CN114556558A - 半导体发光器件 - Google Patents

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Abstract

本发明描述了一种半导体发光器件（1），包括发射器矩阵（10），该发射器矩阵（10）包括散置有非发射器单元（10e）的发射器单元（10E）的布置，其中发射器单元（10E）包括半导体发射器（10L），并且非发射器单元（10e）不包括半导体发射器；用于连接到电源（80）的若干接合焊盘（10B）；和多个引线接合（10W），其中每个引线接合（10W）从接合焊盘（10B）延伸到发射器单元（10E）的半导体发射器（10L）。本发明还描述了一种包括用于照明场景（S）的光源（1L）的成像布置（5），该光源（1L）包括一对这样的半导体发光器件（1）。本发明还描述了一种制造这样的半导体发光器件的方法。

Description

半导体发光器件
技术领域
本发明描述了一种半导体发光器件；一种制造这样的半导体发光器件的方法；以及一种包括一对这样的半导体发光器件的成像布置。
背景技术
为了例如在移动设备中使用紧凑的成像布置的图像传感器捕获图像，通常使用半导体光源——例如发光二极管（LED）阵列或垂直腔面发射激光器（VCSEL）——来照明场景。自适应半导体光源（也称为自适应辐照单元）——即单独可寻址的分段阵列（每个分段可以包括一个或多个发光元件）——可以用于确保场景之上的最佳曝光，并因此可以导致更好的图像。通过仅用所需的量照明每个场景区域，自适应半导体光源因此可以降低功耗，当成像系统被结合在诸如智能手机的设备中并且不应该耗尽电池时，这可以是显著的优点。
通常，期望具有非常紧凑的光源，即阵列的各分段在管芯中彼此紧邻。虽然这对于可见光谱LED阵列是可行的，但是在红外LED的情况下这可以是个问题。这是因为红外LED优选通过引线接合连接到管芯的接合焊盘。在具有许多红外LED的阵列中，引线接合也是有问题的，因为它们被布置在光路中，并且还因为引线接合需要足够的“顶部空间（headroom)”、即足够的空间来确保引线接合不被损坏。大型IR-LED阵列的另一个问题是，到阵列中心的引线接合明显长于到阵列外部区域的引线接合，并且可以限制最高可实现的开关频率。作为使用引线接合的替代方案，IR LED阵列可以被制造为覆晶器件，但是这以大约一半输出功率为代价，因为覆晶IR LED效率较低。因此，本发明的目的是提供一种克服上述问题的分段的半导体光源。
发明内容
本发明的目的通过权利要求1的半导体发光器件来实现；通过权利要求9的制造半导体发光器件的方法来实现；以及通过权利要求12的成像布置来实现。
根据本发明，半导体发光器件包括发射器矩阵，该发射器矩阵包括散置有非发射器单元的发射器单元的布置，其中发射器单元包括半导体发射器，并且非发射器单元不包括半导体发射器；用于连接到电源的若干焊盘；和多个引线接合，其中每个引线接合从接合焊盘延伸到发射器单元的半导体发射器。
半导体发光器件用于照明场景，并且在下文中可以假设半导体发射器被制造成实现5 - 100 Mcd/m2（兆坎德拉每平方米）的发光强度。
发射器矩阵中发射器单元与非发射器单元的比率优选为1:1或者尽可能接近该比率。
因为发射器矩阵（或“发射器阵列”）被形成为散置有空单元或非发射器单元的发射器单元的布置，所以引线接合的布置有利地是稀疏的。这意味着延伸到发射器矩阵中心的引线接合可以比仅包括发射器单元的现有技术发射器矩阵的等效引线接合明显更短。因此，本发明的半导体发光器件需要较少的“顶部空间”或间隙。因为发射器单元散置有非发射器单元，所以本发明器件的另外的优点是由引线接合横穿的发射器数量少于充满有发射器的现有技术发射器阵列。这意味着总的发射光的低得多的份额被引线接合阻挡，使得与现有技术的发射器阵列相比，本发明器件的发射光与净光输出之比是有利的。本发明器件的另外的优点是投影到场景上的引线接合阴影的数量减少。本发明器件的另外的优点是发射器的更大“散布”（发射器单元散置有空单元）导致热性能的改善。这是因为由任何激活的发射器单元生成的热量可以更快地消散，因为热量也可以通过相邻的“空”或非发射器单元消散。
