光子器件的制作方法

1.本公开涉及光子领域，尤其涉及一种用于将透镜牢固地保持在集成电路管芯上的适当位置的帽，该牢固保持是以机械方式实现的。


背景技术：

2.在光子学领域中，透镜(或多个堆叠的透镜)通过帽保持在其各自相关联的光传感器或发射器上。在器件制造期间，帽首先使用胶固定到承载相关光传感器或发射器的印刷电路板(pcb)。然后，当使用相关的光传感器或发射器作为位置基准时，可以将透镜固定到帽上，从而确保光子器件的最佳光学对准。
3.这种光子器件可以结合在便携式电子设备中，并且这种便携式电子设备在操作过程中可能经受变化的温度和环境。例如，这种便携式电子设备可以在高温和高湿度环境中经历延长的时间段。这可能具有削弱胶和透镜之间的粘合的效果，并且如果在制造之后立即开始的粘合强度低，则可能是特别关注的。例如，对聚碳酸酯基透镜材料的粘合性通常较差。当胶和透镜之间的粘附处于弱化状态时，如果便携式电子设备受到机械应力(例如，被用户掉落)，则透镜可能变得分离，使得光子装置不可用或不准确。
4.由于这显然是不希望的，因此希望有新的几何结构和技术用于将透镜固定在它们相关的帽内，以便能够生产更坚固和耐用的光子器件。


技术实现要素：

5.本公开的目的是提供一种光子器件，以至少部分地解决现有技术中存在的上述问题。
6.本公开的一方面提供了一种光子器件，包括：印刷电路板pcb，具有安装在其上的集成电路；以及帽，被安装到所述pcb并且承载被定位在所述集成电路之上的透镜，所述帽包括：外壁，被安装到所述pcb，所述外壁从所述pcb向上延伸，并且所述外壁围绕所述集成电路的至少部分；第一保持结构，从所述外壁向内延伸并且跨过所述集成电路，所述第一保持结构具有限定在其中的孔；以及第二保持结构，具有限定在其中的孔，所述第二保持结构被固定在所述第一保持结构内，使得在所述第二保持结构中的孔与所述第一保持结构中的孔轴向对准；其中所述透镜在所述第一保持结构与所述第二保持结构之间被机械地约束在所述帽内，其中光能够经由限定在所述第二保持结构中的孔透射通过所述透镜，所述透镜的机械约束使得所述透镜与所述集成电路对准。
7.根据一个或多个实施例，其中所述外壁和第一保持结构整体地形成为单片单元。
8.根据一个或多个实施例，其中所述第一保持结构包括搁板和支撑件，所述搁板从所述外壁的相应部分正交地延伸，并且所述支撑件从所述搁板的远端以远离所述pcb的方向与所述搁板正交地延伸；并且其中所述透镜被机械地约束在所述第二保持结构的底面与所述第一保持结构的支撑件之间。
9.根据一个或多个实施例，其中所述第二保持结构包括平行于所述外壁延伸的成形
壁，其中顶板延伸跨过所述成形壁，所述顶板具有限定在其中的孔。
10.根据一个或多个实施例，其中所述外壁围绕所述集成电路的三个侧部；其中所述帽还包括在所述外壁的两个部分之间延伸的内壁，使得所述内壁沿着所述集成电路的第四侧部延伸；其中所述第一保持结构的第一部分从所述外壁延伸并且跨过所述集成电路；并且其中所述第一保持结构的第二部分从所述内壁延伸并且跨过所述集成电路。
11.根据一个或多个实施例，其中所述第一保持结构的所述第一部分和第二部分限定搁板以及支撑件，所述支撑件从所述搁板的远端以远离所述pcb的方向与所述搁板正交地延伸；其中所述透镜被机械地约束在所述第二保持结构的底面与所述第一保持结构的支撑件之间。
