CN208076909U - 芯片嵌入装置及投影模组 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种芯片嵌入装置及投影模组，芯片嵌入装置包括：主底座；电路板，开有通孔且安装在所述主底座上；次底座，安装在所述主底座上且放置在所述通孔中；芯片，安装在所述次底座上；所述芯片与所述次底座具有相匹配的热膨胀系数；所述芯片包括垂直腔面激光发射器阵列芯片和/或热敏电阻。通过设置两种不同热膨胀系数的主底座和次底座，并将芯片直接与其热膨胀系数相匹配的次底座连接，从而可以实现小体积、高稳定性；另外底座具备散热性，从而保证给芯片提供最大限度的散热。与现有技术相比，本实用新型的芯片嵌入装置可以实现小体积、高稳定性以及高散热，从而可以被集成到微型的计算设备中。
Description
技术领域
本实用新型涉及电子及光学元器件制造领域，尤其涉及一种芯片嵌入装置、制造方法以及投影模组。
背景技术
深度相机可以获取目标的深度信息借此实现3D扫描、场景建模、手势交互，与目前被广泛使用的RGB相机相比，深度相机正逐步受到各行各业的重视。例如利用深度相机与电视、电脑等结合可以实现体感游戏以达到游戏健身二合一的效果。另外，谷歌的tango项目致力于将深度相机带入移动设备，如平板、手机，以此带来完全颠覆的使用体验，比如可以实现非常真实的AR游戏体验，可以使用其进行室内地图创建、导航等功能。
深度相机中的核心部件是激光投影模组，随着应用的不断扩展，光学投影模组将向越来越小的体积以及越来越高的性能上不断进化。一般地，光学投影模组由电路板、光源等部件组成，目前晶圆级大小的垂直腔面发射激光器(VCSEL) 阵列光源使得光学投影模组的体积可以减小到被嵌入到手机等微型电子设备中。一般地，将VSCEL制作在半导体衬底上，并将半导体衬底与柔性电路板(FPC) 进行连接，为了解决散热问题，还可以引入半导体致冷器(TEC)。TEC可以很好的对光源发热进行控制，但由于本身的功耗较高，且占用较大的体积，使得这种形式的光学投影模组的体积以及功耗仍不理想。另外，由于VCSEL光源由于本身发热较大，因此还要考虑如何将其稳固地进行安装以提高使用寿命。
除了深度相机中的激光投影模组，在其他的芯片与电路板结合的领域，也同样面临着体积、散热、稳定性的问题。
发明内容
本实用新型为了解决现有技术中芯片与电路板结合的领域中存在体积、散热、稳定性的问题，提供一种芯片嵌入装置及投影模组。
为了解决上述问题，本实用新型采用的技术方案如下所述：
一种芯片嵌入装置，包括：主底座；电路板，开有通孔且安装在所述主底座上；次底座，安装在所述主底座上且放置在所述通孔中；芯片，安装在所述次底座上；所述芯片与所述次底座具有相匹配的热膨胀系数；所述芯片包括垂直腔面激光发射器阵列芯片和/或热敏电阻；所述垂直腔面激光发射器阵列芯片上的垂直腔面激光发射器光源均匀规则地排列或者以不相关图案进行不规则排列；所述热敏电阻包括负温度系数热敏电阻或正温度系数热敏电阻。
在一种实施例中，所述主底座和次底座由金属、陶瓷或合金材料制成；所述主底座材料包括黄铜，所述次底座材料包括氮化铝陶瓷；所述电路板为柔性电路板、硬质电路板以及软硬结合电路板的一种或组合。
在一种实施例中，所述芯片底部负极与所述次底座电连接，所述次底座与所述电路板电连接。
在一种实施例中，所述芯片底部负极与所述次底座电连接，所述次底座与所述主底座电连接，所述主底座与所述电路板电连接。
本实用新型又提供一种投影模组，包括：如上任一所述的芯片嵌入装置，所述芯片包括用于发射光束的光源芯片；透镜以及衍射光学元件，通过镜座安装在所述芯片嵌入装置上，所述透镜用于准直或聚焦所述光束；所述衍射光学元件对经准直或聚焦的光束进行衍射并向外发射结构光图案化光束。
