CN103076675B

CN103076675B - 包括夹在两个基板之间的光偏转芯片的光偏转装置

Info

Publication number: CN103076675B
Application number: CN201210372037.8A
Authority: CN
Inventors: 安田喜昭
Original assignee: Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 2011-09-29
Filing date: 2012-09-29
Publication date: 2016-04-06
Anticipated expiration: 2032-09-29
Also published as: CN103076675A; JP5989982B2; EP2574973A2; US20130083381A1; JP2013076780A; EP2574973A3; US8937757B2

Abstract

包括夹在两个基板之间的光偏转芯片的光偏转装置。在一种光偏转装置中，光偏转芯片包括反射镜、被设置为使所述反射镜摆动的致动器以及在所述光偏转芯片的正面上并连接至所述致动器的第一焊盘。第一基板包括在所述第一基板的背面上的第二焊盘，并且在所述第一基板中形成有开口。所述光偏转芯片的正面粘接到所述第一基板的背面，使得所述光偏转芯片的第一焊盘与所述第一基板的各个所述第二焊盘接触，并且所述反射镜与所述开口相对。所述光偏转芯片的背面粘接到第二基板的正面。

Description

包括夹在两个基板之间的光偏转芯片的光偏转装置

技术领域

本发明公开的主题涉及能够应用于例如投影型显示系统的光偏转装置。

背景技术

近来，在投影型显示系统中，来自光源的点射光(spotlight)通过光偏转装置偏转，然后被投影到屏幕上。光偏转装置包括二维光偏转器和用于保护所述二维光偏转器的封装件，所述二维光偏转器是利用半导体制造工艺和微机械技术制造的微机电系统(MEMS)器件。

通常，二维光偏转器包括：反射镜，其用于反射来自光源的点射光；活动框架，其围绕所述反射镜以用于支撑所述反射镜；内致动器，其用于使反射镜关于反射镜的X轴振动（摆动）；支撑体，其围绕所述活动框架；以及外致动器，其用于通过活动框架使反射镜关于反射镜的Y轴(与X轴垂直)摆动。

作为第一个示例，内致动器由扭杆型压电致动器构造，以用于通过扭杆使反射镜摆动，并且外致动器由其它扭杆型压电致动器构造，以用于通过其它扭杆使活动框架摆动(参见：JP2008-20701A)。另外，作为第二个示例，内致动器由扭杆型压电致动器构造，以用于通过扭杆使反射镜摆动，并且外致动器由弯折型压电致动器构造，以用于使活动框架摆动(参见：JP2009-223165A)。另外，作为第三个示例，内致动器由弯折型压电致动器构造，以用于使反射镜摆动，并且外致动器由其它弯折型压电致动器构造，以用于使活动框架摆动(参见：JP2010-122480A和US2011/0292479A1)。

所述光偏转装置的优点在于结构小而简单，驱动功率不会太大。为了有效体现这一优点，封装件优选地尽可能地小。

在现有技术的第一光偏转装置中，光偏转器利用树脂进行晶片接合(die-bond)以形成陶瓷封装件，然后，在光偏转器的电极焊盘和陶瓷封装件的电极焊盘之间执行引线接合(wire-bond)操作。

然而，在上述现有技术的第一光偏转装置中，由于陶瓷封装件中需要用于接合引线的空间，陶瓷封装件的尺寸将大于二维光偏转器。另外，由于陶瓷封装件被烧结，所以陶瓷封装件的步长尺寸和周界宽度无法减小。因此，整个光偏转装置的尺寸将较大。需要指出的是，如果光偏转器本身尺寸减小，则可以减小整个光偏转装置。然而，在这种情况下，光偏转器需要被重新设计以增加开发周期。

