包括在接近传感器上方堆叠的环境光传感器的电子模块的制作方法

本申请要求于2018年4月11日提交的欧洲专利申请第18305439.4号的优先权，其内容在法律允许的最大范围内通过引证全部并入本申请。

本发明涉及一种电子模块以及包括这种电子模块的装置。

背景技术：

一些装置(例如，移动电话、平板电脑、笔记本电脑、台式电脑、视频游戏机、智能卡读取器、摄像机、电视、车辆等)配备有环境光传感器和接近传感器，以协助相机的操作。例如，环境光传感器可用于触发相机的闪光灯或调整相机的亮度。接近传感器可用于检测物体的存在，测量与物体的距离，并调整相机镜头的位置以捕获聚焦中的物体。

环境光传感器和接近传感器通常是独立电子模块的一部分，这增加了装置的复杂性、成本和尺寸。

技术实现要素：

在一个实施例中，一种电子模块包括：环境光传感器，包括环境光光电探测器；以及接近传感器，包括红外光电发射器、参考红外光电探测器和另一红外光电探测器；其中环境光传感器被布置在接近传感器上方，以允许由红外光电发射器发射的红外光子被参考红外光电探测器接收。

这种堆叠布置确保了更高的集成级别。

环境光传感器可布置在参考红外光电探测器之上，以减少被参考红外光电探测器接收到的环境光光子。

这种堆叠布置防止参考红外光电探测器被环境光光子饱和。

减少被参考红外光电探测器接收的环境光光子可包括完全或至少实质上阻止由参考红外光电探测器接收的环境光光子。

该电子模块可包括布置在环境光传感器和接近传感器之间的光波导，以将由红外光电发射器发射的红外光子传送至参考红外光电探测器。

光波导可以在接近传感器的红外光电发射器和参考红外光电探测器之间提供直接光路。

电子模块可包括环境光滤波器，环境光滤波器被布置为减少由参考红外光电探测器接收的环境光光子。

环境光滤波器可被布置在光波导的背面上。

电子模块可包括在光波导之上布置在环境光传感器和接近传感器之间的插入件。

插入件可被布置在参考红外光电探测器的光路中。

插入件可以由硅或陶瓷制成。

以这种方式，插入件可进一步减少被参考红外光电探测器接收到的环境光光子。

电子模块可包括位于光波导旁边、被布置在环境光传感器和接近传感器之间的插入件。

插入件可包括一个或多个电连接器，连接至环境光传感器的一个或多个电连接器、接近传感器的一个或多个电连接器和/或基板的一个或多个电连接器。

以这种方式，电信号可以经由插入件在环境光传感器、接近传感器和/或基板之间路由。

插入件、环境光传感器、接近传感器或基板的一个或多个电连接器可包括电焊盘或电轨道。

插入件可包括红外光电发射器的光路中的开孔，以允许由红外光电发射器发射的红外光子离开电子模块。

以这种方式，插入件不阻挡红外光电发射器的视场。

另一红外光电探测器可被布置为接收由光电发射器发射并被物体反射的红外光子。

电子模块可包括位于另一红外光电探测器的光路中的环境光滤波器，以减少被另一红外光电探测器接收到的环境光光子。

电子模块可包括至少覆盖接近传感器的红外光电发射器和又一红外光电探测器的封装。

封装可包括布置在红外光电发射器的光路中的窗口，以允许红外光电发射器发射的红外光子离开电子模块。

封装可包括布置在另一红外光电探测器的光路中的窗口，以允许由红外光电发射器发射且被物体反射的红外光子被另一红外光电探测器接收。

封装可覆盖环境光传感器，并且包括布置在环境光光电探测器的光路中的窗口，以允许电子模块中的环境光光子。

电子模块可包括用于红外光电发射器和环境光传感器的单个窗口或多个窗口。

封装可包括被布置为露出环境光传感器的正面的开口。

环境光传感器的背面可包括连接至插入件的一个或多个连接器的一个或多个电连接器。

封装可包括壁，其界定：第一腔，包括环境光传感器、接近传感器的红外光电发射器和参考红外光电探测器；以及第二腔，包括接近传感器的另一红外光电探测器。

以这种方式，封装可以在接近传感器的红外光电发射器和另一红外光电探测器之间提供光学隔离。

根据另一方面，提供了一种包括上述任何电子模块的系统。

该系统可包括移动电话、平板电脑、台式计算机、笔记本电脑、视频游戏机、视频门或智能手表等。

根据另一方面，提供了一种电子模块，包括：接近传感器，包括红外光电发射器、参考红外光电探测器和另一红外光电探测器；以及光波导，被布置为将由红外光电发射器发射的红外光子传送至参考红外光电探测器。

