本公開(kāi)涉及具有硅襯底的光電子模塊以及此類模塊的制造方法。

背景技術(shù)：

智能電話和其他裝置有時(shí)包括小型化的光電子模塊，諸如光模塊、傳感器或攝像機(jī)。光模塊可包括通過(guò)透鏡將光發(fā)射到裝置外部的發(fā)光元件，諸如發(fā)光二極管(LED)、紅外(IR)LED，有機(jī)LED(OLED)、紅外(IR)激光器或垂直腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)。其他模塊可包括光檢測(cè)元件。例如，CMOS和CCD圖像傳感器可用在主攝像機(jī)或前向攝像機(jī)中。同樣地，接近傳感器和環(huán)境光傳感器可包括光感測(cè)元件，諸如光電二極管。發(fā)光和光檢測(cè)模塊以及攝像機(jī)可以各種組合使用。因此，例如，光模塊(諸如閃光模塊)可以與具有成像傳感器的攝像機(jī)組合使用。與光檢測(cè)模塊組合的發(fā)光模塊也可用于諸如手勢(shì)識(shí)別或IR照明的其他應(yīng)用。

雖然已經(jīng)提出了各種模塊設(shè)計(jì)，但是在工業(yè)中存在對(duì)改進(jìn)此類模塊的各個(gè)方面的持續(xù)需要。例如，在設(shè)計(jì)模塊的裝置中的空間通常是非常寶貴的。因此，期望模塊具有盡可能小的占地面積。此外，在一些情況下，遠(yuǎn)離模塊的熱傳遞不良可能是有問(wèn)題的。同樣地，在一些情況下，當(dāng)溫度從標(biāo)稱值改變時(shí)，模塊的光學(xué)特性可能會(huì)劣化。

概述

本公開(kāi)描述了具有硅襯底的光電子模塊以及此類模塊的制造方法。

一些實(shí)現(xiàn)方式提供了以下優(yōu)點(diǎn)中的一個(gè)或多個(gè)。例如，通過(guò)使用其中可以形成各種電子和/或光電子部件的硅襯底，所述模塊可具有相對(duì)小的占地面積。在一些情況下，可通過(guò)消除對(duì)印刷電路板襯底的需要(和其成本)來(lái)降低模塊的總成本。同樣地，在一些情況下，可通過(guò)使用硅襯底來(lái)避免可能另外需要的到襯底的至少一些布線。此外，由于硅的熱導(dǎo)率相對(duì)較高，可以提高遠(yuǎn)離模塊的熱傳遞。此外，考慮到硅的熱膨脹系數(shù)，當(dāng)溫度從標(biāo)稱值改變時(shí)，使用硅襯底可以幫助減少模塊的光學(xué)特性的劣化。

根據(jù)應(yīng)用，模塊可具有單個(gè)光學(xué)通道或多個(gè)光學(xué)通道。例如，根據(jù)一個(gè)方面，光電子模塊包括其中或其上具有光電子裝置的硅襯底。光學(xué)組件設(shè)置在光電子裝置上。間隔物將硅襯底與光學(xué)組件分開(kāi)。

間隔物優(yōu)選地對(duì)由光電子裝置發(fā)射和/或可由光電子裝置檢測(cè)的特定波長(zhǎng)的光是基本上不透明的，或使所述光顯著衰減，所述光電子裝置可以實(shí)現(xiàn)為形成在硅襯底中或安裝在硅襯底上的發(fā)光元件，或?qū)崿F(xiàn)為形成在硅襯底中的光檢測(cè)元件。在一些實(shí)施方案中，間隔物橫向地圍繞硅襯底并且與硅襯底直接接觸，并且可延伸超過(guò)硅襯底的外表面。也可以提供其他光學(xué)特征，諸如光學(xué)濾波器或焦距校正層。

