CN106950692B - 头戴式虚拟现实设备及其电路板的制造方法 - Google Patents

头戴式虚拟现实设备及其电路板的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种头戴式虚拟现实设备及其电路板的制造方法。所述方法包括：提供电路基板；将头戴式虚拟现实设备的多个集成电路芯片进行叠加设置，形成多层的芯片堆叠；将芯片堆叠中各集成电路芯片进行固定并电性连接；及将芯片堆叠中的底层芯片与电路基板之间进行电性连接；其中，叠加设置包括：将USB集线器芯片和音视频信号转换器芯片设置于芯片堆叠的底层；将编译码器芯片叠加设置在音视频信号转换器芯片上；及将控制芯片叠加设置于USB集线器芯片上。本发明采用系统级封装的方式，各集成电路芯片之间采用堆叠的方式进行设置，相比采用平面方式在电路基板上布置集成电路芯片的传统技术，可以减小电路板的体积，进而减小VR设备的总体积。

Description

头戴式虚拟现实设备及其电路板的制造方法
技术领域
本发明涉及虚拟现实技术领域，特别是涉及一种头戴式虚拟现实设备的电路板的制造方法，还涉及一种头戴式虚拟现实设备。
背景技术
头戴式显示器(HMD)的用户可以通过外接或内置的虚拟现实(VR)引擎，获得沉浸式的体验。传统的头戴式显示器体积较大，携带不方便。
发明内容
基于此，有必要提供一种新式的头戴式虚拟现实设备的电路板的制造方法，能够制造出小体积的电路板。
一种头戴式虚拟现实设备的电路板的制造方法，包括：提供电路基板；将头戴式虚拟现实设备的多个集成电路芯片进行叠加设置，形成多层的芯片堆叠；将所述芯片堆叠中各集成电路芯片进行固定并电性连接；及将所述芯片堆叠中的底层芯片与电路基板之间进行电性连接；其中，所述叠加设置包括：将USB集线器芯片和音视频信号转换器芯片设置于所述芯片堆叠的底层；将编译码器芯片叠加设置在所述音视频信号转换器芯片上；及将控制芯片叠加设置于所述USB集线器芯片上。
还有必要提供一种头戴式虚拟现实设备。
一种头戴式虚拟现实设备，其特征在于，包括：电路基板；及多层的芯片堆叠，该芯片堆叠由多个集成电路芯片叠加设置形成；所述多个集成电路芯片包括：USB集线器芯片，设置于所述芯片堆叠的底层；音视频信号转换器芯片，设置于所述芯片堆叠的底层；控制芯片，叠加设置于所述USB集线器芯片上；及编译码器芯片，叠加设置在所述音视频信号转换器芯片上；其中，所述芯片堆叠中各集成电路芯片相互固定并电性连接，且所述芯片堆叠中底层芯片与电路基板之间电性连接。
上述头戴式虚拟现实设备及其电路板的制造方法，各集成电路芯片(dies)之间采用堆叠的方式进行设置，相比采用平面方式在电路基板上布置集成电路芯片的传统技术，可以减小电路板的体积，进而减小头戴式虚拟现实设备的总体积。
附图说明
图1是一实施例中头戴式虚拟现实设备的电路板的结构示意图；
图2是一实施例中头戴式虚拟现实设备的电路板的制造方法的流程图；
图3是另一实施例中头戴式虚拟现实设备的电路板的制造方法的流程图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的首选实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“竖直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
在一个实施例中，头戴式虚拟现实设备包括外壳、显示器、扬声器、传感器及电路板。图1是一实施例中头戴式虚拟现实设备的电路板100的结构示意图。在本实施例中，电路板100为制造过程中采用表面贴装工艺进行元件组装的印刷电路板(PCBA)，元件可以包括电容器、电阻器、电感器、连接器、天线等。电路板100采用系统级封装(System In aPackage,SIP)的方式进行封装，电路板100上的各集成电路芯片(die)以叠加设置的方式形成多层的芯片堆叠，小芯片可以叠设在大芯片上。芯片堆叠中各集成电路芯片相互固定并电性连接，且芯片堆叠中底层芯片与电路基板之间电性连接。
