具有光发射器和光接收器的光电模块

技术领域

本发明涉及包括光发射器和光接收器的光电模块。

背景技术

各种消费者电子产品和其他主机设备包括具有集成了光感测设备或光发射设备的紧凑型光电模块。在一些情况下，在主机设备中，空间非常宝贵。因此，期望使模块尽可能小且紧凑。进一步地，对于包括光发射和光探测组件两者的模块，在这些组件之间提供光学隔离可能是重要的。

发明内容

本发明描述包括光发射器和光接收器的光电模块以及制造这些模块的方法。

在一个方面中，例如，本发明描述了一种方法，其包括：将光学元件复制到可操作为发射具有波长的光的多个光发射管芯的相应表面上以及复制到可操作为探测具有该波长的光的多个光接收器管芯的相应表面上。这些光学元件由第一环氧树脂组成，且光发射管芯和光接收器管芯被安装在由双面胶带附接到支撑玻璃的PCB晶圆上。该方法还包括使用真空注射成型技术注射第二环氧树脂。第二环氧树脂对于具有该波长的光实质上是不透明的，并且第二环氧树脂被注射使得其横向地围绕多个光发射管芯中的每一个、多个光接收器管芯中的每一个以及多个光元件中的每一个的相应侧表面并与之接触。该方法包括：在将光发射管芯和光接收器管芯的双工对彼此分离的区域中的第二环氧树脂中形成相应沟渠，其中每个双工对包括光发射管芯中的一个和光接收器管芯中的一个，并且其中这些沟渠部分延伸到PCB晶圆中。该方法还包括：从PCB晶圆卸离双面胶带和支撑玻璃；在这些沟渠的位置处分离PCB晶圆以形成单一化模块；以及在单一化模块中的一个或多个单一化模块的至少暴露表面上方施加IR涂层。这些单一化模块中的每一个包括光发射管芯中的至少一个和光接收器管芯中的至少一个。

一些实施方式包括以下特征中的一个或多个。例如，在一些实例中，在复制光学元件和注射第二环氧树脂材料之前，将PCB晶圆的第一侧附接到第一胶带，第一侧与其上安装有光发射管芯和光接收器管芯的PCB晶圆的第二侧相对。该方法可以包括：使用真空卡盘保持PCB晶圆，其中真空卡盘与PCB晶圆的第二侧接触；随后从PCB晶圆移除第一胶带；随后使PCB晶圆的第一侧与附接到支撑玻璃的双面胶带接触；以及随后从真空卡盘释放PCB晶圆。

在一些实施方式中，复制光学元件包括：将第一环氧树脂选择性地分配到弹性体层的结构化区域上；以及随后将第一环氧树脂按压到光发射管芯和光接收器管芯上。在一些情况下，光学元件是栅格阵列光学元件。

该方法还可以包括形成延伸穿过第二环氧树脂且穿过PCB晶圆的额外沟渠，其中在从PCB晶圆卸离双面胶带和支撑玻璃之前形成这些额外沟渠。在一些情况下，第二环氧树脂是黑色环氧树脂。在一些情况下，双面胶带是可热释放双面胶带。该方法还可以包括在第二环氧树脂中形成这些沟渠之后，在第二环氧树脂的外表面处附接载体；以及施加热以从PCB晶圆移除双面胶带和支撑玻璃。

在一些情况下，该方法包括：将单一化模块附接到耐热胶带；随后将IR涂层施加到单一化模块的暴露表面；以及从耐热胶带移除单一化模块。施加IR涂层可以包括(例如)喷涂IR涂层。在一些情况下，IR涂层被施加到单一化模块的顶表面和侧表面。IR涂层可以用作滤光器以仅允许电磁光谱的IR部分中的辐射通过。

本发明还描述了一种装置，其包括光电模块，该光电模块包括安装在PCB基板上的光发射管芯和光接收器管芯。光电模块还包括光发射管芯上的光学元件和光接收器管芯上的光学元件，这些光学元件由第一环氧树脂组成。第二环氧树脂在横向地围绕光发射管芯、光接收器管芯和这些光学元件的相应侧表面并与之接触，其中第二环氧树脂在光发射管芯与光接收器管芯之间提供光学屏障。

