用于光学器件的倾斜芯片组件的制作方法

本公开总体上涉及与集成光学系统相关的器件和方法，并且更具体地涉及用于光学系统的倾斜芯片组件。

背景技术：

光检测和测距(lidar)是一种远程感测方法，其使用脉冲激光形式的光来测量与对象的距离(可变距离)。具体地，测量朝向目标发射的光以及其返回到源所花费的时间。这也被称为测量飞行时间(tof)。

lidar传感器是未来完全自动或者半自动自动驾驶汽车的主要元件。该系统以tof测量的原理进行操作。发射非常短的激光脉冲，撞击对象，被传感器反射和检测。根据激光束的飞行时间，可以计算与对象的距离。扫描lidar系统横跨特定的角度片段利用激光束水平地扫描汽车的周围，并且产生环境的三维(3d)地图。在大多数情况下，当前扫描lidar系统中的激光束通过机械移动的镜子(即，微机电系统(mems)微镜)转向。一些解决方案使用叠加安装的多个激光二极管来延伸垂直视场。

在当前的lidar系统中，芯片组件可以使用布置在mems微镜上方的倾斜保护玻璃。玻璃被倾斜以减少从玻璃背面反射到mems微镜上的光的量(称为静态反射)。mems微镜上的静态反射会引起误差，包括返回图像中的“模糊”。然而，该方法具有导致使全自动板组装工艺复杂化的非平面封装轮廓的缺点。

技术实现要素：

提供了一种微机电系统(mems)封装组件及其制造方法。

根据一个或多个实施例，一种mems封装组件包括：衬底；壳体，耦合至衬底以形成腔体，壳体包括透明板，该透明板被设置在衬底上方且与衬底平行并且被配置为允许光传输穿过该透明板；以及mems芯片，设置在腔体内，并且包括接近透明板的第一主面以及与第一主面相对且耦合至衬底的第二主面。mems芯片被定向，使得第一主面相对于透明板以倾斜角度而倾斜。

根据一个或多个实施例，一种制造倾斜芯片封装组件的方法包括：将具有第一主面的微机电系统(mems)芯片附接至衬底，衬底具有接近mems芯片的平坦主面，其中mems芯片被定向，使得mems芯片的第一主面相对于衬底的平坦主面以倾斜角度而倾斜；以及将壳体附接至衬底的平坦主面，以形成腔体，mems芯片驻留在腔体中，其中壳体包括透明板，该透明板被设置在衬底的平坦主面上方且与衬底的平坦主面平行、并且被配置为允许光传输穿过该透明板。该制造方法可进一步包括：在衬底的平坦主面上设置裸片附接层，裸片附接层被配置为在裸片附接层的第一表面处接收mems芯片以将mems芯片附接至衬底，其中裸片附接层具有楔形结构，使得裸片附接层的第一表面以倾斜角度而倾斜。

透明板可包括第一平坦表面和第二平坦表面，它们限定透明板的厚度并且与衬底的平坦主面平行。

mems芯片的第一主面可以是限定根据倾斜角度倾斜的倾斜平面的平坦表面，倾斜角度与由倾斜平面和由透明板限定的平面的交叉所形成的内角一致，并且倾斜角度至少为10°。

附图说明

本文所述的实施例参考附图。

图1示出了根据一个或多个实施例的光检测和测距(lidar)扫描系统的示意图；

图2示出了根据一个或多个实施例的芯片封装的截面示意图；

图3a和图3b示出了根据一个或多个实施例的芯片封装的截面图；

图4示出了根据一个或多个实施例的倾斜芯片组装工艺的截面图；

图5示出了根据一个或多个实施例的倾斜芯片组件的另一实施例的截面图；

图6示出了根据一个或多个实施例的倾斜芯片组件的另一实施例的截面图；以及

图7示出了根据一个或多个实施例的倾斜芯片组件的另一实施例的截面图。

具体实施方式

以下，将参照附图更详细地描述各个实施例。应该注意，这些实施例仅用于说明的目的而不用于限制。例如，虽然实施例可以描述为包括多个特征或元件，但不构造为表示所有这些特征或元件都需要用于实施实施例。相反，在其他实施例中，可以省略一些特征或元件，或者可以被替代特征或元件所替换。此外，可以提供除所示和所述特征或元件之外的其他特征或元件，例如传感器器件的传统部件。

