CN108231914B - 3d成像光电模块 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种3D成像光电模块，其旨在固定到成像装置，所述模块包括：光电传感器(200)，其包括具有芯片(201)的封装(203)，所述芯片电连接至至少一个印刷电路板的叠层；至少一个印刷电路板的叠层；传感器和叠层组件，其模制在树脂中，并且具有根据Z的并具有印刷电路板的电互连轨道的面，所述3D成像光电模块包括框架(300)形式的导热刚性支架，所述框架(300)具有根据X、Y的参考表面，并且具有在顶表面(302)上的参考点(317)和固定点(316)，参考点旨在使成像装置相对于参考表面置中并且对准，固定点旨在允许固定成像装置；以及内支承表面(310)，其具有传感器的支承点(313)，所述支承点(313)被调整为使芯片相对于参考表面置中并对准。

Description

3D成像光电模块
技术领域
本发明的领域为3D成像(并且更具体而言，空间成像)光电模块的领域，所述3D成像光电模块用于以所有波长拍摄照片或者视频，例如用于行星学、行星探测、天体观察或者卫星或运载火箭监控任务。
背景技术
众所周知，在空间工业(space industry)中，期望在使用具有更高分辨率的更大的光电传感器的同时使3D成像光电模块小型化，并且同时降低装置的成本。
图1显示了用在空间成像中的光电装置的常规设计。该光电装置包括根据光轴103而布置的：
-成像光学装置100，其具有透镜101和摄像机物镜102，以及
-光敏传感器200。
图2更具体地示出了光敏光电传感器200。该光敏光电传感器200包括有源部件201，例如结合在封装(其例如为陶瓷的，陶瓷为常用于空间应用的材料)203中的硅芯片。传感器的参考平面在大多数情况下是封装203的背面。PGA(引脚网格阵列，Pin grid Array)引脚形式的电连接部204可以确保芯片与封装外部(例如PCB(印刷电路板)电路)之间的连接。封装由粘贴在封装203上的玻璃202覆盖。
摄像机物镜102必须优选地与芯片201对准；其必须与芯片的有源表面成直角，并且在该有源表面上置中(centred)。所要求的置中精确度为大约35μm。该置中步骤是手动完成的，之后进行光学测量阶段。该步骤是漫长和困难的，并且需要特定的工具和合格的人员。由于芯片本身不能很好地在封装中置中，因此很难非常精确地使摄像机物镜在芯片上置中。图3a和3b表现了在将芯片粘贴在其封装中的步骤中出现的定位不准确。芯片201可能在平面XY上发生偏移(如图3b所示)，和/或表现出相对于光轴103的垂直度误差(如图3a所示，例如由于胶205的厚度变化)。通常观察到150μm和80μm，甚至更大的误差。一旦传感器200被制造，芯片201就不再可接近，并且其定位不可再调整。其结果是，光敏芯片的定位精度不符合期望的最终精度。
空间使用的问题之一还有使传感器保持在低温。当温度升高时，光学传感器的性能水平退化得非常快。增加的主要是暗电流，并且黑色事实上变成灰色，这对于在大多数图像中黑色占主导地位的空间应用是一种妨碍。这个问题由于具有越来越高的分辨率并且因此消耗更多的电力的传感器的使用而被放大。
目前用于冷却传感器的解决方案是增加了Pelletier热交换器和散热器，以用于消耗和传输卡路里。除了这种交换器+散热器的高成本之外，由于芯片的热交换表面是其底面(芯片通过该面而粘贴)，所以这种解决方案的实现也是困难的。另外，考虑到这种组件的体积，传感器所连接至的印刷电路板远程地设置，这具有缺陷。事实上，传感器和印刷电路板的电子元件之间的分离会引发电子噪声。
发明内容
本发明的目的是消除这些缺点。因此，目前仍需要在尺寸、成本、置中和对准精度以及工作温度方面同时满足所有上述要求的3D成像光电模块。
更具体地，本发明的主题是3D成像光电模块，其旨在固定到成像装置，所述模块包括：
-光电传感器，其包括封装，在该封装中封装有具有平面有源面的光敏芯片，其中，电连接引脚在平面有源面的相对面上连接至
-至少一个印刷电路板的叠层，所述印刷电路板装配有电子元件，
-传感器和叠层组件，其模制在树脂中，并且根据Z的竖直面受到金属化和蚀刻，以形成印刷电路板的电互连轨道(electric interconnection tracks)，
所述3D成像光电模块的特征主要在于，其包括的框架形式的导热刚性支架，所述框架在其中心限定开口，所述引脚穿过所述开口，所述框架具有根据X、Y的参考表面，并且具有：
·在顶表面上的：
固定参考点，其旨在使成像装置相对于参考表面置中并且对准，
固定点，其旨在允许固定成像装置，以及
·内部支承表面，其具有传感器的支承点，所述支承点调整为使得芯片的有源面相对于参考表面置中并对准。
这种支架的添加同时确保了机械固定、光学对准、电连接以及散热。借助于该单个构件(支架)，可以观察到对于光学传感器的使用的多重限制(特别是在空间域中)。该支架是容易制造的，廉价的并且易于实现的构件。如将在下文中看到的，单一操作对于传感器的放置和粘贴即是足够的。