在一些实例中，第二环氧树脂实质上填充了光发射管芯与光接收器管芯之间的空间。第二环氧树脂可以是(例如)黑色环氧树脂。

在一些实施方式中，这些光学元件是栅格阵列光学元件。

该装置还可以包括主机设备，该主机设备包括处理器和显示器屏幕。该光电模块可以被集成为主机设备的组件，其中该处理器可以操作为至少部分基于来自光接收器管芯的信号来控制主机设备的组件。

在一些实例中，本技术可以简化整个制造过程且还可以产生更小的模块。

在一些实施方式中存在的其他优点包括以下一个或多个。其他技术中可能需要的各种步骤是不必要的且可省略的。进一步地，在一些情况下，本技术可帮助增加晶圆密度，产生更小的模块尺寸，减少因不均匀晶圆平整度而引起的表面渗漏，归因于沟渠切割而提高良品率，避免光学串扰和/或增强光泄漏。

将从以下详细描述、附图和权利要求中容易地明白其他方面、特征和优点。

附图说明

图1示出了光电模块的示例。

图2至图8示出了用于制造多个光电模块的晶圆级过程中的各个步骤。

图9示出了晶圆级过程的各方面的进一步细节。

图10至图16示出了晶圆级过程中的额外步骤。

具体实施方式

本发明描述光电模块，该光电模块可操作为发射特定波长的光(例如，在光谱的红外(IR)部分中)且探测(例如)相同波长的光。本发明还描述用于同时并行制造多个模块的晶圆级过程。

如图1中所示，光电模块20包括光源(有时被称为光发射器)22和被安装在支撑件(诸如印刷电路板(PCB)基板26)上的光接收器24。光源22可以(例如)实施为VCSEL或LED管芯(即半导体芯片)。同样，光接收器24以(例如)实施在包括探测光的光电二极管和相关联处理电路的集成电路管芯(即半导体芯片)中。

可通过相应表面安装技术(SMT)接触垫21、23，将各管芯22、24的底部上的电触点电耦合至PCB基板26。类似地，可通过被连接到垫30的相应焊线28，将各管芯22、24的顶部上的电触点电耦合至PCB基板26。在PCB基板26的底部表面上提供SMT或其他电接触垫32。在PCB基板26的顶表面和底表面上方提供相应焊料掩膜34、36。例如，焊料掩膜可存在于PCB基板的顶部表面的外部、非主动区域上。

黑色环氧树脂40横向地包围个别半导体设备管芯(例如，光源22和光接收器24)。在所示示例中，环氧树脂40也与管芯22、24的横向侧表面接触。环氧树脂40优选地对于由光源22发射并由光接收器24感测的光的波长是实质上不透明的。在所示的示例中，环氧树脂40的上部还界定挡板，挡板的部分横向地围绕被布置在管芯22、24的光发射和光探测部分上的相应光学元件42、44(诸如栅格光学器件阵列)。黑色环氧树脂40也与光学元件42、44的横向侧表面接触。黑色环氧树脂40也用作在光源22与光接收器24之间提供光学隔离的光学屏障。

光学元件42、44可由(例如)透明环氧树脂组成。在所示的示例中，在模块20的上表面上方以和沿其侧面提供IR喷涂涂层46。涂层46用作滤光器，其仅允许光谱的IR区域中的波长的光通过。

图2至图16示出用于并行制造多个模块20的晶圆级过程中的步骤。晶圆级过程对于同时并行制造多个(例如，数十、数百或甚至数千)模块可以是有用的。本程序允许使用可回流材料(即，即使在经历高温(诸如270℃或更高)时仍保持其等机械稳定性和光学效能的材料)。该过程也可以提供不同层之间的改进的附接。

如图2中所示，印刷电路板(PCB)晶圆100(在其上表面和下表面上包括电接触垫)被附接到胶带102且由胶带102支撑。多个光源22和光接收器24被安装在PCB晶圆100上。在一些情况下，晶圆框架104相邻于PCB晶圆100的周边存在于胶带102上。对准标记108可以提供在PCB晶圆100上以促进随后步骤中的对准。

