光学距离感测装置及其组装方法

光学距离感测装置及其组装方法
【专利摘要】本发明揭露一种光学距离感测装置及其组装方法，光学距离感测装置包括：一第一基板，其上装配一发光单元及一感光单元旁设于发光单元，发光单元及感光单元皆与该第一基板电性连接，发光单元包括一第二基板及一发光元件与第二基板电性连接，感光单元包括一第三基板、一不透明上盖及一感光元件与第三基板电性连接，不透明上盖系与第三基板连接以设置于感光元件上方，其中并形成有一开口对应感光元件，其中发光元件发出的一光讯号可经开口射入至感光元件，然而在感光单元旁侧的方向的光讯号系被不透明上盖遮蔽。
【专利说明】光学距离感测装置及其组装方法

【技术领域】
[0001]本发明系有关于一种光学距离感测装置及其组装方法，尤其是与将多个经半导体封装的晶片再进行板级组装的光学距离感测装置及其组装方法相关。

【背景技术】
[0002]光电装置的应用相当广泛，其中光学感测在许多自动化机械、产业机械、半导体设备、工具机等,是不可缺少的角色的一,举例来说,接近感测(proximity sensing)透过两个光学元件，一个发光元件，如发光二极体(LED)及一个感光元件，以感光元件撷取与处理来自发光元件的光讯号来达成侦测物体是否存在，以便让控制器了解目前机构的有无、物体的位置或通过数量等。详细地说，发光元件，如:红外线发光二极体发射一束红外线讯号，在侦测范围内若有物体接近，部份红外线讯号射至物体时，则会进行反射，此时感光元件，如:红外线感光元件即可侦测到反射的红外线讯号。透过讯号调节、类比数位转换及其他处理制程后，微处理器或微控制器可应用数位化讯号进行后续处理。
[0003]在此提出目前常见的几种组装结构。首先，如图1所示，传统的光学距离感测装置I是由一发光单兀40及一感光单兀50组成。与一般电子晶片相似的，发光兀件42与感光元件52从晶圆上切割为晶粒之后，亦需要经由半导体封装制程装载于基板41、51上以增加其机械性强度、藉由金线制程以金线44、54建构出电源连接关系及讯号输出/输入连接通道、并将发光元件42与感光元件52密封于透明物质43、53中而维持其与水气、空气的阻隔性，如此以形成发光单元40及感光单元50。之后，再经板级组装将发光单元40及感光单元50装设于印刷电路板10上、以焊接物质41、51与印刷电路板10电性连接，而构成光学距离感测装置I。然而，由于发光单元40及感光单元50之间并未有任何遮蔽元件，发光单元40所发出来的光讯号在无需通过穿射出保护盖30、经物体20反射回感光单元50的路径(以实线箭头表示)，就可从侧向直接射入感光单元50或在保护盖30上以大角度反射进入感光单元50 (以虚线箭头表示)。如此会因误读或背景杂讯过大，造成误判有物体靠近，并不是可靠的设计。
[0004]为了改善前述图1的缺点，目前常见的作法是在印刷电路板10与保护盖30之间装设一遮光橡胶60，如图2显示的光学距离感测装置2及图3显示的光学距离感测装置3。图2与图3的差异仅在于图2的发光单元40及感光单元50是直接装设在印刷电路板10上，图3的发光单元40及感光单元50是装设在一软性印刷电路板13上，软性印刷电路板13再透过一连接单元14以装设在印刷电路板10上。然而，无论是图2或图3的架构，遮光橡胶60都是在发光单元40及感光单元50之间及其外侧直接与印刷电路板10与保护盖30连接，以防止光讯号从发光单元40及感光单元50之间通过而射入感光单元50或以大角度在保护盖30上反射而进入感光单元50。可是由于遮光橡胶60的组立制程只能以人工进行，无法与目前的工业机器整合，而面临到组装不易、耗费时间与成本过高的问题。
[0005]因此，业界又提出可改善前述问题的架构，如图4显示的光学距离感测装置4，将一发光元件72及一感光元件73以多晶式半导体封装的方式，装设于基板71上。与单晶式半导体封装类似地，在此亦藉由金线制程以金线74建构出电源连接关系及讯号输出/输入连接通道，之后将发光元件72与感光元件72密封于透明物质77中而维持其与水气、空气的阻隔性。然而，在金线制程之后，这里的光学距离感测装置4更装设一遮光盖75与基板71直接连接。遮光盖75上形成两个开口 76，使得发光元件72发出的光讯号可从一开口 76射出并从另一开口 76进入感光元件73，遮光盖75可遮蔽从发光元件72及感光元件73之间或外侧来的光讯号。之后，以表面粘着技术(Surface mount technology)将多晶式光学距离感测单元70装设于印刷电路板10上，透过焊接材料17与印刷电路板10电性连接。