本实用新型的有益效果为：通过设置两种不同热膨胀系数的主底座和次底座，并将芯片直接与其热膨胀系数相匹配的次底座连接，从而可以实现小体积、高稳定性；另外底座具备散热性，从而保证给芯片提供最大限度的散热。与现有技术相比，本实用新型的芯片嵌入装置可以实现小体积、高稳定性以及高散热，从而可以被集成到微型的计算设备中。
附图说明
图1是根据本实用新型一个实施例的结构光深度相机侧面示意图。
图2是根据本实用新型一个实施例的激光投影模组示意图。
图3(a)是根据本实用新型一些实施例的芯片嵌入装置示意图。
图3(b)是根据本实用新型一些实施例的另一种芯片嵌入装置示意图。
图4是根据本实用新型一个实施例的制造芯片嵌入装置的方法示意图。
其中，10-结构光深度相机，101-处理器，102-主板，103-投影模组，104-RGB 相机，105-采集模组，106-进光窗口，201-主底座，202-次底座，203-电路板， 204-光源芯片，205-热敏电阻，206-镜座，207-透镜，208-衍射光学元件，301- 主底座，302-电路板，303-次底座，304-热敏电阻，305-芯片，306-金线，307- 锡膏，308-接口，309-FPC，310-金线。
具体实施方式
下面结合附图通过具体实施例对本实用新型进行详细的介绍，以使更好的理解本实用新型，但下述实施例并不限制本实用新型范围。另外，需要说明的是，下述实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本实用新型的基本构思，附图中仅显示与本实用新型中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的形状、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。
本实用新型提出一种散热性能好以及体积小的芯片嵌入装置。在后面的说明中将以深度相机投影模组及应用于其中的芯片嵌入装置为例进行说明，但并不意味着这种方案仅能应用在深度相机中，任何其他装置中凡是直接或间接利用该方案都应被包含在本实用新型的保护范围中。
图1所示的是根据本实用新型一个实施例的结构光深度相机侧面示意图。结构光深度相机10主要组成部件有投影模组103、采集模组105、主板102以及处理器101，在一些深度相机中还配备了RGB相机104等。投影模组103、采集模组105以及RGB相机104一般被安装在同一个深度相机平面上，且处于同一条基线，每个模组或相机都对应一个进光窗口106。一般地，处理器101被集成在主板102上，而投影模组103与采集模型105通过接口与主板102连接，在一种实施例中所述的接口为FPC接口。投影模组103用于向目标空间中投射经编码的结构光图案化光束，采集模组105采集到该结构光图案后通过处理器101计算从而得到目标空间的深度图像。
投影模组103主要包含光源以及光学元件，光源可以包含如LED、激光等光源，用于发射可见光以及红外、紫外等不可见光。光学元件如透镜、衍射光学元件、反射镜等，用于对光源发出的光束进行调制，以向外投影出结构光图案光束。这里所说的结构光图案光束指的是该图案光束投射到空间平面上将形成该图案。采集模组105与投影模组103往往一一对应，投影模组103的视场一般需要在测量范围内覆盖采集模组105的视场，另一方面，采集模组105往往需要设置与投影模组103所发射光束波长相对应的滤光片，以便于让更多的结构光图案光束的光通过同时降低其他波长光束通过所带来的图像噪声。
在一个实施例中，结构光图案为红外散斑图案(红外斑点图案)，图案具有颗粒分布相对均匀但具有很高的局部不相关性，这里的局部不相关性指的是图案中各个子区域都具有较高的唯一性，此时采集模组105为对应的红外相机。结构光图案也可以是条纹、二维图案等其他形式。
基于时间飞行法原理(TOF)的深度相机的主要组成部分也是投影模组与采集模组，与结构光原理的深度相机不同的是其投影模组用于发射记时的光脉冲，采集模组采集到该光脉冲后就可以得到光在空间中的飞行时间，再利用处理器计算出对应的空间点的距离。