在现有技术的第二光偏转装置中，采用无线晶圆级封装技术(参见：JP2005-19966A)。即，将布置有与光偏转器对应的多个MEMS芯片的硅晶圆粘接到布置有密封盖的盖晶圆(capwafer)。然后，在硅晶圆内形成硅穿孔(TSV)，以将MEMS芯片电连接至硅晶圆的外表面上的电极。最后，利用切割刀片(dicingblade)等沿其划线对硅晶圆和盖晶圆进行切片，以将与各个密封盖关联的各个MEMS芯片彼此分离。因此，各个切片的密封盖的尺寸与切片的MEMS芯片的尺寸相同，使得光偏转装置的尺寸减小。

然而，在上述现有技术的第二光偏转装置中，由于需要在硅晶圆内形成TSV，所以产量将减少，使得制造成本增加。

另外，即使硅晶圆包括有缺陷的MEMS芯片，这些有缺陷的MEMS芯片也将通过密封盖组装，这也将增加制造成本。

另外，当通过使用切割刀片的刀切片工艺对硅晶圆切片时，硅晶圆的MEMS芯片中将产生非常小的缺陷，即，所谓的划伤(tipping)，使得产量减少，进而增加制造成本。

发明内容

本发明公开的主题试图解决一个或更多个上述问题。

根据本发明公开的主题，在一种光偏转装置中，光偏转芯片包括反射镜、被设置为使所述反射镜摆动的致动器以及在所述光偏转芯片的正面上并连接至所述致动器的第一焊盘。第一基板包括在所述第一基板的背面上的第二焊盘，在所述第一基板中形成有开口。所述光偏转芯片的正面粘接到所述第一基板的背面，使得所述光偏转芯片的第一焊盘与所述第一基板的各个所述第二焊盘接触，并且所述反射镜与所述开口相对。所述光偏转芯片的背面粘接到所述第二基板的正面。

另外，所述第一基板包括诸如玻璃环氧树脂的有机材料。在这种情况下，所述第一基板还包括：第三焊盘，其位于所述第一基板的正面上；通孔结构，其在所述第一基板中连接在所述第一焊盘和所述第三焊盘之间；以及电极端子，其位于所述第一基板的所述正面上，并连接至各个所述第三焊盘。

此外，所述第一基板包括陶瓷。在这种情况下，所述第一基板还包括：电极端子，其位于所述第一基板的正面上；以及互连，其在所述第一基板中连接在所述第二焊盘和各个所述电极端子之间。

所述光偏转芯片还包括：第一框形密封电极图案，其位于所述光偏转芯片的所述正面上；以及第二框形密封电极图案，其位于所述光偏转芯片的所述背面上。所述第一基板还包括第三框形电极图案，其位于所述第一基板的所述背面上，并与所述光偏转芯片的所述第一框形电极图案接触。所述第二基板还包括第四框形电极图案，其位于所述第二基板的所述正面上，并与所述光偏转芯片的所述第二框形电极图案接触。所述光偏转装置还包括密封透明玻璃片，其粘接到所述第一基板的所述正面。在所述光偏转装置中，引入了惰性气体以代替空气，或者抽空了内部的空气。另外，防反射层形成在所述密封透明玻璃片的两个面上。各个所述防反射层被构造为反射红光成分、绿光成分和蓝光成分。

所述第二基板包括诸如铝的金属。

根据本发明公开的主题，由于第一基板和第二基板在横向方向上的尺寸基本上与光偏转芯片相同，所以光偏转装置的尺寸可以减小。另外，由于无需在光偏转芯片内构建TSV，并且正面焊盘和背面焊盘之间的互连的通孔电极较便宜，所以制造成本可以降低。