[0006]若是要将从保护盖30上反射的光讯号亦一同遮蔽，吾人需改以图5显示的光学距离感测装置5架构进行组装。图5与图4相较，乃是在遮光盖75上多增加一遮光橡胶61。但是可想而知，如此仍会因遮光橡胶60的组立制程只能以人工进行，无法与目前的工业机器整合，而面临到组装不易、耗费时间与成本过高的问题。
[0007]因此，如何在进行光学距离感测装置组装时，同时顾及光学特性、成本及制作复杂度实乃亟需研究的课题。


【发明内容】

[0008]本发明的一目的系在提供一种光学距离感测装置及其组装方法，透过在半导体封装时即装设于感光单元中的不透明上盖，遮蔽光杂讯以维持良好的讯号品质。
[0009]本发明的另一目的系在提供一种光学距离感测装置及其组装方法，以可与目前工业机器配合的不透明上盖进行半导体封装，简化组装制程并降低制程成本。
[0010]依据本发明，提供一种光学距离感测装置及其组装方法，光学距离感测装置包括:一第一基板，其上装配一发光单元及一感光单元旁设于发光单元，发光单元及感光单元皆与该第一基板电性连接，发光单元包括一第二基板及一发光元件与第二基板电性连接，感光单元包括一第三基板、一不透明上盖及一感光元件与第三基板电性连接，不透明上盖系与第三基板连接以设置于感光元件上方，其中并形成有一开口对应感光元件，其中发光元件发出的一光讯号可经开口射入至感光元件，然而在感光单元旁侧的方向的光讯号系被不透明上盖遮蔽。
[0011]依据本发明，提供一种光学距离感测装置组装方法，包括下列步骤:(A)在一第二基板上装配一发光元件与第二基板电性连接以形成一发光单元；(B)在一第三基板上装配一感光元件与第三基板电性连接，且将一不透明上盖设置于感光元件上方以形成一感光单元，不透明上盖中形成有一开口对应感光元件；及(C)在一第一基板上装配发光单元及感光单元旁设于发光单元，并将发光单元及感光单元与第一基板电性连接，使发光元件发出的一光讯号可经开口射入至感光元件，然而在感光单元旁侧的方向的光讯号系被不透明上盖遮蔽。
[0012]前述发光单元及感光单元较佳是经半导体封装的结构，在半导体封装制程中，更佳以一透明物质密封发光元件及感光元件，以阻隔水气与空气。透明物质的配方并无限制，其可为单一成分的化合物或多种化合物以若干比例混合而成的混合物，如:塑胶、硬化剂、催化剂、环氧树脂(epoxy)、透明胶混合的混合物。透明物质的成形亦可藉由模塑(molding)工艺及/或其他成形工艺形成，在此无须限制。
[0013]前述第二及第三基板乃是半导体封装层级使用的基板，第一基板乃是板级组装层级使用的基板。第一、第二及第三基板可保护设置其上的元件并放大电极尺寸，在此并未限定其种类，举例来说，可为球格阵列(Ball Grid Array)基板、导线架(Ieadframe)、铜箔基板、树脂基板、印刷电路板基板、软性印刷电路板基板、或其他种类的基板，因此可依据设置其上的发光单元、感光单元的接脚规格或半导体基板的规格选用特定种类的基板。
[0014]前述不透明上盖的材质并无限制，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 crystal polyester)、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，本发明并无限定。举例来说，尼龙可选用PA6T、PA9T、PA66、PPA、HTN、PA46等，树脂可选用聚苯硫醚(PPS)树脂，塑胶可选用PEK、PEEK、TPI等。其次，不透明上盖可选择性地包括其他细部结构，比如说额外形成一前板及至少一侧壁与前板连接，前板可部分遮蔽感光单元的上表面，以阻隔部分自保护盖上反射的光讯号，侧壁可在感光单元的外侧经一粘着物质与第三基板连接，以阻隔环境光源自外侧方向干扰感光元件。类似地，前述粘着物质的配方亦无限制，然而较佳为环氧树月旨。不透明上盖可为模塑制成、射出成形制成或其他工艺制成，在此无须限制。