电路板100上的集成电路芯片包括USB集线器(USB HUB)芯片110、音视频信号转换器(Bridge)芯片120、编译码器(Codec)芯片122及控制芯片112。其中USB集线器芯片110设于堆叠的芯片的底层，即位于各层芯片的最下层、直接设于电路基板上。USB集线器芯片110可以将一个USB接口扩展为多个，并可以使这些USB接口同时使用。本实施例中的头戴式虚拟现实设备采用外置VR引擎的方式，主要的计算在搭载VR引擎的终端(计算机、手机等智能设备)中进行，头戴式虚拟现实设备和终端之间的数据和命令通过USB接口和USB数据线进行传输。电路板100上有两个以上采用USB接口的芯片，这些芯片连接到USB集线器芯片110上，通过时分复用的方式与终端进行通讯，头戴式虚拟现实设备与终端之间的USB数据线可以只设置一根。在本实施例中，USB集线器芯片110同时提供对USB 2.0和USB 3.0的支持。
音视频信号转换器芯片120设于堆叠的芯片的底层，用于将通过其输入端输入的视频信号转换为驱动显示器进行显示的总线信号。音视频信号转换器芯片120的输入端输入的信号一般为标准通用的视频信号总线，例如高清晰度多媒体接口(HDMI)、移动终端高清影音标准接口(MHL)、DisplayPort等。音视频信号转换器芯片120可以将这些信号转换成可以驱动显示器(本实施例中为液晶显示器)的总线信号，例如移动产业处理器接口(MIPI)、低电压差分信号(LVDS)等。
编译码器芯片122叠设于音视频信号转换器芯片上120，用于将音视频信号转换器芯片120的输入端输入的音频信号进行解码后输出给扬声器。这些音频信号可以是与视频信号一同输入的，例如HDMI信号可以同时包括视频信号和音频信号。在一个实施例中，编译码器芯片122与音视频信号转换器芯片上120通过集成电路内置音频总线(I2S)连接。
控制芯片116叠设于USB集线器芯片上。由于主要的运算和控制由外接的终端来完成，因此控制芯片116只需要进行简单的控制。在本实施例中，控制芯片116为微控制单元(MCU)。
上述头戴式虚拟现实设备，采用系统级封装的方式，各集成电路芯片(dies)之间采用堆叠的方式进行设置，相比采用平面方式在电路基板上布置集成电路芯片的传统技术，可以减小电路板100的体积，进而减小头戴式虚拟现实设备的总体积。
在图1所示实施例中，电路板100上的集成电路芯片还包括数字信号处理(DSP)芯片114、惯性测量单元(IMU)芯片118、以及无线通讯芯片116。
数字信号处理芯片114叠设于USB集线器芯片110上，惯性测量单元芯片118叠设于数字信号处理芯片114上。惯性测量单元芯片118用于根据传感器输出的传感信号计算出头戴式虚拟现实设备的姿态。具体地，惯性测量单元芯片118与各传感器配合工作组成一个检测系统，以检测佩戴者头部的运动，获得头部的姿态数据。在一个实施例中，传感器包括三轴加速度传感器、三轴陀螺仪传感器和三轴地磁传感器中的一个或多个组成。当用户戴上头戴式虚拟现实设备时，头部的转动与电路板100的转动同步，惯性测量单元芯片118配合各传感器即可检测头部的转动。虽然在技术上，三轴加速度传感器和三轴陀螺仪传感器所测量的数据通过数学算法都可以转换成所需的欧拉角或四元数数据，从而能唯一地确定被测物体的姿态。但是目前加速度传感器的瞬时误差较大，而陀螺仪传感器有由时间决定的积累误差，时间越长，误差越大，该误差会造成测量姿态的偏移。因此在优选的实施例中，使用三轴加速度传感器、三轴陀螺仪传感器和三轴地磁传感器共同配合惯性测量单元芯片118，通过融合算法，可以精确地测量头戴式虚拟现实设备三轴的角速度变化，得出准确、低延迟的姿态数据。
可以理解的，传感器还可以包括其他类型的传感器，例如用于检测头戴式虚拟现实设备是否被用户佩戴的传感器，例如接近传感器，具体可以是接近照度传感器。接近照度传感器用于感测目标是否接近传感器或者感测环境光的亮度。接近照度传感器可以生成与光的强度相对应的电信号，基于该电信号可以确定头戴式虚拟现实设备周围的光的亮度，从而可以确定用户是否正穿戴着头戴式虚拟现实设备。接近传感器还可以是红外线(IR)传感器。IR传感器可以生成IR信号，并且可以感测IR信号的反射强度，可以基于IR信号的反射强度，确定用户是否正穿戴着头戴式虚拟现实设备。传感器还可以是用于感测静电材料的传感器，例如，接触传感器或手握传感器。或者可以是用于识别关于用户的生物信息的传感器，例如，肌电图(EMG)传感器、心电图(ECG)传感器、或者体温传感器等。