12.根据一个或多个实施例，其中所述pcb具有安装在其上的附加集成电路；其中所述外壁围绕所述附加集成电路的三个侧部；其中所述内壁在所述外壁的两个部分之间延伸，使得所述内壁沿着所述附加集成电路的第四侧部延伸；其中所述第一保持结构的第三部分从所述外壁向外延伸并且跨过所述附加集成电路；并且其中所述第一保持结构的第四部分从所述内壁向外延伸并且跨过所述附加集成电路。
13.根据一个或多个实施例，其中所述第一保持结构的所述第三部分和所述第四部分限定附加搁板和附加支撑件，所述附加支撑件从所述附加搁板的远端以远离所述pcb的方向与所述附加搁板正交地延伸；其中附加透镜被机械地约束在所述第二保持结构的底面与所述第一保持结构的所述附加支撑件之间。
14.根据一个或多个实施例，光子器件还包括粘合到所述搁板的底面的第一滤光器，以及粘合到所述附加搁板的底面的第二滤光器。
15.根据一个或多个实施例，其中所述第一保持结构的所述第三部分和所述第四部分限定附加搁板和附加支撑件，所述附加支撑件从所述附加搁板的远端以远离所述pcb的方向与所述附加搁板正交地延伸；并且还包括附加透镜，所述附加透镜的尺寸被确定以便压配合并且机械地约束在所述外壁与所述内壁之间，所述附加透镜由所述第一保持结构的所述附加支撑件支撑。
16.根据一个或多个实施例，其中所述帽还包括与所述附加透镜的周界以及所述外壁和内壁接触的硬化质量块。
17.根据一个或多个实施例，其中所述附加透镜具有限定在其中的倒角；并且其中所述硬化质量块与所述倒角的表面接触。
18.根据一个或多个实施例，其中所述外壁和内壁的与第二透镜相邻的部分在其远端呈梯形。
19.根据一个或多个实施例，光子器件还包括粘合到所述第一保持结构的底面的滤光器。
20.根据一个或多个实施例，光子器件所述滤光器由玻璃形成；并且其中所述透镜由聚碳酸酯形成。
21.利用本公开的实施例有利地能够生产更坚固和耐用的光子器件。
附图说明
22.图1是本文公开的光子器件的横截面的示意图，其中透镜被机械地捕获在帽内。
23.图1a是图1的光子器件的变型的截面的示意图。
24.图2a是图1状态的图1的帽的示意性俯视图。
25.图2b是图1的完全组装的光子器件的示意性俯视图。
26.图3是本文公开的另一光子器件的横截面的示意图，其中透镜被机械地捕获在帽内，其中一个透镜被机械地捕获在主帽结构和副捕获结构之间，另一透镜被机械地捕获在主帽结构和硬化的环氧树脂层之间。
27.图3a是图3的光子器件的变型的截面的示意图。
具体实施方式
28.以下公开使得本领域技术人员能够制造和使用本文公开的主题。在不脱离本公开的精神和范围的情况下，本文描述的一般原理可以应用于除以上详述的那些之外的实施例和应用。本公开不旨在限于所示的实施例，而是与符合本文公开或建议的原理和特征的最宽范围一致。
29.现在参考图1和2a描述光子器件10。首先参考图1的横截面，光子器件10可以是飞行时间(tof)传感器或光检测和测距(lidar)传感器，并且包括印刷电路板(pcb)11，该印刷电路板11具有经由非导电粘合剂12安装到其上的光传感器13(例如反射光检测器)，以及经由金属焊盘32安装到其上的光发射器33(例如激光发射器)，该金属焊盘32形成阳极或阴极连接，其中另一连接经由引线接合形成。然而，应注意，存在许多可用于将光传感器13和光发射器33附接到pcb 11的接合技术，并且本段中给出的实例是非限制性的。
30.此外，参考检测器52经由非导电粘合剂51安装到pcb，并且用于检测光发射器33发射脉冲的时间，从而可以执行测距。