接下来，如图3中所示，将真空卡盘110与PCB晶圆100对准并使其与PCB晶圆100接触。为此目的，一个或多个相机111与对准标记108结合可用于确定和确认适当的对准。施加真空以便保持PCB晶圆100。接着，将整个组装翻转，如图4中所示，且胶带102以和晶圆框架104被移除。

如图5中所示，在真空卡盘110保持PCB晶圆100时，再次翻转组装。真空卡盘110使PCB晶圆100与可热释放双面胶带112的一侧接触，双面胶带112的对侧附接到底部注射支撑玻璃114。支撑玻璃114有助于保持PCB晶圆100实质上平坦，其可帮助控制随后形成的真空注射成型(VIM)层的厚度。在一些实例中，树脂间隔物116相邻于PCB基板100的周边提供在支撑玻璃114上且横向地包围PCB晶圆100的周边。间隔物116可在VIM过程期间帮助补偿PCB晶圆100和双面胶带112的厚度(下文参见图8)。一旦将PCB晶圆100附接到胶带112，则停止真空，且真空卡盘110释放PCB晶圆100。

图6示出用于复制光学元件42、44和用于在其期间注射黑色环氧树脂材料40的VIM过程的弹性体(例如，聚二甲基硅氧烷(PDMS))工具117。如图6中所示，PDMS工具117包括在玻璃透镜工具120上的结构化PDMS层118。PDMS层118的表面可具有结构化区域121，其界定光学元件42、44(例如，栅格阵列光学器件)的形状。结构化区域121可彼此相同或可彼此不同(例如，为光发射器22提供一种类型的光学元件且为光接收器24提供不同类型的光学元件)。PDMS层118的外周边122可比PDMS层的内部区域稍厚以便在随后的VIM过程期间提供厚度控制。

接下来，如图7中所示，将透明环氧树脂材料124分配(例如通过喷射)到PDMS层118的结构化区域121上。在此情况下，不必在整个PDMS层118上方分配环氧树脂材料124。代替地，可将环氧树脂材料124选择性地分配到结构化区域121上，该结构化区域121对应于将要复制光学元件42、44的位置。

图8示出光学元件42、44的复制过程。如图8中所示，使PDMS工具的PDMS层122与PCB晶圆100的顶表面以及间隔物116(若存在)接触。上部(PDMS)工具117抵靠光发射器22和光接收器24的顶表面按压透明环氧树脂材料124。接着使环氧树脂材料124硬化(例如，通过UV固化)。在此阶段，PDMS层118与PCB晶圆100之间保留无环氧树脂的空间125。

图9分别示出根据一些实施方式的注射支撑玻璃114、双面胶带112、间隔物116、PCB基板100和上注射工具117的进一步细节。例如，PCB基板100可以具有包括主动区域101的正方形形状。PCB基板100在相对隅角处具有孔202。孔202在VIM过程期间分别用作环氧树脂流的入口和出口。对于一些实施方式，一些或所有前述细节可以不同。

如图9中进一步所示，底部注射玻璃114可具有带有倒角隅角204的基本呈正方形形状的表面。在一些实例中，倒角隅角204的存在可用于允许底部注射玻璃114装配至其他装备中用于随后处理(例如，切割机)。双面胶带112和间隔物116(若存在)可具有与底部注射玻璃114大约相同的外侧尺寸，且也可具有倒角隅角。底部注射玻璃114也具有孔206以在VIM过程期间分别为环氧树脂的流动提供入口和出口，并且因此与PCB晶圆100中的对应孔202对准。同样，双面胶带112包括与底部注射玻璃114的前述孔206和PCB晶圆100的孔202对准的入口孔208和出口孔208。对于一些实施方式，些或全部前述细节可不同。

如图9中进一步所示，上部PDMS工具117可以是正方形形状，其中外侧尺寸与底部注射玻璃114的对应外侧尺寸相同。上部注射工具117可以具有与PCB晶圆100中的入口/出口孔202的位置重迭的狭槽210。对于一些实施方式，一些或全部前述细节可不同。

