TW202329436A - 光學感測模組及其封裝方法 - Google Patents

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Abstract

一種光學感測模組及其封裝方法，其中包含光學感測模組包含一基板，該基板設有一感光元件；以及一透光材質製成的殼體，該殼體連接該基板且覆蓋該感光元件。其中，該殼體具有朝向該感光元件的一收光區域，該殼體朝向該基板的內側表面於該收光區域以外的部分設有一遮光塗層。藉此，可有效保護感光元件等光學元件，並仍保有避免雜訊光影響干擾光感測模組的效果。

Description

光學感測模組及其封裝方法
本發明係有關一種光學感測模組，尤其是一種具有感光元件的光學感測模組及其封裝方法。
諸如CMOS影像感測器(CMOS Image Sensor; CIS)、近接感測器(proximity sensor，PS)及環境光線感測器(ambient light sensor)等光學感測元件廣泛應用於行動電話等攜帶式行動裝置或其它消費性電子裝置內。這些光學感測元件都需使用感光元件，而且近接感測器一般還需要使用發光元件。
如第1圖所示為一種現有光感測器9，會將感光元件92及發光元件93設置在基板91上。一般而言，感光元件92會整合設置在積體電路晶片內，為了保護感光元件92的晶片及發光元件93的發射器等光學元件，現有技術會將感光元件92及發光元件93密封於一透明模塑物質94中。舉例而言，透過將液態透明膠材(例如樹酯)注入模具，待凝固後移除模具，以將感光元件92及發光元件93包覆於透明模塑物質94中。
為了避免雜訊光或發光元件93產生的光線干擾感光元件92，現有的一種封裝方式是使用不透光的金屬蓋體或塑料蓋體作為遮擋元件。其中，光感測器9的封裝方法通常都是連片作業，也就是需要在同時設有多個基板91的整塊電路板上，先對透明模塑物質94進行切割，以形成基板91四周甚至是穿過基板91的槽道941，再將不透光的蓋體95結合到基板91上以覆蓋結合在透明模塑物質94上方。這種組裝方式不僅工序繁瑣，切割過程更可能會對結構造成損害，故預定要被切割出槽道的區域中不能設置任何的導線或電路構造，此種方式會佔掉元件打線接合(Wire bonding)的空間，不利於微型化的封裝設計。
另一方面，隨著元件尺寸的微縮，對於光感測器9的性能要求也隨之提升。在此情況下很容易衍生出需要在感光元件92及發光元件93的收發光路徑上設置光學結構來調整其光學特性的需求。以透鏡為例，由於蓋體95的不透光材質不能用來製作透鏡，因此現有技術通常會選擇在透明模塑物質94上另行製作透鏡942，然而透明模塑物質94需要包覆感光元件92及發光元件93，又需要經後續組裝切割，會導致透鏡設計裕度受限且製作難度提升。此外，雖然可以通過將透鏡等光學結構製作為獨立的模組（例如用透明材質製作額外的透鏡鏡筒供光學結構設置），再將其裝配結合於不透光的蓋體95上，但這種作法無疑增加了零件數量與組裝工序。
在元件體積縮小化的趨勢下，無論是蓋體、槽道或是光學結構皆必須具有相當高的精確度，才得以相互組接而形成良好效能的光感測器單元，因此大幅提高了製程的難度，同時又損及產品的良率，實有加以改良的必要。
本發明的目的之一在於提供一種光學感測模組及其封裝方法，期通過以透光材質製成殼體，再於殼體上設置遮光塗層，可有效保護感光元件或發光元件等光學元件，並仍保有避免雜訊光影響干擾光感測模組的效果，進而達成簡化封裝工序、提升良率、幫助微型化的封裝設計、提升了光學結構的設計自由度以及降低光學結構製作難度等功效。
本發明一實施例揭露了一種光學感測模組，其包含：一基板，該基板設有一感光元件；以及一透光材質製成的殼體，該殼體連接該基板且覆蓋該感光元件。其中，該殼體具有朝向該感光元件的一收光區域，該殼體朝向該基板的內側表面於該收光區域以外的部分設有一遮光塗層。
本發明一實施例揭露了一種光學感測模組的封裝方法，其包含：將該感光元件等光學元件設置於該基板；於透光材質製作的該殼體表面設置該遮光塗層；以及將該殼體連接固定於該基板。
為使　貴審查委員對本發明之特徵及所達成之功效有更進一步之瞭解與認識，謹佐以實施例及配合說明，說明如後：