31.帽40将接收器透镜20保持在pcb 11之上，使得接收器透镜20与光传感器13适当地对准，并且将发射器透镜34保持在pcb 11之上，使得发射器透镜34与光发射器33适当地对准。帽40通过粘合剂珠14和21固定到pcb 11，粘合剂珠14和21以与固定到pcb 11的帽40的底部的形状大致匹配的形状位于pcb 11上。接收器透镜20和发射器透镜34二者可以都是聚碳酸酯透镜。粘合剂可以是环氧树脂。接收器透镜20和发射器透镜34可以采用任何合适的形状，例如圆形或矩形。
32.请注意，图1所示的光子器件10的横截面图是沿图2a的线x－x截取的帽40的横截面。图2a是组装后的图1的光子器件10的顶视平面图，而图2b是去除了保持结构19和29(如下所述)的帽40b的顶视平面图。
33.帽40的形状在图2b中最佳地示出。帽40(和pcb，尽管未示出)为矩形形状，具有由相对侧15c、15d和相对端部15a、15b限定的外周壁15。侧部15c、15d沿其纵向轴线的尺寸比端部15a、15b沿其纵向轴线的尺寸长；换句话说，侧部15c、15d沿光子器件10的x轴线延伸的长度大于端部15a、15b沿光子器件10的y轴线延伸的长度。从侧部15c延伸到侧部15d的内壁22将外周壁15分成两个矩形形状。
34.搁板17a从侧部15a、端部15c和15d以及内壁22的相应部分大致垂直地延伸。搁板17a具有限定在其中的开口26a，当搁板帽40附接到pcb 11时，该开口26a与光传感器13大致对准。支撑件25a从搁板17a的远端以远离pcb 11的正z方向大致垂直地延伸，并且围绕开口26a。当从顶部向下观察时，开口26a和支撑件25a可以是环形或矩形形状，与接收器透镜20
的形状匹配。在一些情况下，开口26a和支撑件25a可以是多边形形状。当从顶部向下观察时，由支撑件25a界定的搁板17a的内周界在形状上遵循开口26a，而由侧部15a、端部15c和15d以及内壁22的相应部分界定的搁板17a的外周界在形状上是矩形的。
35.搁板17b从侧部15b、端部15c和15d以及内壁22的相应部分大致垂直地延伸。搁板17b具有限定在其中的开口26b，当搁板帽40连接到pcb 11时，该开口26b与光发射器33大致对准。支撑件25b从搁板17b的远端以远离pcb 11的正z方向大致垂直地延伸，并且围绕开口26b。当从顶部向下观察时，开口26b和支撑件25b可以是环形或矩形形状，与发射器透镜34的形状匹配。在一些情况下，开口26b和支撑件25b可以替代地在形状上是多边形的。当从俯视透视图观察时，由支撑件25b界定的搁板17b的内周界遵循开口26b，而由侧部15b、端部15c和15d以及内壁22的相应部分界定的搁板17b的外周界在形状上为矩形。
36.接收器透镜20被机械地捕获在保持结构19(由矩形侧壁19a形成，该矩形侧壁19a具有跨过其延伸的顶板19b，该顶板19b中限定有开口19c)的内部。保持结构19的侧壁19a通过粘合剂珠18a固定到搁板17a。这将接收器透镜20机械地捕获在保持结构19和支撑件25a之间的帽40内，并因此可靠地定位和约束接收器透镜而不向其施加粘合剂。
37.发射器透镜34被机械地捕获在保持结构29(由矩形侧壁29a形成，该矩形侧壁29a具有跨过其延伸的顶板29b，开口29c限定在顶板29b中)的内部。保持结构29的侧壁29a通过粘合剂珠18b固定到搁板17b。这机械地将发射器透镜34捕获在保持结构29和支撑件25b之间的帽40内，并且因此可靠地定位和约束接收器透镜而不向其施加粘合剂。