[0015]是故，本发明系以与半导体封装制程配合的不透明上盖遮蔽光杂讯，提高从接近物体反射进入感光元件的光讯号成分，以提升光学距离感测装置读取光讯号的品质，并同时简化光学距离感测装置的组装制程和降低制程成本。

【专利附图】

【附图说明】
[0016]图1显示传统的一光学距离感测装置的一剖面结构示意图。
[0017]图2显示传统的另一光学距离感测装置的一剖面结构示意图。
[0018]图3显示传统的另一光学距离感测装置的一剖面结构示意图。
[0019]图4显示传统的另一光学距离感测装置的一剖面结构示意图。
[0020]图5显示传统的另一光学距离感测装置的一剖面结构示意图。
[0021]图6显示依据本发明的一实施例的一光学距离感测装置的一剖面结构示意图。

【具体实施方式】
[0022]为进一步说明各实施例，本发明乃提供有图式。此些图式乃为本发明揭露内容的一部分，其主要系用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理。配合参考这些内容，本领域具有通常知识者应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点。图中的元件并未按比例绘制，而类似的元件符号通常用来表示类似的元件。
[0023]首先请参考图6，其显示依据本发明的一实施例的光学距离感测装置的一剖面结构示意图，在此使用包括一个发光单元40及一个感光单元57的光学距离感测装置6为例，然本发明并不限于此，亦可为其他包括一个以上发光单元40或感光单元57的组合的态样。如图中所示，光学距离感测装置6包括一第一基板18、一发光单元40、一感光单元57及一保护盖30。发光单元40及感光单元57较佳是先经半导体封装的结构，再于板级组装制程中，透过焊接材料11、12装设于第一基板18上。在此，发光单元40示例性地包括一第二基板41、一发光元件42、一透明物质43及若干金线44 ;感光单元57包括一第三基板51、一感光元件52、若干金线54、一透明物质55及一不透明上盖56。
[0024]发光单元40的半导体封装制程首先是在第二基板41上装配发光元件42，须注意的是，在此并未限定第二基板41的种类，举例来说，可为球格阵列(Ball Grid Array)基板、导线架(Ieadframe)、铜箔基板、树脂基板、印刷电路板基板或其他种类的基板，可依据设置其上的发光元件42的接脚规格选用特定种类的基板。第二基板41可保护设置其上的发光元件42并放大发光元件42的电极。第二基板41上装配发光元件42的制程步骤亦无限定，端视第二基板41的种类，在此第二基板41举例为导线架，发光元件42举例为自晶圆切割下来的一红外线发光二极体晶片。发光元件42可先经由固晶制程固定于第二基板41上，接着，再进行金线(wire bounding)制程透过金线(bonding wire) 44将发光元件42与第二基板41上的输出入电极(图中未示)电性连接，以达成发光元件42与第二基板41上的导体媒介，如:接脚、接球、或其他形式的导体媒介的电性连接关系。
[0025]接着，以模塑制程将发光元件42密封于透明物质43中。透明物质4的配方并无限制，其可为单一成分的化合物或多种化合物以若干比例混合而成的混合物，如:塑胶、硬化剂、催化剂、环氧树脂、透明胶混合的混合物。发光元件42经密封后可阻隔水气等会影响发光元件42正常操作的物质。
[0026]感光单元57的半导体封装制程主要是在第三基板51上装配感光元件52与第三基板51电性连接，且将不透明上盖56设置于感光元件52上方以形成一感光单元57，不透明上盖56中形成有一开口 563对应感光元件52。详细地说，可有几种变化:第一种是在感光单元57的半导体封装制程进行固晶与金线制程之后，再进行模塑制程将感光单元57密封于透明物质55中，接着于第三基板51上经一粘着物质(图中未示)将不透明上盖56与第三基板51连接，使不透明上盖56设置于感光单元57上，以遮蔽光杂讯。第二种是在感光单元57的半导体封装制程进行固晶与金线制程之后，先于第三基板51上经一粘着物质(图中未示)将不透明上盖56与第三基板51连接，使不透明上盖56设置于感光单元57上，以遮蔽光杂讯，再将感光单元57密封于如透明胶等透明物质55中。第三种是在感光单元57的半导体封装制程进行固晶与金线制程之后，先将感光单元57密封于如透明胶等透明物质55中，再经由模塑制成形成不透明上盖56设置于感光单元57上，以遮蔽光杂讯。第四种是在感光单元57的半导体封装制程进行固晶与金线制程之后，先以第一道模塑制程形成透明物质55将感光单元57密封于透明物质55中，再经由第二道模塑制程形成不透明上盖56设置于感光单元57上，以遮蔽光杂讯。前述第一种与第四种半导体封装制程都可以再于模塑步骤时，于透明物质55中形成可调变光线的结构，如可聚光的透镜结构、或其他类型的结构。