光波导可由玻璃制成。

光波导可包括透镜，以将由红外光电发射器发射的红外光子引导至参考红外光电探测器。

电子模块可包括：环境光传感器，包括环境光光电探测器，其中环境光传感器被布置在接近传感器之上。

光波导可布置在环境光传感器和接近传感器之间。

电子模块可包括位于光波导之上、被布置在环境光传感器和接近传感器之间的插入件。

电子模块可包括位于光波导旁边、被布置在环境光传感器和接近传感器之间的插入件。

插入件可布置在参考红外光电探测器的光路中。

插入件可包括一个或多个电连接器，连接至环境光传感器的一个或多个电连接器、接近传感器的一个或多个电连接器和/或基板的一个或多个电连接器。

插入件可包括位于红外光电发射器的光路中的开孔，以允许由红外光电发射器发射的红外光子离开电子模块。

另一红外光电探测器可布置为接收由光电发射器发射并被物体反射的红外光子。

电子模块可包括位于另一红外光电探测器的光路中的环境光滤波器，以减少被另一红外光电探测器接收的环境光光子。

电子模块可包括至少覆盖接近传感器的红外光电发射器和另一红外光电探测器的封装。

封装可包括布置在红外光电发射器的光路中的窗口，以允许由红外光电发射器发射的红外光子离开电子模块。

封装可覆盖环境光传感器，并且包括布置在环境光光电探测器的光路中的窗口，以允许电子模块中存在环境光光子。

封装可包括被布置为露出环境光传感器的正面的开口。

封装可包括壁，用于界定：第一腔，包括环境光传感器、接近传感器的红外光电发射器和参考红外光电探测器；以及第二腔，包括接近传感器的另一红外光电探测器。

附图说明

现在仅通过示例参考附图，其中：

图1示出了根据本公开第一实施例的电子模块的示例的立体图；

图2示出了图1的电子模块的立体图；

图3示出了图1的电子模块的立体图；

图4示出了图1的电子模块的横截面图；

图5示出了根据本公开第二实施例的电子模块的示例的立体图；

图6示出了根据本公开第三实施例的电子模块的示例的立体图；

图7示出了根据本公开第四实施例的电子模块的示例的立体图；

图8示出了图7的电子模块的前视图；

图9示出了根据本公开第五实施例的电子模块的示例的立体图；以及

图10示出了图1的电子模块的前视图。

具体实施方式

与以下实施例相关联的概念涉及环境光传感器和接近传感器在不大于传统接近传感器的电子模块中的集成。此外，这里使用的堆叠方法可确保满足以下要求中的所有或至少一些：

-红外光电发射器的视场不受阻挡；

-红外光电探测器的视场不受阻挡；

-环境光传感器的视场不受阻挡；

-红外光电探测器与红外光电发射器光学隔离；

-参考红外光电探测器与红外光电发射器之间存在直接光路；

-由参考红外光电探测器接收的环境光光子被基本阻断，以保护参考红外光电探测器免受饱和；

-封装的尺寸最小化；以及

-电子模块的成本最小化。

图1至图4示出了根据本公开第一实施例的电子模块2。电子模块2可用于诸如智能卡读取器、手机、平板电脑、笔记本电脑、台式计算机、智能手表、视频游戏机等的装置。

电子模块2包括基板4(如图1至4所示)。基板4可由陶瓷、fr4或其他材料制成。基板4包括一个或多个焊盘6(如图2所示)以传送电信号(例如，输入、输出、电源或接地)。焊盘6被布置在基板4的正面上。可通过在基板4的正面上沉积金属层并蚀刻金属层来形成焊盘6。备选地或者附加地，基板4可包括轨道或其他类型的电连接器来传送电信号(例如，输入、输出、电源或接地)。

