具备光源发射单元及感光单元的光学传感器的封装结构的制作方法

1.本实用新型涉及半导体技术领域，特别涉及一种具备光源发射单元及感光单元的光学传感器的封装结构。


背景技术：

2.具备光源发射单元和感光单元的光学传感器的类型繁多，包括时间飞行传感器(time of flight，tof)、光学追踪传感器(optical tracking sensor,ots) 等，光源发射单元发出特定波长的发射光，经过目标物体反射回来，感光单元接收反射回来的入射光，以实现测距、光学追踪等。例如，光学追踪传感器 (optical tracking sensor，简称ots)利用其强大的表面检测功能，已被广泛应用在打印、数位旋钮追踪、智能设备控制和机器人导航等感测领域，用于帮助改善输出结果。
3.在现有的光学跟踪传感器的封装结构中，为了对射入光线进行滤光，从而使得感光单元仅接收到光源发射单元发射的指定波长的光信号，在支撑件上连接设置有滤光玻璃，该透镜位于感光单元相对应的位置，以使射入感光单元的光线均经过滤光玻璃时只有指定波长的光信号能够通过，其它部分均被吸收。由于这种结构中，滤光玻璃连接设置在支撑件上，其导致整个光学跟踪传感器的封装结构的厚度偏大。目前光学追踪传感器大量应用在一些智能穿戴设备中，例如设置在智能手表的表冠上，当穿戴设备旋转，光源发射单元发射的光信号打在旋转轴反射回来的光信号由感光单元接收从而成像，比对旋转前后的图案实现旋转轴的粗糙度和角度的感测，实现穿戴设备的画面切换等功能。这种应用场景下的光学追踪传感器的体积仍需缩小，以满足进一步小型化的市场需求。


技术实现要素：

4.为了克服现有技术的上述缺陷，本实用新型实施例所要解决的技术问题是提供了一种具备光源发射单元及感光单元的光学传感器的封装结构，其能够解决具备光源发射单元及感光单元的光学传感器的封装结构厚度偏大的问题。
5.本实用新型实施例的具体技术方案是：
6.一种具备光源发射单元及感光单元的光学传感器的封装结构，所述光学传感器的封装结构包括：基底；设置在所述基底上的感光单元，所述感光单元与所述基底相电性连接；设置在所述基底上的光源发射单元，所述光源发射单元与所述基底相电性连接；设置在所述基底上的支撑件，所述光源发射单元、所述感光单元和所述支撑件位于所述基底的同一面，所述支撑件上具有第一开口和第二开口，所述第一开口的位置与所述感光单元的感光区域相对应，所述第二开口的位置与所述光源发射单元相对应；以及设置在所述感光单元的感光区域的上表面的滤光件或滤光层。
7.优选地，所述滤光件通过透明的第一粘接剂材料与所述感光单元的感光区域相固定。
8.优选地，所述滤光件由玻璃制成，所述滤光件位于所述第一开口中。
9.优选地，所述滤光件背离所述感光单元的端面低于或等于所述支撑件背离所述基底的端面。
10.优选地，所述滤光件的至少其中一面上具有起滤光作用的镀膜。
11.优选地，所述滤光件或滤光层使得预设波长范围的入射光的透过率大于阈值，所述光源发射单元发射光的波长位于所述预设波长范围内。
12.优选地，所述滤光层通过溅镀或者蒸镀加工在所述感光单元的感光区域上。
13.优选地，所述感光单元的与所述基底通过多个导电连接器实现电性连接，在所述导电连接器所在区域涂设有不透光的隔离材料。
14.优选地，所述支撑件包括支撑部、侧壁部以及分隔部，所述支撑部、所述侧壁部与所述基底形成容纳空间，所述分隔部将所述容纳空间分隔成第一容纳空间和第二容纳空间，所述感光单元位于第一容纳空间，所述光源发射单元位于第二容纳空间；在所述第二容纳空间中设置有透明的第二粘结剂材料，所述第二粘结剂材料对所述光源发射单元进行包覆。
15.优选地，所述第二粘结剂材料通过喷胶或者灌胶的方式设置在所述第二容纳空间中。
16.本实用新型的技术方案具有以下显著有益效果：