来自不同实施例的特征可以组合形成又一些实施例，除非另有明确指定。参照一个实施例描述的变型或修改也可以应用于其他实施例。在一些情况下，已知结构和以框图形式示出而不是详细示出，从而避免使实施例模糊。

附图所示或者本文所述的元件之间的连接或耦合可以是有线连接或无线连接，除非另有指定。此外，这种连接或耦合可以是直接连接或耦合而没有附加的中间元件，或者是具有一个或多个附加的中间元件的间接连接或耦合，只要基本保持连接或耦合的一般目的(例如，传输特定种类的信号或者传输特定种类的信息)即可。

实施例涉及光学传感器和光学传感器系统以及获取关于光学传感器和光学传感器系统的信息。传感器可以表示将测量的物理量转换为电信号(例如，电流信号或电压信号)的部件。例如，物理量可以包括电磁辐射(诸如可见光、红外(ir)辐射)或者其他类型的照射信号、电流或电压，但是不限于此。例如，图像传感器可以是相机内的硅芯片，其将从透镜进入的光转换为电压。传感器的有效面积越大，可以收集更多的光来创建图像。

本文使用的传感器可以表示包括传感器和又一些部件(例如，偏置电路装置、模数转换器或滤波器)的器件。传感器器件可以集成到单个芯片上，尽管在其他实施例中，多个芯片或者还有芯片外的部件可用于实施传感器器件。

根据一个或多个实施例，集成光学系统设置有倾斜芯片组件。倾斜芯片组件可以集成到芯片封装中，并且可用于光检测和测距(lidar)应用。例如，倾斜芯片组件可以设置为减少封装内的光学效应(例如，静态反射)，这种光学效应通过被设置在封装内的芯片集成的微机电系统(mems)微镜反射的光所引起。具体地，芯片可以被定向，使其主要的上表面相对于衬底具有限定角度(例如，至少为10°)，使其不与衬底平面平行。同时，设置在芯片上方的保护玻璃与衬底平行。

图1示出了根据一个或多个实施例的lidar扫描系统100。lidar扫描系统100包括：发射器，其包括激光源10、第一光学部件11和一维(1d)mems镜12；以及接收器，其包括第二光学部件14和二维(2d)检测器阵列15。

激光源10以单条形式线性对准，并且被配置为发射用于扫描对象的光。从激光源10发射的光被导向第一光学部件11，第一光学部件11被配置为将每个激光聚焦在一维mems镜12上。例如，第一光学部件11可以是透镜。当被mems镜12反射时，来自激光源10的光被垂直对准以形成垂直扫描线。mems镜12被配置为绕着扫描轴13“边对边”振荡，使得从mems镜12反射的光(即，垂直扫描线)在水平扫描方向上来回振荡。

在撞击到一个或多个对象时，发射的光被反射回lidar扫描系统100，其中第二光学部件14(例如，透镜)接收反射光。第二光学部件14将反射光引导到检测器阵列15上，检测器阵列15被配置为生成用于基于反射光生成环境的3d地图的测量信号(例如，经由tof计算和处理)。例如，检测器阵列15可以是光电二极管或其他光检测部件的阵列，其能够检测和测量光并且从中生成电信号。

图2示出了根据一个或多个实施例的芯片封装200。具体地，芯片封装200可以称为光学封装，并且包括组成传感器封装200的封装的衬底201、密封部件202和玻璃衬底203，其中玻璃衬底203可以是玻璃覆盖件、玻璃盖等。衬底201和玻璃衬底203被布置为相互平行或基本平行，这会简化组装工艺。

在封装内，在腔体204中，mems器件205通过裸片附接层206接合至衬底201。mems器件205可以称为具有集成mems的裸片或芯片。封装本身可以称为芯片载体。