首先，請參閱第2及3圖，其中第2圖為本發明之光學感測模組第一實施例之剖視結構示意圖，第3圖為該第一實施例的立體結構示意圖。該第一實施例之光學感測模組1係包含一基板11、一感光元件12及一殼體13。該基板11可以是任何適用於光學封裝之材料，例如一銅箔基板、一陶瓷基板、一導線支架、一樹酯基板或一印刷電路板。該感光元件12可以由積體電路晶片構成，且該感光元件12設置於該基板11上，一般而言可以通過一道固晶製程之晶片黏著方法（die attaching），將感光元件12固著在空白的基板11上。視該光學感測模組1的種類不同，該感光元件12可以包含一個或多個感光單元121，且當具有多個感光單元121時，可以組成感光陣列，惟本發明並不以此為限。該殼體13係由透光材質製成，所述透光材質可讓特定波長或全部波長穿透。該殼體13具有一個或數個抵接面13a，該抵接面13a可供該殼體13沿一縱向方向X連接該基板11。該殼體13與該基板11之間可採用膠體黏接或高溫熔接等連接固定方式。該殼體13連接該基板11後係覆蓋該感光元件12。
該殼體13具有沿該縱向方向X朝向該感光元件12的一收光區域131，且該殼體13朝向該基板11的內側表面13b於該收光區域131以外的部分設有一遮光塗層14。遮光塗層可以係以遮光材料用噴塗或鍍膜等方式形成，所述遮光材料可以為油墨、光阻、黑色環氧樹酯等，且遮光材料對於特定波長或全部波長的光穿透率較佳小於20%。由於該遮光塗層14不會覆蓋該殼體13的收光區域131，因此不會遮蔽該感光元件12的收光路徑。
請一併參閱第4A及4B圖，其中第4A圖為本發明之光學感測模組第一實施例組裝後的外觀結構示意圖，第4B圖為該第一實施例組裝後的立體剖視結構示意圖。該殼體13連接該基板11後，該基板11與該殼體13的內側表面13b之間可以形成一容置空間R1，該感光元件12即位於該容置空間R1之中。其中該殼體13係由透光材質製成，因此不需要另外開設孔洞來讓光線穿過，換言之該容置空間R1可以形成密閉。如此一來，雖然在本實施例中並沒有以透明模塑物質來模封該感光元件12，該感光元件12仍然可以受到該殼體13的保護，以阻絕外部環境的水氣、粉塵、髒汙等接觸該感光元件12而造成損壞。實際上不僅僅是該感光元件12受該殼體13保護，該基板上11供電性連接該感光元件12的連接墊111、基板11與感光元件12之間的打線均可受到該殼體13保護。
承上所述，在本發明第一實施例的光學感測模組1中，已經不像現有技術需要利用透明模塑物質94來包覆感光元件92，當然也不需要再對不存在的透明模塑物質94進行切割等工序。在該第一實施例中，殼體13係由透光材質製成而不需要另外開設孔洞來讓光線穿過，因此殼體13一旦被連接於基板11就形成了良好的保護效果，而且通過在殼體13的內側表面13b設置遮光塗層14，也依然保有避免雜訊光影響干擾該感光元件12的效果。
請參照第5圖所示，本發明之光學感測模組第一實施例之封裝方法的流程示意圖，該封裝方法包含： 將光學元件設置於該基板11，在該第一實施例中光學元件包含該感光元件12； 於透光材質製作的殼體13表面設置該遮光塗層14；以及 將該殼體13連接固定於該基板11。
如此一來，本發明光學感測模組第一實施例的封裝方法實質上僅需在殼體13的內側表面13b設置遮光塗層14，並將殼體13連接於基板11即可完成，完全省略了現有技術中需要對透明模塑物質94進行切割的繁瑣工序，更實質擴大了基板11上可供設置電路構造的有效區域，有助於微型化的封裝設計。
以下詳細說明本發明光學感測模組的各種變化實施方式：
請續參照第2、3及4B圖所示，在該第一實施例中，如果該光學感測模組1是用來作為近接影像感測器、深度感測器或特定的影像感測器（例如飛時測距），則該光學感測模組1所使用的光學元件除了感光元件12外，通常還需要一發光元件15。該發光元件15常見為發光二極體或雷射光發射器，且一般用於發出波長範圍落在紅外光波段(例如940nm)或可見光波段(例如550nm)的光線。該發光元件15同樣設置於該基板11上，且亦可以通過前述晶片黏著方法與感光元件12一併固著在空白的基板11上。該殼體13連接該基板11後係覆蓋該感光元件12及該發光元件15。該殼體13具有沿該縱向方向X朝向該發光元件15的一發光區域132，且該殼體13朝向該基板11的內側表面13b係於該發光區域132以外的部分設置該遮光塗層14。由於該遮光塗層14不會覆蓋該殼體13的發光區域132，因此不會遮蔽該發光元件15的發光路徑。較佳地，該遮光塗層14對於該發光元件發出之波長範圍的光穿透率小於20%。