17.本技术中的具备光源发射单元及感光单元的光学传感器的封装结构直接将滤光件或滤光层设置在所述感光单元的感光区域上，如此一来可以使得滤光件或滤光层与感光单元的感光区域之间的间隙缩小至最小，从而可以使得支撑件朝向所述基底的内壁与基底之间的间隙进一步缩小，进而使得具备光源发射单元及感光单元的光学传感器的封装结构厚度减小，体积得到缩小，以使光学传感器满足进一步小型化的市场需求。
18.参照后文的说明和附图，详细公开了本实用新型的特定实施方式，指明了本实用新型的原理可以被采用的方式。应该理解，本实用新型的实施方式在范围上并不因而受到限制。针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。
附图说明
19.在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式来限制本实用新型公开的范围。另外，图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本实用新型的理解，并不是具体限定本实用新型各部件的形状和比例尺寸。本领域的技术人员在本实用新型的教导下，可以根据具体情况选择各种可能的形状和比例尺寸来实施本实用新型。
20.图1为本实用新型实施例中具备光源发射单元及感光单元的光学传感器的封装结构的俯视图；
21.图2为本实用新型实施例中具备光源发射单元及感光单元的光学传感器的封装结构的剖面图；
22.图3为本实用新型实施例中具备光源发射单元及感光单元的光学传感器的封装结构去除支撑件后的俯视图。
23.以上附图的附图标记：
24.1、基底；2、感光单元；21、感光区域；3、光源发射单元；4、支撑件； 41、支撑部；42、
侧壁部；43、分隔部；44、第一开口；45、第二开口；5、滤光件；6、第一粘接剂材料；7、隔离材料；8、第二粘结剂材料；9、导电连接器；91、导电线；92、焊盘；10、容纳空间；101、第一容纳空间；102、第二容纳空间。
具体实施方式
25.结合附图和本实用新型具体实施方式的描述，能够更加清楚地了解本实用新型的细节。但是，在此描述的本实用新型的具体实施方式，仅用于解释本实用新型的目的，而不能以任何方式理解成是对本实用新型的限制。在本实用新型的教导下，技术人员可以构想基于本实用新型的任意可能的变形，这些都应被视为属于本实用新型的范围。需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
26.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本技术的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本技术的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本技术。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
27.为了能够解决具备光源发射单元及感光单元的光学传感器，尤其是光学追踪传感器的封装结构厚度偏大的问题，在本技术中提出了一种具备光源发射单元及感光单元的光学传感器的封装结构，值得注意的是，说明书以光学追踪传感器举例，但这里提出封装结构同样可以适用于其它具备光源发射单元及感光单元的光学传感器，实现降低其封装结构厚度(z方向)。图1为本实用新型实施例中具备光源发射单元及感光单元的光学传感器的封装结构的俯视图，图2 为本实用新型实施例中具备光源发射单元及感光单元的光学传感器的封装结构的剖面图，如图1和图2所示，具备光源发射单元及感光单元的光学传感器的封装结构可以包括：基底1；设置在基底1上的感光单元2，感光单元2与基底1相电性连接；设置在基底1上的光源发射单元3，光源发射单元3与基底1相电性连接；设置在基底1上的支撑件4，光源发射单元3、感光单元2和支撑件4位于基底1的同一面，支撑件4上具有第一开口44和第二开口45，第一开口44的位置与感光单元2的感光区域21相对应，第二开口45的位置与光源发射单元3相对应；设置在感光单元2的感光区域21的上表面的滤光件5或滤光层。
