上方、与挡板40的顶部所到达的高度相同的高度。类似于隔件28，挡板40的不同区域具有不同长度。因此，在所例示的实例中，挡板40在包围检测通道的上方部分的区域中的长度小于挡板在包围发射通道的上方部分的区域中的长度。

光电子器件22A、22B可例如使用倒装芯片技术或引线结合技术安装至基板24。在一些实施方案中，器件22A、22B下侧可以包括导电触点，所述导电触点将光电子器件22A、22B电耦合至支撑基板24表面上的导电焊盘。 支撑基板24又可包括镀覆导电通孔，所述导通孔从导电焊盘垂直地延伸穿过基板24并耦接至基板24的外侧上的一或多个焊球或其他导电触点。支撑基板24外部上的导电触点允许模块20例如将安装在手持装置(诸如移动电话、平板或其他消费电子装置)中的印刷电路板上。

模块(诸如图1所示并于上文所描述的模块)可以例如在晶片级工艺中制造。晶片级工艺允许多个模块20可同时地制造。一般来说，晶片是指基本盘状或板状的物件，其在一个方向(y方向或者说是垂直方向)上的延度相对于其在另外两个方向(x方向和z方向或者说是侧向方向)上的延度而较小。在一些实施方案中，晶片直径在5cm与40cm之间，并且可以例如在10cm与31cm之间。晶片可为圆柱形的，具有例如2、4、6、8或12英寸的直径，一英寸为约2.54cm。在晶片级工艺的一些实施方案中，在每个侧向方向上可提供有至少十个模块，并且在一些情况下，在每个侧向方向上提供至少三十个或甚至是五十个或更多个模块。

图2-7例示用于制造类似于图1的模块20的模块的晶片级技术的实例。具体来说，图2-6例示用于在透射基板上形成无源光学元件(例如，透镜)以及形成隔件特征、挡板特征和内壁特征的步骤。如图2所示，这些特征可使用上部PDMS工具100A和下部PDMS工具100B来形成，这些PDMS工具通过将无源光学元件复制到透射基板上来促成所述无源光学元件的形成，并且通过真空注入技术来促成隔件、挡板和内壁特征的形成。上部工具100A包括复制特征102A、102B，所述复制特征对应于将形成于透射基板的上表面上的无源光学元件(例如，透镜)。同样，下部工具100B包括复制特征102C、102D，所述复制特征对应于将形成于透射基板的下表面上的无源光学元件(例如，透镜)。上部工具100A的透镜复制特征102A、102B在不同高度处；类似地，下部工具100B的透镜复制特征102C、102D在不同高度处。总体来说，透镜复制特征102A、102B、102C和102D对应于形成于透射基板的任一侧上的各种透镜。

上部工具100A和下部工具100B还包括了相应空间104A、104B，这些空间对应于用于模块的内壁特征的区域。另外，下部工具100B包括空间106A、106B，这些空间对应于用于模块的隔件特征的区域。上部工具100A包括空间108A、108B，这些空间对应于用于模块的挡板特征的区域。

为了形成透镜元件，将可固化环氧树脂分配在上部工具100A的复制特征102A、102B上以及下部工具100B的复制特征102C、102D上。参见图3。另外，如图4所示，单切透射基板112放在下部工具100A上的可固化的环氧树脂110的每个区域之上。优选地，每个单切透射基板112横跨环氧树脂110的两个相邻区域，这两相邻区域彼此处于相同高度并由空间106A或106B中的一者分离。在其他情况下，提供单独单切透射基板用于每个相应光学通道。如所例示的实例所示，工具100B具有一些平台111，所述平台具有上表面111A以将单切透射基板112中的一些支撑在第一高度处，并且具有其他平台113，所述平台具有上表面113A以将单切透射基板112中的其他单切透射基板支撑在第二高度处。由此，每个基板112处于相对于相邻基板112的不同高度。使得透射基板112横跨两个相邻光学通道的区域的优点在于，这可增加制造期间的稳定性。使用此类较宽基板112也可通过使用例如拾取与放置设备来更容易地放置单切基板112。基板112可例如由对相关特定波长透明的玻璃、蓝宝石或聚合物构成。