数字信号处理芯片114用于对惯性测量单元芯片输出的信号进行处理。无线通讯芯片116叠设于控制芯片112上，用于与头戴式虚拟现实设备外界的设备进行无线通讯，例如与手持的交互设备进行无线通讯。在一个实施例中，无线通讯芯片116为蓝牙芯片。在其他实施例中，也可以采用其他本领域习知的无线通讯芯片，例如WiFi芯片等。
在图1所示实施例中，头戴式虚拟现实设备还包括摄像头。摄像头用于对头戴式虚拟现实设备的显示器显示的图像进行采集，以模拟佩戴者的眼睛看到的画面效果。数字信号处理芯片114还用于对摄像头拍摄获得的信号进行处理。
在图1所示实施例中，头戴式虚拟现实设备还包括麦克风，编译码器芯片116还用于对麦克风采集到的声音信号进行编解码。
在一个实施例中，电路板上的各集成电路芯片封装在一个树脂外壳内。在图1所示实施例中，位于框体101内的各集成电路芯片均封装在一个树脂外壳内。其中传感器可以部分封装在该树脂外壳内，具体取决于头戴式虚拟现实设备包含的传感器种类和这些传感器的大小。摄像头的电子元器件可以封装于树脂外壳内，光学部件(镜头等)位于树脂外壳外。
传统技术中每个集成电路芯片一般都需要一个单独的塑封。而上述头戴式虚拟现实设备的电路板，将各芯片(dies)进行堆叠后再塑封进一个大的树脂外壳内，相对于将每个集成电路芯片单独塑封可以大大减小树脂材的体积和重量，从而可以减小头戴式虚拟现实设备的体积和重量。传统的头戴式虚拟现实设备由于重量较重，对佩戴者头部的器官造成较大的压迫，使用时间一长后用户容易感觉不适，故减轻头戴式虚拟现实设备的重量可以使得用户获得更好的使用体验。另外将所有集成电路芯片封装在一个树脂外壳内，可以给其他厂商和竞争对手的反向工程增加难度，能够更好地保护自己的知识产权。
采用上述结构可以缩小传统电路板的尺寸和重量，例如面积可以缩小到原有的1/4，重量可以由原本的200克减少到小于100克。
图2是一实施例中头戴式虚拟现实设备的电路板的制造方法的流程图，包括：
S110，提供电路基板。
S120，将头戴式虚拟现实设备的多个集成电路芯片进行叠加设置，形成多层的芯片堆叠。
S130，将芯片堆叠中各集成电路芯片进行固定并电性连接。
S140，将芯片堆叠中的底层芯片与电路基板之间进行电性连接。
图3是另一实施例中头戴式虚拟现实设备的电路板的制造方法的流程图，包括：
S210，提供电路基板。
在本实施例中采用印刷电路板(PCB)，在其他实施例中也可以采用柔性电路板(FPC)等作为基板。
S220，将各元件装设于电路基板上。
在本实施例中，元件可以包括电容器、电阻器、电感器、连接器、天线等。对电路基板进行烘烤后进行锡膏印刷，然后通过表面贴装工艺将各元件组装于电路基板上，通过回流焊工艺将元件焊接固定。
S230，将头戴式虚拟现实设备的多个集成电路芯片进行叠设，形成多层的芯片堆叠。
包括将USB集线器芯片和音视频信号转换器芯片设于底层，即设于各层芯片的最下层、后续会直接装设于电路基板上，将编译码器芯片叠设于音视频信号转换器芯片上，将控制芯片叠设于USB集线器芯片上。
其中USB集线器芯片用于将一个USB接口扩展为多个，并可以使这些USB接口同时使用。音视频信号转换器芯片用于将通过其输入端输入的视频信号转换为驱动头戴式虚拟现实设备的显示器进行显示的总线信号。音视频信号转换器芯片的输入端输入的信号一般为标准通用的视频信号总线，例如高清晰度多媒体接口(HDMI)、移动终端高清影音标准接口(MHL)、DisplayPort等。音视频信号转换器芯片可以将这些信号转换成可以驱动显示器(本实施例中为液晶显示器)的总线信号，例如移动产业处理器接口(MIPI)、低电压差分信号(LVDS)等。编译码器芯片用于将音视频信号转换器芯片的输入端输入的音频信号进行解码后输出给头戴式虚拟现实设备的扬声器。这些音频信号可以是与视频信号一同输入的，例如HDMI信号可以同时包括视频信号和音频信号。在本实施例中，控制芯片为微控制单元(MCU)。