在另一個(gè)方面中，光電子模塊包括第一光學(xué)通道和第二光學(xué)通道。第一光學(xué)通道中的第一光電子裝置集成在第一硅襯底中或設(shè)置在第一硅襯底上，并且第二光學(xué)通道中的第二光電子裝置集成在第二硅襯底中或設(shè)置在第二硅襯底上。第一光學(xué)組件和第二光學(xué)組件分別設(shè)置在第一光電子裝置和第二光電子裝置之上。間隔物將硅襯底與光學(xué)組件分開(kāi)，并且所述間隔物的一部分將第一通道和第二通道彼此分開(kāi)。間隔物橫向地圍繞第一硅襯底和第二硅襯底，并且與它們直接接觸。

在一些情況下，第一光學(xué)組件在與第一襯底相距第一距離處設(shè)置在間隔物上，并且第二光學(xué)組件在與第二襯底相距不同的第二距離處設(shè)置在間隔物上。在一些情況下，第一光學(xué)組件和第二光學(xué)組件形成橫向連續(xù)的光學(xué)組件陣列。

本公開(kāi)還描述了制造光電子模塊的方法。例如，在一些實(shí)施方式中，一種晶片級(jí)方法包括將上部真空注入工具和下部真空注入工具施加到多個(gè)光電子裝置，每個(gè)光電子裝置集成在相應(yīng)的硅襯底中或設(shè)置在相應(yīng)的硅襯底上。所述工具限定將硅襯底彼此分開(kāi)的空間。所述方法還包括將聚合物材料注入所述空間中，以及固化所述聚合物材料以形成間隔物。一個(gè)或多個(gè)光學(xué)組件附接到間隔物，以便獲得所得到的結(jié)構(gòu)，其中一個(gè)或多個(gè)光學(xué)組件中的每一個(gè)設(shè)置在至少一個(gè)光電子裝置之上。然后將所得到的結(jié)構(gòu)分成多個(gè)光電子模塊，每個(gè)光電子模塊包括至少一個(gè)光學(xué)通道。

其他方面、特征和優(yōu)點(diǎn)將由以下詳述、附圖和權(quán)利要求書而顯而易見(jiàn)。

附圖簡(jiǎn)述

圖1是多通道光電子模塊的實(shí)例。

圖2是單通道光電子模塊的實(shí)例。

圖3是多通道光電子模塊的另一個(gè)實(shí)例。

圖4A-4I示出制造光電子模塊的晶片級(jí)方法。

圖5是光電子模塊的另一個(gè)實(shí)例。

圖6A和圖6B示出具有不同類型的光學(xué)組件的模塊的實(shí)例。

圖7A和圖7B示出具有可機(jī)加工的間隔物特征的實(shí)例。

圖8是包括焦距校正層的光學(xué)組件的實(shí)例。

圖9A和圖9B示出具有光學(xué)濾波器的光電子模塊的實(shí)例。

詳述

如圖1所示，光電子模塊20的第一實(shí)例包括光學(xué)通道陣列。在所示的實(shí)例中，模塊20包括發(fā)射通道22和檢測(cè)通道24。模塊20具有硅襯底26A、26B，它們通過(guò)間隔物30與光學(xué)組件28分開(kāi)。因此，模塊20的內(nèi)部區(qū)域由襯底26A、26B、間隔物30和光學(xué)組件28界定。

每個(gè)硅襯底26A、26B的不同部分可表現(xiàn)出不同的電子和/或光電子特性。相應(yīng)的有源光電子裝置集成在每個(gè)硅襯底26A、26B中或設(shè)置在其上。例如，發(fā)光元件32(例如，LED、激光二極管或一系列LED或激光二極管)可以形成在發(fā)射通道22中的硅襯底26A中或安裝在所述硅襯底26A上。同樣地，單個(gè)光檢測(cè)元件(例如，光電二極管)或光檢測(cè)元件陣列34(例如，CMOS傳感器的像素)可以形成在檢測(cè)通道24中的硅襯底26B中。在一些情況下，附加的電路部件可以形成在硅襯底26A、26B中。