接着，如图5所示，使上部工具100A和下部工具100B彼此对准并且接触，以使上部工具100A的复制特征102A、102B上的环氧树脂材料110与相应透射基板112的顶表面接触。随后，例如通过UV固化或热固化来将用于透镜的环氧树脂材料110硬化。当随后固化时，环氧树脂材料110应当是透明的(至少是对将从模块发射或由模块检测的光的波长为透明的)。

接着，通过真空注入将不透明可固化材料提供在工具100A、100B之间的空间104A、104B、106A、106B、108A、108B中，使得空间是由不透明材料填充。不透明材料可例如由含有不透明填料(例如，碳黑、颜料、无机填料或染料)的可流动聚合物材料(例如，环氧树脂、丙烯酸酯、聚氨酯或硅树脂)构成。参见图6。不透明材料随后硬化(例如，通过UV固化或热固化)。如图所示，在图6中，硬化的不透明材料形成内壁特征114、挡板特征118A、118B和隔件特征116A、116B。随后，工具100A、100B可被移除。所得结构(包括透射基板112，透镜110，隔件特征116A、116B，挡板特征118A、118B和内壁特征114)可附接至其上安装有光电子器件(即，光发射器件22A和光检测器件22B)的基板晶片120，如图7所示。基板晶片120可为例如PCB晶片。所得叠堆可沿线122分离(例如，通过切割分离) 成类似于模块20的多个模块，所述模块中的每者包括在相应光学通道中的光发射器件22A和光检测器件22B，所述相应光学通道具有位于基板支撑件上方不同高度处的光学元件(例如，透明盖件和透镜)。

在一些实施方案中，从工具100A、100B移除的结构可在其附接到基板晶片120之前进行切割。此外，在一些实施方案中，替代将从工具100A、100B移除的结构附接至其上安装有多个光发射器件22A和光检测器件22B的基板晶片120，单切光电子器件22A、22B可附接至所述结构。前述方法可允许在组装之前(即，在将其上安装有器件22A、22B的支撑件附接至从工具100A、100B移除的结构之前)测试光学部件和/或光电子部件。

图8-13例示用于制造如图1的模块20的多个模块的另一晶片级制造工艺。在这种情况下，如图8所示，将多个单切透射基板112安装在牺牲基板210之上。透射基板112中的一些可直接安装至牺牲基板210，而其他透射基板安装在凸起平台214上，所述凸起平台继而被安装至牺牲基板210。如前所述，透射基板112可例如由对相关波长(即由光发射器件22A发射和可由光检测器件22B检测的光的波长)为透明的玻璃、蓝宝石或聚合物构成。提供组合的复制和真空注入工具200A，并且将可固化环氧树脂材料分配在工具的复制特征202上，随后使其与透射基板112的暴露表面接触，以便形成复制透镜元件110，如图9所示。随后，例如通过热固化或UV固化来硬化环氧树脂材料。此外，工具200A与牺牲基板210之间的空间204以及工具200A与透射基板212之间的空间206A、206B是由不透明材料(诸如含有不透明填料(例如，碳黑、颜料、无机填充剂或染料)的可流动聚合物材料(例如，环氧树脂、丙烯酸酯、聚氨酯或硅树脂))填充。参见图9。不透明材料随后可硬化(例如，通过UV固化或热固化)，以便形成内壁特征216和隔件特征218A、218B。随后，工具200A和牺牲基板210被移除。所得结构220(包括透射基板112，透镜110，隔件特征218A、218B和内壁特征216)例示在图10中。

结构220随后安装在其上安装有光电子器件(即，光发射器件22A和光检测器件22B)的基板晶片120(例如，PCB晶片)上，如图11所示。第二组合的复制和真空注入工具200B可用于形成透射基板112的第二侧上的透镜、挡板特征以及内壁特征216的上方部分。将可固化环氧树脂材料分配 在工具200B的复制特征222上，随后使其与透射基板112的暴露表面接触，以便形成复制透镜元件110B，如图12所示。可例如通过热固化或UV固化来硬化环氧树脂材料。此外，工具200B与内壁特征的先前形成区段216之间的空间224以及工具200B与透射基板212之间的空间226A、226B是由不透明材料(诸如含有不透明填料(例如，碳黑、颜料、无机填充剂或染料)的可流动聚合物材料(例如，环氧树脂、丙烯酸酯、聚氨酯或硅树脂))填充。参见图12。不透明材料随后可硬化(例如，通过UV固化或热固化)，以便形成内壁特征216的上部区段216B并且形成挡板特征228A、228B。随后，第二工具200B可被移除。图13中例示的所得结构可分离(例如，通过切割分离)成类似于图1的20的多个模块。