根据本发明，制造这样的半导体发光器件的方法至少包括制造发射器矩阵的步骤，该发射器矩阵包括散置有非发射器单元的发射器单元的布置，由此在每个发射器单元中形成半导体发射器，并且在非发射器单元中不形成半导体发射器。该方法还包括在半导体发光器件的一个或多个边缘处形成若干接合焊盘、并且在每个半导体发射器和接合焊盘之间连接引线接合的步骤。
本发明的方法可以导致相对经济的半导体发光器件，因为由于散置遍及发射器矩阵的非发射器单元，更容易将引线接合连接到半导体发射器。
根据本发明，成像布置包括用于照明场景的光源，该光源包括一对这样的半导体发光器件，其中第一半导体发光器件的发射器阵列被布置成基本上照明场景的一半，并且第二半导体发光器件的发射器阵列被布置成基本上照明场景的另一半。成像布置还包括图像传感器布置，用于捕获由光源照明的场景的图像。
本发明的成像布置的一个优点是，与包括具有可比数量的发射器的单个发射器阵列的现有技术光源相比，需要更少的间隙或顶部空间。这是因为发射器阵列的引线接合可以以更紧凑的方式形成。如上所指示，本发明的器件的发射光量与同等的现有技术发射器阵列（具有相同数量发射器的阵列）相比是有利的，因为本发明的器件中的任何引线接合将穿过相对较少的发射器。与不利用分段的光源的成像布置相比，本发明的成像布置还具有降低功耗的优点。由于稀疏填充的发射器阵列的改进的热行为，本发明的成像布置的热要求也可以不如可比的现有技术的成像布置严格。
本发明的成像布置可以在可以受益于在自适应光源中使用引线接合管芯的任何应用中使用，例如飞行时间系统、机器人系统、无人驾驶飞机、手机、或安全摄像头。
从属权利要求和以下描述公开了本发明特别有利的实施例和特征。实施例的特征可以适当地组合。在一类权利要求的上下文中描述的特征可以同样适用于另一类权利要求。
在本发明的特别优选的实施例中，发射器矩阵包括3×3阵列中的至少9个单元，例如具有总共五个发射器单元（在阵列的中心中有一个发射器单元，并且在每个角处各有一个发射器单元）。在本发明的半导体发光器件的任何实施例中，发射器矩阵的发射器单元可以小于非发射器单元，或反之亦然；发射器单元可以基本上是正方形的，或者可以是矩形的；并且X方向上的间距可以与Y方向上的间距相同，或者X方向上的间距可以不同于Y方向上的间距。在下文中，但不以任何方式限制本发明，可以假设发射器单元和非发射器单元基本上大小相同，即发射器单元和非发射器单元各自占据半导体器件的相同面积，并且X方向上的间距与Y方向上的间距相同。引线接合可以具有大约30 μm的直径，并且接合焊盘将大约大三到五倍。由于单元必须为引线接合提供至少足够的空间，因此单元的面积可以在5000 μm2的数量级。
如上所指示，红外半导体器件（例如IR-LED）可以在各种辐照应用（例如深度图生成器（depth map generator）、飞行时间系统等）中使用，并且一般被引线接合以便提高电流效率。因此，在不以任何方式限制本发明的情况下，在下文中可以假设发射器是红外发光二极管（IR-LED）。
发射器矩阵可以形成为具有发射器单元和散置的非发射器单元的任何合适的分布。例如，发射器单元可以被分组在2×2布置中，由“空的空间”、即由非发射器单元分隔开。本发明光源的一个实施例可以具有实现为反转的另一个发射器矩阵，以便能够完整地照明场景。
在本发明的特别优选的实施例中，发射器矩阵包括发射器单元和非发射器单元的简单交替布置。例如，单元可以以棋盘图案或条纹图案布置。优选地，棋盘图案包括单个发射器单元与单个非发射器单元交替的布置。类似地，条纹图案优选地包括单行（或列）发射器单元与单行（或列）非发射器单元交替的布置。
