TWI580990B

TWI580990B - 感測裝置及感測裝置製作方法

Info

Publication number: TWI580990B
Application number: TW105107001A
Authority: TW
Inventors: 翁煥翔; 許峯榮; 楊祝原; 陳志維; 張夷華
Original assignee: 昇佳電子股份有限公司
Priority date: 2015-12-27
Filing date: 2016-03-08
Publication date: 2017-05-01
Also published as: US20170186886A1; US9971060B2; TW201723528A

Description

感測裝置及感測裝置製作方法

本發明係指一種感測裝置及感測裝置製作方法，尤指能偵測較廣範圍的環境訊號並確保趨近感測正確性的感測裝置及感測裝置製作方法。

請參考第1圖，第1圖為習知一感測裝置10之截面示意圖。感測裝置10包含有一基板100、一積體電路模組110、一訊號發射單元120及一封裝外殼150。積體電路模組110包含有一趨近感測元件（proximity sensor，PS）130及一環境感測元件（ambient light sensor，ALS）140。訊號發射單元120用來發射訊號，例如電磁場、靜電場或電磁波（如光波）、聲波訊號。當一待測物體（圖未示）靠近感測裝置10時，待測物體可能將訊號發射單元120發出的訊號反射至趨近感測元件130，而使趨近感測元件130可偵測到特定方向有待測物體的存在。因此，感測裝置10已廣泛應用於智慧電子裝置中，舉例來說，機器人可藉由趨近感測裝置130來判斷前方的障礙物，智慧型手機也會設置趨近感測裝置130，以判斷使用者是否靠近觸控面板，而能於通話時控制觸控面板的鎖定、開□和關閉來避免臉部對觸控面板的干擾造成誤操作。

如第1圖所示，一般而言，趨近感測元件130會結合環境感測元件140來組成感測裝置10。環境感測元件140接收其周遭的環境訊號（如環境光）來判斷環境訊號強度，以調整顯示面板的亮度或提供趨近感測元件130校準的依據。基於空間中的光強度可能為不均勻分布，因此，應增大環境感測元件140的收光角AA，以確保環境感測元件140能接收不同方向的光線。此外，由於現有的感測裝置10係將趨近感測元件130與環境感測元件140相鄰設置，且趨近感測元件130與環境感測元件140位於相同的高度，因此，當提高環境感測元件140來增大環境感測元件140的收光角AA時，趨近感測元件130的收光角AP也會變大。然而，趨近感測元件130是無選擇性地從其周圍接收所有訊號，一旦趨近感測元件130的收光角AP過大，趨近感測元件130不僅接收來自訊號發射單元120的訊號，還會遭受更強的干擾，例如接收到更強的干擾環境光及感測裝置10內部元件的反射訊號，而影響趨近感測的正確性。

有鑒於此，如何在不影響趨近感測元件130的前提下，增大環境感測元件140的收光角AA是亟待解決的問題。

因此，本發明一種感測裝置及感測裝置製作方法，其可偵測較廣範圍的環境訊號（如環境光），但不易受環境訊號而影響趨近感測的正確性，以解決上述問題。

本發明揭露一種感測裝置，包含有一第一接收單元，用來感測一第一頻段之一第一訊號；以及一第二接收單元，用來感測一第二頻段之一第二訊號，其中，該第二接收單元與該第一接收單元之間相隔一高度差。

本發明另揭露一種感測裝置製作方法，包含有將一第一接收單元製作於一積體電路模組中，其中，該第一接收單元用來感測一第一頻段之一第一訊號；將一第二接收單元設置於該積體電路模組上，其中，該第二接收單元用來感測一第二頻段之一第二訊號，且該第二接收單元與該第一接收單元之間相隔一高度差；以及將該積體電路模組設置於一基板上。

請參考第2A、2B圖，第2A圖為本發明實施例一感測裝置20之示意圖，第2B圖為感測裝置20沿第2A圖之剖線A-A’之截面示意圖。感測裝置20包含有一基板200、一積體電路模組210、一訊號發射單元220、一黏著層230、一第二接收單元ALS、封裝本體240a、240b、一封裝外殼250及一訊號發散單元260。訊號發射單元220可作為第1圖中的趨近感測元件120，其可發射一第一頻段的訊號，例如紅外光頻段，但不以此為限。積體電路模組210包含有一第一接收單元PS，第一接收單元PS可作為第1圖中的趨近感測元件130，因此，當訊號發射單元220發出的訊號經由一待測物體反射至第一接收單元PS後，第一接收單元PS可感測到訊號發射單元220輸出的訊號，而能偵測出待測物體，並判斷其與待測物體間之遠近情形。第二接收單元ALS可作為第1圖中的環境感測元件140，而用來感測第二接收單元ALS周遭的環境訊號（如環境光）的強度，因此係用來感測一第二頻段之訊號，其中，第二頻段可涵蓋或未涵蓋第一頻段。封裝本體240a、240b係分別用來包覆第一接收單元PS、第二接收單元ALS及訊號發射單元220，因此係以不具阻隔效果之材料製成，如透光材料；封裝外殼250則設置於封裝本體240a、240b上，其包含有開口PN1、PN2，用以限制訊號出入的路徑，因此係以具阻隔效果之材料製成，如不透光材料。訊號發散單元260可為發散（diverging）透鏡（即凹透鏡），以用來調整訊號發射單元220輸出之訊號的路徑。

