TOF芯片封装结构及封装方法与流程

tof芯片封装结构及封装方法
技术领域
1.本发明涉及半导体封装领域，尤其涉及一种tof芯片封装结构及封装方法。


背景技术：

2.飞行时间(time of flight，tof)技术，即传感器发出经调制的近红外光，遇物体后反射，传感器通过计算光线发射和反射时间差或相位差，来换算被拍摄物体的距离，以产生深度信息，此外再结合传统的相机拍摄，就能将物体的三位轮廓以不同颜色代表不同距离的地形图方式呈现出来。tof技术被广泛应用于体感控制、行为分析、监控、自动驾驶、人工智能、机器视觉和自动3d建模等诸多领域。
3.现有的tof芯片封装结构较为复杂，例如，中国专利第202110000810.7号，公开了一种飞行时间距离传感器的封装结构，该封装结构包括基板和顶盖，基板的顶部外壁上粘接有芯片，芯片顶部外壁的两侧分别集成有参考探测器和测量探测器，基板顶部外壁靠近参考探测器的一侧粘接有激光器，基板顶部外壁靠近边缘处设置有第一不透明胶水，且顶盖通过第一不透明胶水粘接在基板的顶部外壁上，顶盖的底部外壁上一体成型有挡板，且挡板的底部外壁上粘接有第二不透明胶水，挡板通过第二不透明胶水粘接在芯片上面和两侧，顶盖顶部外壁的两侧分别开有出光口和入光口，顶盖的底部内壁上靠近出光口和入光口处均粘接有滤光片。
4.然而，使用例如上述这种顶盖结构的封装方式，制作相应顶盖结构的制作工艺复杂，且对封装厂贴合要求精度较高，溢胶不好掌控；并且，上述这种顶盖封装结构，在整个tof传感器结构内部形成了两个独立的腔体结构，存在封装结构可靠性较差的问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种tof芯片封装结构及封装方法。
6.为实现上述发明目的之一，本发明一实施方式提供一种tof芯片封装结构，所述封装结构包括：
7.基板，包括上表面及与上表面相背的下表面；
8.光接收芯片，设置于所述基板上表面侧，所述光接收芯片顶部两侧分别设置有测量探测装置和参考探测装置；
9.光发射芯片，设置于所述基板上表面侧，并靠近所述参考探测装置，所述光发射芯片顶部设置有光发射装置；
10.第一透光层，设置于所述参考探测装置和光发射装置上方，并连通所述光接收芯片和光发射芯片；
11.第一红外滤光片，设置于所述第一透光层上方，至少部分正对于所述光发射装置；
12.第二红外滤光片，设置于所述测量探测装置上方；
13.塑封体，所述塑封体覆盖所述基板、光接收芯片、光发射芯片、第一透光层、第一红外滤光片和第二红外滤光片，并至少暴露所述第一红外滤光片和第二红外滤光片的部分上
表面。
14.作为本发明的进一步改进，所述第一透光层为透光软膜，优选为fow胶层。
15.作为本发明的进一步改进，所述第一透光层和第一红外滤光片之间还设置有第二透光层，所述第二透光层为硬质材料，优选为玻璃基板。
16.作为本发明的进一步改进，所述封装结构还包括一遮光层，设置于所述第一红外滤光片和/或第二红外滤光片上方。
17.作为本发明的进一步改进，所述光发射芯片和光接收芯片与所述基板之间通过金线键合形成电性连接。
18.本发明还提供一种tof芯片的封装方法，包括：
19.提供一基板；
20.在所述基板上表面侧贴装一光接收芯片，所述光接收芯片顶部两侧分别集成有测量探测装置和参考探测装置；
21.靠近所述参考探测装置一侧，在所述基板上表面侧贴装一光发射芯片，所述光发射芯片顶部集成有光发射装置；
22.在所述参考探测装置和光发射装置上贴合第一透光层，并连通所述光接收芯片和光发射芯片；
23.在所述第一透光层和所述测量探测装置上方分别贴装第一红外滤光片和第二红外滤光片，其中，所述第一红外滤光片至少部分正对于所述光发射装置；