一个示例性实施例由正方形阵列——即其中行数与列数相同的阵列或矩阵——给出。可以准备两个这样的正方形阵列来彼此互补。例如，两个3×3棋盘图案阵列可以并排布置。第一个3×3阵列包括五个发射器单元，在中心中有一个发射器单元并且在四个角中的每一个处各有一个发射器单元。互补的3×3阵列包括五个非发射器单元，在中心中有一个非发射器单元并且在四个角中的每一个处各有一个非发射器单元。在该实施例中，本发明的光源包括总共9个发射器。
在另外的示例性实施例中，两个5×5条纹图案阵列可以并排布置。第一个5×5阵列包括三列发射器单元和两列非发射器单元。在这种情况下，互补的5×5阵列包括三列非发射器单元和两列发射器单元。在该实施例中，本发明的光源包括总共25个发射器。
在本发明的优选实施例中，发射器矩阵可以包括半导体发射器阵列，其中只有一个子集将产生发射器单元。通过将其半导体发射器作为二极管连接到电路中——即通过在该单元和接合焊盘之间连接引线接合——有效地形成了“发射器单元”。这个步骤是必要的，以便将半导体发射器作为电路的一部分进行连接。由此可见，非发射器单元实际上可以包括半导体发射器的结构。然而，在没有与接合焊盘的任何电连接的情况下，这种结构不可以用作半导体发射器。这种直接方法的优点在于，可以在晶片制造期间应用现有的掩模和层生长顺序，并且避免必须提供专用掩模的成本的优点可以超过（outweigh）准备将不被使用的区域的缺点。
非发射器单元可以容纳诸如晶体管的开关元件。在一种方法中，通过使用适当的掩模和层沉积顺序和/或外延生长顺序，可以同时形成开关元件（例如GaN /GaAs晶体管）和发射器。
在本发明的特别优选的实施例中，分立的开关元件和发射器管芯被安装到基板或载体上，例如安装到PCB或中介层上。每个发射器管芯安装到发射器矩阵的发射器单元上，并且引线接合到相邻非发射器单元中的开关元件。可以使用合适的多层方法在PCB的主体中提供附加的电路连接。
优选地，半导体发光器件还包括用于连接到驱动器的接口，其被实现为例如根据瞬时场景照明要求来单独控制发射器。每个发射器可以单独切换，并且每个发射器的强度可以根据瞬时要求进行调整。有管理分段的辐照单元的各种方式，并且技术人员将熟悉驱动器要求，这不需要在此详细讨论。
在本发明的特别优选的实施例中，成像布置包括用于对由该对半导体发光器件发射的光进行整形的光束成形光学器件。光束成形光学器件可以散布来自发射器阵列的光以覆盖整个场景。得到的照明图案可以是发射器阵列图案的副本，即，其中场景区域由散置有非照明场景区域（由于空单元）的发射器单元照明。替代地，光束成形光学器件可以对来自发射器单元的光进行整形，以照明半个场景（当使用两个发射器阵列时）。类似地，光束成形光学器件可以对来自单个发射器阵列的发射器单元的光进行整形，以照明整个场景。
如上所述，光源的每个半导体发光器件可以有效地照明场景的一半，例如一个发射器矩阵可以照明场景的左手侧，而另一个发射器矩阵可以照明场景的右手侧。然而，其他布置是可能的。例如，每个发射器矩阵可以用于在整个视场之上投射光，由此照明图案具有与发射器矩阵相同的棋盘特性。因此，在这样的优选实施例中，半导体发光器件优选地彼此互补，即第一半导体发光器件的发射器矩阵是第二半导体发光器件的发射器矩阵的互补。例如，第一半导体发光器件的发射器矩阵可以能够照明场景的左上角和场景的右下角，并且不能够照明场景的右上角和场景的左下角。互补第二半导体发光器件的发射器矩阵于是能够照明场景的右上角和左下角，但是不能够照明场景的左上角和右下角。这同样适用于投射到场景上的照明图案中的所有其他“单元”。