更詳言之，該感光元件12與該發光元件15係沿一橫向方向Y於該基板11上間隔設置，該殼體13於該縱向方向X位於該基板11上方而覆蓋該感光元件12及該發光元件15，該縱向方向X垂直該橫向方向Y。在本實施例中，該殼體13包含沿該縱向方向X朝向該基板11凸伸的一肋部133，該肋部133於該橫向方向Y位於該感光元件12與該發光元件15之間。該基板11與該殼體13的內側表面13b之間所形成的容置空間受該肋部133分隔為一第一容置空間R1及一第二容置空間R2，該感光元件12位於該第一容置空間R1之中，該發光元件15則位於該第二容置空間R2之中。其中該殼體13係由透光材質製成，因此不需要另外開設孔洞來讓光線穿過，換言之該第一容置空間R1與該第二容置空間R2均可形成密閉。如此一來，雖然在本實施例中並沒有以透明模塑物質來模封該感光元件12，該感光元件12、發光元件15及該基板上11的其他構造仍然可以受到該殼體13的保護，以阻絕外部環境的水氣、粉塵、髒汙等接觸。可以注意到的是，在本發明部分實施例中，若該殼體13不具有肋部133，則該光元件12、發光元件15及該基板上11的其他構造當可共同位於同一個容置空間中，並仍然受到該殼體13的保護。
值得注意的是如第4B圖所示，在本實施例中，該肋部133朝向該第一容置空間R1之表面133a設有該遮光塗層14；或者該肋部133朝向該第二容置空間R2之表面133b設有該遮光塗層14。藉此，該肋部133上的遮光塗層14可以阻絕該發光元件15所發出的光線，以避免其直接或間接傳遞到感光元件12的感光單元121時，而形成串擾(crosstalk)訊號。
更重要的是，在本實施例中該殼體13可以包含一光學結構，該光學結構一般常見為透鏡結構、濾波結構(例如偏振片、彩色濾光片等構造)、擴散結構或光學微結構等。在第3、4A及4B圖中範例性地示出了該殼體13可以包含一感光透鏡134及一發光透鏡135，該感光透鏡134係設置於該殼體13的收光區域131；該發光透鏡135則設置於該殼體13的發光區域132。其中，由於本發明實施例的殼體13係由透明材質製成，因此該感光透鏡134及該發光透鏡135可以與該殼體13一體成形製作，亦即在模塑製成該殼體13時就一併形成這些透鏡結構。當然，實務上也可以以另一道模塑製程的方式在殼體13上形成該感光透鏡134及該發光透鏡135，但無論如何，相較於現有技術必須在透明模塑物質94上另行製作透鏡，導致透鏡設計裕度受限且製作難度提升，本發明實施例是在殼體13完成後才將其連接固定於基板11，因此該感光透鏡134及該發光透鏡135無論在設計自由度還是在製作難度上均顯著優於現有技術。
請參照第6及7圖所示，第6圖為本發明之光學感測模組第二實施例之剖視結構示意圖，第7圖為本發明之光學感測模組第二實施例組裝後的外觀結構示意圖。本實施例旨在說明上述舉例的感光透鏡134及發光透鏡135等光學結構，其不僅可以設置於該殼體13朝向該基板11的內側表面13b，也可以設置於該殼體13背向該基板11的外側表面13c，例如另一個感光透鏡136即設置於該基板11的外側表面13c。此外，該第二實施例也顯現出該殼體13無論在其收光區域131或是發光區域132，均可供設置複數個光學結構，相較於現有技術存在很大的差異。這是因為現有技術如果要將在透明模塑物質94上製作透鏡942，然而透明模塑物質94需要包覆感光元件92及發光元件93，其實際上只有背向基板91的單一側表面的可以供設置光學結構。相較之下在本發明各實施例中，係通過該基板11與該殼體13的內側表面13b之間所形成的容置空間來容納並保護感光元件12及發光元件15，因此在光學結構的設計自由度上大幅提升。
雖然在前述各實施例中均以凸透鏡來示例說明該殼體13的光學結構，然而實際上該光學結構端視設計需求可以為各種不同的構造。例如第8A圖所示，該感光透鏡134可以為凹透鏡，甚或前述發光透鏡135可以改用光學微結構135’替代。再者，如第8B圖所示，由於在本發明各實施例中的殼體13係由透光材質製成，因此即使不直接在殼體13上製作光學結構，也可將光學結構組裝結合於該殼體13上。舉例而言，該殼體13可以在該收光區域131開設一貫孔，此貫孔即可供組裝結合光學結構，例如一透鏡結構137或一濾波結構138，惟該透鏡結構137或該濾波結構138的至少一者較佳封閉該貫孔，以使該殼體13與該基板11之間的容置空間維持密閉。又或者，該殼體13也可以在該發光區域132設置發光透鏡135前/後，另行開設一盲孔，該盲孔中同樣可供組裝結合光學結構，例如一擴散結構139。相較於現有技術不透光的蓋體95，其本來就開設有收發光用的開孔，然而這些開孔是不適合直接結合光學結構的，因為蓋體95不透光的特性可能會影響這些光學結構的特性，使其無法發揮原有的光學特性。如前所述，現有技術為了解決此問題，尚須透過將光學結構製作為獨立的模組（例如用透明材質製作額外的透鏡鏡筒供光學結構設置），再將其裝配結合於不透光的蓋體95上，然而這些額外的零件模組與工序在本發明各實施例中都是不需要的。