如图10中所示，可以通过将黑色(或其他不透明)环氧树脂126材料注射到PDMS层118与PCB晶圆100之间的空间125中来执行VIM过程。环氧树脂126横向地囊封其他组件，包括光发射器22和光接收器24。本技术可以避免(例如)在透明环氧树脂材料中形成沟渠，随后用不透明材料填充沟渠以用作发射器22与相邻接收器24之间的光学屏障的需要。因此，本技术可简化整个过程且也可以产生更小的模块。同样，如图10中可见，间隔物116在VIM过程期间提供更均匀(即平坦)的支撑且防止PCB晶圆110的弯曲。

在将黑色环氧树脂材料126注射到空间125中之后，可以(例如)通过UV和/或热固化来硬化环氧树脂材料126。在一些实例中，这可以在PDMS工具117保留在适当位置中时完成。在环氧树脂材料126被硬化之后，移除PDMS工具117。

接下来，如图11中所示，穿过黑色环氧树脂126形成狭窄的垂直沟渠130。沟渠优选地部分延伸至PCB晶圆100中且用于释放应力。沟渠130可以(例如)通过切割形成。在所示的示例中，沟渠130将成对的光发射管芯22和相关联光接收器管芯24分离。另外，较大的沟渠132可以形成为更靠近PCB晶圆100的边缘，且可以在PCB晶圆100从胶带102的随后释放期间提供帮助。

接着，如图12中所示，将中间载体134附接到组装的顶部(即，在黑色环氧树脂126和复制的光学元件124的外表面上)。接着，如图13中所示，施加热以移除双面胶带112以和底部注射支撑玻璃114。在最后的单一化过程(例如切割)期间，部分分离的模块(参见图14)彼此完全分离，如图15中所示。

接下来，如图16中所示，可以将模块附接到耐热胶带136上。接着在模块的顶表面和侧表面上喷涂IR涂层138，该IR涂层138用作滤光器以仅允许电磁光谱的IR部分中的辐射通过。可以应用后烘烤过程来固化IR涂层138且为模块的其他部分(诸如黑色环氧树脂126)提供最后的热固化。该过程产生多个模块，这些模块中的每一个具有上文结合图1所讨论的模块20的特征。接着可将模块从耐热胶带136卸离。

对于提供载体玻璃以支撑PCB晶圆100的实施方式，可容易地回收载体玻璃用于重复使用，因为很少或没有环氧树脂与玻璃接触(除(例如)在VIM过程期间环氧树脂流的入口孔和出口孔外)。

尽管被注射的环氧树脂126可以称为黑色环氧树脂，但更一般而言，环氧树脂126优选地对由安装于PCB晶圆100上的光电设备22、24(例如，光接收器芯片或光发射芯片)感测或发射的波长的光不透射。

此处所描述的模块20可以集成到广泛范围的可携式计算设备(诸如智能电话、可穿戴设备、生物设备、行动机器人、监控相机、摄录机、膝上型计算机和平板计算机等)中。这些模块可用作(例如)接近传感器模块或其他光学感测模块，诸如用于手势感测或识别。

本公开中引用的智能电话和其他便携式计算设备的设计可包括或一个或多个处理器、一个或多个存储器(例如，RAM)、存储装置(例如，磁盘或闪存)、用户接口(其可以包括(例如)小键盘、TFT LCD或OLED显示器屏幕、触控或其他手势传感器、相机或其他光学传感器、指南针传感器、3D磁力计、3轴加速度计、3轴陀螺仪、一个或多个麦克风等和用于提供图形用户界面的软件指令)、这些组件(例如总线)之间的互连和用于与其他设备通信的接口(其可以是无线的(诸如GSM、3G、4G、CDMA、WiFi、WiMax、Zigbee或蓝牙)和/或有线的(诸如通过以太网局域网络、T-1因特网连接))。在一些实例中，一个或多个处理器使用来自模块的信号(例如，来自接收器管芯24的信号)来调整主机设备的显示器屏幕的亮度。

各种修改将是显而易见的并且可对前述示例进行修改。结合不同实施例所描述的特征在一些情况下可并入同一实施方式中，且结合前述示例描述的各种特征可以从一些实施方式省略。因此，其他实施方式在所要求保护的范围内。