参考表面例为如顶表面。
内部支承表面优选地与顶表面共线。
光电传感器典型地为摄像机的光电传感器。
本发明的另一个主题为用于制造前述的3D成像光电模块的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
-将光电传感器放置在内部支承表面上，以借助于芯片的置中点而使芯片的有源面相对于参考表面对准并置中，
-通过粘贴而固定所放置的传感器，
-将传感器+框架组件与印刷电路板叠层进行组装，
-将叠层和框架模制在树脂中，而不超过框架的上表面，
-沿着根据Z的切割轴线进行切割以获得侧部面，
-对侧部面进行金属化和蚀刻以使印刷电路板电互连。
附图说明
通过阅读以下以非限制性示例给出的具体实施方式并且参照附图，本发明的其它特性和优点将变得明显，附图中：
图1(已描述)示意性地示出了根据现有技术的成像光电装置，
图2(已描述)示意性地示出了根据现有技术的光电传感器的示例的截面图，
图3a和3b示出了芯片在其平面中的(见图3b的俯视图)以及相对于光轴(见图3a的截面图)的定位误差，
图4示意性地示出了根据本发明的3D成像光电模块中所使用的元件的示例的截面图，
图5示意性地示出了根据本发明的3D成像光电模块中所使用的框架的示例的立体图，
图6示意性地示出了具有准备好容纳传感器的热界面(thermal interface)的框架的示例，
图7a和7b示意性地示出了根据本发明的制造3D成像光电模块的步骤，图7a示出了在树脂中模制传感器+支架+叠层组件的步骤，图7b示出了切割模制组件的步骤，
图8示意性地示出了根据本发明的3D成像光电模块的示例的立体图，
从一个附图到另一个附图，相同的元件由相同的附图标记标引。
具体实施方式
在以下的说明书中，表述“前”、“后”、“顶部”、“底部”根据所描述的附图的方位来使用。由于可以根据其他方位来放置元件，所以方向性术语是以说明性的方式而指示的，并且是非限制性的。
联系图4和图5来对包括在根据本发明的3D成像光电模块中的元件的示例进行描述。所述元件包括刚性框架300形式的支架，传感器200通过其背面215而放置和粘贴在该框架300中。框架的开口314设置为允许电连接部204通过。该开口通常为矩形，但这并不是必须的。
该框架300由具有这样两个平面的块体加工而成，这两个平面是：
-安装平面301，其用于粘贴传感器，以及
-顶面302的平面。
所述两个平面的中一个为参考平面。在以下的说明书中，认为参考平面为顶面302的平面。
该框架300包括：
-在安装平面301中的，用于传感器的支承点313(优选地为三个支承点)，其用于使芯片201在三个轴线上相对于框架的参考平面对准，
-在框架的顶面302上的，用于固定摄像机物镜102的参考点317，其旨在使摄像机物镜的光轴相对于框架的参考平面置中并对准。在我们的示例中，使用了两个参考点，一个是椭圆形的，另一个是圆形的；当然可以使用一个或更多个其他的参考点，
-在框架的顶面302上的，开孔316或其他的等效装置，其旨在与用于将摄像机物镜102固定在框架上的装置配合。
框架的轮廓为平行六面体，可能在外部凹陷，如在图5的示例中具有两个凹陷侧。框架的内部轮廓具有与传感器的形状相对应的形状。
在框架300中粘贴传感器200的步骤例如通过“取放(pick and place)”类型的定位机器来执行。该机器在框架的粘贴表面301(＝传感器的支承表面)上放置胶，然后在该表面上将传感器200放置在框架中，然后通过借助支承点313而在三个轴线上调节传感器的位置来执行芯片201相对于框架(也就是说，相对于参考平面)的光学对准。这种对准使得可以校正芯片201相对于参考平面的垂直度的误差以及在安装平面中的偏移，也即图3a和3b所示的误差。所述机器在胶的聚合过程中将组件(传感器+框架)保持在原位。所述胶典型地为具有或不具有填料(fillers)的环氧树脂。该步骤在单个阶段执行，并且无需所有随后的设置操作。在粘贴传感器之后，芯片201的感测面(＝连接引脚的相对面)因此与参考平面共线，在这种情况下，即与框架的顶面302共线。
因此而获得了典型地为大约35μm的在安装平面中的定位精度。
在传感器由此固定至框架的情况下，成像装置的摄像机物镜102将能够借助于如在图4和图5中所能见到的在框架的顶面上的固定参考点317和开孔316而固定至框架300。在完成这两个步骤(粘贴传感器和固定摄像机物镜)之后，将确保：
-芯片的光敏面与框架的参考平面共线并且置中，并且
-摄像机物镜的光轴与框架的参考平面成直角，并且摄像机物镜置中。
将安装平面301作为参考平面而应用相同的步骤。
通过构造而有利地使安装平面和顶面的平面共线。
芯片201可以包括四百万个像素。