28.本技术中的具备光源发射单元及感光单元的光学传感器的封装结构直接将滤光件5或滤光层设置在感光单元2的感光区域21上，如此一来可以使得滤光件5 或滤光层与感光单元2的感光区域21之间的间隙缩小至最小，从而可以使得支撑件4朝向基底1的内壁与基底1之间的间隙进一步缩小，进而使得光学传感器的封装结构厚度减小，体积得到缩小，以使光学传感器满足进一步小型化的市场需求。
29.为了能够更好的了解本技术中的具备光源发射单元及感光单元的光学传感器的封装结构，下面将对其做进一步解释和说明。如图1和图2所示，具备光源发射单元及感光单
元的光学传感器可以包括：基底1；感光单元2，光源发射单元3，支撑件4，设置在感光单元2的感光区域21上的滤光件5或滤光层。
30.如图2所示，基底1可以沿水平方向延伸，其用于固定设置支撑件4、感光单元2、光源发射单元3等部件。基底1可以为印制电路板(pcb)基板，其作为电子元器件的支撑体，从而实现电子元器件电气相互连接的载体。作为可行的，基板还可为球格阵列(ball grid array)基板、导线架(lead frame)、铜箔基板、树脂基板或其他种类的基板。可依据设置基板上的光源发射单元3、感光单元2的接脚规格选用特定种类的基板。
31.如图2所示，感光单元2设置在基底1上，光源发射单元3与基底1相电性连接。感光单元2可以为传感器裸片，感光单元2通过粘接剂材料被固定于基底1的上表面。粘接剂材料可以是被配置成用于在装配工艺过程中使感光单元2保持在位的任何材料。例如，粘接剂材料可以是胶带、粘膏、粘胶或任何其它合适的材料。在一个或多个实施例中，粘接剂材料可以是裸片附接膜。
32.传感器裸片可以由半导体材料(如硅)制成。传感器裸片包括活性表面，该活性表面包括一个或多个电气部件(如集成电路)。集成电路可以是模拟或数字电路，该模拟或数字电路被实现为在裸片内形成的并且根据裸片的电气设计与功能电互连的有源器件、无源器件、导电层和介电层。传感器裸片包括用于发送、接收和分析电信号的电路。在所展示的实施例中，活性表面位于传感器裸片的上部部分处。感光单元2与基底1通过多个导电连接器9实现电性连接，例如，导电连接器9可以包括导电线和焊盘，其将感光单元2耦接至基底1上表面上的焊盘。
33.如图2所示，光源发射单元3设置在基底1上，光源发射单元3固定在基底1的上表面。光源发射单元3可以通过粘接剂材料固定到基底1的上表面。粘接剂材料可以是适用于将光源发射单元3固定到基底1的上表面的导电膜或导电胶，如导电银浆、裸片附接膜(die attach film,daf)或任何其它合适的材料。
34.如图2所示，支撑件4设置在基底1上，支撑件4与基底1的接触部分固定连接在一起。进一步的，支撑件4与基底1之间的接触部分可以通过不透光的粘接剂材料粘合在一起，防止环境光进入封装内部。该粘接剂材料优先可以采用黑胶，当然的，在本技术中并不对其做任何具体限定。支撑件4与基底1 之间形成有容纳空间10。光源发射单元3、感光单元2和支撑件4位于基底1 的同一面，光源发射单元3和感光单元2均设置在容纳空间10中。支撑件4可以包括支撑部41以及侧壁部42，侧壁部42位于支撑部41的周边，侧壁部42 朝向基底1的下端与基底1相接触，两者之间通过不透光的粘接剂材料粘合。支撑部41沿水平方向延伸，其与基底1之间具有间隙，从而使支撑部41、侧壁部42与基底1之间形成容纳空间10。
35.在本技术中，支撑件4的材质并无限制，可由任何可阻隔光线的不透明材质制作，举例来说，可选用树脂、尼龙、塑胶、金属、液晶聚合物(liquid crystalpolyester)、或其他不透明材料制作，较佳是耐高温的材质制作的黑色不透明上盖，在本技术中并不对其做任何具体限定。
36.如图2所示，支撑件4上具有第一开口44和第二开口45，第一开口44的位置与感光单元2的感光区域21相对应，第二开口45的位置与光源发射单元 3相对应。例如，第一开口44可以位于感光单元2的感光区域21的正上方。第一开口44的具体形状可以与感光单元2的感光区域21的形状相对应。