成像布置优选地定尺寸为在紧凑的移动应用（诸如紧凑的相机或智能手机）中使用，或者也在任何其他空间受限和/或电池供电的应用（诸如机器人、无人驾驶飞机、汽车仪表板等）中使用。
从下面结合所附附图考虑的详细描述中，本发明的其他目的和特征将变得清楚。然而，应理解，附图仅仅是为了说明的目的而设计的，并且不是作为对本发明的限制的定义。
附图说明
图1示出了本发明的半导体发光器件的实施例；
图2给出了图1器件的侧视图；
图3示出了现有技术半导体发光器件的实施例；
图4给出了图3的器件的侧视图；
图5和图6示出了本发明的成像布置的实施例；
图7示出了本发明的半导体发光器件的另外的实施例；
图8示出了发射器电路的简化电路图；
图9示出了实施图8的电路的本发明的半导体发光器件的另外的实施例。
在附图中，类似的数字始终指代类似的对象。各图中的对象不一定按比例绘制。
具体实施方式
图1示出了本发明的半导体发光器件1的实施例。在该示例性实施例中，发射器矩阵10包括5×5正方形阵列，其中发射器单元10E与非发射器单元10E交替。每个发射器单元10E容纳一个IR-LED 10L。每个非发射器单元10e在其不容纳电路部件的意义上是“空的”。在该示例性实施例中，发射器矩阵10是合适的载体，诸如准备有铜轨道的PCB、中介层等。为了填充发射器矩阵，发射器管芯10L被安装到载体上。诸如IR-LED的发射器可以在其下侧具有一个触点（例如阳极触点），并且在顶部上具有另一个触点（例如阴极触点）。下侧触点可以借助于焊料接合电连接到电路，而上侧触点可以借助于引线接合电连接到电路。这里，每个发射器管芯10L的一个触点被引线接合到发射器矩阵10的边缘处的接合焊盘，并且另一个触点被焊料接合到铜轨道，例如借助于延伸到多层PCB中的过孔。该图解示出了用于连接到电源的若干接合焊盘10B和从接合焊盘延伸到安装在发射器单元10E上的IR-LED 10L的引线接合10W。在该示例性实施例中，发射器阵列10被实现为发射器单元10E和空单元10e的交替图案，即每个发射器单元10E（并因此每个发射器10L）沿其侧面侧接（flank）空单元10e，并且反之亦然。
在这个5×5阵列中，中心单元是空单元10e。因此，最长的引线接合不需要延伸到中心单元。如图2中所示，其给出了穿过图1的器件1的截面A-A'，因此所需的顶部空间或间隙C1有利地小。利用有利的短连接和靠近表面布置的引线接合，可以实现低至30 μm的间隙。这比同等的现有技术发射器阵列所需的顶部空间低大约20%。器件1的总顶部空间要求低于可比的5×5阵列，在该阵列中所有单元都实现为发射器单元10E。这在图3和图4中示出，图3和图4以平面视图（图3）和截面B-B'（图4）示出了这种现有技术的半导体发光器件2。顶部空间的减少可以是一个显著的优势，因为顶部空间在许多紧凑的应用中是一个非常关键的因素。
图3的发射器阵列3需要引线接合到所有发射器30L。由于小的单元大小，一些引线接合必须在其它引线接合之上形成弧形，并且需要相对长的引线接合到达中心单元。如图4中所示，其给出了图3的器件3的侧视图，因此所需的顶部空间或间隙C3相当大，使得现有技术器件3的总空间要求大于图1的本发明器件1。这种现有技术器件的更显著的缺点是被引线接合阻挡的光量，与本发明的器件相比，该引线接合必须跨越更多数量的发射器。当用于照明场景时，这种现有技术的器件将不可避免地将许多引线接合阴影投影到场景上。
单个这样的发射器阵列1可以用作光源或辐照单元来照明完整的场景（使得图像可以被成像传感器捕获）。然而，发明人已经意识到，出于若干原因，将光源分成两个更小的器件并允许每个更小的辐照单元照明半个场景是有利的。图5示出了本发明成像布置5的这样一个实施例。这里，光源1L包括并排布置的两个半导体发光器件。每个半导体发光器件的发射器阵列10用于照明场景S的一半。在该示例性实施例中，每个发射器阵列10是如上面图1中所描述的具有发射器10L和空单元10e的交替布置的3×3阵列。在每个发射器阵列10的光路中布置了光束整形光学器件50，使得每个发射器阵列10可以“覆盖”其完整场景的一半。这里，光束整形光学器件50形成来自交替的发射器10L的各个光束，使得当所有五个发射器都激活时，所得光束可以完整地照明场景的一半。