所述框架有利地由导热材料制成，例如铝或铜。在粘贴步骤之前，图6中所示的热界面318优选地设置在粘贴表面301上。该热界面允许电连接引脚204的通过，同时确保在传感器外围的良好的热接触。该热界面使得可以在同一产品中确保交换器和散热器功能。典型地使用导热胶，例如UV胶，该胶也可以如前所示将传感器200固定在框架中。通过使用具有或不具有填料的环氧树脂作为胶，在传感器200和机械固定平面301之间所获得的热传导率小于4℃/W。
当传感器已固定到框架上时，将传感器+框架组件与印刷电路板400的叠层进行组装，每一个印刷电路板400在其一个面或两个面上包括一个或多个有源和/或无源电子元件401，如图7a、图7b所示，其中示出四个印刷电路板的叠层400。这些元件401典型地为用于过滤寄生干扰、用于保护传感器的无源元件，以及例如用于由芯片接收的信号的处理单元、电源的有源元件。
传感器的问题之一是同时确保机械固定和与这些印刷电路板的电连接。到这些印刷电路板的连接通过包括电连接触点以及可能的电子元件的第一印刷电路板PCB形成。PCB400固定到框架300，并且传感器200的连接引脚204通过钎焊(brazing)而电连接到PCB的连接触点。例如，引脚204穿过PCB并且钎焊在PCB的底面侧。框架300因此夹在传感器和PCB之间。这方面增强了机械强度，并且PCB不需要特定地与传感器200或芯片201处于相同的平面中。这种布局(即便使用如前所述的热界面)使得在芯片和叠层的电子元件之间可以更加接近。该解决方案可以显着降低在图像采集中出现的电子噪声。
如图7a所示，然后在树脂500中模制传感器+支架+叠层组件直到支架的参考平面302或者略下方，如图中所示；根据框架的XY的尺寸小于叠层的尺寸，如图中所示。然后依照竖直切割轴线501(在Z轴中)切割模制的组件，每个印刷电路板的导电轨道402与该竖直切割轴线齐平，如图7b所示。然后对竖直面进行金属化和蚀刻，以在叠层的电路之间产生电互连502，如图8所示。最后的印刷电路板400设置有外部电连接装置404。
图8示出了这样的模块的示例，其中：
-互连轨道502在模块的侧部面上，
-支架300，可以看到其顶面，顶面具有用于固定成像装置100的开孔316和参考点317，
-传感器，可以看到其保护玻璃202和封装203，
为了成像应用，特别是为了空间成像应用的目的，将这样的模块与成像装置100相关联。

Claims (7)

1.一种3D成像光电模块，其旨在固定到成像装置(100)，所述3D成像光电模块包括：
-光电传感器(200)，其包括封装(203)，在该封装(203)中封装有具有平面有源面的光敏芯片(201)，其中，电连接引脚(204)在平面有源面的相对面上连接至
-至少一个印刷电路板(400)的叠层，所述印刷电路板(400)装配有电子元件(401)，
-光电传感器(200)和叠层组件，其模制在树脂(500)中，并且沿着方向Z的竖直面受到金属化和蚀刻以形成印刷电路板的电互连轨道(502)，
其特征在于，所述3D成像光电模块包括框架(300)形式的导热刚性支架，所述框架在其中心限定开口(314)，所述引脚(204)穿过所述开口(314)，所述框架具有平行于XY平面的参考表面，并且：
·在顶表面(302)上具有：
固定参考点(317)，其旨在使成像装置(100)相对于参考表面置中并对准，
固定点(316)，其旨在允许固定成像装置(100)，以及
·内部支承表面(301)，其具有光电传感器(200)的支承点(313)，所述支承点(313)被调整为使得芯片的有源面相对于参考表面置中并对准，
其中，所述XY平面是光敏芯片(201)放置于其上的平面，所述方向Z垂直于所述XY平面。
2.根据权利要求1所述的3D成像光电模块，其特征在于，所述参考表面是顶表面(302)。
3.根据权利要求2所述的3D成像光电模块，其特征在于，所述内部支承表面(301)与所述顶表面(302)共线。
4.根据权利要求3所述的3D成像光电模块，其特征在于，所述光电传感器是摄像机的光电传感器。
5.根据权利要求3或4所述的3D成像光电模块，其特征在于，芯片(201)包括四百万个像素。
6.根据权利要求3或4所述的3D成像光电模块，其特征在于，所述框架(300)具有在外部凹陷的平行六面体轮廓。
7.一种用于制造根据前述权利要求中的任一项所述的3D成像光电模块的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
-将光电传感器(200)放置在内部支承表面(301)上，以借助于光电传感器(200)的支承点(313)而使芯片(201)的有源面相对于参考表面对准并置中，
-通过粘贴而固定所放置的光电传感器(200)，
-将光电传感器(200)和框架组成的组件与印刷电路板的叠层进行组装，
-将叠层和框架模制在树脂(500)中，而不超过框架的顶表面(302)，
-沿着切割轴线(501)进行切割以获得侧部面，
-对侧部面进行金属化和蚀刻，以将印刷电路板电互连。
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