电子模块2包括接近传感器8(如图1、图2和图4所示，为集成电路芯片的形式)，其被配置为检测电子模块2附近的物体和/或测量电子模块2与物体之间的距离。接近传感器8可布置在基板4的正面上。这里，接近传感器8直接位于基板4的正面上。接近传感器8被布置为使基板4的焊盘6不被阻挡以允许线接合。

接近传感器8包括红外光电发射器10(如图1、图2和图4所示，为集成电路芯片的形式)、参考红外光电探测器12(在图1至图4中被隐藏，但在图8至图10中看到)和另一红外光电探测器14(如图1、图2和图4所示)。这里，接近传感器8是飞行时间传感器，但也可以使用其他类型的接近传感器。

红外光电发射器10被配置为朝向物体发射红外光子(例如，800nm-990nm波长)。红外光电发射器10包括视场16或发射锥(如图2、图3和图4所示)。这里，红外光电发射器10是垂直腔表面发射激光器(vcsel)，但是也可以使用其他类型的红外光电发射器。

参考红外光电探测器12被配置为接收由红外光电发射器10直接发射的红外光子(即，相对于由红外光电发射器10发射并被物体反射的红外光子)。参考红外光电探测器12包括视场或接收锥(未示出)。这里，参考红外光电探测器12包括红外像素阵列，诸如单光雪崩二极管(spad)和相关电路装置。应理解，可以使用另一种类型的红外光电探测器。

spad在本领域是众所周知的，因此不详细讨论其功能。相关电路装置可包括被配置为选择性地读出spad的读出单元。读出spad通常包括检测通过由红外光电发射器10直接发射的红外光子的吸收所生产的脉冲，以及确定参考时间(即，吸收时间)。相关电路装置还可以包括被配置为选择性地控制spad的控制单元。控制spad通常包括在生成脉冲之后的终止(quenching)和复位spad。

与参考红外光电探测器12不同，红外光电探测器14没有被配置为接收由红外光电发射器10直接发射的红外光子。红外光电探测器14被配置为接收由红外光电发射器10发射并被物体反射的红外光子。红外光电探测器14包括视场或接收锥(未示出)。

与参考红外光电探测器12一样，红外光电探测器14包括红外像素阵列，诸如spad和相关电路装置。相关电路装置可包括被配置为选择性地读出spad的读出单元。读出spad通常包括检测通过由红外光电发射器10发射并被物体反射的红外光子的吸收所生成的脉冲，确定时间(即，吸收时间)，基于参考时间和确定的时间来确定飞行时间，以及基于飞行时间确定与物体的距离。相关电路装置还可以包括被配置为选择性地控制spad的控制单元。控制spad通常包括生成脉冲之后的终止和复位spad。

接近传感器8包括多个焊盘17(如图1和图2所示)，以传送电信号(例如，输入、输出、电源或接地)。这里，焊盘17布置在接近传感器8的正面上。焊盘17在接近传感器8的正面的周边或外围形成环。备选地或附加地，接近传感器8可包括轨道或其他类型的电连接器，以传送电信号(例如，输入、输出、电源或接地)。

电子模块2包括将接近传感器8的焊盘17连接至基板4的焊盘6的多条电线18(如图1和图2所示)。导线18可使用在半导体封装工业中很好理解的线接合技术进行连接。

在实施方式中，导线18可被布置为使得接近传感器8的至少一侧20(如图2所示)没有导线接合或者减少导线接合的数量。例如，沿接近传感器8的至少一侧20的至少一个焊盘17a可通过导线18a沿相邻侧22连接至基板4的焊盘6a。以这种方式，电子模块2的尺寸可以减小。

电子模块2包括光波导24(如图1和图4所示)，其被配置为将由红外光电发射器10发射的红外光子传送至参考光检测器12。这里，光波导24布置在接近传感器8的正面上，并且直接位于参考红外光电发射器12之上。光波导24布置在由接近传感器8的焊盘17形成的环内，以使这些焊盘17不被阻挡并允许进行导线接合。光波导24可由玻璃或其他合适的材料制成。光波导24可包括透镜(例如，会聚透镜)，以将由红外光电发射器10发射的红外光子引导至参考红外光电探测器。