衬底201例如可以是引线框、层压衬底(例如，印刷电路板(pcb)等)或者陶瓷基板，其在上表面和下表面上包括经由设置在其间的导电路径连接的导电焊盘(未示出)。上表面和下表面上的导电焊盘分别向接合线207和焊球208提供电连接。焊球208接合至芯片封装200的底部上的焊盘，用于将芯片封装200连接至电路板(例如，pcb)等。焊球208可以形成球栅阵列(bga)。因此，接合线207和焊球208在芯片上的集成电路与外部器件之间承载电信号(经由pcb)。

应理解，虽然本文的实施例描述了一种或多种类型的芯片封装，但执行仅仅是示例，并且实施例不限于此。因此，可以使用其他类型的集成电路(ic)封装、材料和配置。例如，引线框可以代替焊球用于将芯片封装200连接至pcb。在其他情况下，框架可以是无铅的或者可以使用连接盘网格阵列(lga)安装。

密封部件202在mems器件205的至少一部分周围形成保护壳体的一部分，并且可以是金属、塑料(例如，模制树脂)、玻璃或陶瓷壳体。密封部件202还可以称为封装壳体。

玻璃衬底203是玻璃面，诸如玻璃盖板或盖，其设置在密封部件202上并且通过粘合剂或焊料与其粘附(例如，在密闭式封装的情况下)。玻璃衬底203形成保护壳体的上部，并且布置在mems器件205上方，使得mems器件205被密封在腔体204内部的封装内。玻璃衬底203以及封装整体上保护mems器件205免受外部环境的影响，并且可以帮助最终产品中的芯片封装200的组装。

虽然在该示例中使用玻璃衬底203，但是还可以使用允许光传输穿过的其他透明材料。因此，玻璃衬底203可以一般被称为透明板。此外，玻璃衬底203可以在两侧涂覆有抗反射涂层，以减少光(例如，来自激光源的光)的反射并且滤掉不期望光谱中的光(例如，来自环境的光)。

mems器件205可以是半导体芯片或裸片，其具有与其集成的诸如mems镜209的mems部件。mems镜209可以是集成在芯片上的基于硅的固态mems微镜。mems镜209被布置在芯片的上表面210处，使其可以接收和反射通过玻璃板203接收的光。mems镜209在枢轴点211(其在扫描轴213上对准)处耦合至芯片，使得mems镜209被配置为绕着与mems器件205的倾斜平面平行(即，与上表面210平行)延伸的扫描轴213移动。例如，mems镜209可以被控制为绕着扫描轴来回振荡，以执行水平扫描操作。

mems器件205还包括用于控制mems镜209的移动(例如，振荡)的集成电路，并且可以经由接合线207接收或发射电信号。例如，集成电路可以包括微处理器，其被配置为根据协议和/或根据经由接合线207从外部设备接收的控制信号来控制mems镜209的驱动器。例如，可以通过微处理器根据应用来控制和改变mems镜209的接通/断开状态、移动范围(例如，绕着轴在+/-30°之间的振荡范围)以及振荡频率。在一个示例中，振荡频率可以为20khz，但是不限于此。

mems器件205是通过裸片附接层206(诸如粘合剂、膜、膏、环氧树脂、低应力胶(例如，硅树脂)等)以倾斜角度θ附接或接合至衬底201的裸片。mems器件205以预定的倾斜角度θ放置在裸片附接层206上，这足以减少光的静态反射，其中静态反射会在由mems镜209向外反射光时会在玻璃衬底203的背侧处发生。例如，相对于玻璃衬底203的平面，倾斜角度θ可以是10°以上。倾斜角度θ与通过由上表面210限定的倾斜平面与限定玻璃衬底203的主面的平面的交叉所形成的内角一致。还应注意，扫描轴还相对于玻璃衬底203的平面具有相同的倾斜角度θ，这是因为扫描轴与mems器件205的上表面210平行对准。这里，mems镜209被配置为绕着与图2的视平面正交的扫描轴振荡。

mems器件205的上表面210可以称为第一主面。上表面210可以是限定根据倾斜角度而倾斜的倾斜面的平坦表面。此外，衬底包括接近mems器件205且壳体202/203与其耦合的平坦主面214。玻璃衬底203包括第一平坦表面215和第二平坦表面216，它们限定透明板的厚度并且与衬底的平坦主面214平行。