附图说明

从下面结合附图对具体实施方式的描述，本发明公开的主题的上述和其它优点和特征将更明显，附图中：

图1是示出根据本发明公开的主题的光偏转装置的第一实施方式的剖视图；

图2A是图1的铝基板的正视图；

图2B是图1的光偏转芯片的正视图；

图2C是图1的双面印刷电路板的正视图；

图3和图4是用于说明图1的光偏转装置的组装操作的流程图；

图5是示出根据本发明公开的主题的光偏转装置的第二实施方式的剖视图；

图6A是图5的铝基板的正视图；

图6B是图5的光偏转芯片的正视图；

图6C是图5的双面印刷电路板的正视图；

图7是用于说明图5的光偏转装置的组装操作的流程图；以及

图8和图9分别是示出图1和图5的光偏转装置的修改的剖视图。

具体实施方式

图1是示出根据本发明公开的主题的光偏转装置的第一实施方式的剖视图，在图1中，光偏转芯片10A的正面通过所谓的倒装接合工艺粘接到双面印刷电路板20A的背面，所述双面印刷电路板20A作为由有机材料(例如，玻璃环氧树脂，所谓的FR4)制成的第一基板，而光偏转芯片10A的背面粘接到诸如铝基板30A的金属基板的正面，所述金属基板作为没有电路的第二基板。需要指出的是，图1的光偏转装置是开放型的。

图2B是图1的光偏转芯片10A的正视图，在图2B中，光偏转芯片10A由以下部件构造而成：圆形反射镜11；活动框架12，其围绕反射镜11，以通过一对扭杆131和132支撑反射镜11；两对扭杆型内压电致动器141和142，其固定在活动框架12与扭杆131和132之间，并用作通过扭杆131和132使反射镜11相对于反射镜11的X轴摆动的悬臂；支撑体15，其围绕活动框架12，以通过一对扭杆161和162支撑活动框架12；以及两对扭杆型外压电致动器171和172，其固定在支撑体15与扭杆161和162之间，并用作通过扭杆161和162以及活动框架12使反射镜11相对于反射镜11的Y轴(与X轴垂直)摆动的悬臂。

在支撑体15的正面上设置有由电镀Au或Cu制成的焊盘18，其连接至内压电致动器141和142以及外压电致动器171和172的上电极层和下电极层(未示出)。

另外，支撑体15具有肋结构，其比光偏转芯片10A的其它部分厚，从而增强其刚性。需要指出的是，图1的支撑体15中的二氧化硅层19和硅基板19’分别是用于制造光偏转芯片10A的绝缘体上硅(SOI)晶圆的埋氧层(Boxlayer)和操作层(Handlelayer)。

返回图1，双面印刷电路板20A具有与光偏转芯片10A的反射镜11相对的开口20a，使得来自光源(未示出)的入射光可通过开口20a到达反射镜11，从反射镜11反射的光可通过开口20a发射。另外，具有焊盘22和23的电镀通孔结构21以及电极端子24设置在双面印刷电路板20A中。在这种情况下，焊盘22设置在背面上，各个焊盘22对应于光偏转芯片10A的一个焊盘18。另一方面，焊盘23设置在正面上，各个焊盘23通过电镀通孔结构21电连接至一个焊盘22。通孔结构21、焊盘23和电极端子24由电镀Au或Cu制成。另一方面，焊盘22是通过电镀工艺、溅射工艺和/或蒸发工艺从双面印刷电路板20A由Ti(或Cr)/Ni(或Pt)/Au(或Cu)的三重结构构造而成。即，由Ti(或Cr)制成的下层与玻璃环氧树脂良好接触，阻挡金属层由Ni(或Pt)制成，上层根据用于将光偏转芯片10A接合到双面印刷电路板20A的焊料或凸块(bump)的材料由Au(或Cu)制成。

柔性印刷电路(FPC)线缆40通过热接触接合工艺连接至双面印刷电路板20A的电极端子24。柔性印刷电路(FPC)线缆40还连接至用于控制光偏转芯片10A并向其供电的控制/电源电路(未示出)。

图2C是图1的双面印刷电路板20A的正视图，在图2C中，各个焊盘23经由形成在正面上的布线图案25连接至一个电极端子24，使得图2B的光偏转芯片10A的压电致动器141、142、171和172的上电极和下电极可连接至FPC线缆40。