在一些实施方案中，从工具200A移除的结构(参见图10)可在其附接至基板晶片120之前进行切割。此外，在一些实施方案中，替代将从工具移除的结构附接至其上安装有多个光发射器件22A和光检测器件22B的基板晶片120，单切光电子器件22A、22B可附接至所述结构。前述方法可允许在组装之前(即，在将其上安装有器件22A、22B的支撑件附接至从工具200A移除的结构之前)测试光学部件和/或光电子部件。

在图1的实例中，透射盖件26A、26B的边缘与隔件28和挡板40的外侧基本齐平。在一些实施方案中，可能期望防止光透过透射盖件的侧边缘而泄漏。在那种情况下，在将图5或图13的结构分离成单个模块之前，可执行另外处理以使得透射盖件26A、26B的侧边缘由不透明材料覆盖。图14示出这种模块300的实例，所述模块类似于图1的模块20，不同之处在于每个透射盖件26A、26B的外侧边缘301由外壁302覆盖，所述外壁对由器件22A、22B发射或可由器件22A、22B检测的光的波长为不透明的。外壁302的材料可与隔件28和挡板40的不透明材料相同或不同。

透射盖件26A、26B的侧边缘301可用不透明材料覆盖的一种方式通过图15和图16例示。例如，以图7的结构开始，开口(例如，沟槽)310由穿过下层透射基板112顶部每个挡板特征118A、118B形成，如图15所示。沟槽310应当完全延伸穿过透射基板112的厚度，并优选地应部分地延伸到下方隔件特征116A、116B中。沟槽310可例如通过切割、微机加工或激光切割技术来形成。随后，可使用例如真空注入技术用不透明材料312填充沟 槽310，以便在透射基板112的各种部分的侧边缘上提供不透明层。参见图16。真空注入技术可涉及将PDMS工具放在图15中所示结构的顶部上。覆盖透射基板112的侧边缘的不透明材料可例如为含有不透明填料(例如，碳黑、颜料或染料)的可固化聚合物材料(例如，环氧树脂、丙烯酸酯、聚氨酯或硅树脂)。随后，图16的结构可分离(例如，通过切割分离)成如图14的模块300的多个单个模块。

如先前所提到，在制造工艺的一些实施方案中，可能期望使用横跨两个相邻光学通道的区域的透射基板112。然而，其他实施方案可以使用单切透射基板，所述单切透射基板中的每者放在相应单个单独光学通道之上。此种制造工艺实例例示在图17至图22中，并且大体上对应于具有以下修改的图2至图7的工艺。如先前工艺中，可以使用组合的复制和真空注入工具300A、300B。然而，代替使用横跨两个相邻光学通道的区域的透射基板112(如图4)，而将不同单切透射基板112A放在每个通道之上，如图19所示。无源光学元件110(例如，透镜)可以与先前描述相同的方式复制到每个透射基板112A的两侧上(参见图20)。随后，利用不透明可固化材料通过如先前描述的真空注入(参见图21)来填充工具300A、300B之间的空间104A、104B、106A、106B、108A、108B。固化不透明材料形成内壁特征114和外壁特征316。工具300A、300B随后可被移除。所得结构(包括透射基板112、透镜110、内壁特征114和外壁特征316)可以上文针对图6的从工具100A、100B获得的结构所述的任何方式进行处理(例如，附接光发射器件22A和光检测器件22B；切割)。在一些实施方案中，透射基板可放置在如例如结合图8和9所述的具有平台的工具上。

可使用图17-22的制造工艺获得的模块350的实例例示在图23中。模块350类似于图1的模块20，不同之处在于透射盖件326A、326B的外侧边缘完全由隔件28和挡板40界定的外壁覆盖，而不再由透射盖件彼此分离。类似于上文所述其他模块，模块350具有多个光学通道21A、21B，所述多个光学通道具有在支撑基板24上方的不同高度处的相应盖件26A、26B。