24.提供塑封材料，覆盖所述基板、光接收芯片、光发射芯片、第一透光层、第一红外滤光片和第二红外滤光片，并至少暴露所述第一红外滤光片和第二红外滤光片的部分上表面。
25.作为本发明的进一步改进，所述第一透光层为透光软膜，优选为fow胶层。
26.作为本发明的进一步改进，所述第一透光层和第一红外滤光片之间还贴合有第二透光层，所述第二透光层为硬质材料，优选为玻璃基板。
27.作为本发明的进一步改进，提供一遮光结构，贴装于所述第一红外滤光片和/或第二红外滤光片上方。
28.作为本发明的进一步改进，所述光发射芯片和光接收芯片与所述基板之间通过金线键合形成电性连接。
29.与现有技术相比，本发明提出的tof芯片封装结构为实心固体，相比内含腔体结构更为稳固，能够提高产品可靠性；且所涉及的封装工艺简单，无需再另外加工制作顶盖结构。
附图说明
30.图1(a)和图1(b)是本发明实施例1中的tof芯片封装结构示意图。
31.图2(a)和图2(b)是本发明实施例2中的tof芯片封装结构示意图。
32.图3(a)和图3(b)是本发明实施例3中的tof芯片封装结构示意图。
33.图4是本发明一实施方式中的tof芯片封装方法的流程示意图。
具体实施方式
34.为使本技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术具体实施方式及相应的附图对本技术技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施方式仅是本技术一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本技术中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本技术保护的范围。
35.下面详细描述本发明的实施方式，实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
36.为方便说明，本文使用表示空间相对位置的术语来进行描述，例如“上”、“下”、“后”、“前”等，用来描述附图中所示的一个单元或者特征相对于另一个单元或特征的关系。空间相对位置的术语可以包括设备在使用或工作中除了图中所示方位以外的不同方位。例如，如果将图中的装置翻转，则被描述为位于其他单元或特征“下方”或“上方”的单元将位于其他单元或特征“下方”或“上方”。因此，示例性术语“下方”可以囊括下方和上方这两种空间方位。
37.tof芯片是以发射激光束来探测目标物体的位置、速度等特征量，其工作原理是向目标物体发射特定波长的近红外光脉冲，然后将接收到的从目标物体反射回来的光脉冲信号与发射的光脉冲信号进行对比，测量反射光和发射光之间的时间差来计算与目标物体的距离。
38.实施例1
39.如图1(a)所示，为本发明实施例1提供的一种tof芯片封装结构，其包括基板1、光接收芯片2、光发射芯片3、第一透光层4、第一红外滤光片5、第二红外滤光片6和塑封体7。
40.所述基板1为金属基板，是指由金属薄板、绝缘介质层和铜(或铝)箔复合制成的金属基覆铜板，用于连接上层芯片和下层电路板，以实现芯片内部与外部电路电性连接的作用。所述基板1包括上表面及与上表面相背的下表面。
41.所述光接收芯片2通过点胶方式设置于所述基板1上表面侧，这里胶体为普通胶体，无需具有导热导电等功能。所述光接收芯片2上表面侧还设置有焊盘，所述焊盘与所述基板1之间通过金线键合的方式形成电性连接。所述光接收芯片2可选为asic(应用型专用集成电路)芯片或pin、apd等光电二极管探测器芯片，优选的，在本实施方式中光接收芯片2为asic芯片，具有体积小、功耗低、计算效率高等优点。