电子模块2包括环境光滤波器(未示出)，其被配置为允许红外光光子被参考红外光电探测器12接收，同时减少被参考红外光电探测器12接收的环境光光子。这种环境光光子否则会使参考红外光电探测器12饱和，这将劣化接近传感器8的功能。环境光滤波器可以是高通滤波器(例如，使接近参考红外光电发射器12的波段及其以上的波段中的波长通过)或带通滤波器(例如，仅使接近参考红外光电发射器12的波段的波段中的波长通过)。环境光滤波器可布置在参考红外光电探测器12的光路中。这里，环境光滤波器布置在接近传感器8的正面和光波导24的背面之间。例如，环境光滤波器可以是涂覆在光波导24的背面上的涂层。

电子模块2包括插入件26(如图1、图2和图4所示)，其被配置为调整接近传感器8和环境光传感器34(如图2、图3和图4所示)之间的距离，以在环境光传感器34和基板4之间路由信号和/或减少被参考红外光电发射器12接收的环境光光子。应理解，在其他实施例中，插入件26可被配置为仅实现这些功能中的一些功能。

插入件26在参考红外光电探测器12的光路中布置在光波导24之上，以减少由参考红外光电发射器12接收的环境光光子。这里，插入件26直接位于光波导24之上。

插入件26包括一个或多个焊盘28(如图2和图4所示)以传送电信号(例如，输入、输出、电源或接地)。这里，焊盘28布置在插入件26的正面上。通过在插入件28的正面上沉积金属层并蚀刻金属层，可以形成焊盘28。以这种方式，信号可以在环境光传感器34和基板4之间路由。备选地或附加地，插入件26可包括轨道或其他类型的电连接器来传送电信号(例如，输入、输出、电源或接地)。

电子模块2包括多条电线30(如图2所示)，将插入件26的焊盘28连接至基板4的焊盘6。导线30可以使用半导体封装行业中很好理解的导线接合技术进行连接。

可特别将插入件26加大尺寸，以最大化用于信号分布的电位，并且利于导线30的接合能够将插入件26的焊盘28连接至基板4的焊盘6。然而，插入件26被设计为避免影响将接近传感器8连接至基板4的导线18的接合，并且避免阻挡红外光电发射器10的视场16。这里，插入件26布置在红外光电发射器10之上，并且包括开孔32或孔(如图2和图3所示)，其尺寸可使红外光电发射器10的视场16不被阻挡。

插入件26可由陶瓷或硅制成。硅插入件的优点在于可以更大的精度设置插入件26的厚度。实际上，硅插入件26可以后研磨，因此可以实现几乎任何厚度。相反，陶瓷插入件可根据基材层厚度限于离散厚度。

对于硅插入件，可蚀刻硅晶元以界定开孔32的周界和插入件26的周界。例如，可使用深度反应离子蚀刻(drie)技术来蚀刻硅晶元。这种技术允许非常有效地蚀刻到约190μm的深度。然后，硅晶元可以反向研磨以使开孔32清晰，并且分离或单一化硅插入件26。这种工艺被称为“先切后磨”。通过这种工艺，硅插入件在总体尺寸、开孔尺寸、位置精度和厚度方面具有良好的机械精度。

应理解，drie是用于切割的一种可能的选项，但是也可以使用诸如激光或等离子体的其他选项。

还应理解，硅晶元可以先被反向研磨，然后进行蚀刻。这种工艺被称为“研磨后切割”。因为硅晶元先被后研磨，所以其可以足够薄来使用激光或等离子切割，尽管形状可能不太均匀，但应确保良好的成品率。

对于陶瓷插入件，可以在共烧之前通过冲压陶瓷插入件来形成开孔32。

电子模块2包括环境光传感器34(如图2、图3和图4所示，为集成电路芯片的形式)，其被配置为测量环境光的等级。环境光传感器34包括视场36(如图3所示)。环境光传感器34的视场36通常大于红外光电发射器10的视场16、参考红外光电探测器12的视场和红外光电探测器14的视场。环境光传感器36的视场36可相对于垂直方向大于或等于60°。相比之下，参考红外光电探测器12的视场可相对于垂直方向在5°和60°之间，并且红外光电探测器14的视场可相对于垂直方向在5°和60°之间，每个视场取决于接近传感器的具体应用。

环境光传感器34布置在插入件26之上。这里，环境光传感器34直接位于插入件26的正面之上。环境光传感器34包括环境光光电探测器38(如图2、图3和图4所示)和相关逻辑。例如，环境光传感器34可以是光-频率传感器。这种类型的传感器是众所周知的，因此没有详细讨论。应理解，可以使用其他类型的环境光传感器。