在先前实例中，透射盖件26A、26B基本上平行于其上安装有器件22A、22B的支撑基板24。然而，在一些实施方案中，透射盖件26A、26B可相对于支撑基板24倾斜(即，偏斜)。这个特征可使光学设计实现进一步灵活性。 包括此类倾斜透射盖件的模块的实例例示在图24中。

如图24所例示，模块450类似于图1的模块20，不同之处在于在相应器件22A、22B之上的透射盖件426A、426B相对于支撑基板24以轻微倾度倾斜。同样在此，透射盖件426A、426B也设置在支撑基板24上方的不同高度处。在所例示的实例中，在光发射器件22A之上的透射盖件26A被定位成略微高于在光检测器件22B之上的透射盖件426B。更一般地，对于上文所述所有模块设计(包括图24的实施方案)而言，根据对模块的设计要求，光学发射通道中的透射盖件可高于或低于光学检测通道中的透射盖件。

类似于上文所述的那些技术的制造技术可以用于制造图24的模块450。例如，可使用类似于图2-6的工艺的步骤在透射基板上形成无源光学元件(例如，透镜)，以及形成隔件特征、挡板特征和内壁特征。因此，如图25所指示，先前特征可使用上部PDMS工具400A和下部PDMS工具400B来形成，所述PDMS工具通过将无源光学元件110复制到透射基板112B上来促成所述无源光学元件的形成，并且通过真空注入技术来促成隔件特征116C、挡板特征118C和内壁特征114的形成。工具400A、400B被适配成使得所述工具以轻微倾度来支撑透射基板112B。

在执行复制和真空注入技术以及UV固化或热固化工艺以硬化复制和真空注入材料后，所得结构(包括透射基板112B、透镜110、隔件特征116C、挡板特征118C和内壁特征114)可附接至其上安装有光电子器件(即，光发射器件22A和光检测器件22B)的基板晶片120，如图26所示。所得叠堆可沿线122分离(例如，通过切割分离)成类似于模块450的多个模块，所述多个模块中的每者包括相应光学通道中的光发射器件22A和光检测器件22B，所述相应光学通道具有位于基板支撑件上方的不同高度处的光学元件(例如，透明盖件和透镜)。

在一些实施方案中，从工具400A、400B移除的结构可在其附接至基板晶片120之前进行切割。此外，在一些实施方案中，替代将从工具400A、400B移除的结构附接至其上安装有多个光发射器件22A和光检测器件22B的基板晶片120，单切光电子器件22A、22B可附接至所述结构。如上文所解释，这些方法可允许在组装之前(即，在将其上安装有器件22A、22B的支撑件附接至从工具400A、400B移除的结构之前)测试光学部件和/或光电子部件。

另外，在图25的实施方案中，每个单切透射基板112B横跨环氧树脂110的两个相邻区域，这两相邻区域彼此处于相同高度并由空间106A或106B中的一者分离。在其他情况下，可以提供单独的单切透射基板用于每个相应光学通道。

在先前所例示的实例中，将光电子器件22A、22B彼此分离的内壁(例如，图1中的30，14、23和24)被示出为比模块的外壁28更宽。遂政这在一些实施方案中可能是如此，但是在其他情况下，内壁宽度可与外壁宽度大致相同，或小于外壁的宽度。一般来说，壁的宽度可取决于具体实施方案，并且可考虑到各种因素(例如，构成壁的材料、光电子器件22A、22B发射或可由光电子器件22A、22B检测的光的波长，和/或针对任何这样的光将期望获得的衰减的量)。

在此所描述的模块可例如用作为接近度传感器模块，或用作为其他光学感测模块，诸如用于手势感测或识别的光学感测模块。所述模块可集成到广泛电子装置以及其他装置(诸如移动电话、智能电话、相机、膝上型计算机等等)之中。

如本公开案中所使用的，术语“透明的”、“不透明的”和“可透射的”是针对由模块中的装置22A、22B发射或可由模块中的装置22A、22B检测的特定波长来提及的。因此，特定特征例如可被视为“不透明的”，即使这个特定特征可允许其他波长的光来通过也是如此。

在本发明的精神范围内，可对先前实例做出各种修改。因此，其他实施方案在权利要求书的范围内。