42.进一步的，在所述光接收芯片2顶部两侧分别设置有测量探测装置21和参考探测装置23，所述参考探测装置23接收tof芯片内部传输的光信号，触发所述光接收芯片2开始工作；所述测量探测装置21用于接收目标物体反射的光信号，并将目标物体反射的光信号传输到光接收芯片2。
43.所述光发射芯片3通过点胶方式设置于所述基板1上表面侧，并靠近所述参考探测装置23设置，同样这里胶体为普通胶体，无需具有导热导电等功能。所述光发射芯片3上表面侧设置有焊盘，所述焊盘与所述基板1之间通过金线键合的方式形成电性连接，可通过外加电流驱动光发射芯片3开始工作向外发射光信号。所述光发射芯片3可选为vcsel、dfb、eml等激光器芯片或led芯片，优选的，在本实施方式中所述光发射芯片3为vcsel芯片，其发光功率与工作模式强相关，在一定条件下能够稳定地发射高功率激光脉冲，具有功耗低、传
输速率高等优点。
44.所述光发射芯片3顶部还设置有光发射装置31，用于向目标物体发射光信号。
45.所述第一透光层4设置于所述参考探测装置23和光发射装置31上方，并连通所述光接收芯片2和光发射芯片3，具体的，所述第一透光层4完全覆盖所述参考探测装置23和光发射装置31。所述光发射装置31发出的光信号可在所述第一透光层4中传输，可通过所述第一透光层4不断反射传输到所述参考探测装置23，驱动所述光接收芯片2开始工作。在本实施方式中，所述第一透光层4为透光软膜，优选为fow(film on wire)胶层，目的是为了防止压坏键合金线8。
46.所述第一红外滤光片5设置于所述第一透光层4上方，两者通过透光胶材料连接，其中，所述第一红外滤光片5至少部分正对于所述光发射装置31设置，这里，第一红外滤光片5优选为近红外滤光片，可以过滤掉紫外光、可见光等其他波段的光线，只允许近红外波段的光通过。进一步的，在本实施方式中，所述第一红外滤光片5完全正对于光发射装置31设置，即在tof芯片高度方向上，所述第一红外滤光片5能完全覆盖光发射装置31，使得发射光能全部通过。
47.所述第二红外滤光片6设置于所述测量探测装置21上方，两者通过透光胶材料连接，进一步的，所述第二红外滤光片6完全包覆所述测量探测装置21，与第一红外滤光片5材料性质相同、作用相同。
48.所述塑封体7覆盖所述基板1、光接收芯片2、光发射芯片3、第一透光层4、第一红外滤光片5和第一红外滤光片6设置，并填充基板1与光接收芯片2、光发射芯片3和第一透光胶层4之间的缝隙，防止光发射装置31发出的光从内部结构传输到测量探测装置21，影响对目标物体距离的测量。
49.当然，所述塑封体7为不透光材料，在本发明一实施方式中，所述塑封材料优选为emc(环氧树脂模塑料)材料。
50.进一步的，所述塑封体7应至少暴露所述第一红外滤光片5和第二红外滤光片6的部分上表面，使得tof芯片能够顺利发射和接收激光光束。
51.图1(b)为实施例1的另一种tof芯片封装结构，在图1(a)所给出的封装结构基础上，在第一红外滤光片5和/或第二红外滤光片6上方还设置有一遮光层9，具体的，所述遮光层9表面可根据需要设计不同的遮光结构，在本发明一实施方式中遮光结构可设置为圆形，以固定发射激光束和反射激光束的形状，符合产品实际使用的多种需求。
52.本发明tof芯片的工作原理如下：光发射芯片3由光发射装置31发射出激光，一路光由上方第一透光层4反射到参考探测装置23，触发光接收芯片2开始工作，芯片将此时的时间记为t0；另一路光经第一红外滤光片5透射出去，遇目标物体后发生反射，反射光经由第二红外滤光片6入射到测量探测装置21，芯片将此时的时间记为t1；将光发射芯片3从激光射出经由第一透光层4反射到参考探测装置23探测到的时间定义为toffset，则飞行时间为t1-t0 toffset，tof芯片即可根据飞行时间计算出目标物体的距离。