37.图3为本实用新型实施例中具备光源发射单元及感光单元的光学传感器的封装结构去除支撑件后的俯视图，如图3所示，感光区域21位于感光单元2的上表面。光源发射单元3可用于向物体发射指定波长的光信号，感光单元2的感光区域21可用于感应物体返回的光信号。该光源发射单元3可以为垂直腔面发射激光器(vertical-cavity surface-emitting laser，vcsel)或者发光二极管 (light emitting diode，led)等等。
38.该指定波长的光信号可以为不可见光信号，不可见光信号不容易被用户眼睛观察到，有利于提高用户体验。当然，在一些要求不高的场合，也可以使用可见光信号作为光源，本技术实施例对此不做具体限定。
39.如图2所示，第二开口45可以位于光源发射单元3的正上方，从而保证光源发射单元3发出的指定波长的光信号大部分均通过第二开口45射向物体。
40.如图2所示，作为可行的，支撑件4上具有分隔部43，分隔部43可以与支撑部41相接，分隔部43朝向基底1方向延伸。分隔部43将容纳空间10分隔成相独立的第一容纳空间101和第二容纳空间102。感光单元2的感光区域 21位于第一容纳空间101。光源发射单元3位于第二容纳空间102中。由于第一容纳空间101和第二容纳空间102之间通过分隔部43进行了隔离，自光源发射单元3发出的指定波长的光信号无法直接从支架内部到达感光单元2，从而避免了此类光信号对感光单元2造成的影响。
41.如图2所示，滤光件5或滤光层设置在感光单元2的感光区域21上，从而对子第一开口44射入的光线进行过滤，使得特定波长范围的入射光的透过率大于阈值(例如95％)，光源发射单元3的发射光的波长位于该特定波长范围内，即是说仅使得光源发射单元3发出的指定波长的光信号附近的窄带(小范围) 光线通过，其它波长的光信号进行过滤去除。例如光源发射单元3发射的指定波长的光信号的波长约为850nm，则滤光件5或滤光层的滤波范围可设置为 840nm至860nm透过率大于阈值(例如95％)。通过上述方式，可以使得滤光件 5或滤光层与感光单元2的感光区域21之间的间隙缩小至最小，从而可以使得支撑件4朝向基底1的内壁与基底1之间的间隙进一步缩小，进而使得跟踪传感器的封装结构厚度减小，体积得到缩小，以使跟踪传感器满足进一步小型化的市场需求。
42.为了使得滤光件5直接固定设置在感光单元2的感光区域21上，滤光件5 通过透明的第一粘接剂材料6与感光单元2的感光区域21相固定。第一粘结剂材料为透明粘结剂材料的目的是使得目标物体反射回来的入射光得以通过第一粘接剂材料6到达感光单元2的感光区域21。
43.如图2所示，滤光件5可以由玻璃制成，滤光件5位于第一开口44中。通过上述方式，在保证滤光件5强度的同时，通过将滤光件5位于第一开口44中以防止支撑件4与滤光件5在竖直方向上出现干涉，从而可以进一步使得支撑件4朝向基底1的内壁与基底1之间的间隙减小。
44.在使用过程中，为了避免滤光件5的上表面受到外力影响而出现损坏，作为可行的，如图2所示，滤光件5背离感光单元2的端面可以低于或等于支撑件4背离基底1的端面。
45.滤光件5可以通过在滤光件5的至少其中一面上设置有起滤光作用的镀膜，从而实现对光源发射单元3发出的指定波长附近窄带的光信号通过。镀膜可以设置在滤光件5的上表面或者下表面均可。
46.在另一种可行的实施方式中，当滤光层设置在感光单元2的感光区域21的上表面
时，滤光层通过晶圆级光学元件wlo(wafer level opitical)技术溅镀或者蒸镀加工在感光单元2的感光区域21内。这种实施方式是在感光单元2 的晶粒或裸片(die)上加工滤光层，该滤光层可以在晶圆厂将晶圆(wafer) 切割成晶粒(die)之前就在晶圆上制作完成，然后再切割，封装厂拿到的晶粒上面直接就有滤光层，从而简化了封装厂的组装工艺，该工艺需要在感光单元 2的裸片(die)上加硬光罩(hard mask)避开感光单元2上的导电连接器9 及焊盘，成本相对较高。