图2A是图1的铝基板30A的正视图，在图2A中，至少两个对准开口31设置在铝基板30A处，以便将光偏转装置安装在投影系统中。

接下来参照图3说明图1的光偏转芯片10A、双面印刷电路板20A和铝基板30A的组装操作。

首先，参照步骤301，将不含Pb的焊膏(solderpaste)或AuSn共晶焊膏模板印刷（stencile）到双面印刷电路板20A的焊盘22上。

接下来，参照步骤302，将光偏转芯片10A安装到双面印刷电路板20A上，使得光偏转芯片10A的焊盘18与双面印刷电路板20A的带有焊膏的对应焊盘22直接接触。

接下来，参照步骤303，在软熔炉中在260℃至310℃的温度下进行软熔工艺。因此，光偏转芯片10A的正面粘接到双面印刷电路板20A的背面。

最后，参照步骤304，在光偏转芯片10A的支撑体15或铝基板30A的正面上涂敷粘合剂。然后，利用对准开口31将铝基板30A的正面安装到光偏转芯片10A的背面上，使得铝基板30A的正面粘接到光偏转芯片10A的背面，即，支撑体15。

接下来参照图4说明图1的光偏转芯片10A、双面印刷电路板20A和铝基板30A的另一组装操作。

首先，参照步骤401，在双面印刷电路板20A的焊盘22上形成Au凸块。

接下来，参照步骤402，将光偏转芯片10A安装到双面印刷电路板20A上，使得光偏转芯片10A的焊盘18与双面印刷电路板20A的带有Au凸块的对应焊盘22直接接触。

接下来，参照步骤403，在Au凸块上执行超声和加热接合操作以使其熔融。因此，光偏转芯片10A的正面粘接到双面印刷电路板20A的背面。

最后，参照步骤404，在光偏转芯片10A的支撑体15或铝基板30A的正面上涂敷粘合剂。然后，利用对准开口31将铝基板30A的正面安装到光偏转芯片10A的背面上，使得铝基板30A的正面粘接到光偏转芯片10A的背面，即，支撑体15。

因此，根据上述第一实施方式，由于在横向方向上，双面印刷电路板20A的尺寸和铝基板30A的尺寸基本上与光偏转芯片10A相同，所以图1的光偏转装置的尺寸可减小。另外，由于没有TSV的双面印刷电路板20A和铝基板30A均较便宜，所以制造成本可降低。

图5是示出根据本发明公开的主题的光偏转装置的第二实施方式的剖视图，在图5中，光偏转芯片10B的正面通过所谓的倒装接合工艺粘接到双面印刷电路板20B的背面，所述双面印刷电路板20B作为由诸如低温共烧陶瓷(LTCC)的无机材料制成的第一基板，而光偏转芯片10B的背面粘接到诸如铝基板30B的金属基板的正面，所述金属基板作为没有电路的第二基板。需要指出的是，图6的光偏转装置是密封型的，其中引入了诸如氮气的惰性气体来代替空气或者内部空气被抽空。

图6B是图5的光偏转芯片10B的正视图，在图5和图6B中，除了图1和图2B的光偏转芯片10A的元件之外，光偏转芯片10B还包括框形密封电极图案18’和18”。框形密封电极图案18’和18”的材料与焊盘18的那些材料（即，电镀Au或Cu）相同。框形密封电极图案18’沿周界布置在光偏转芯片10B的正面上，即，布置在支撑体15的正面上，而框形密封电极图案18”沿周边布置在光偏转芯片10B的背面上，即，布置在支撑体15的背面上。

图6C是图5的双面印刷电路板20B的正视图，在图5和图6C中，双面印刷电路板20B包括由Ag或Cu制成的互连21’，代替图1和图2C的双面印刷电路板20A的电镀通孔结构21。互连21’将焊盘22直接连接至电极端子24。因此，没有设置图1和图2C的焊盘23。需要指出的是，如果双面印刷电路板20B由高温共烧陶瓷(HTCC)制成，则互连21’可由诸如W或Ti的难熔金属制成。

双面印刷电路板20B还包括与光偏转芯片10B的框形密封电极图案18’对应的框形密封电极图案22’。框形密封电极图案22’的材料与焊盘22相同。

图6A是图5的铝基板30B的正视图，在图5和图6A中，铝基板30B包括与光偏转芯片10B的框形密封电极图案18”对应的框形密封电极图案32。框形密封电极图案32的材料与焊盘22相同，因此，框形密封电极图案32是通过电镀工艺、溅射工艺和/或蒸发工艺从铝基板30B由Ti(或Cr)/Ni(或Pt)/Au(或Cu)的三重结构构造而成。