图6示出了本发明的成像布置5的另外的实施例。同样，光源1L包括并排布置的两个半导体发光器件，并且半导体发光器件的发射器阵列10用于照明场景S的一半。这里，每个发射器阵列10也是3×3阵列，具有发射器10L和空单元10e的交替布置，如上面图1中所描述。在该实施例中，每个发射器阵列10可以“覆盖”整个场景S，从而投射照明区域（由其发射器10L照明）和非照明区域（由于其空单元10e）的交替图案。在该示例性实施例中，发射器阵列10是彼此互补的，使得没有被一个发射器阵列照明的场景区域被另一个发射器阵列10的发射器10L照明。这里，合适的光束整形光学器件51也布置在每个发射器阵列10的光路中，以将来自交替的发射器10L的各个光束形成为散布以覆盖整个场景S的光束。
图7示出了半导体发光器件的另外的实施例，并且示出了发射器阵列10，在该发射器阵列10中每个发射器被实现为分立的IR-LED 10L并且每个非发射器单元10e被用于将相邻的IR-LED 10L连接到电路中。为此，载体是多层PCB，并且每个非发射器单元具有延伸到PCB内部中的连接层中的过孔。以此方式，每个发射器10L可以使用非常短的引线接合10W连接到驱动器，该引线接合10W只需要到达邻近的空单元10e。
在另外的实施例中，空单元10e可以用于容纳开关元件，并且每个发射器可以电连接到相邻的开关元件。一个这样的发射器/开关对的简化电路图在图8中示出，该简化电路图示出了发射器10L，其中其阳极连接到驱动器80并且其阴极连接到开关元件10开关的漏极。在该示例性实施例中，开关元件10开关是增强型MOSFET。图9中示出了使用安装在多层PCB载体上的几个这样的发射器/开关对的实施例。这里，整个电路包括并联连接的多个这样的发射器/开关对。每个发射器10L的阳极使用嵌入在PCB载体中的导电轨道和到发射器10L下侧上的触点的焊料接合连接到驱动器80的电源。每个发射器10L的阴极借助于引线接合10W连接到开关元件10开关（位于邻近的非发射器单元10e中）的适当触点。当然，如果发射器10L被实现为覆晶管芯，则其阴极可以借助于PCB的导电轨道连接到邻近的开关元件10开关。开关元件10开关的其它端子借助于嵌入PCB载体中的导电轨道的过孔连接到电路。通过使开关元件10开关和接地非常接近发射器10L来将电流回路减小到最大的优点是寄生线路阻抗相应地减小。在发射器阵列10具有高开关频率（例如10 MHz或更高）的情况下，这种实现可以特别有利。
尽管本发明已经以优选实施例及其变型的形式公开，但是将理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行许多附加的修改和变型。例如，尽管上面的重点已经是红外发射器的矩阵，但是应当理解，也可以使用其他发射器。例如，发射器矩阵的发射器可以是VCSEL，因为这种发射器也可以受益于本发明器件的优点，即紧密封装、将电子部件布置成非常接近VCSEL的可能性、改进的热性能等。
为了清晰起见，应理解，遍及本申请，“一”或“一个”的使用不排除多个，并且“包括”不排除其他步骤或元件。
附图标记：
半导体发光器件 1
光源 1L
发射器矩阵 10
发射器单元 10E
发射器 10L
非发射器单元 10e
接合焊盘 10B
引线接合 10W
开关元件 10开关
MOSFET栅极控制 10栅极
间隙 C1
光源 1L
光束成形光学器件 50、51
场景 S
现有技术器件 3
发射器矩阵 30
发射器单元 30L
接合焊盘 30B
引线接合 30W
