传感器/发射器管芯堆叠配置的光学集成电路传感器封装件的制作方法

传感器/发射器管芯堆叠配置的光学集成电路传感器封装件
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2021年5月12日提交的美国临时专利申请第63/187,473号的优先权，其公开内容通过引用并入本文。
技术领域
3.实施例涉及包括传感器管芯和发射器管芯两者的光学集成电路传感器封装件。


背景技术：

4.参考图1，其示出了光学集成电路传感器封装件10的截面。该封装件例如以引线框的形式包括封装件衬底12，该封装件衬底具有安装有传感器管芯14和发射器管芯16的上表面。可以采用本领域技术人员已知的任何合适的管芯附接机制将传感器管芯14和发射器管芯16安装到封装件衬底12。接合线18用于将管芯正面处的焊盘(未明确示出)电连接到封装件衬底12的导体部分(例如，引线框的引线)。传感器管芯14包括位于管芯正面处的第一光敏区域20和第二光敏区域22。光敏区域20和22可以例如，各自由一个或多个单光子雪崩二极管(spad)器件形成。发射器管芯16包括管芯正面处的光发射区域24。发射器管芯16可以例如，包括被配置为从管芯的正面垂直发射光的垂直腔面发射激光器(vcsel)二极管。在一实施例中，该光可以具有用于期望的感测应用的任何合适的波长，但优选为在红外或近红外范围内发射。
5.盖30被安装在封装件衬底12。盖30包括限定腔的外围外壁32和前壁(或顶壁)34，以及在外围外壁32的相对侧之间延伸的内壁36，该内壁将腔分为第一腔区域38和第二腔区域40。使用适当的粘合材料将外围外壁32的末端边缘安装到封装件衬底12的上表面，以便将传感器管芯14和发射器管芯16封闭在盖30的腔内(更具体地，传感器管芯14部分地在第一腔区域和第二腔区域中的每一个内，而发射器管芯16仅在第一腔区域内)。内壁36被定位在第一光敏区域20与第二光敏区域22之间，并且通过粘合剂而被密封到传感器管芯14的前表面以形成光屏障，该光屏障防止由第一腔区域38内的发射器管芯16的光发射区域24发射的光通过穿过盖30的腔内而到达第二区域40内的第二光敏区域22。然而，该光屏障不阻止第一腔区域38内的此类发射光到达第一光敏区域20。
6.盖30的前壁(或顶壁)34包括第一开口42，该第一开口与用于发射器管芯16的光发射区域24的位置光学对准。光学元件44被安装在第一开口42处(或可能被安装在第一开口42内)。盖30的前壁(或顶壁)34进一步包括与用于传感器管芯14的第二光敏区域22的位置光学对准的第二开口46。光学元件48被安装在第二开口44处(或可能被安装在第二开口44内)。光学元件44和48可以被设计为包括光学感测应用所需的透镜和/或滤光器结构。
7.光学集成电路传感器封装件10尤其适用于使用飞行时间(tof)技术的接近感测应用或距离测量应用。光脉冲4从发射器管芯16的光发射区域24发射，并且该光发射事件被传感器管芯14的第一光敏区域20检测(使用反射光路6)以提供发射脉冲时间基准。被发射的光脉冲4通过光学元件44和第一开口42离开封装件10，并从目标物体(未明确示出)反射回
封装件。被反射的光脉冲8穿过光学元件48和第二开口46，并被传感器管芯14的第二光敏区域22检测，以提供反射脉冲时间基准。光脉冲传播到物体并被反射回来且被感测到所花费的时间(即，反射脉冲时间基准与发射脉冲时间基准之间的差异)可以用于基于已知的光速来确定物体与封装件10之间的距离。
8.与图1的封装件10类似地，包括多个集成电路管芯并且必须根据特定设计间隔规则进行设计，并且必须进一步包括光学元件的光学集成电路传感器封装件的关注点在于封装件的总尺寸(x-y平面中的占用面积方面和考虑到z方向上的厚度的总体积方面两者)。如果对于光学集成电路传感器封装件可以支持占用面积的减小和更简单的结构，这将是特别有利的。