間隔物30橫向地圍繞光電子裝置32、34并且用作模塊的側(cè)壁。此外，間隔物的部分30A用作將發(fā)射通道22和檢測(cè)通道24彼此分開(kāi)的內(nèi)壁。間隔物30(包括內(nèi)壁部分30A)優(yōu)選地對(duì)由發(fā)光元件32發(fā)射和/或可由光檢測(cè)元件34檢測(cè)的特定波長(zhǎng)的光是基本上不透明的，或使所述光顯著衰減。例如，在一些情況下，間隔物30由包含不透明填料(例如，炭黑、顏料或染料)的聚合物材料(例如，環(huán)氧樹(shù)脂、丙烯酸酯、聚氨酯或硅樹(shù)脂)構(gòu)成。如圖1所示，間隔物30也橫向地圍繞硅襯底26A、26B并且與它們直接接觸，并且間隔物的內(nèi)壁部分30A將兩個(gè)硅襯底26A、26B彼此分開(kāi)。在一些情況下，通過(guò)提供模塊與相鄰半導(dǎo)體部件的電隔離以及通過(guò)提供可幫助防止硅襯底崩裂的結(jié)構(gòu)支撐，這些特征可能是有利的。

光學(xué)組件28的細(xì)節(jié)可取決于特定的應(yīng)用。在圖1的實(shí)例中，光學(xué)組件28包括橫向嵌入基本上不透明材料38內(nèi)的透射蓋36A、36B。透射蓋36A、36B可以由例如玻璃、藍(lán)寶石或聚合物材料構(gòu)成。透射蓋36A、36B通常對(duì)于由光電子裝置32、34發(fā)射或可由其檢測(cè)的光波長(zhǎng)是透明的。不透明部分38可以由例如與間隔物30相同的材料或一些其他基本上不透明的材料構(gòu)成。每個(gè)透射蓋36A、36B可具有形成在其上的一個(gè)或多個(gè)光學(xué)元件40，諸如透鏡或其他光束成形元件。以下描述光學(xué)組件的其他實(shí)例。

每個(gè)硅襯底26A、26B的外側(cè)可以設(shè)置有一個(gè)或多個(gè)焊料凸塊或其他導(dǎo)電觸點(diǎn)42(例如，球柵陣列)，其可以以已知的方式電耦合到光電子裝置32、34中的相應(yīng)一個(gè)。一些實(shí)施方式包括用于電連接的硅穿孔。

在一些實(shí)施方式中，模塊可以僅包括單個(gè)光學(xué)通道。例如，如例如圖2所示，模塊20A具有單個(gè)光學(xué)檢測(cè)通道并且包括光檢測(cè)元件34。在其他情況下，所述模塊可具有單個(gè)光學(xué)發(fā)射通道并且可包括發(fā)光元件32。

在一些情況下，在一個(gè)或多個(gè)通道中提供光學(xué)濾波器。例如，如圖3所示，模塊20B包括兩個(gè)檢測(cè)通道24A、24B。第一光學(xué)濾波器44A設(shè)置在第一光傳感器34A之上，并且第二光學(xué)濾波器44B設(shè)置在第二光傳感器34B之上。第一濾波器44A和第二濾波器44B可允許相同的波長(zhǎng)(或波長(zhǎng)范圍)通過(guò)，或者可以被定制為允許不同的波長(zhǎng)(或波長(zhǎng)范圍)通過(guò)。因此，例如，光學(xué)濾波器可包括彩色濾波器陣列、IR截止濾波器、帶通濾波器、單色濾波器或無(wú)濾波器。

前述模塊可以例如在晶片級(jí)工藝中制造。晶片級(jí)工藝允許同時(shí)并行制造多個(gè)模塊。通常，晶片是指基本上盤狀或板狀形狀的物品，其在一個(gè)方向(y方向或垂直方向)上的延伸相對(duì)于其在其他兩個(gè)方向(x方向和z方向或橫向方向)上的延伸較小。在一些實(shí)施方式中，晶片的直徑在5cm與40cm之間，并且可以例如在10cm與31cm之間。晶片可以是具有例如2、4、6、8或12英寸(一英寸為約2.54cm)的直徑的圓柱體。在晶片級(jí)工藝的一些實(shí)施方式中，可以在每個(gè)橫向方向上設(shè)置至少十個(gè)模塊，并且在一些情況下在每個(gè)橫向方向上設(shè)置至少三十個(gè)或甚至五十個(gè)或更多個(gè)模塊。以下段落描述用于制造諸如上述那些的光電子模塊的這種晶片級(jí)制造工藝的實(shí)例。