各芯片(dies)可以在设置焊盘后，像搭积木一样，一个芯片搭在另一个芯片上，形成三维的堆叠结构。其中一个大的芯片上可以堆叠一个以上的小芯片，叠设的层数可以在两层以上。
各芯片在叠设之前先要从晶圆上切割下来(Wafer Sawing)，而进行晶圆切割之前先要进行晶圆研磨(Wafer Grinding)，将晶圆上的各芯片背面研磨至所需的厚度。
S240，通过导电胶将各集成电路芯片粘合，并对导电胶进行固化处理。
在本实施例中，导电胶是导电银胶，通过银胶烘烤(Epoxy Cure)的方式将定位好的芯片的银胶进行固化。
S250，进行焊球和/或邦定处理，使得各芯片之间形成电性连接。
对导电胶固化后叠设在一起的芯片进行邦定处理。邦定的作用是将芯片上的接点以极细的导线(例如金线)电性连接到相应的引脚上或相邻的其他芯片的接点。
S260，进行塑封(Molding)处理。
将邦定后叠设在一起的芯片进行预热，再将芯片置于压模机上，此时预热好的树脂亦准备好投入封装模具上的树脂进料口。启动机器将压模机压下，封闭上下模然后将半熔化状态的树脂挤入模具中，待树脂填充硬化后，开模取出成品即完成塑封。
S270，通过焊球和/或邦定处理，使叠设的集成电路芯片的底层芯片与电路基板之间形成电性连接。
进行植球和/或邦定处理，集成电路芯片的层与层之间、底层芯片与电路基板之间通过焊球或金线形成电性连接。
上述头戴式虚拟现实设备的电路板的制造方法，采用系统级封装的方式，各集成电路芯片(dies)之间采用堆叠的方式进行设置，相比采用平面方式在电路基板上布置集成电路芯片的传统技术，可以减小电路板的体积，进而减小头戴式虚拟现实设备的总体积。
在一个实施例中，步骤S230还包括将数字信号处理芯片叠设于USB集线器芯片上，将惯性测量单元芯片叠设于数字信号处理芯片上，将无线通讯芯片叠设于控制芯片上的步骤。
在一个实施例中，编译码器芯片用于与头戴式虚拟现实设备的麦克风、扬声器连接，音视频信号转换器芯片的输出端用于与编译码器芯片和头戴式虚拟现实设备的显示器连接。
在一个实施例中，惯性测量单元芯片用于根据传感器输出的传感信号计算出头戴式虚拟现实设备的姿态。数字信号处理芯片用于对惯性测量单元芯片输出的信号进行处理。无线通讯芯片用于与头戴式虚拟现实设备外界的设备进行无线通讯，例如与手持的交互设备进行无线通讯。在一个实施例中，无线通讯芯片为蓝牙芯片。在其他实施例中，也可以采用其他本领域习知的无线通讯芯片，例如WiFi芯片等。
在一个实施例中，步骤S260是将电路基板上的各集成电路芯片封装在一个树脂外壳内。具体可参见图1，位于框体101内的各集成电路芯片均封装在一个树脂外壳内，包括USB集线器芯片110、音视频信号转换器芯片120、编译码器芯片122、控制芯片112，数字信号处理芯片114、惯性测量单元芯片118、以及无线通讯芯片116。传感器可以部分封装在该树脂外壳内，具体取决于头戴式虚拟现实设备包含的传感器种类和这些传感器的大小。摄像头的电子元器件可以封装于树脂外壳内，光学部件(镜头等)位于树脂外壳外。
传统技术中每个集成电路芯片一般都需要一个单独的塑封。上述头戴式虚拟现实设备的电路板，将各芯片(dies)进行堆叠后再塑封进一个大的树脂外壳内，相对于将每个集成电路芯片单独塑封可以大大减小树脂材的体积和重量，从而可以减小头戴式虚拟现实设备的体积和重量。传统的头戴式虚拟现实设备由于重量较重，对佩戴者头部的器官造成较大的压迫，使用时间一长后用户容易感觉不适，故减轻头戴式虚拟现实设备的重量可以使得用户获得更好的使用体验。另外将所有集成电路芯片封装在一个树脂外壳内，可以给其他厂商和竞争对手的反向工程增加难度，能够更好地保护自己的知识产权。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (16)

1.一种头戴式虚拟现实设备的电路板的制造方法，包括：
提供电路基板；
将头戴式虚拟现实设备的多个集成电路芯片进行叠加设置，形成多层的芯片堆叠；
将所述芯片堆叠中各集成电路芯片进行固定并电性连接；及
将所述芯片堆叠中的底层芯片与电路基板之间进行电性连接；
其中，所述叠加设置包括：
将USB集线器芯片和音视频信号转换器芯片设置于所述芯片堆叠的底层；
将编译码器芯片叠加设置在所述音视频信号转换器芯片上；