53.实施例2
54.如图2(a)所示，为本发明实施例2提供的一种tof芯片封装结构，与图1(a)中封装结构不同的是，在本实施例中，所述第一透光层4和所述第一红外滤光片5之间还设置有第二透光层10。同样的，所述光发射装置31发出的光信号也可在所述第二透光层10中传输，可
通过所述第二透光层10不断反射传输到所述参考探测装置23，驱动所述光接收芯片2开始工作。
55.进一步的，所述第二透光层10为硬质材料，优选为玻璃基板，相比实施例1中的封装结构，由于第一透光层4为fow胶层，为透光软膜，上面加上玻璃基板能更好地支撑第一红外滤光片5，封装结构也更为稳固。
56.图2(b)为在实施例2基础上给出的另一种封装结构，同样在第一红外滤光片5和/或第二红外滤光片6上方还设置有一遮光层9，具体的，所述遮光层9表面可根据需要设计不同的遮光结构，以固定发射激光束和反射激光束的形状，符合产品实际使用的多种需求。
57.实施例3
58.如图3(a)所示，为本发明实施例3提供的一种tof芯片封装结构，与图1(a)中封装结构不同的是，在本实施例中，所述第一红外滤光片5和第二红外滤光片6上方还设置有第二透光层10。这里，所述第二透光层10优选为玻璃基板，相比实施例1中的封装结构，将玻璃基板置于最上层暴露在空气表面，相比红外滤光片直接暴露在外面可靠性更好。
59.图3(b)为在实施例3基础上给出的另一种封装结构，在第一红外滤光片5与第二透光层10之间和/或第二红外滤光片6与第二透光层10之间还设置有一遮光层9，同样的，所述遮光层9表面可根据需要设计不同的遮光结构，以固定发射激光束和反射激光束的形状，符合产品实际使用的多种需求。
60.如图4，本发明一实施方式提供一种tof芯片的封装方法，对于本发明实施例1对应结构的封装方法，包括以下步骤：
61.s1：提供一基板1。
62.在本发明一实施方式中选择金属基板1，对所述基板1进行超声清洗或等离子体清洗，待干燥后使用。
63.s2：在所述基板1表面侧贴装一光接收芯片2，所述光接收芯片2顶部两侧分别集成由测量探测装置21和参考探测装置23。
64.所述光接收芯片2通过点胶方式贴装于所述基板1上表面侧，这里胶体为普通胶体，无需具有导热导电等功能。所述光接收芯片2上表面侧还集成有焊盘，所述焊盘与所述基板1之间通过金线键合的方式形成电性连接。所述光接收芯片2可选为asic(应用型专用集成电路)芯片或pin、apd等光电二极管探测器芯片，优选的，在本实施方式中光接收芯片2为asic芯片，具有体积小、功耗低、计算效率高等优点。
65.进一步的，在所述光接收芯片2顶部两侧分别集成有测量探测装置21和参考探测装置23，所述参考探测装置23接收tof芯片内部传输的光信号，触发所述光接收芯片2开始工作；所述测量探测装置21用于接收目标物体反射的光信号，并将目标物体反射的光信号传输到光接收芯片2。
66.s3：靠近所述参考探测装置23一侧，在所述基板1上表面侧贴装一光发射芯片3，所述光发射芯片3顶部集成有光发射装置31。
67.靠近所述参考探测装置23一侧，所述光发射芯片3通过点胶方式贴装于所述基板1上表面侧，同样这里胶体为普通胶体，无需具有导热导电等功能。所述光发射芯片3上表面侧集成有焊盘，所述焊盘与所述基板1之间通过金线键合的方式形成电性连接，可通过外加电流驱动光发射芯片3开始工作向外发射光信号。所述光发射芯片3可选为vcsel、dfb、eml
等激光器芯片或led芯片，优选的，在本实施方式中所述光发射芯片3为vcsel芯片，其发光功率与工作模式强相关，在一定条件下能够稳定地发射高功率激光脉冲，具有功耗低、传输速率高等优点。