间隙 C3
电源 80。

Claims (15)

1.一种半导体发光器件（1），被配置成照明场景（S），并且包括
-发射器矩阵（10），包括以规则矩阵阵列形式散置有非发射器单元（10e）的发射器单元（10E）的布置，在所述规则矩阵阵列形式中发射器单元（10E）和非发射器单元（10e）各自占据基本相同的面积；并且其中，发射器单元（10E）包括半导体发射器（10L）并且非发射器单元（10e）不包括半导体发射器；
-若干接合焊盘（10B），用于连接到驱动器（80）；和
-多个引线接合（10W），其中，每个引线接合（10W）从接合焊盘（10B）延伸到发射器单元（10E）的半导体发射器（10L）。
2.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其中，所述发射器矩阵（10）包括发射器单元（10E）和非发射器单元（10e）的交替布置。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的半导体发光器件，其中，发射器单元（10E）和非发射器单元（10e）以棋盘图案布置。
4.根据权利要求1或权利要求2所述的半导体发光器件，其中，发射器单元（10E）和非发射器单元（10e）以条纹图案布置。
5.根据前述权利要求中任一项所述的半导体发光器件，其中，至少一个非发射器单元（10e）包括开关元件（10开关）。
6.根据前述权利要求中任一项所述的半导体发光器件，其中，所述发射器矩阵（10）包括至少九个发射器单元（10E）的阵列。
7. 根据前述权利要求中任一项所述的半导体发光器件，其中，所述发射器矩阵（10）的发射器（10L）是红外发光二极管（10IR LED）。
8. 根据权利要求1至7中任一项所述的半导体发光器件，其中，所述发射器矩阵（10）的发射器（10L）是垂直腔面发射激光器。
9.一种制造根据权利要求1至8中任一项所述的半导体发光器件（1）的方法，包括以下步骤
-通过在每个发射器单元（10E）中放置半导体发射器（10L），将发射器矩阵（10）制造为包括散置有非发射器单元（10e）的发射器单元（10E）的布置；
-在所述半导体发光器件（1）的一个或多个边缘处形成若干接合焊盘（10B）；以及
-在每个半导体发射器和接合焊盘（10B）之间连接引线接合（10W）。
10.根据权利要求9所述的方法，包括在非发射器单元（10e）中提供开关元件（10开关）的步骤。
11. 根据权利要求10所述的方法，其中，在用半导体发射器（10L）填充所述发射器单元（10E）的步骤之前进行用开关元件（10开关）填充所述非发射器单元（10e）的步骤。
12.一种成像布置（5），包括
-用于照明场景（S）的光源（1L），所述光源（1L）包括根据权利要求1至8中任一项所述的一对半导体发光器件（1），其中，一个半导体发光器件（1）的发射器阵列（10）被布置成基本上照明所述场景（S）的一半，并且另一个半导体发光器件（1）的发射器阵列（10）被布置成基本上照明所述场景（S）的另一半；
-图像传感器布置，用于捕获由所述光源（1L）照明的所述场景（S）的图像。
13.根据权利要求12所述的成像布置，包括用于对由所述半导体发光器件（1）的发射器阵列（10）发射的光进行整形的光束成形光学器件（50，51）。
14.根据权利要求12或权利要求13所述的成像布置，其中，一个半导体发光器件（1）的发射器阵列（10）生成第一照明图案，并且另一个半导体发光器件（1）的发射器阵列（10）生成第二照明图案，所述第二照明图案是所述第一照明图案的反转。
15.根据权利要求12至14中任一项所述的成像布置，其中，所述成像布置被实现为在紧凑的移动设备中使用。
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