請參照第9及10圖所示，第9圖為本發明之光學感測模組第三實施例之剖視結構示意圖，第10圖為本發明之光學感測模組第三實施例組裝後的立體剖視結構示意圖。與前述實施例在於，在本實施例中的遮光塗層14中，朝向發光元件15部分的一第一遮光塗層14a的材料是針對發光元件15發出的光線進行遮蔽，因此較佳可以選用針對該發光元件15發出之波長範圍的光穿透率小之材料。相對地，針對朝向感光元件12部分的一第二遮光塗層14b，由於殼體13可能會讓外界各種波長的雜訊射向感光元件12，因此可以選用針對廣域波長範圍的光穿透率小之材料。另一方面，雖然在前述實施例中皆在殼體13的內側表面13b設置遮光塗層14，在本實施例中也可在該殼體13背向該基板11的外側表面13c之一區域形成一第三遮光圖層14c，以局部強化這個區域的遮光效果。
此外，在本實施例中，仍可將感光元件12密封於一透明模塑物質16中。詳言之，該透明模塑物質16係為透明封裝材料，可透過將液態透明膠材(例如樹酯)注入抵接在基板11上的模具，待凝固後移除模具，以將感光元件12單獨包覆於透明模塑物質16中。如此可局部強化感光元件12受保護的效果，然而實際執行本發明光學感測模組之封裝方法時，依然是在形成透明模塑物質16後，將製作完成的殼體13連接固定於該基板11，仍然不存在對透明模塑物質16進行切割等工序。再者，在本實施例中因為額外設置了透明模塑物質16，該透明模塑物質16也可以包含一光學結構161，該光學結構同樣可包含透鏡結構、濾波結構、擴散結構或光學微結構等，以輔助與該殼體13共同達成所需的光學效果。
綜上所述，本發明之光學感測模組及其封裝方法通過以透光材質製成殼體，再於殼體上設置遮光塗層，進而使殼體不需要另外開設孔洞來讓光線穿過，可有效保護感光元件或發光元件等光學元件，並仍保有避免雜訊光影響干擾光感測模組的效果。本發明之光學感測模組及其封裝方法不需要對現有技術的透明模塑物質進行切割的繁瑣工序，可提升良率，更擴大了基板可供設置電路構造的有效區域，有助於微型化的封裝設計。本發明之光學感測模組更大幅提升了光學結構的設計自由度，並降低其製作難度，同時相較現有技術也不需要額外的零件模組與工序來組裝結合光學結構。
是以，本發明實為一具有新穎性、進步性及可供產業上利用者，應符合我國專利法專利申請要件無疑，爰依法提出發明專利申請，祈  鈞局早日賜准專利，至感為禱。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍，舉凡依本發明申請專利範圍所述之形狀、構造、特徵及精神所為之均等變化與修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。
1:光學感測模組 11:基板 111:連接墊 12:感光元件 121:感光單元 13:殼體 13a:抵接面 13b:內側表面 13c:外側表面 131:收光區域 132:發光區域 133:肋部 133a:表面 133b:表面 134:感光透鏡 135:發光透鏡 135’:光學微結構 136:感光透鏡 137:透鏡結構 138:濾波結構 139:擴散結構 14:遮光塗層 14a:第一遮光塗層 14b:第二遮光塗層 14c:第三遮光塗層 15:發光元件 16:透明模塑物質 161:光學結構 R1:第一容置空間、容置空間 R2:第二容置空間 X:縱向方向 Y:橫向方向 9:光感測器 91:基板 92:感光元件 93:發光元件 94:透明模塑物質 941:槽道 942:透鏡 95:蓋體
第1圖：現有技術光感測器的結構示意圖； 第2圖：本發明之光學感測模組第一實施例之剖視結構示意圖； 第3圖：本發明之光學感測模組第一實施例之立體結構示意圖； 第4A圖：本發明之光學感測模組第一實施例組裝後的外觀結構示意圖； 第4B圖：本發明之光學感測模組第一實施例組裝後的立體剖視結構示意圖； 第5圖：本發明之光學感測模組第一實施例之封裝方法的流程示意圖； 第6圖：本發明之光學感測模組第二實施例之剖視結構示意圖； 第7圖：本發明之光學感測模組第二實施例組裝後的外觀結構示意圖； 第8A圖：本發明之光學感測模組於殼體製作光學結構的變化示意圖； 第8B圖：本發明之光學感測模組於殼體組裝結合光學結構的變化示意圖； 第9圖：本發明之光學感測模組第三實施例之剖視結構示意圖； 第10圖：本發明之光學感測模組第三實施例組裝後的立體剖視結構示意圖。
1:光學感測模組
11:基板
111:連接墊
12:感光元件