68.所述光发射芯片3顶部还集成有光发射装置31，用于向目标物体发射光信号。
69.s4：在所述参考探测装置23和光发射装置31上贴合第一透光层4，并连通所述光接收芯片2和光发射芯片3。
70.在本实施方式中，所述第一透光层4为透光软膜，目的是为了防止压坏键合金线8。这里，所述第一透光层4优选为fow(film on wire)胶层，可直接贴合于所述参考探测装置23和光发射装置31上方，并连通所述光接收芯片2和光发射芯片3，具体的，所述第一透光层4完全覆盖所述参考探测装置23和光发射装置31。所述光发射装置31发出的光信号可在所述第一透光层4中传输，可通过所述第一透光层4不断反射传输到所述参考探测装置23，驱动所述光接收芯片2开始工作。
71.s5：在所述第一透光层4和所述测量探测装置21上方分别贴装第一红外滤光片5和第二红外滤光片6，其中，所述第一红外滤光片5至少部分正对于所述光发射装置31。
72.所述第一红外滤光片5贴装于所述第一透光层4上方，两者通过透光胶材料连接，其中，所述第一红外滤光片5至少部分正对于所述光发射装置31设置，这里，第一红外滤光片5优选为近红外滤光片，可以过滤掉紫外光、可见光等其他波段的光线，只允许近红外波段的光通过。进一步的，在本实施方式中，所述第一红外滤光片5完全正对于光发射装置31贴装，即在tof芯片高度方向上，所述第一红外滤光片5能完全覆盖光发射装置31，使得发射光能全部通过。
73.所述第二红外滤光片6贴装于所述测量探测装置21上方，两者通过透光胶材料连接，进一步的，所述第二红外滤光片6完全包覆所述测量探测装置21，与第一红外滤光片5材料性质相同、作用相同。
74.s6：提供塑封材料，覆盖所述基板1、光接收芯片2、光发射芯片3、第一透光层4、第一红外滤光片5和第二红外滤光片6，并至少暴露所述第一红外滤光片5和第二红外滤光片6的部分上表面。
75.所述塑封材料为不透光材料，在本发明一实施方式中，所述塑封材料优选为emc(环氧树脂模塑料)材料。
76.进一步的，所述塑封材料应填充基板1与光接收芯片2、光发射芯片3和第一透光胶层4之间的缝隙，防止光发射装置31发出的光从内部结构传输到测量探测装置21，影响对目标物体距离的测量。
77.更进一步的，所述塑封材料应至少暴露所述第一红外滤光片5和第二红外滤光片6的部分上表面，使得tof芯片能够顺利发射和接收激光光束。
78.图1(b)中的封装结构在上述封装方法的基础上，提供一遮光结构，贴装在所述第一红外滤光片5和/或第二红外滤光片6上方，同样，所述塑封材料应暴露遮光结构上表面。
79.对于实施例2中的封装结构，在上述封装方法的基础上，在贴合所述第一红外滤光片5之前，先在第一透光层4上通过透光胶材料贴装第二透光层10，即玻璃基板。
80.对于实施例3中图3(a)的封装结构，在图1(a)中结构的封装方法基础上，在所述第一红外滤光片5和第二红外滤光片6上方通过透光胶材料贴装第二透光层10，即玻璃基板。
图3(b)中结构即在图3(a)结构分封装方法基础上，还提供一遮光结构，贴装在所述第一红外滤光片5与第二透光层10之间和/或第二红外滤光片6与第二透光层10之间。同样的，所述塑封材料应暴露最上层玻璃基板的上表面，使得tof芯片能够顺利发射和接收激光光束。
81.综上所述，本发明提供一种tof芯片封装结构，取代传统的顶盖封装结构，无需再另外加工制作顶盖结构，封装工艺简单；且本发明中封装结构为实心固体，相较传统顶盖结构，内部不存在腔体，提高产品可靠性。
82.应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
83.上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。