簡言之，為了偵測較廣範圍的環境訊號（如環境光）並確保趨近感測正確性，第一接收單元PS相距基板200之一第一高度H1小於第二接收單元ALS相距基板200之一第二高度H2，而使第二接收單元ALS與第一接收單元PS之間相隔一高度差。並且，基於第一接收單元PS的一第一收光角A_PS之大小受開口PN1及第二接收單元ALS限制，因此，第一接收單元PS的第一收光角A_PS小於第二接收單元ALS與開口PN1構成的一第二收光角A_ALS。

詳細而言，第一接收單元PS及第二接收單元ALS可將接收的訊號（如光訊號）轉換為電流或電壓，並將電流或電壓輸出至積體電路模組210以作進一步處理，因此，第一接收單元PS及第二接收單元ALS可為光電二極體（photodiode），但不以此為限。其中，第二接收單元ALS係用來偵測其周遭的環境訊號（如環境光）來判斷環境訊號強度，以調整顯示面板的亮度或提供第一接收單元PS校準的依據。基於空間中的光強度可能為不均勻分布，第二接收單元ALS應能偵測各種方向的入射光。在此情況下，須增大第二接收單元ALS的第二收光角A_ALS，以確保第二接收單元ALS能接收較廣範圍的光線。如第2B圖所示，第二接收單元ALS的第二收光角A_ALS之大小受限於開口PN1的大小及第二接收單元ALS位於的第二高度H2，其中，第二收光角A_ALS係指第二接收單元ALS可以接收訊號的角度範圍，可被理解為攝影學中的視角（angle of view）。類似地，第一接收單元PS的第一收光角A_PS係指第一接收單元PS可以接收訊號的角度範圍。然而，基於第一接收單元PS係依據待測物體反射訊號發射單元220發出的訊號，以偵測特定方向是否有待測物體的存在，因此，第一接收單元PS不需要增大第一收光角A_PS。如第2B圖所示，第一接收單元PS的第一收光角A_PS之大小則受開口PN1、第一接收單元PS位於的第一高度H1及第二接收單元ALS限制。據此，當增加第一高度H1與第二高度H2之間的高度差時，無須進一步改變開口PN1的大小，即可增大第二接收單元ALS的第二收光角A_ALS，但縮小第一接收單元PS的第一收光角A_PS，因而有助於縮小感測裝置20的尺寸。

為了使第一接收單元PS的第一高度H1不同於第二接收單元ALS的第二高度H2，請參考第3A至3E圖。第3A圖為本發明實施例感測裝置20的一感測裝置製作方法30之流程示意圖，第3B圖為感測裝置製作方法30中第一接收單元PS與積體電路模組210結合時的相對關係之示意圖，第3C圖為感測裝置製作方法30中製作封裝本體240a、240b之示意圖，第3D圖為感測裝置製作方法30中封裝本體240a、240b形成時的相對關係之示意圖，第3E圖為感測裝置製作方法30中製作封裝外殼250之示意圖。感測裝置製作方法30包含以下步驟：

步驟S300：開始。

步驟S302：依據第一高度H1與第二高度H2之間的高度差dH，使一晶圓（wafer）300的厚度接近高度差dH。

步驟S304：將晶圓300與一黏著層330結合。

步驟S306：從晶圓300與黏著層330切割出第二接收單元ALS與黏著層230。

步驟S308：將第一接收單元PS製作於積體電路模組210中。

步驟S310：透過黏晶（die bond），將第二接收單元ALS與黏著層230設置於積體電路模組210上。

步驟S312：透過打線接合（wire bonding），使第二接收單元ALS電性連接至積體電路模組210。

步驟S314：將積體電路模組210設置於基板200上。

步驟S316：將訊號發射單元220設置於基板200上。

步驟S318：利用模具（mold）340形成封裝本體240a、240b，其中，封裝本體240a、240b設置於基板200上，並包覆訊號發射單元220、第一接收單元PS及第二接收單元ALS。