目前单一的深度相机由于体积较大，大都是作为独立的外设，通过USB等数据接口与其他设备如电脑、手机等连接，并将其获取的深度等信息传输给其他设备进行进一步的处理。随着深度相机的应用越来越广泛，将深度相机与其他设备进行集成、整合将会是未来的发展方向。在主板与处理器的集成方面可以将深度相机的主板、处理器与电脑手机等设备的主板、处理器进行整合；在采集模组与激光投影模组的集成方面，目前电脑等大型设备都有相关的方案，然而对于手机等微型设备，只有体积小的激光投影模组才能满足要求，另外由于激光投影的功耗较大、发热较多，因此拥有较高的散热性也非常有必要。本实用新型的重点将是提出一种拥有高散热性及小体积的可以用在深度相机投影模组中的芯片嵌入装置，但不局限于深度相机。接下来根据本实用新型的实施例方案对激光投影模组进行详细说明。
图2是图1中激光投影模组13的一种实施例。该投影模组103包括底座(包括主底座201、次底座202以及电路板203)、光源芯片204、镜座206、透镜207 以及衍射光学元件(DOE)208。光源芯片204发出的光束经透镜207准直或聚焦后由衍射光学元件DOE208向空间中发射，一般地，透镜207位于光源芯片 204以及DOE208之间，透镜207与光源芯片204之间的距离等于或近似等于透镜207的焦距。在其它实施例中透镜207与DOE208也可以整合成一个光学元件。在一些实施例中，还可以设置热敏电阻205来对光源芯片204周围的温度进行测量，任何合适的热敏电阻均可以应用在模组中，比如NTC、PTC等。
光源芯片204可以是半导体LED、半导体激光等，优选地采用垂直腔面激光发射器(VCSEL)阵列作为光源，由于VCSEL拥有体积小、光源发射角小、稳定性好等特点，同时可以在面积1mmx1mm的半导体衬底上布置成百上千个 VCSEL光源，由此构成的VCSEL阵列光源芯片不仅体积小、功耗低，同时更加有利于生成结构光斑点图案化光束。
对VCSEL光源的控制可以有不同的模式，芯片上所有的VCSEL光源被同步控制打开与关闭，或者，芯片上的VCSEL被独立或分组控制以产生不同的光照密度。在一些实施例中，采用第一种模式，即芯片上所有的VCSEL光源被同步控制打开与关闭。在另一些实施例中，可以采用第二种模式，即芯片上的VCSEL 被独立或分组控制以产生不同的光照密度。
VCSEL光源的形式及排列按照具体的应用需求可以有多种，比如均匀规则地排列或者以一定的不相关图案进行不规则排列。单个VCSEL的形状、面积也可以不相同。形式上的不规则化会带来制造效率的降低。在一些实施例中， VCSEL光源均匀规则地排列在半导体衬底上，在另一些实施例中，按照具体的应用需求，VCSEL光源以一定的不相关图案不规则排列在半导体衬底上。
在一些实施例中，VCSEL芯片按特殊的用途也可以进行封装，类似于电脑的CPU等芯片，将正负极通过连接到引脚在同一侧与外界连接。针对本实用新型所述的深度相机实施例而言，由于要求体积小，因而较佳的处理方式是直接将未封装的VCSEL半导体切片芯片置于底座上。一般地，芯片的底部负极连接，顶部正极连接。在以下说明中将以VCSEL切片芯片为例进行说明，但应理解的是封装芯片也包含在本实用新型的保护范围内。
底座一方面要求具有足够的硬度来支撑光源芯片，另一方面还需要有较高的散热性。在本实用新型中，我们提供一种由不同部件共同组成的芯片嵌入装置(即底座+光源芯片)，即保证芯片的机械稳定性以及较高的散热性，同时实现对芯片的供电、温度监控等目的。
图3(a)和图3(b)是根据本实用新型一些实施例的芯片嵌入装置示意图。如图3(a)所示，芯片嵌入装置包括主底座301、次底座303、电路板302、芯片305 和金线306，在一些实施例中还包括热敏电阻304。主底座301与电路板302连接，且电路板302中部开有通孔，次底座303被放置在通孔中与主底座301连接，芯片305以及热敏电阻304被放置在次底座303上。