环境光传感器34包括多个焊盘40(如图2、图3和图4所示)以传送电信号(例如，输入、输出、电源或接地)。这里，焊盘40被布置在环境光传感器34的正面上。备选地或附加地，环境光传感器34可包括轨道或其他类型的电连接器以传送电信号(例如，输入、输出、电源或接地)。

电子模块2包括多条导线42(如图2、图3和图4所示)，其将环境光传感器34的焊盘40连接至插入件26的焊盘28。导线42可以使用悬臂导线接合技术进行连接。使用线接合技术允许使用“裸管芯”环境光传感器34，省去了专用于环境光传感器34的单独封装的成本。

电子模块2包括环境光滤波器44(如图4所示)，其被配置为允许红外光光子被红外光电探测器14接收，同时减少被参考红外光电探测器14接收的环境光光子。这种环境光光子否则会使红外光电探测器14饱和。环境光滤波器44可以是高通滤波器(例如，使接近参考红外光电发射器12的波段及以上的波段中的波长通过)或带通滤波器(例如，仅使接近参考红外光电发射器12的波段中的波长通过)。环境光滤波器44布置在红外光电探测器14的光路中。环境光滤波器44可以是涂覆在玻璃片正面的涂层，也可以采用其他形式。

电子模块2包括封装46(如图4所示)，其被配置为容纳和保护环境光滤波器44、环境光传感器34、插入件26、光波导24和接近传感器8。封装46在环境光滤波器44、环境光传感器34、插入件26、光波导24、接近传感器8和基板4之上形成壳体。封装46可粘合至基板4。这里，封装46承载环境光滤波器44(即，环境光滤波器44附接至封装46)。

封装46包括基本垂直于基板4的侧壁和基本平行于基板4的前壁。封装46包括与前壁基本垂直的内壁48，在封装46内界定第一腔50和第二腔52。第一腔50包含环境光滤波器44和红外光电探测器14。第二腔52包含环境光传感器34、插入件26、光波导24和参考光电探测器12。内壁48在红外光电探测器14和红外光电发射器10之间提供光学隔离。

封装46包括形成在前壁中并通向第一腔50的开孔54。开孔54可布置在环境光滤波器44和红外光电探测器14的光路中。开孔54的尺寸可以使红外光电探测器14的视场不被阻挡。开孔54可包括窗口56。窗口56可以由玻璃或其他合适的材料制成。窗口56可设置有诸如衍射光学器件(例如，使用玻璃上硅技术)、会聚光学器件(例如，使用玻璃上硅技术)或折射光学器件(例如，使用玻璃上环氧技术)的光学器件。

封装46包括形成在前壁中并通向第二腔52的开孔58。开孔58布置在环境光传感器34的光路和红外光电发射器10的光路中。开孔58的尺寸可以使环境光传感器24的视场36和红外光电发射器10的视场16不被阻挡。

可以有利地设置插入件26的厚度，使得环境光传感器34在第二腔52中尽可能高。以这种方式，开孔58的尺寸可以最小化，同时确保环境光传感器34的视场36不受阻挡。

开孔58可包括窗口60。窗口60可以由玻璃或其他合适的材料制成。与使用独立窗口相比，对环境光传感器34和红外光电发射器10使用分开的窗口可降低封装46的成本。窗口60可设置有诸如衍射光学器件(例如，使用玻璃上硅技术)、会聚光学器件(例如，使用玻璃上硅技术)或折射光学器件(例如，使用玻璃上环氧技术)的光学器件。

上述电子模块2的优点在于，其允许将环境光传感器34和接近传感器8集成在不大于传统接近传感器的封装的封装46中。此外，这里使用的堆叠方法确保满足以下要求中的所有或至少一些：