如圖4A所示，提供其中形成有集成光電子部件102的硅晶片100。晶片可在其背面上設(shè)置有電連接104(例如，焊料凸塊或球柵陣列)，并且還可包括硅穿孔連接。然后，可以將光學(xué)濾波器106應(yīng)用在一些或所有光電子部件之上。在一些情況下，光學(xué)濾波器可以不應(yīng)用于任何光電子部件102。在一些情況下，可以應(yīng)用保護(hù)層(例如，由玻璃或其他透明材料構(gòu)成)，例如以保護(hù)光電子部件免受在隨后的切割期間產(chǎn)生的灰塵或顆粒。諸如LED、激光二極管或VCSEL的外部光發(fā)射器也可以安裝在硅晶片上。接下來(lái)，如圖4B所示，施加支撐晶片108以支撐硅晶片100，并且如圖4C所示，晶片被分成(例如，通過(guò)切割)多個(gè)單獨(dú)的硅裝置110，每個(gè)硅裝置110包括至少一個(gè)光電子部件102。

硅裝置110可以從支撐晶片108移除并且放置在下部真空注入工具112(參見(jiàn)圖4D)上。上部真空注入工具114也應(yīng)用于裝置110。當(dāng)與硅裝置110接觸時(shí)，如圖4D所示，真空注入工具112、114在硅裝置110周圍限定空間116。將間隔物材料(例如，具有不透明填料的環(huán)氧樹(shù)脂)118注入到空間116中，例如如圖4E所示，然后例如通過(guò)紫外線(UV)輻射120和/或熱處理(參見(jiàn)圖4F)固化。

在間隔物材料118固化之后，可以移除上部工具114。所得到的結(jié)構(gòu)可以保留在下部工具112上，所述下部工具112在一些后續(xù)的制造步驟期間用作支撐結(jié)構(gòu)(參見(jiàn)圖4G)。例如，晶片級(jí)光學(xué)組件122可以附接(例如，通過(guò)粘合劑)到間隔物118的自由端(參見(jiàn)圖4H)。在這個(gè)實(shí)例中，晶片級(jí)光學(xué)組件122包括形成在不透明PCB晶片126的通孔中的透明窗口124。光學(xué)組件122可包括(例如，通過(guò)復(fù)制技術(shù))形成在每個(gè)透明窗口124上以幫助將入射光聚焦到對(duì)應(yīng)的光檢測(cè)元件上的一個(gè)或多個(gè)光束成形元件(例如，透鏡)128。接下來(lái)，如圖4I所指示，所得到的結(jié)構(gòu)(例如，沿切割線130)被分成單獨(dú)的光電子模塊，每個(gè)光電子模塊包括單個(gè)光學(xué)通道或通道陣列。然后可以從下部支撐工具112移除模塊。

可以實(shí)現(xiàn)對(duì)前述方法和模塊的各種修改。例如，雖然在一些情況下，間隔物30的底部可以與硅襯底26A、26B的底部基本上齊平，但是在其他情況下，間隔物可以突出略微超出硅襯底的底部(參見(jiàn)圖5)。具體地，間隔物30可以延伸超過(guò)外部導(dǎo)電觸點(diǎn)42所處的硅襯底的下表面50。

各種類型的光學(xué)組件可以附接到間隔物30。例如，代替圖4H的晶片級(jí)光學(xué)組件122，可以為每個(gè)通道提供具有適當(dāng)透鏡40的相應(yīng)透鏡鏡筒122A(參見(jiàn)圖6A)。在一些情況下，例如，透鏡鏡筒122A中可包括自動(dòng)聚焦機(jī)構(gòu)41。自動(dòng)聚焦機(jī)構(gòu)可以例如實(shí)現(xiàn)為可調(diào)諧透鏡或壓電元件。從自動(dòng)聚焦機(jī)構(gòu)41到硅襯底的電連接43可以例如沿間隔物30的表面或作為貫穿間隔物連接提供。自動(dòng)對(duì)焦機(jī)構(gòu)41可以單獨(dú)使用或與玻璃光學(xué)元件和/或可定制的垂直對(duì)準(zhǔn)特征結(jié)合使用，以為模塊提供非常準(zhǔn)確且精確的光學(xué)性能。