[0027]不透明上盖56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 crystal polyester)、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，本发明并无限定。举例来说，尼龙可选用PA6T、PA9T、PA66、PPA、HTN、PA46等，树脂可选用聚苯硫醚(PPS )树脂，塑胶可选用PEK、PEEK、TPI等。在此，不透明上盖56示例性地包括一侧壁561及一前板562，前板562边缘形成有一开口 563对应其下的感光单元57。侧壁561可在感光单元57的外侧经一粘着物质(图中未示)与第三基板51连接，以阻隔环境光源自外侧方向干扰感光元件52，而前板562可部分遮蔽感光单元57的上表面，以阻隔部分自保护盖30上反射的光讯号进入感光单元57。粘着物质的配方并无限制，然而较佳为环氧树脂。不透明上盖56可为模塑制成、射出成形制成或其他工艺制成，在此无须限制。
[0028]须注意的是，本实施例并未限定第三基板51的种类，举例来说，可为球格阵列(Ball Grid Array)基板、导线架(Ieadframe)、铜箔基板、树脂基板、印刷电路板基板或其他种类的基板，可依据设置其上的感光元件52的接脚规格选用特定种类的基板。之后，进行一板级组装制程，在第一基板18上装配发光单元40及感光单元57旁设于发光单元40，并将发光单元40及感光单元57与第一基板18电性连接，使发光元件40发出的光讯号可经开口 563射入至感光兀件52,然而在感光单兀57旁侧的方向的光讯号系被不透明上盖56遮蔽。在此的板级组装制程先是将发光单元40及感光单元57以焊接材料11、12固定于第一基板18的预留位置上，通常此预留位置已配置相应的接脚点，因此经焊接后，即形成发光单元40、感光单元57与第一基板18之间的电性连接关系。此时，发光单元40及感光单元57透过第一基板40上的导体媒介，如:连接器或其他形式的导体媒介输出/输入电子讯号或电源，以进行发光或感光的操作，使得发光元件42所发出的光讯号经位于一距离范围内的一物体20反射之后，可经开口 563射入感光单元57。然而，从发光元件42侧向发出的光讯号及大部分自保护盖30上反射的光讯号(以虚线表示)都会被不透明上盖56遮蔽，而不致被感光单元57侦测到。感光单元57侦测到反射的光讯号时，将光讯号转换电子讯号输出提供给后端元件(图中未示)，以确认有物体20接近。
[0029]须注意的是，第一基板18乃是板级组装层级使用的基板，可保护设置其上的发光单元40及感光单元57并放大电极尺寸，在此并未限定其种类，举例来说，可为印刷电路板基板、软性印刷电路板基板、或其他种类的基板，因此可依据设置其上的第二基板41或第三基板51的规格选用特定种类的基板。
[0030]是故，本发明系以与半导体封装制程配合的不透明上盖遮蔽光杂讯，提高从遮蔽物反射进入感光元件的光讯号成分，以提升感光元件读取讯号的品质，并同时简化组装制程和降低制程成本。
[0031]以上叙述依据本发明多个不同实施例，其中各项特征可以单一或不同结合方式实施。因此，本发明实施方式的揭露为阐明本发明原则的具体实施例，应不拘限本发明于所揭示的实施例。进一步言的，先前叙述及其附图仅为本发明示范的用，并不受其限囿。其它元件的变化或组合皆可能，且不悖于本发明的精神与范围。
[0032]主要元件符号说明
[0033]1、2、3、4、5、6 光学距离感测装置
[0034]10印刷电路板
[0035]11、12、15、16、17 焊接材料
[0036]13软性印刷电路板