-红外光电发射器10的视场16不受阻挡；

-红外光电探测器14的视场不受阻挡；

-环境光传感器34的视场36不受阻挡。例如，通过调整封装中的环境光传感器34的高度，可以使用现有的环境光传感器34，同时确保环境光传感器34的视场36不受阻挡；

-红外光电探测器14与红外光电发射器10光学隔离；

-参考红外光电探测器12和红外光电发射器10之间存在直接光路；

-由参考红外光电探测器12接收的环境光光子被基本阻断，以保护参考红外光电探测器12免受饱和；

-封装46的尺寸最小化；以及

-电子模块2的成本最小化。

图5示出了根据本公开第二实施例的电子模块102。在第二实施例中，通过封装146来替代封装46。

封装146与封装46的不同之处在于：封装146包括形成在前壁中的通向第二腔52的开孔158a。开孔158a布置在环境光传感器34的光路中。开孔158a的尺寸可以使环境光传感器34的视场36不被阻挡。开孔158a可包括窗口160a。窗口160a可由玻璃或其他合适材料制成。窗口160a可设置有诸如衍射光学器件(例如，使用玻璃上硅技术)、会聚光学器件(例如，使用玻璃上硅技术)或折射光学器件(例如，使用玻璃上环氧技术)的光学器件。

封装146包括开孔158b，其形成在前壁中通向第二腔52。开孔158b布置在红外光电发射器10的光路中。开孔158b的尺寸可以使红外光电发射器10的视场16不被阻挡。开孔158b可包括窗口160b。窗口160b可由玻璃制成。窗口160b可设置有诸如衍射光学器件(例如，使用玻璃上硅技术)、会聚光学器件(例如，使用玻璃上硅技术)或折射光学器件(例如，使用玻璃上环氧技术)的光学器件。

图6示出了根据本公开第三实施例的电子模块202。在第三实施例中，环境光传感器34被晶圆级芯片级封装(wlcsp)环境光传感器234替代，并且封装46被封装246替代。

与环境光传感器34不同，wlcsp环境光传感器234不是裸管芯环境光传感器。wlcsp环境光传感器234包含独立的封装。wlcsp环境光传感器234可在背面上包括传送电信号(例如，输入、输出、电源和接地)的焊盘。wlcsp环境光传感器234的焊盘可被金属化。wlcsp环境光传感器234的焊盘可包括焊膏点或凸块，以将wlcsp环境光传感器234的焊盘接合至插入件26的焊盘。wlcsp环境光传感器234的焊盘的图案可与插入件26的焊盘的图案匹配。

可定位wlcsp环境光传感器234，使得wlcsp环境光传感器234的纵轴270与封装246的纵轴272形成直角(例如，90°)(如图6所示)。备选地，可以旋转并定位wlcsp环境光传感器234，使得wlcsp环境光传感器234的纵轴270与封装246的纵轴272对齐。

封装246与封装146的不同可在于：其不再包括开孔158a和窗口160a。确实，封装246包括被布置为露出wlcsp环境光传感器234(如果移除wlcsp环境光传感器234，则露出插入件26的正面)的开口274。然而，开口274的尺寸应确保将插入件26的焊盘28连接至基板4的轨道6的导线30受到保护。

可以在将wlcsp环境光传感器234安装在插入件26上并回流wlcsp环境光传感器234的焊膏点或凸块之前安装封装246。备选地，可以在将wlcsp环境光传感器234安装在插入件26上并回流wlcsp环境光传感器234的焊膏点或凸块之后安装封装246。

图7和图8示出了根据本公开第四实施例的电子模块302。在第四实施例中，插入件26被插入件326替代。光波导24被光波导324代替。插入件326仍然布置在接近传感器8和环境光传感器34之间，但位于光波导324旁边(与位于光波导324之上相反)。此外，环境光传感器34直接布置在插入件326之上。在一些实施例(未示出)中，环境光传感器34可直接布置在参考红外光电探测器12的光路中的光波导324之上。以这种方式，环境光传感器34可直接减少被参考红外光电探测器12接收的环境光光子。

图9和图10示出了根据本公开第五实施例的电子模块402。在第五实施例中，省略插入件26。环境光传感器34直接布置在光波导24之上。在一些实施例中，环境光传感器34可布置在参考红外光电探测器12的光路中。以这种方式，环境光传感器34可直接减少被参考红外光电探测器12接收的环境光光子。

上文已经描述了具有不同变型的各种实施例。应当注意，本领域技术人员可将这些不同实施例和变型的各种元素组合。

这种修改、改变和改进旨在作为本公开的一部分，并且在权利要求的范围内。因此，上面的描述仅作为示例而不用于限制。本发明仅限于权利要求书及其等效物中所定义的。