主底座301与次底座303主要起到支撑以及散热的作用，因此其可以由金属、合金、陶瓷等材料制成。电路板302可以包括硬制电路板(PCB)、柔性电路板 (FPC)、或软硬结合板中的一种或组合，比如在图3(a)所示的实施例中，整个电路板包括与主底座301接连的电路板302是软硬结合板部分以及外延的 FPC309部分，FPC309端口还设置有接口308，其可以与主板接连以实现供电、通信或控制。
为了使得整体的装置结构具备小体积、高散热性以及高稳定性，在一些实施例中，将芯片305及热敏电阻304采用裸片的形式，另外尽可能降低底座的厚度同时还需要增加底座的韧性与硬度(比如采用金属)，然而，也会带来一些问题，由于裸片为半导体材料，而当底座为金属材料时，由于二者之间的热膨胀系数相差较大，在长时间高温运行后，芯片容易发生脱落，其稳定性必然较差。因此在设计该嵌入装置时需要综合考虑各个部件之间的连接以平衡体积、散热性以及稳定性。接下来以图3(a)、3(b)为例进行说明。
图3(a)中，主底座301为具备较高散热性能以及高硬度的材料制成，其具有第一热膨胀系数，例如黄铜(可以在表面进行镀金等，黄铜的热膨胀系数约为 19x10-6/℃)，由于半导体材料如硅的热膨胀系数仅约为4x10-6/℃，与黄铜之间有较大的差距，因此不宜将芯片直接安装在黄铜上。陶瓷材料拥有与硅相近的热膨胀系数，然而陶瓷不抗摔，不宜用来做主底座。因此在本实用新型中，在芯片 305与主底座301之间安装具备第二热膨胀系数的次底座303，比如氮化铝(ALN) 陶瓷，其热膨胀系数约为4.5x10-6/℃与硅的相近，同时陶瓷也具有较高的散热性。总的来说，本实施例中通过设置具有第一热膨胀系数的主底座301与具有第二热膨胀系数的次底座303，其中次底座303的热膨胀系数与芯片305的热膨胀系数相匹配，将芯片305安装在次底座303上，再将次底座303安装在主底座301 以实现装置的高稳定性以及高散热性。应当理解的是，此处仅仅是示例性的，在考虑材质和热膨胀系数的基础上，将底座分为主底座和次底座，通过选取热膨胀系数与芯片相匹配的次底座，实现芯片在长时间高温运行之后的稳定性；同时平衡体积、散热性。因为大部分材质的热膨胀系数及其他设置芯片嵌入装置有关的物理参数为已知，所以依然存在其他的选择可以实现本实用新型的芯片嵌入装置，这些选择和搭配都应该视为本实用新型的保护范围，此处不一一列举。
在电路连接上，采用不同的材料及连接工艺，连接方式也不相同。在图3(a) 所示实施例中，若主底座301为金属、次底座303为陶瓷，主底座301与电路板 302通过表面贴装技术SMT实现连接，即二者之间利用锡膏307连接，由此也实现了二者之间的电连接。芯片305底部负极与次底座303可采用共晶焊、Die Bond等工艺连接，当次底座303为不导电的陶瓷时，可以在表面进行镀金属，由此可实现芯片305与次底座303之间的电连接。次底座303与主底座301之间可通过Die Bond等工艺实现电连接，也可以通过在次底座303内部进行穿孔以填充金属从而实现二者之间的电连接。由此芯片305的负极依次通过次底座303、主底座301后与电路板302实现电连接。芯片305的顶部正极通过金线306与电路板302连接。类似地，热敏电阻304的正负极连接方式与芯片305的类似。
图3(b)所示的是另一种连接方式的实施例，与图3(a)不同的是，芯片305与热敏电阻304的正负极均通过金线310来完成。在这一实施例中，主底座301 与电路板302之间的连接可以采用胶粘方式，芯片305、热敏电阻304与次底座 303之间可采用共晶焊、Die Bond等方式实现电连接，金线310可由电路板302 引至次底座303以实现负极电连接；在一个实施例中，芯片305与热敏电阻304 还可以通过次底座303实现与主底座301的电连接，金线310可由电路板302 引至主底座301以实现负极的电连接。