[0037]14连接单元
[0038]18第一基板
[0039]20物体
[0040]30保护盖
[0041]40发光单元
[0042]41第二基板
[0043]42发光元件
[0044]43透明物质
[0045]44金线
[0046]50、57感光单元
[0047]51第三基板
[0048]52感光元件
[0049]53透明物质
[0050]54金线
[0051]55透明物质
[0052]56不透明上盖
[0053]60,61遮光橡胶
[0054]70多晶式光学距离感测单元
[0055]71基板
[0056]72发光元件
[0057]73感光元件
[0058]74金线
[0059]75遮光盖
[0060]76开口
[0061]77透明物质
[0062]561侧壁
[0063]562前板
[0064]563开口
【权利要求】
1.一种光学距离感测装置，其特征在于: 一第一基板，其上装配一发光单元及一感光单元旁设于该发光单元，该发光单元及该感光单元皆与该第一基板电性连接，该发光单元包括一第二基板及一发光元件与该第二基板电性连接，该感光单元包括一第三基板、一不透明上盖及一感光元件与该第三基板电性连接，该不透明上盖系与该第三基板连接以设置于该感光元件上方，其中并形成有一开口对应该感光元件； 其中，该发光元件发出的一光讯号可经该开口射入至该感光元件，然而在该感光单元旁侧的方向的该光讯号系被该不透明上盖遮蔽。
2.如权利要求1所述的光学距离感测装置，其中该不透明上盖更形成一前板及至少一侧壁与该前板连接，该侧壁在该感光单元的外侧经一粘着物质与该第三基板连接。
3.如权利要求2所述的光学距离感测装置，其中该粘着物质为环氧树脂。
4.如权利要求1所述的光学距离感测装置，其中该不透明上盖为一黑色不透明上盖。
5.如权利要求1所述的光学距离感测装置，其中该不透明上盖为尼龙、塑胶、金属、或液晶聚合物。
6.如权利要求1所述的光学距离感测装置，其中该不透明上盖为经模塑制成。
7.如权利要求1所述的光学距离感测装置，其中该第一基板为一铜箔基板、一导线架、一树脂基板、一 印刷电路板基板或一软性印刷电路板基板。
8.如权利要求1所述的光学距离感测装置，其中该第二基板为一铜箔基板、一导线架、一树脂基板、一印刷电路板基板或一软性印刷电路板基板。
9.如权利要求1所述的光学距离感测装置，其中该第三基板为一铜箔基板、一导线架、一树脂基板、一印刷电路板基板或一软性印刷电路板基板。
10.如权利要求1所述的光学距离感测装置，其中该发光元件及该感光元件皆以一透明物质密封。
11.如权利要求10所述的光学距离感测装置，其中该透明物质包括任意比例混合的塑胶、硬化剂、催化剂、环氧树脂、透明胶的混合物。
12.一种光学距离感测装置组装方法，其特征在于: (A)在一第二基板上装配一发光元件与该第二基板电性连接以形成一发光单元； (B)在一第三基板上装配一感光元件与该第三基板电性连接，且将一不透明上盖设置于该感光元件上方以形成一感光单元，该不透明上盖中形成有一开口对应该感光元件；及 (C)在一第一基板上装配该发光单元及该感光单元旁设于该发光单元，并将该发光单元及该感光单元与该第一基板电性连接，使该发光元件发出的一光讯号可经该开口射入至该感光元件，然而在该感光单元旁侧的方向的该光讯号系被该不透明上盖遮蔽。
13.如权利要求12所述的光学距离感测装置组装方法，其中步骤(B)更包括:使与该不透明上盖的一前板连接的至少一侧壁，在该感光单元的外侧经一粘着物质与该第三基板连接。
14.如权利要求13所述的光学距离感测装置组装方法，其中步骤B)更包括:以环氧树脂作为该粘着物质将该不透明上盖的该侧壁与该第三基板连接。
15.如权利要求12所述的光学距离感测装置组装方法，其中步骤(B)更包括:以尼龙、塑胶、金属、或液晶聚合物形成该不透明上盖。
16.如权利 要求12所述的光学距离感测装置组装方法，其中步骤⑶更包括:以模塑制程制作该不透明上盖。
【文档编号】H01L25/16GK104051449SQ201310077410
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2013年3月12日 优先权日:2013年3月12日
【发明者】翁焕翔 申请人:矽创电子股份有限公司