步驟S320：利用一模具350形成封裝外殼250，其中，封裝外殼250設置於封裝本體240a、240b上。

步驟S322：將訊號發散單元260設置於封裝本體240b上。

步驟S324：結束。

第3B圖繪示出第一接收單元PS與積體電路模組210在步驟S302至步驟S312結合時的相對關係。首先，藉由步驟S302調整晶圓300的厚度，並透過步驟S304背膠（adhesive bonding）的方式將晶圓300與黏著層330結合後，可使第二接收單元ALS與第一接收單元PS之間相隔高度差dH。其中，黏著層330可為雙面膠（double-sided tape）等黏性材料，但不以此為限。並且，由步驟S306可知，第二接收單元ALS是由晶圓300切割而來，但晶圓300實際上可切割出多個第二接收單元。另一方面，在步驟S308製作積體電路模組210的過程中，第一接收單元PS直接形成於積體電路模組210中。接著，依據步驟S310，利用黏著層230將第二接收單元ALS結合至積體電路模組210，此時，可進一步藉由固化（hardening）來加強第二接收單元ALS與積體電路模組210之間的黏晶效果，其中，依據黏著層230的性質，可利用加熱、紫外光照射或加壓來進行固化。此後，在步驟S312，使第二接收單元ALS電性連接至積體電路模組210。值得注意的是，步驟S304、S306可視不同設計考量而適當調整，舉例來說，可先從晶圓300切割出第二接收單元ALS，再透過點膠（glue dispense）的方式形成黏著層230，以將第二接收單元ALS結合至積體電路模組210，其中，黏著層230可為絕緣膠（insulation gel）等黏性材料，但不以此為限。此外，步驟S302亦可視不同設計考量而適當調整，舉例來說，晶圓300的厚度不同於高度差dH，而是利用黏著層230的厚度，來使第二接收單元ALS與第一接收單元PS之間相隔高度差dH。或者，亦可在第二接收單元ALS與積體電路模組210之間設置一中間層，來使第二接收單元ALS與第一接收單元PS之間相隔高度差dH，其中，中間層可為凸塊（wafer bumping）或錫球（solder ball），但不以此為限。

在步驟S314、S316中，積體電路模組210及訊號發射單元220分別設置於基板200上。接著，在步驟S318中，模具340如第3C圖所示地暫時性設置於基板200上，並透過射出成型（injection molding），將粒料（material）注入模具340與基板200之間的空隙，再使粒料固化而依據空隙的形狀來形成封裝本體240a、240b。如第3D圖所示，當粒料固化後，可移除模具340，而留下分別包覆訊號發射單元220、第一接收單元PS及第二接收單元ALS的封裝本體240a、240b。類似地，在步驟S320中，模具350如第3E圖所示地暫時性設置於基板200上，並透過射出成型，將粒料注入模具350與基板200之間的空隙，再使粒料固化而依據空隙的形狀來形成封裝外殼250，並且，當粒料固化後，可移除模具350，而留下覆蓋封裝本體240a、240b及基板200的封裝外殼250，因此，封裝外殼250係直接形成於封裝本體240a、240b及基板200上。其中，模具340、350是用來大量製造元件的工具，其可經由適當設計，而使封裝外殼250中形成開口PN1、PN2。此外，粒料可視不同系統需求而為金屬、玻璃、彈性體（elastomer）、熱塑性塑料（thermoplastic）或熱固性塑料（thermosetting polymer）等材料，但不以此為限，舉例來說，封裝外殼250係以不透光材料製成，封裝本體240a、240b係以透光材料製成，因此亦可省略封裝本體240a、240b而僅以空氣填充。最後，在步驟S322中，依據訊號發射單元220的位置，將訊號發散單元260設置於封裝外殼250的開口PN2中，而製作出第2A、2B圖中的感測裝置20。

值得注意的是，上述之感測裝置20及感測裝置製作方法30為本發明之實施例，但不以此為限，本領域具通常知識者當可根據系統需求作適度調整。其中，感測裝置製作方法可依據不同設計考量而適當調整，並因而改變感測裝置的結構。舉例而言，請參考第4A、4B圖，第4A圖為本發明實施例一感測裝置40之示意圖，第4B圖為製作及設置封裝外殼250之示意圖。感測裝置40之架構類似於感測裝置20，故相同元件沿用相同符號表示。兩者不同之處在於，感測裝置40另包含有空氣層470a、470b，分別設置於封裝本體240a、240b與封裝外殼250之間。並且，感測裝置40的感測裝置製作方法類似於感測裝置20的感測裝置製作方法30，因此不再贅敘。兩者不同之處在於，感測裝置製作方法30的步驟S320係將模具350暫時性設置於基板200上，並將粒料注入模具350與基板200之間的空隙，再使粒料固化而依據空隙的形狀來形成封裝外殼250。然而，如第4B圖所示，為了製作感測裝置40的封裝外殼250，須另外在一模具450中注入粒料，而透過射出成型單獨地形成封裝外殼250。接著，從模具450中分離出封裝外殼250，並藉由組裝而將封裝外殼250設置於封裝本體240a、240b及基板200上。由於封裝外殼250是透過組裝而結合至封裝本體240a、240b及基板200，因此封裝本體240a、240b與封裝外殼250之間會形成空氣層470a、470b。