38.在所示的应用中，接收器滤光器24a通过粘合剂珠21a机械地连接到搁板17a的下侧。类似地，发射器滤光器24b通过粘合剂珠21b机械地连接到搁板17b的下侧。注意，接收器滤光器24a和发射器滤光器24b由玻璃形成，因此粘合剂珠21a和21b能够适当地粘附到接收器滤光器24a和发射器滤光器24b。
39.然而，在其它应用中，不是集成到玻璃滤光器24a和24b中，而是可以将滤光功能集成到接收器透镜20和发射器透镜34上，或者集成到光传感器13和光发射器33中。
40.现在描述光子器件10的形成。光传感器13通过非导电粘合剂12安装到pcb 11。光发射器33用导电粘合到pcb 11上的金属焊盘32上。光传感器13和光发射器被引线接合以完成它们与pcb 11的电连接。帽40被颠倒放置，使得支撑件25a和25b向下延伸(在所示的横截面中为负z方向)，然后接收器滤光器24a和发射器滤光器24b被粘合到搁板17a和17b的下侧。然后将帽40翻转回来，然后通过粘合剂质量块14a、14b和21将其粘合在pcb 11上的适当位置。
41.将接收器透镜20压配合到保持结构19中，然后将保持结构19放置到搁板17a上，并且通过粘合剂珠18a粘合就位。注意，搁板17a在支撑件25a与端部15a、侧部15c和15d以及内壁22的相应部分之间限定了环形(或矩形或多边形)，所述环形的尺寸和形状允许在x－y方向上调节保持结构19(其中固定有接收器透镜20)，以便使透镜20的光轴与光传感器13的感测部分的光轴对准，从而允许相对于光传感器13精确地水平调节接收器透镜20。
42.将发射器透镜34压配合到保持结构29中，然后将保持结构29放置到搁板17b上，并且通过粘合剂珠18b将其粘合就位。注意，搁板17b在支撑件25b与端部15b、侧部15c和15d以及内壁22的相应部分之间限定了环形(或矩形或多边形)，所述环形的尺寸和形状允许在x－y方向上调节保持结构29(其中固定有发射器透镜34)，以使透镜34的光轴与光发射器33
的发射部分的光轴对准，从而允许发射器透镜34相对于光传感器13的精确水平调节。
43.由于接收器透镜20和发射器透镜34与支撑件25a和25b物理接触，如果支撑件25a和25b形成有足够的公差，则沿z方向的轴向对准保持为期望的。
44.作为所使用的参考检测器52的备选方案，替代地，光传感器13的一部分可以在侧壁下方延伸或延伸穿过侧壁以执行参考检测功能，如图1a中所示。
45.现在参照图3描述光子器件10'的另一设计。这里与图1的光子器件10的不同之处在于，其中一个透镜(这里是发射器透镜34'，但也可以是接收器透镜20)直接压配合在保持结构29内，并且通过施加的和硬化的质量块35机械地约束在适当位置。注意，存在沿着发射器透镜34'的顶部边缘形成的倒角，并且内壁22'的侧部、端部15b'以及侧部15c'和15d'(两者均未在图3中示出)朝向其远端呈梯形形状，其方式为便于发射器透镜34'的插入以形成压配合。
46.现在描述该光子器件10'的形成。光传感器13经由非导电粘合剂12安装到pcb 11，并且光发射器33用导电胶粘合到pcb 11上的金属焊盘32。帽40'被颠倒放置，使得支撑件25a和25b向下延伸(在所示的横截面中为负z方向)，然后接收器滤光器24a和发射器滤光器24b被粘合到搁板17a和17b的下侧。然后将帽40'翻转回来，并且将发射器透镜34'压配合在内壁22'、端部15b'以及侧部15c'和15d'(这两者在图3中未示出)之间。然后将诸如环氧树脂的质量块35沉积或施加在发射器端34'的倒角和端部15b'，侧部15c'和15d'以及内壁22'之间，并使其硬化。然后将帽40'对准在pcb 11之上，使得达到发射器透镜34'与光发射器33'的期望轴向对准，并且通过粘合剂珠14和21将帽40'粘合在pcb 11上的适当位置。