此外，在一些情況下，可以提供橫向連續(xù)的透鏡陣列晶片122B作為光學(xué)組件的一部分(參見(jiàn)圖6B)。在后一種情況下，單個(gè)連續(xù)的透鏡陣列晶片122B跨越整個(gè)通道陣列。這種布置可以是特別有利的，例如，當(dāng)所有通道具有相同的高度時(shí)。

另一方面，在一些情況下，可能希望將用于一些通道的光學(xué)組件定位在與用于其他通道的光學(xué)組件的高度不同的高度處。這種情況可能有助于在制造過(guò)程期間提供焦距校正。例如，在將光學(xué)組件附接在特定通道之上前，可以進(jìn)行光學(xué)測(cè)量以確定通道的焦距偏離指定目標(biāo)值的程度。如果需要校正焦距，則提供校正的一種方式是通過(guò)機(jī)械加工來(lái)調(diào)整間隔物的高度。如例如圖7A所示，間隔物30可在其自由端處包括可機(jī)加工的特征52。用于特定通道的間隔物30的自由端可以被微加工，以便當(dāng)光學(xué)組件122C附接到間隔物時(shí)實(shí)現(xiàn)特定的焦距(參見(jiàn)圖7B)。然后可以例如使用拾取和放置設(shè)備將光學(xué)組件122C定位在通道之上。在一些情況下，每個(gè)光學(xué)組件122C包括透鏡40和蓋玻璃36，僅包括透鏡40或僅包括蓋玻璃36。如圖7B所示，代替連續(xù)的透鏡陣列，結(jié)果是不連續(xù)的透鏡陣列，其允許將用于每個(gè)通道的光學(xué)組件放置在不同的高度處，如果需要的話。在一些情況下，這個(gè)過(guò)程可導(dǎo)致多通道模塊，其中用于一個(gè)通道的光學(xué)組件處于與用于另一個(gè)通道的光學(xué)組件稍微不同的高度處。

代替或除了微加工間隔物30的高度以調(diào)整通道的焦距，在一些情況下，提供焦距校正層54(例如，在蓋玻璃36的表面上或在透鏡晶片38的表面上，如圖8所示)。焦距校正層54的厚度可以例如通過(guò)將所述層暴露于輻射以便實(shí)現(xiàn)通道的指定焦距來(lái)調(diào)整。因此，一些通道可包括微加工的間隔物特征52和/或焦距校正層54。其他通道可不包括任一前述特征。在微加工間隔物30的高度和/或調(diào)整焦距校正層54的厚度之后，可以將光學(xué)組件附接到間隔物。

如前所述，可以為一個(gè)或多個(gè)通道提供光學(xué)濾波器。在一些實(shí)現(xiàn)方式中，代替或除了直接在光電子裝置(例如，34A)上提供濾波器，濾波器44C可設(shè)置在透鏡組件晶片38(圖9A)的表面上或蓋玻璃36(圖9B)的表面上。在一些情況下，光學(xué)濾波器44D集成到光學(xué)組件中(圖9A和圖9B)。

如本公開(kāi)中所使用的，術(shù)語(yǔ)“透明”、“不透明”和“透射”是參照由模塊中的裝置發(fā)射或可由所述裝置檢測(cè)的特定波長(zhǎng)來(lái)進(jìn)行的。因此，例如，特定特征可被認(rèn)為是“不透明的”，即使其可允許其他波長(zhǎng)的光通過(guò)。

這里描述的模塊例如可用作接近傳感器模塊或用作其他光學(xué)感測(cè)模塊，諸如用于手勢(shì)感測(cè)、識(shí)別或成像。所述模塊可以集成到大范圍的小電子裝置中，諸如智能電話、生物裝置、移動(dòng)機(jī)器人、監(jiān)視攝像機(jī)、攝錄像機(jī)、膝上型計(jì)算機(jī)和平板計(jì)算機(jī)等等。

在前述描述的精神內(nèi)可以進(jìn)行各種修改。因此，其他實(shí)現(xiàn)方式在權(quán)利要求書的范圍內(nèi)。