技术实现要素：

9.在一实施例中，一种光学传感器封装件，包括：封装件衬底；发射器管芯，被安装到封装件衬底的上表面；粘合剂层，在上表面之上延伸并且包封发射器管芯；传感器管芯，以堆叠关系被安装到粘合剂层的上表面，其中传感器管芯被定位成覆盖在发射器管芯之上；所述传感器管芯包括光通道区域，光通道区域延伸穿过传感器管芯并且与发射器管芯光学对准，使得由发射器管芯发射的光穿过传感器管芯的光通道区域；以及发射器管芯和传感器管芯中的每一个与封装件衬底之间的电连接。
10.传感器管芯可以进一步包括，用于光通道区域的集成衍射光学元件，该集成衍射光学元件被配置为衍射穿过光通道的所述光。该集成衍射光学元件可以包括例如，由与传感器管芯的一个或多个金属化层相关联的多个金属结构形成的无源元件。集成衍射光学元件可以备选地包括例如，由等离激元器件或硅上液晶(lcos)器件形成的有源元件。
11.在有源元件的实施例中，可以提供以下中的一个或多个：选择性可配置衍射效果、选择性可配置开闭器、选择性可控衍射图案、选择性可控偏振滤波器、以及选择性可控透镜。
12.在一实施例中，粘合剂层可以由管芯上膜(fod)结构提供。
13.在一实施例中，一种装置，包括：衬底；第一集成电路管芯，被安装到衬底的上表面；粘合剂膜层，在上表面之上延伸并且包封第一集成电路管芯；第二集成电路管芯，以堆叠关系被安装到粘合剂膜层的上表面，其中第二集成电路管芯被定位成覆盖在第一集成电路管芯之上；以及第一集成电路管芯和第二集成电路管芯中的每一个与衬底之间的电连接。
附图说明
14.为了更好地理解实施例，现在将以仅作为示例的方式参考附图，其中：
15.图1是光学集成电路传感器封装件的截面；
16.图2是光学集成电路传感器封装件的截面；以及
17.图3至图5示出了集成于在图2中示出的光学集成电路传感器封装件的传感器管芯中的光学衍射元件的细节。
具体实施方式
18.参考图2，其示出了光学集成电路传感器封装件50的截面。该封装件例如以引线框的形式包括封装件衬底52，该封装件衬底具有安装有发射器管芯56的上表面。可以采用本领域技术人员已知的任何合适的管芯附接机制将发射器管芯56安装到封装件衬底52。发射器管芯56包括管芯正面处的光发射区域64。发射器管芯56可以例如，包括被配置为从管芯的正面垂直发射光的垂直腔面发射激光器(vcsel)二极管。在一实施例中，该光可以具有任何合适的波长，但优选为发射在红外或近红外范围内发射。一条或多条接合线58用于将发射器管芯56的正面处的焊盘(未明确示出)电连接到封装件衬底52的导体部分(例如，引线框的引线)。厚管芯附着膜层53与封装件衬底52的上表面接触延伸，且进一步包封发射器管芯56及其(多条)接合线58。这在本领域中被称为“管芯上膜”(fod)结构。使用厚管芯附着膜层53将传感器管芯54安装到封装件衬底52的上表面。传感器管芯54相对于发射器管芯56在z方向上以堆叠关系定位，使得在x-y平面中，传感器管芯54上覆盖(即，完全覆盖)发射器管芯56。利用这种堆叠管芯布置，由发射器管芯56的光发射区域64发射的光(在垂直于封装件衬底52的上表面的z方向上)将穿过膜层53的覆盖部分并且完全穿过光通道区域55中的传感器管芯54的厚度，该光通道区域55从传感器管芯的后表面到其前表面延伸穿过该传感器管芯。这是由于在传感器管芯的制造中使用的许多材料(硅、氧化物等)对于由发射器管芯56发射的优选的红外光或近红外光是透明的才能够发生的。光通道区域55与发射器管芯56的光发射区域64光学对准。在一实施例中，光通道区域55可以由传感器管芯54的半导体衬底的区域部分地界定，该区域具有与其中制造有有源半导体器件(诸如模拟电路和/或数字电路)的半导体衬底的剩余部分不同的，例如更低的本征掺杂浓度。在一实施例中，光通道区域55还可以由上覆盖互连层的区域部分地界定，该上覆盖互连层没有用于电互连传感器管芯的集成电路的金属电连接线和通孔。接合线59用于将管芯54的正面处的焊盘(未明确示出)电连接到封装件衬底52的导体部分(例如，引线框的引线)。传感器管芯54的集成电路包括管芯正面处的第一光敏区域60和第二光敏区域62。每个光敏区域60和62可以例如，由集成在半导体衬底处和/或半导体衬底内的一个或多个单光子雪崩二极管(spad)器件形成。