另外，在图5中，提供由硼硅酸盐制成的密封透明玻璃51，在其两侧涂敷防反射层52a和52b，以将图5的光偏转装置的开口20a密封。在这种情况下，如果用于为图5的光偏转装置产生入射光的光源由红色激光二极管、绿色激光二极管和蓝色激光二极管构造而成，则防反射层52a和52b各自被构造为反射红光成分、绿光成分和蓝光成分。

接下来参照图7说明图5的光偏转芯片10B、双面印刷电路板20B和铝基板30B的组装操作。

首先，参照步骤701，将不含Pb的焊膏或AuSn共晶焊膏模板印刷到双面印刷电路板20B的焊盘22和框形密封电极图案22’以及铝基板30B的框形密封电极图案32上。

接下来，参照步骤702，将光偏转芯片10B安装到双面印刷电路板20B上，使得光偏转芯片10B的焊盘18和框形密封电极图案18’与双面印刷电路板20B的带有焊膏的对应焊盘22和对应框形密封电极图案22’直接接触。然后，将光偏转芯片10B安装到铝基板30B上，使得光偏转芯片10B的框形密封电极图案18”与铝基板30B的带有焊膏的对应电极图案32直接接触。

接下来，参照步骤703，在软熔炉中在260℃至310℃的温度下进行软熔工艺。因此，光偏转芯片10B的正面粘接到双面印刷电路板20B的背面和铝基板30B的正面。

接下来，参照步骤704，在氮气室或真空室中利用不含Pb的焊膏通过焊接工艺将带有防反射层52a和52b的密封透明玻璃51安装到双面印刷电路板20B的正面上。在氮气室中，执行吹扫(purging)操作多次，以从氮气室排出水蒸气、二氧化碳等。另一方面，在真空室中，压力为约0.1atm至0.8atm。

最后，参照步骤705，在软熔炉中在260℃的温度下进行软熔工艺。在这种情况下，由于步骤705的软熔温度低于步骤703的软熔温度，所以光偏转芯片10B和双面印刷电路板20B之间的焊膏以及光偏转芯片10B和铝基板30B之间的焊膏不会再熔。因此，密封透明玻璃51的正面稳固地粘接到双面印刷电路板20B的正面。

在上述第二实施方式中，对准开口32可以按照与第一实施方式相同的方式设置在铝基板30B的拐角。

因此，根据上述第二实施方式，由于在横向方向上，双面印刷电路板20B的尺寸和铝基板30B的尺寸基本上与光偏转芯片10B相同，所以图5的光偏转装置的尺寸可减小。另外，可容易地实现密封的光偏转装置，而不会增加制造成本。

图8是图1的光偏转装置的修改，在图8中，反射镜11’具有在这种情况下厚度与支撑体15相同的肋结构，另外，与反射镜11’的肋结构相对的凹槽33形成在铝基板30A中。因此，当带有肋结构的反射镜11’摆动时，带有肋结构的反射镜11’不会与铝基板30A碰撞。需要指出的是，凹槽33在横向方向上的尺寸小于双面印刷电路板20B的开口20a在横向方向上的尺寸。

反射镜11’的肋结构用于有效抑制反射镜11’摆动时反射镜11’的动态变形。

由于基板30A由诸如铝的金属制成，因此可容易地通过切割工艺等形成凹槽33。

图9是图5的光偏转装置的修改，在图9中，按照与图8相同的方式，反射镜11’具有在这种情况下厚度与支撑体15相同的肋结构，另外，与反射镜11’的肋结构相对的凹槽33形成在铝基板30B中。因此，当带有肋结构的反射镜11’摆动时，带有肋结构的反射镜11’不会与铝基板30B碰撞。