47.如图3所示，导电连接器9可以包括导电线91和及其焊盘92，实现感光单元2与基底1的电连接，图3所示实施例在导电连接器9所在区域涂设有不透光的隔离材料7，不透光的隔离材料7可以实现导电连接器9与空气之间的隔离，从而对裸露的导电连接器9形成保护。该隔离材料7可以是能够隔离空气的、绝缘的任意不透光材料，在本技术中并不对其做任何具体限定。进一步的，隔离材料7可以选择黑胶，因其方便获取，经常用于封装结构中实现不同零部件之间的粘合，无需额外采购。
48.如图2及图3所示，在第二容纳空间102中可以设置有透明的第二粘结剂材料8，第二粘结剂材料8对光源发射单元3进行包覆。作为优选地，第二粘结剂材料8可以充满第二容纳空间102，也可以充满第二容纳空间102以及第二开口45。
49.通过上述方式可以实现对第二容纳空间102中的光源发射单元3进行保护，光源发射单元3不会出现损坏或掉落，并保证光源发射单元3发射的指定波长的光信号能够从第二开口45射出。另外，由于第二容纳空间102中填充满透明的第二粘结剂材料8，灰尘杂质或其它物质等无法进入第二容纳空间102，并堆积在第二容纳空间102中，这样有效避免了对光源发射单元3发射的指定波长的光信号的干扰或遮挡。相较于在光源发射单元3上加贴玻璃的现有技术，第二粘结剂材料8在实现上述目的的同时，还降低了光学传感器的封装高度。
50.若光源发射单元3与基底1之间通过导电连接器(图中未示出)实现电性连接，那么透明的第二粘结剂材料8也可以实现该导电连接器与空气之间的隔离，从而对裸露的导电连接器9形成保护。
51.作为可行的，第二粘结剂材料8可以通过喷胶或者灌胶的方式设置在第二容纳空间102中，之后固化，固化实现对光源发射单元3的保护。灌胶的方式要经过烘烤固化，固化后表面会形成凹坑，会使光路发散，制程中还需依据芯片性能及光学原理对胶水表面凹陷程度进行管控。第二粘结剂材料8在本技术中并不做任何限制，例如可以是环氧树脂、透明胶水等等。
52.本技术中的光学跟踪传感器的封装结构可以被包括在不同的电子装置中并且可以例如耦接至微处理器、电源、存储器或其他这种电子部件。电子装置包括在此所描述的光光学跟踪传感器的封装结构，还可以包括例如蜂窝电话、智能电话、平板计算机、照相机和/或可以位于衣服、鞋子、手表、眼镜或是其他任意可穿戴结构中的可穿戴计算装置。在某些实施例中，这类电子装置或在此描述的光学跟踪传感器的封装结构可以位于如轮船和汽车的交通工具、机器人或者任何其他可移动结构或机器中。
53.披露的所有文章和参考资料，包括专利申请和出版物，出于各种目的通过援引结合于此。描述组合的术语“基本由
…
构成”应该包括所确定的元件、成分、部件或步骤以及实质上没有影响该组合的基本新颖特征的其他元件、成分、部件或步骤。使用术语“包含”或“包括”来描述这里的元件、成分、部件或步骤的组合也想到了基本由这些元件、成分、部件
或步骤构成的实施方式。这里通过使用术语“可以”，旨在说明“可以”包括的所描述的任何属性都是可选的。多个元件、成分、部件或步骤能够由单个集成元件、成分、部件或步骤来提供。另选地，单个集成元件、成分、部件或步骤可以被分成分离的多个元件、成分、部件或步骤。用来描述元件、成分、部件或步骤的公开“一”或“一个”并不说为了排除其他的元件、成分、部件或步骤。
54.以上仅为本实用新型的几个实施方式，虽然本实用新型所揭露的实施方式如上，但内容只是为了便于理解本实用新型而采用的实施方式，并非用于限定本实用新型。任何本实用新型所属技术领域的技术人员，在不脱离本实用新型所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施方式的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本实用新型的专利保护范围，仍须以所附权利要求书所界定的范围为准。