為了提高收光效果，可進一步調整感測裝置的結構。舉例而言，請參考第5圖，第5圖為本發明實施例一感測裝置50之示意圖。感測裝置50之架構類似於感測裝置40，故相同元件沿用相同符號表示。兩者不同之處在於，感測裝置50之封裝本體440相較感測裝置40之封裝本體240a具有一曲面結構SS，且曲面結構SS係對應封裝外殼250的開口PN1設置，且聚焦於第一接收單元PS。因此，從待測物體反射的訊號及周遭的環境訊號（如環境光）經過曲面結構SS而射入第一接收單元PS及第二接收單元ALS後，會偏移或折射至適合的方向，並會聚至第一接收單元PS，而提高收光效果，且可進一步提高趨近感測的可偵測距離。值得注意的是，感測裝置50之架構亦可類似於感測裝置20，而不包含有空氣層470a、470b，僅使感測裝置50之封裝本體440具有曲面結構SS。

另一方面，由於訊號發射單元220發出第一頻段的訊號後，訊號除了由開口PN2射出感測裝置20之外，也可能被感測裝置20的內部元件反射。並且，封裝外殼250可能無法阻隔內部元件反射的所有訊號，因此，部分由訊號發射單元220發出的訊號可能漏入第一接收單元PS，而影響感測感測的正確性。更重要的是，因應感測裝置20尺寸縮小化的需求，訊號發射單元220對於第一接收單元PS的干擾將會更為嚴重。為了降低訊號發射單元220對於第一接收單元PS的干擾，可進一步調整感測裝置的結構。舉例而言，請參考第6圖，第6圖為本發明實施例一感測裝置60之示意圖。感測裝置60之架構類似於感測裝置20，故相同元件沿用相同符號表示。兩者不同之處在於，感測裝置20之第一接收單元PS係設置於第二接收單元ALS與訊號發射單元220之間，但感測裝置60之第二接收單元ALS則係設置於第一接收單元PS與訊號發射單元220之間。如第6圖所示，藉由第二接收單元ALS，可進一步遮蔽由訊號發射單元220漏出的訊號，而降低訊號發射單元220對於第一接收單元PS的干擾。

綜上所述，本發明之感測裝置的第二接收單元ALS與第一接收單元PS之間相隔一高度差，而使第一接收單元PS的第一收光角A_PS小於第二接收單元ALS的第二收光角A_ALS，因此可偵測較廣範圍的環境訊號（如環境光）並確保趨近感測的正確性。以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

10、20、40、50、60‧‧‧感測裝置

100、200‧‧‧基板

110、210‧‧‧積體電路模組

120、220‧‧‧訊號發射單元

130‧‧‧趨近感測元件

140‧‧‧環境感測元件

150、250‧‧‧封裝外殼

AA、AP‧‧‧收光角

A_PS‧‧‧第一收光角

A_ALS‧‧‧第二收光角

230、330‧‧‧黏著層

PS‧‧‧第一接收單元

ALS‧‧‧第二接收單元

240a、240b‧‧‧封裝本體

260‧‧‧訊號發散單元

PN1、PN2‧‧‧開口

H1‧‧‧第一高度

H2‧‧‧第二高度

dH‧‧‧高度差

30‧‧‧感測裝置製作方法

300‧‧‧晶圓

340、350、450‧‧‧模具

S300~S324‧‧‧步驟

470a、470b‧‧‧空氣層

SS‧‧‧曲面結構

第1圖為習知一感測裝置之截面示意圖。第2A圖為本發明實施例一感測裝置之示意圖。第2B圖為感測裝置沿第2A圖之剖線A-A’之截面示意圖。第3A圖為第2A圖之感測裝置的一感測裝置製作方法之流程示意圖。第3B圖為第3A圖之感測裝置製作方法中第一接收單元與積體電路模組結合時的相對關係之示意圖。第3C圖為第3A圖之感測裝置製作方法中製作封裝本體之示意圖。第3D圖為第3A圖之感測裝置製作方法中封裝本體形成時的相對關係之示意圖。第3E圖為第3A圖之感測裝置製作方法中製作封裝外殼之示意圖。第4A圖為本發明實施例一感測裝置之示意圖。第4B圖為第4A圖之製作及設置封裝外殼之示意圖。第5圖為本發明實施例一感測裝置之示意圖。第6圖為本發明實施例一感測裝置之示意圖。

20‧‧‧感測裝置

200‧‧‧基板

210‧‧‧積體電路模組

220‧‧‧訊號發射單元

230‧‧‧黏著層