在上述实施方式中，光偏转芯片构成内致动器和外致动器均为扭杆型压电致动器的二维光偏转器；然而，本发明公开的主题可应用于其它二维光偏转器。另外，本发明公开的主题可应用于一维光偏转器。此外，本发明公开的主题可应用于梳形型静电致动器。

对于本领域技术人员而言明显的是，在不脱离本发明公开的主题的精神或范围的情况下，可对本发明公开的主题进行各种修改和变型。因此，本发明公开的主题意在覆盖对本发明公开的主题的这些修改和变型，只要其落在所附权利要求及其等同物的范围内即可。通过引用将以上以及在本说明书的背景技术部分中描述的所有现有技术参考文献全部并入本文。

本申请要求2011年9月29日提交的日本专利申请No.JP2011-215621的优先权，通过引用将其公开内容全部并入本文。

Claims

1.一种光偏转装置，该光偏转装置包括：

光偏转芯片，其包括反射镜、被设置为使所述反射镜摆动的致动器以及位于所述光偏转芯片的正面上并连接至所述致动器的第一焊盘；

第一基板，其包括所述第一基板的背面上的第二焊盘，在所述第一基板中形成有开口；以及

第二基板，

所述光偏转芯片的所述正面粘接到所述第一基板的所述背面，使得所述光偏转芯片的所述第一焊盘与所述第一基板的各个所述第二焊盘接触，并且所述反射镜与所述开口相对，

所述光偏转芯片的背面粘接到所述第二基板的正面，

其中，所述第一基板包括陶瓷，

其中，所述第一基板还包括：

电极端子，其位于所述第一基板的正面上；以及

互连，其在所述第一基板中连接在所述第二焊盘和各个所述电极端子之间，

其中，所述光偏转芯片还包括：

第一框形密封电极图案，其位于所述光偏转芯片的所述正面上；以及

第二框形密封电极图案，其位于所述光偏转芯片的所述背面上，

所述第一基板还包括第三框形电极图案，该第三框形电极图案位于所述第一基板的所述背面上，并与所述光偏转芯片的所述第一框形电极图案接触，

所述第二基板还包括第四框形电极图案，该第四框形电极图案位于所述第二基板的所述正面上，并与所述光偏转芯片的所述第二框形电极图案接触，

所述光偏转装置还包括密封透明玻璃片，该密封透明玻璃片粘接到所述第一基板的所述正面，以密封所述开口。

2.根据权利要求1所述的光偏转装置，其中，所述第一基板包括有机材料。

3.根据权利要求2所述的光偏转装置，其中，所述有机材料是玻璃环氧树脂。

4.根据权利要求2所述的光偏转装置，其中，所述第一基板还包括：

第三焊盘，其位于所述第一基板的正面上；

通孔结构，其在所述第一基板中连接在所述第一焊盘和所述第三焊盘之间；以及

电极端子，其位于所述第一基板的所述正面上，并连接至各个所述第三焊盘。

5.根据权利要求2所述的光偏转装置，其中，所述光偏转芯片的所述正面与第一基板的所述背面之间的粘接通过将焊膏模板印刷到所述第一基板的所述第二焊盘上来进行。

6.根据权利要求2所述的光偏转装置，其中，所述光偏转芯片的所述正面与第一基板的所述背面之间的粘接通过将凸块安装到所述第一基板的所述第二焊盘上来进行。

7.根据权利要求1所述的光偏转装置，其中，引入了惰性气体。

8.根据权利要求1所述的光偏转装置，其中，抽成了真空。

9.根据权利要求1所述的光偏转装置，该光偏转装置还包括防反射层，该防反射层形成在所述密封透明玻璃片的两个面上。

10.根据权利要求9所述的光偏转装置，其中，各个所述防反射层被构造为反射红光成分、绿光成分和蓝光成分。

11.根据权利要求1所述的光偏转装置，其中，所述反射镜具有肋结构，并且在所述第二基板中形成有与所述肋结构相对的凹槽。

12.根据权利要求1所述的光偏转装置，其中，所述第二基板包括金属。

13.根据权利要求12所述的光偏转装置，其中，所述金属包括铝。