可以理解的是，以上对图3(a)及3(b)的实施例说明中，芯片305与热敏电阻 304均采用近乎相同的连接方式，可以理解的是，二者也可以采用不同的连接方式，比如芯片305采用如图3(a)所示的正负极连接方式，而热敏电阻304采用如图3(b)所示的正负极连接方式。上述所述的芯片、次底座、主底座和电路板之间的连接都是示例性的，不应视为对本实用新型的限制，其他现有技术中可以显示本实用新型的芯片、次底座、主底座和电路板之间电连接的方式都应该视为本实用新型保护的范围。
设置热敏电阻304的好处在于，当监测到装置内部温度过高时，可以适时地降低光源功率或关闭光源，以提高装置寿命或避免危害。热敏电阻304的具体类型可以根据实际需要进行选择。
图4所示的是根据本实用新型一个实施例的制造芯片嵌入装置的方法示意图。包括以下步骤：
步骤401，将开有通孔的电路板安装在主底座上，即具备第一热膨胀系数的第一材料，根据连接需要，可采用SMT、胶粘等工艺进行安装连接。
步骤402，独立于步骤401，将芯片以及热敏电阻安装在次底座上，即具备第二热膨胀系数的第二材料；根据连接需要，可采用共晶焊、die bond等工艺进行安装连接。
步骤403，将次底座安装在主底座上，并放置于电路板的通孔中，根据连接需要，可采用die bond等工艺进行安装连接。
步骤404，连接电路板与芯片和热敏电阻，主要通过金线实现正、负极的连接。
以上仅示意性地给出两种较佳的实施例，并非对本实用新型的限制，其他变形的设计也应被包含在本实用新型中。
本实用新型提芯片嵌入装置，通过设置两种不同热膨胀系数的次底座和主底座，并将芯片直接与其热膨胀系数相匹配的次底座连接，从而可以实现小体积、高稳定性；另外底座具备散热性，从而保证给芯片提供最大限度的散热。与现有技术相比，本实用新型的芯片嵌入装置可以实现小体积、高稳定性以及高散热，从而可以被集成到微型的计算设备中。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本实用新型的保护范围。
Claims (10)
1.一种芯片嵌入装置，其特征在于，包括：
主底座；
电路板，开有通孔且安装在所述主底座上；
次底座，安装在所述主底座上且放置在所述通孔中；
芯片，安装在所述次底座上；
所述芯片与所述次底座具有相匹配的热膨胀系数。
2.如权利要求1所述的芯片嵌入装置，其特征在于，所述芯片包括垂直腔面激光发射器阵列芯片和/或热敏电阻。
3.如权利要求2所述的芯片嵌入装置，其特征在于，所述垂直腔面激光发射器阵列芯片上的垂直腔面激光发射器光源均匀规则地排列或者以不相关图案进行不规则排列。
4.如权利要求2所述的芯片嵌入装置，其特征在于，所述热敏电阻包括负温度系数热敏电阻或正温度系数热敏电阻。
5.如权利要求1所述的芯片嵌入装置，其特征在于，所述主底座和次底座由金属、陶瓷或合金材料制成。
6.如权利要求1所述的芯片嵌入装置，其特征在于，所述电路板为柔性电路板、硬质电路板以及软硬结合电路板的一种或组合。
7.如权利要求1所述的芯片嵌入装置，其特征在于，所述芯片底部负极与所述次底座电连接，所述次底座与所述电路板电连接。
8.如权利要求1所述的芯片嵌入装置，其特征在于，所述芯片底部负极与所述次底座电连接，所述次底座与所述主底座电连接，所述主底座与所述电路板电连接。
9.如权利要求1所述的芯片嵌入装置，其特征在于，所述主底座材料包括黄铜，所述次底座材料包括氮化铝陶瓷。
10.一种投影模组，其特征在于，包括：
如权利要求1-9任一所述的芯片嵌入装置，所述芯片包括用于发射光束的光源芯片；
透镜以及衍射光学元件，通过镜座安装在所述芯片嵌入装置上，所述透镜用于准直或聚焦所述光束；所述衍射光学元件对经准直或聚焦的光束进行衍射并向外发射结构光图案化光束。
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2018
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