将控制芯片叠加设置于所述USB集线器芯片上；及
将无线通讯芯片叠设于所述控制芯片上。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将芯片堆叠中各集成电路芯片进行固定是通过导电胶将所述芯片堆叠中各所述集成电路芯片粘合，并对所述导电胶进行固化处理。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述将头戴式虚拟现实设备的多个集成电路芯片进行叠加设置之前，还包括将各元件装设于所述电路基板上的步骤。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述将各元件装设于所述电路基板上是通过表面贴装工艺进行组装。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将芯片堆叠中各集成电路芯片电性连接，及将所述芯片堆叠中的底层芯片与电路基板之间进行电性连接，是通过焊球和/或邦定处理形成电性连接。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述形成多层的芯片堆叠包括：
将数字信号处理芯片叠设于所述USB集线器芯片上；
将惯性测量单元芯片叠设于所述数字信号处理芯片上。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将芯片堆叠中各集成电路芯片进行固定并电性连接之后、所述将芯片堆叠中的底层芯片与电路基板之间进行电性连接之前，还包括进行塑封处理的步骤。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述进行塑封处理是指将电路基板上的所述各集成电路芯片封装在一个树脂外壳内。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述编译码器芯片用于与所述头戴式虚拟现实设备的麦克风、扬声器连接，所述音视频信号转换器芯片的输出端用于与所述编译码器芯片和所述头戴式虚拟现实设备的显示器连接。
10.一种头戴式虚拟现实设备，其特征在于，包括：
电路基板；及
多层的芯片堆叠，该芯片堆叠由多个集成电路芯片叠加设置形成；
所述多个集成电路芯片包括：
USB集线器芯片，设置于所述芯片堆叠的底层；
音视频信号转换器芯片，设置于所述芯片堆叠的底层；
控制芯片，叠加设置于所述USB集线器芯片上；
编译码器芯片，叠加设置在所述音视频信号转换器芯片上；及
无线通讯芯片，叠设于所述控制芯片上；
其中，所述芯片堆叠中各集成电路芯片相互固定并电性连接，且所述芯片堆叠中底层芯片与电路基板之间电性连接。
11.根据权利要求10所述的头戴式虚拟现实设备，其特征在于，所述多个集成电路芯片还包括：
数字信号处理芯片，叠设于所述USB集线器芯片上；
惯性测量单元芯片，叠设于所述数字信号处理芯片上。
12.根据权利要求11所述的头戴式虚拟现实设备，其特征在于，还包括显示器、扬声器及传感器，所述音视频信号转换器芯片用于将音视频信号转换器芯片的输入端输入的视频信号转换为驱动所述显示器进行显示的总线信号，所述编译码器芯片用于将输入所述音视频信号转换器芯片的音频信号进行解码后输出给所述扬声器。
13.根据权利要求12所述的头戴式虚拟现实设备，其特征在于，所述数字信号处理芯片用于对惯性测量单元芯片输出的信号进行处理，所述惯性测量单元芯片用于根据所述传感器输出的传感信号计算出所述头戴式虚拟现实设备的姿态，所述无线通讯芯片用于与头戴式虚拟现实设备外界的设备进行无线通讯。
14.根据权利要求11所述的头戴式虚拟现实设备，其特征在于，还包括摄像头，所述数字信号处理芯片还用于对所述摄像头拍摄获得的信号进行处理。
15.根据权利要求10所述的头戴式虚拟现实设备，其特征在于，还包括麦克风，所述编译码器芯片还用于对所述麦克风采集到的声音信号进行编解码。
16.根据权利要求10所述的头戴式虚拟现实设备，其特征在于，所述芯片堆叠中各集成电路芯片封装在一个树脂外壳内。
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