19.盖70被安装在封装件衬底52。盖70包括限定腔的外围外壁72和前壁(或顶壁)74，以及在外围外壁72的相对侧之间延伸的内壁76，该内壁将腔分为第一腔区域78和第二腔区域80。使用适当的粘合材料将外围外壁72的末端边缘安装到封装件衬底52的上表面，以便将传感器管芯54和发射器管芯56封闭在盖70的腔内(更具体地，传感器管芯54部分地在第一腔区域和第二腔区域中的每一个内，而发射器管芯56仅在第一腔区域内)。内壁76被定位在第一光敏区域60与第二光敏区域62之间，并且通过粘合剂而被密封到传感器管芯54的前表面，以形成光屏障，该光屏障防止由发射器管芯56的光发射区域64发射的光(其穿过沟道区域55并进入第一腔区域78)通过穿过盖70的腔内而到达第二区域80内的第二光敏区域62。然而，该光屏障不阻止第一腔区域78内的此类发射光到达第一光敏区域60。
20.盖70的前壁(或顶壁)74包括第一开口82，该第一开口82与用于发射器管芯56的沟道区域55和光发射区域64两者的位置光学对准。光学元件84被安装在第一开口82内。盖70的前壁(或顶壁)74进一步包括与用于传感器管芯54的第二光敏区域62的位置光学对准的第二开口86。光学元件88被安装在第二开口84内。光学元件84和88通常为透明的玻璃结构，
但也可以被设计为包括光学感测应用所需的透镜和/或滤光器结构。
21.除了在正面处集成于传感器管芯54中的第一光敏区域60和第二光敏区域62之外，传感器管芯进一步包括集成衍射光学元件(doe)90，该集成衍射光学元件例如位于管芯的正面处或其附近，并且以与光通道区域55连接(例如，作为光通道区域55的组成部分)的方式提供。该集成衍射光学元件90在沟道区域55中在z方向上与发射器管芯56的光发射区域64光学对准，并且被配置为衍射从发射器管芯56的光发射区域64发射且穿过沟道区域55的光。在一个实施例中，集成衍射光学元件90是以金属结构92的图案形式(例如，形成光栅)提供的无源元件。金属结构92由互连层96的一个或多个金属化层94形成，并且位于互连层96的一个或多个金属化层94中，互连层96在传感器管芯54的半导体衬底98的顶表面上延伸(见图3)
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本领域技术人员应当理解的是，该互连层在沟道区域55之外的区域中还包括金属化层94中的金属线和通孔(通常为附图标记9)以用于电连接集成电路器件。在另一实施例中，集成衍射光学元件90是以互连96内具有不同折射率的透明结构100、102的图案的形式提供的无源元件(见图4)。在又一实施例中，集成衍射光学元件90是以等离激元衍射元件或硅上液晶(lcos)衍射元件的形式提供的有源元件(见图5)。有源集成衍射光学元件可以由位于传感器管芯54上(或在外部提供且电耦合到传感器管芯54)的控制电路控制，以有源地控制要被提供的衍射效应的类型。例如，有源集成衍射光学元件可以被配置为提供可控开闭器功能，以选择性地阻挡/通过由发射器管芯56发射的光。作为另一示例，有源集成衍射光学元件可以被配置为提供可控衍射图案(例如，通过对以下各项中的一项或多项的适当控制)：开口的数目、开口的尺寸以及开口之间的间隔)。在另一示例中，有源集成衍射光学元件可以被配置为提供可控偏振滤波器(例如，在偏振模式之间切换)。在又一示例中，有源集成衍射光学元件可以被配置为提供可控透镜(例如，以控制光束形状、焦点、视场等的目的用于被发射的光脉冲4)。
22.光学集成电路传感器封装件50尤其适用于使用飞行时间(tof)技术的接近感测应用或距离测量应用。光脉冲4从发射器管芯56的光发射区域64发射，以穿过沟道区域55并进入第一腔区域78。被发射的光脉冲4被集成衍射光学元件90进一步(有源或无源地)衍射。该光发射事件被传感器管芯54的第一光敏区域60检测(使用反射光路6)以提供发射脉冲时间基准。被发射和衍射的光脉冲4通过光学元件84和第一开口82离开封装件50，并从目标物体(未明确示出)反射回封装件。被反射的光脉冲8穿过光学元件88和第二开口86，并被传感器管芯54的第二光敏区域62检测，以提供反射脉冲时间基准。光脉冲传播到物体并被反射回来且被感测到所花费的时间(即，反射脉冲时间基准与发射脉冲时间基准之间的差异)可以用于基于已知的光速来确定物体与封装件50之间的距离。
23.图2的封装件50相对于图1的封装件10的优点在于以z方向上相对小的厚度增加为代价减小了x-y平面中的占用面积。另一个优点是无论是无源还是有源，光学衍射元件90的功能性通过传感器管芯54提供。这简化了结构并进一步减少了整个器件的部件数目。
24.先前的描述已经通过示例性和非限制性方式的示例提供了本发明的示例性实施例的完整且信息性的描述。然而，当结合附图和所附权利要求书进行阅读时，鉴于先前描述，各种修改和调适对于相关领域的技术人员将显而易见。然而，本发明教导的所有这些和类似修改仍将落入如所附权利要求书中限定的本发明的范围内。