为了实现倾斜角度，mems器件205可以被放置在裸片附接层206上，使得mems器件205的一侧(例如，在该示例中为左侧)在第二侧与裸片附接层206接触之前与裸片附接层206接触，使其以期望的倾斜角度放置。附加地或备选地，与另一侧相比，较大量的压力可以被施加于mems器件205的一侧(例如，在该示例中为左侧)，使得一侧比另一侧被更深地按压到裸片附接层206中，以产生期望的倾斜角度。因此，裸片附接层206具有不对称形状，使其主面212相对于玻璃衬底203的平面具有倾斜角度。一旦mems器件205以期望的倾斜角度放置(或者裸片附接层206形成有期望的不对称形状)，就可以通过固化工艺来硬化裸片附接层206以根据其期望的定向来固定mems器件205。

在由激光源发射且被mems镜209接收的光的主要部分经由来自mems镜209的反射传输穿过玻璃衬底203的同时，光的较少的次要部分可以穿过玻璃衬底的背侧反射回到腔体204。然而，由于mems器件205相对于玻璃衬底203的倾斜角度，可以减少穿过玻璃衬底203的背侧朝向mems器件205反射回的光的量，并且可以提高系统性能。即，即使光的一些部分可以被反射回腔体204，但是由于裸片附接层206的不对称几何形状和/或mems器件205的倾斜角度，可以减少在mems镜209处实际反射回且撞击到其上的光的量。因此，可以根据mems器件205的倾斜角度(并且更具体地，mems镜209的倾斜角度)优化内壳体反射。

图3a和图3b示出了根据一个或多个实施例的芯片封装300。具体地，图3a示出了芯片封装300的截面图，而图3b示出了芯片封装300的平面图。

芯片封装300类似于图2所示的芯片封装200，除了使用不同的壳体302。因此，将不再详细描述图3a和图3b所示的类似特征。芯片封装200和300都可以被密闭密封以保护它们的内部器件。

芯片封装300包括附接至衬底301的壳体302。例如，壳体302可以是具有集成玻璃衬底303的金属盖。金属盖可以通过焊接附接至衬底301。此外，玻璃衬底303提供用于使来自lidar光源的光以及来自mems镜的反射光穿过其中的窗口。

壳体302具有接近裸片附接层306的一侧306a的第一侧302a，并且具有接近裸片附接层306的相对侧306b的第二侧302b。由于裸片附接层306的主面312的倾斜角度，裸片附接层306在侧306a处的厚度小于裸片附接层306在侧306b处的厚度。

如图3b所示，扫描轴313与mems器件305的倾斜平面平行地延伸。因此，mems镜309与mems器件305的倾斜平面正交地振荡。

图4示出了根据一个或多个实施例的组装工艺。例如，裸片附接层406可以设置在衬底401上，具有对称或基本对称的形状。此后，被配置为承载mems器件450的具有橡皮尖端421的倾斜接合头工具420可用于将mems器件405放置在裸片附接层406上。接合头工具420以一定角度倾斜，以在固化裸片附接层406之前以期望的倾斜角度将mems器件405放置在裸片附接层406上。然后，mems器件405可以被密封在壳体内以完成封装的组装。

图5示出了根据一个或多个实施例的用于实现mems器件的倾斜角度的另一实施例。例如，衬底501可以包括用于接收裸片附接层506和mems器件505的倾斜组装焊盘501a。倾斜组装焊盘501a与衬底501一起形成单个集成件，以倾斜角度从衬底501的剩余部分501b延伸。因此，倾斜组装焊盘501a具有不对称形状，其主面根据倾斜角度而倾斜。裸片附接层506被设置在倾斜组装焊盘501a的主面上，并且在固化裸片附接层506之前将mems器件505设置于其上。由于倾斜组装焊盘501a的倾斜角度，mems器件505可以通过接合工具520被放置在裸片附接层506上，使得mems器件505的底面和裸片附接层506的上表面相互平行。接合工具520可以具有成角度的橡胶尖端521，其被配置为以与倾斜组装焊盘501a的倾斜角度一致的角度保持mems器件505。然后，mems器件505可以被密封在壳体中以完成封装的组装。