47.将接收器透镜20压配合到保持结构19中，然后将保持结构19放置到搁板17a上，并且通过粘合剂珠18a粘合就位。注意，搁板17a在支撑件25a与端部15a、侧部15c和15d以及内壁22的相应部分之间限定了环形空间，所述环形空间的尺寸和形状允许在x－y方向上调节保持结构19(其中固定有接收器透镜20)，以使透镜20的光轴与光传感器13的感测部分的光轴对准，从而允许相对于光传感器13精确地水平调节接收器透镜20。
48.如上所述，应当理解，代替将发射器透镜34'压配合到帽40'中并且由硬化块35机械地约束，以及将接收器透镜20机械地约束在保持结构19内，接收器透镜20可以压配合到帽40'中并且由硬化质量块机械地约束，并且发射器透镜34可以机械地约束在保持结构29内。
49.如本文所述，用于胶合的物质以及硬化质量块可以是环氧树脂。
50.作为所使用的参考检测器52的备选方案，替代地，光传感器13的一部分可以在侧壁下方延伸或延伸穿过侧壁以执行参考检测功能，如图3a中所示。这不会改变形成光子器件10'的技术。
51.本公开的一方面提供了一种形成光子器件的方法，所述方法包括：将集成电路安装在印刷电路板pcb上；将帽在所述集成电路之上固定到所述pcb，所述帽具有安装到衬底的外壁，所述外壁从所述衬底向上延伸并且围绕所述集成电路的至少一部分，以及第一保持结构，所述第一保持结构从所述外壁向内延伸并且跨过所述集成电路；将透镜压配合到所述帽的第二保持结构中；以及定位所述第二保持结构，使得所述透镜与所述集成电路对准，以及将所述第二保持结构粘合到所述第一保持结构，使得所述透镜在所述第一保持结构与所述第二保持结构之间被机械地约束所述帽内。
52.根据一个或多个实施例，方法还包括在所述pcb上安装附加集成电路，以及在将所述帽固定到所述pcb之前，在所述帽的外壁与所述帽的内壁之间压配合附加透镜。
53.根据一个或多个实施例，方法进一步包括围绕所述附加透镜的周界施加可硬化物质，并且所述可硬化物质与所述外壁和所述内壁接触，使得当所述可硬化物质硬化时，所述附加透镜被机械地约束在从所述外壁延伸跨过所述附加集成电路的所述第一保持结构的第一部分、从所述内壁延伸的所述第一保持结构的第二部分与所述硬化物质之间。
54.根据一个或多个实施例，方法还包括在将所述帽固定到所述pcb之前将滤光器粘合到所述第一保持结构的底面。
55.本文公开了一种光子器件，包括：印刷电路板(pcb)，其上安装有集成电路；以及帽，其安装到所述pcb并且承载位于所述集成电路之上的透镜。所述帽具有：外壁，其安装到所述pcb，从所述pcb向上延伸，并且围绕所述集成电路的至少一部分；第一保持结构，其从所述外壁向内延伸并且跨过所述集成电路，所述第一保持结构具有限定在其中的孔；以及第二保持结构，所述第二保持结构具有限定在其中的孔，所述第二保持结构固定在所述第一保持结构内，使得所述第二保持结构中的孔与所述第一保持结构中的孔轴向对准，所述透镜在所述第一保持结构和所述第二保持结构之间被机械地约束在所述帽内，光经由限定在所述第二保持结构中的所述孔可透射通过所述帽，所述透镜的机械约束使得所述透镜与所述集成电路对准。
56.外壁和第一保持结构可以一体地形成为整体单元。