121:感光單元
13:殼體
131:收光區域
132:發光區域
133:肋部
134:感光透鏡
135:發光透鏡
14:遮光塗層
15:發光元件

Claims (20)

  1. 一種光學感測模組，其包含： 一基板，該基板設有一感光元件；及 一透光材質製成的殼體，該殼體連接該基板且覆蓋該感光元件； 其中，該殼體具有朝向該感光元件的一收光區域，該殼體朝向該基板的內側表面於該收光區域以外的部分設有一遮光塗層。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之光學感測模組，其中該基板與該殼體的內側表面之間形成一容置空間，該感光元件位於該容置空間之中。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之光學感測模組，其中該遮光塗層的光穿透率小於20%。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之光學感測模組，其中該基板另設有一發光元件，該殼體具有朝向該發光元件的一發光區域，該殼體朝向該基板的內側表面係於該收光區域及該發光區域以外的部分設置該遮光塗層。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之光學感測模組，其中，該感光元件與該發光元件沿一橫向方向於該基板上間隔設置，該殼體於一縱向方向位於該基板上方，該縱向方向垂直該橫向方向，該殼體包含沿該縱向方向朝向該基板凸伸的一肋部，該肋部於該橫向方向位於該感光元件與該發光元件之間。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之光學感測模組，其中該基板與該殼體的內側表面之間形成一容置空間，該容置空間受該肋部分隔為一第一容置空間及一第二容置空間，該感光元件位於該第一容置空間之中，該發光元件位於該第二容置空間之中。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之光學感測模組，其中該肋部朝向該第一容置空間之表面設有該遮光塗層。
  8. 如申請專利範圍第5項所述之光學感測模組，其中該肋部朝向該第二容置空間之表面設有該遮光塗層。
  9. 如申請專利範圍第4項所述之光學感測模組，其中該發光元件發出的光線具有一波長範圍，該遮光塗層對於該波長範圍之光線的光穿透率小於20%。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之光學感測模組，其中該遮光塗層包含數種遮光材料。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之光學感測模組，其中該殼體包含一光學結構，該光學結構包含一透鏡結構、一濾波結構、一擴散結構或一光學微結構。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之光學感測模組，其中該光學結構包含一透鏡結構，該透鏡結構包含一個或數個透鏡。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之光學感測模組，其中所述透鏡結構與該殼體一體成形。
  14. 如申請專利範圍第12項所述之光學感測模組，其中所述透鏡結構係組裝結合於該殼體上。
  15. 如申請專利範圍第1項所述之光學感測模組，其中該感光元件外周設有一透明模塑物質。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之光學感測模組，其中該透明模塑物質包含一光學結構，該光學結構包含一透鏡結構、一濾波結構、一擴散結構或一光學微結構。
  17. 如申請專利範圍第1項所述之光學感測模組，其中該殼體背向該該基板的外側表面之一區域也可以設置另一遮光塗層。
  18. 如申請專利範圍第1項所述之光學感測模組，其中該光學感測模組為一環境光感測器或一影像感測器。
  19. 如申請專利範圍第4項所述之光學感測模組，其中，其中該光學感測模組為一接近感測器或一影像感測器。
  20. 一種光學感測模組的封裝方法，用以封裝如如申請專利範圍第1至19項任一項所述之光學感測模組，其包含： 將該感光元件等光學元件設置於該基板； 於透光材質製作的該殼體表面設置該遮光塗層；及 將該殼體連接固定於該基板。
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