应理解，成角度的橡胶简单520是可能工具的一个示例，并且接合工具520不限于此。例如，根据本文描述的一个或多个实施例，接合工具520可以包括任何拾取工具或喷嘴，其被配置为保持和放置芯片(诸如mems器件505)。

图6示出了根据一个或多个实施例的用于实现mems器件的倾斜角度的另一实施例。具体地，楔形结构630可设置在衬底601上。类似于图5中的倾斜组装焊盘501a，楔形结构630配置有以倾斜角度倾斜的主面。楔形结构630可以由陶瓷、硅或塑料制成，但不限于此。

裸片附接层606被设置在楔形结构630的主面上，并且mems器件605在固化裸片附接层606之前设置于其上。由于楔形结构630的倾斜角度，mems器件630可以通过接合工具620放置在裸片附接层606上，使得mems器件605的底面和裸片附接层606的上表面相互平行。接合工具620可以具有成角度的橡胶尖端621，其被配置为以与楔形结构630的倾斜角度一致的角度保持mems器件605。然后，mems器件605可以被密封在壳体中以完成封装的组装。

图7示出了根据一个或多个实施例的用于实现mems器件的倾斜角度的另一实施例。这里，可以通过mems器件705的不对称形状来实现mems镜的倾斜角度。例如，mems器件705的背侧(即，晶圆的底侧)可以以一定角度蚀刻，使得当mems器件705被放置在裸片附接层706上时，mems器件705具有布置mems镜的倾斜表面710。根据该布置，mems镜根据相对于玻璃衬底/窗口(未示出)的倾斜角度θ而倾斜。因此，用于将mems器件705固定至衬底701的裸片附接层706可被固化为具有对称或基本对称的形状(即，具有与衬底和玻璃衬底/窗口平行延伸的主面)，同时仍然实现mems镜的倾斜角度。备选地，裸片附接层706可以固化为具有不对称形状，使其主面也类似于图2所示倾斜，并且可进一步用于调整mems镜相对于玻璃衬底/窗口的倾斜角度。

尽管本文描述的实施例涉及具有镜子的mems器件，但应该理解，其他实施方式可以包括除mems镜器件之外的光学器件。此外，尽管在装置的上下文中描述了一些方面，但清楚地，这些方面还表示对应方法的描述，其中块或器件对应于方法步骤或者方法步骤的特征。类似地，在方法步骤的上下文中描述的方面也表示对应装置的对应块或项或特征的描述。一些或所有方法步骤可以通过(或使用)硬件装置来执行，例如微处理器、可编程计算机或电子电路。在一些实施例中，可通过这种装置来执行方法步骤中的一个或多个。

根据特定的实施要求，本文提供的实施例可以硬件或软件来实施。可以使用数字存储介质(例如，软盘、dvd、蓝光、cd、rom、prom、eprom、eeprom或闪存)来执行实施方式，其上存储有电可读取控制信号，与可编程计算机系统协作(或者能够与可编程计算机系统协作)，使得执行对应的方法。因此，数字存储介质可以是计算机可读的。

可以通过一个或多个处理器来执行指令，诸如一个或多个中央处理单元(cpu)、数字信号处理器(dsp)、通用微处理器、专用集成电路(asic)、现场可编程逻辑阵列(fpga)或者其他等效的集成或分立逻辑电路。因此，本文使用的术语“处理器”表示适合于实施本文所述技术的任何前述结构或任何其他结构。此外，在一些方面中，本文描述的功能可以设置有专用硬件和/或软件模块。此外，可以在一个或多个电路或逻辑元件中完全实施技术。

上面描述的示例性实施例仅仅是说明性的。应该理解，本文描述的布置和细节的修改和变化对于本领域技术人员来说是明显的。因此，仅通过所附权利要求的范围来限制本发明，而不通过本文实施例的描述和解释呈现的具体细节来限制。