57.第一保持结构可以包括从外壁的相应部分正交地延伸的搁板和从搁板的远端以远离pcb的方向与搁板正交地延伸的支撑件。透镜可以机械地约束在第二保持结构的底面和第一保持结构的支撑件之间。
58.第二保持结构可以包括平行于外壁延伸的成形壁(例如，环形)，顶板延伸跨过成形壁，顶板具有限定在其中的孔。
59.外壁可以围绕集成电路的三个侧部。所述帽还可以包括在所述外壁的两个部分之间延伸的内壁，使得所述内壁沿所述集成电路的第四侧部延伸，其中所述第一保持结构的第一部分从所述外壁延伸跨过所述集成电路。第一保持结构的第二部分可以从内壁延伸并且跨过集成电路。
60.第一保持结构的第一部分和第二部分可以限定搁板，并且支撑件可以从搁板的远端以远离pcb的方向与其正交地延伸。透镜可以被机械地约束在第二保持结构的底面和第一保持结构的支撑件之间。
61.pcb可以具有安装在其上的附加集成电路。外壁可以围绕附加集成电路的三个侧部，并且内壁可以在外壁的两个部分之间延伸，使得内壁沿着附加集成电路的第四侧部延伸。第一保持结构的第三部分可以从外壁向外延伸并且跨过附加集成电路。第一保持结构的第四部分可以从内壁向外延伸并跨过附加集成电路。
62.第一保持结构的第三部分和第四部分可以限定附加搁板，并且附加支撑件可以从附加搁板的远端以远离pcb的方向与其正交地延伸。附加透镜可以机械地约束在第二保持结构的底面与第一保持结构的附加支撑件之间。
63.第一滤光器可以粘合到搁板的底面，并且第二滤光器可以粘合到附加搁板的底面。
64.第一保持结构的第三部分和第四部分可以限定附加搁板，并且附加支撑件可以从附加搁板的远端以远离pcb的方向与其正交地延伸。附加的透镜的尺寸可以被确定以压配合并且机械地约束在外壁和内壁之间，附加透镜由第一保持结构的附加支撑件支撑。
65.帽还可包括与附加透镜的周界以及外壁和内壁接触的硬化质量块。
66.附加透镜可以具有限定在其中的倒角，并且硬化质量块可以与倒角的表面接触。
67.邻近第二透镜的外壁和内壁的部分在其远端可以是梯形形状。
68.滤光器可以粘合到第一保持结构的底面。
69.滤光器可以由玻璃形成，并且透镜可以由聚碳酸酯形成。
70.本文还公开了一种形成光子器件的方法，所述方法包括：将集成电路安装在印刷电路板(pcb)上；将帽固定到所述集成电路之上的所述pcb，所述帽具有安装到所述衬底的外壁，所述外壁从所述衬底向上延伸并且围绕所述集成电路的至少一部分，以及第一保持结构，所述第一保持结构从所述外壁向内延伸并且跨过所述集成电路；将透镜压配合到帽的第二保持结构中；以及定位所述第二保持结构，使得所述透镜与所述集成电路对准，以及将所述第二保持结构粘合到所述第一保持结构，使得所述透镜在所述第一保持结构与所述第二保持结构之间被机械地约束在所述帽内。
71.该方法还可以包括在pcb上安装附加的集成电路，以及在将帽固定到pcb之前，在帽的外壁和帽的内壁之间压配合附加透镜。
72.该方法还可以包括围绕附加透镜的周界施加可硬化物质，并且与外壁和内壁接触，使得当可硬化物质硬化时，附加透镜被机械地约束在从外壁延伸跨过附加集成电路的第一保持结构的第一部分、从内壁延伸的第一保持结构的第二部分和硬化质量块之间。
73.该方法还可以包括在将帽固定到pcb之前将滤光器粘合到第一保持结构的底面。
74.虽然已相对于有限数目的实施例描述了本实用新型，但受益于本实用新型的所属领域的技术人员将了解，可设想不脱离本文所揭示的本实用新型的范围的其它实施例。因此，本公开的范围将仅由所附权利要求限制。