DE102006014247B4

DE102006014247B4 - Bildaufnahmesystem und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102006014247B4
Application number: DE102006014247.0A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Seger; Gerald Franz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2006-03-28
Filing date: 2006-03-28
Publication date: 2019-10-24
Anticipated expiration: 2026-03-29
Also published as: US20110260035A1; CN101411179A; TW200808588A; CN101411179B; WO2007110255A1; EP2011330A1; DE102006014247A1; KR20090004882A; TWI386327B; US9742968B2

Abstract

Bildaufnahmesystem (1), insbesondere für Automotive-Anwendungen, das mindestens aufweist:
ein Substrat (3),
einen auf dem Substrat (3) angebrachten und mittels Kontaktierungen (5) kontaktierten Bildsensor (2),
eine optisch transparente Vergussmasse (6), die den Bildsensor (2), die Kontaktierungen (5) und einen Teil der Substratoberseite (2a) bedeckt,
wobei in der Vergussmasse (6) eine optische Einrichtung (16, 20, 22) befestigt ist,
und wobei die optische Einrichtung (16, 20, 22) in die Vergussmasse (6) eingepresst und von dieser formschlüssig gehalten ist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Bildaufnahmesystem und ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Aus der WO 2005 / 015 897 A1 ist ein Bildaufnahmesystem bekannt, das einen Bildsensor, eine Optikeinheit, ein Gehäuse und Befestigungsmittel zur Fixierung des Bildsensors relativ zum Gehäuse aufweist. In dem Gehäuse sind innenseitig Ausrichtungsmittel vorgesehen, die eine befestigungslose, axiale Ausrichtung der Hauptachsen des Bildsensors und der Optikeinheit zueinander ermöglichen. Als Mittel zur Aufnahme der Optikeinheit des Gehäuses ist vorteilhafterweise eine Gewindeaufnahme vorgesehen.
Ein derartiges Bildaufnahmesystem ermöglicht eine hohe optische Genauigkeit. Der Aufbau ist jedoch relativ komplex und erfordert im Allgemeinen eine aufwändige Montage und Justierung.
In GALE, M. T. [u.a.]: Active alignment of replicated microlens arrays on a chargedcoupled device imager. In: Opt. Eng. Vol. 36, No. 5, 1997, S. 1510 - 1517 wird die Herstellung einer hybriden Mikrolinsen- / Aperturmaskenanordnung offenbart, welche auf einen CCD Bildgeber zur Anwendung in einem Abbildungspolarimeter ausgerichtet und befestigt wird. Die Mikrolinsenanordnung wird mittel direktem Laserschreiben in einen Fotolack hergestellt, gefolgt von Galvanoformung und Nachbildung auf einem Glassubstrat in Ausrichtung mit einer Schlitzblendenanordnung auf der Rückseite.
Aus der US 2001 / 0 015 767 A1 ist eine Aufnahmevorrichtung mit einem Substrat, einem auf dem Substrat bereitgestelltem Aufnahmeelement, einem auf dem Aufnahmeelement bereitgestelltem optischen Element und mindestens einer Abbildungslinse, einem Draht, der das Substrat und das Aufnahmeelement elektrisch miteinander verbindet, und einer Harzdichtung, die den Draht abdichtet, während die Abbildungslinse belichtet wird, wobei das Aufnahmeelement und das optische Element zusammen integriert sind und ein Gehäuse durch die Harzdichtung integriert und somit miniaturisiert wird, bekannt.
Aus der JP S56- 103 481 A ist ein Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung für eine Kamera bekannt, bei dem photometrisch transparente Harzplatten in Stapeln auf einem Chip abgelegt werden, auf dem eine fotoelektrische Umwandlungseinheit ausgebildet ist. Eine Linse wird auf der Umwandlungseinheit durch Drücken eines mit einer Konkavität versehenen Stempels in Linsenform ausgebildet.
Offenbarung der Erfindung:
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass auf dem Bildsensor und seinen Kontaktierungen auf dem Substrat eine Vergussmasse aufgebracht wird, die optisch transparent ist und somit eine Passivierung bzw. einen Schutz vor mechanischen Einwirkungen ermöglicht, ohne die optische Messung des Bildsensors zu beeinträchtigen. Der Bildsensor kann hierbei insbesondere ein Halbleiter-Bauelement, z.B. ein Imagerchip sein, wobei als Substrat insbesondere eine Leiterplatte vorgesehen sein kann.
Die optische Einrichtung, z.B. eine Linse oder ein Linsensystem, kann in der Vergussmasse gemäß unterschiedlicher Ausführungsformen angebracht werden. Vorteilhafterweise kann die Herstellung des Bildaufnahmesystems in das Bestückungsverfahren des Substrates integriert werden, d.h., die Herstellung wird in der Platinen-Bestückungsmaschine durchgeführt, so dass die Herstellungskosten gering gehalten werden und hohe Stückzahlen zu geringen Kosten erreicht werden können.
Das erfindungsgemäße Bildaufnahmesystem kann somit kompakt, sicher und stabil und dennoch mit geringen Herstellungskosten und hohen Stückzahlen hergestellt werden.
Gemäß eines erläuternden Beispiels kann in der Vergussmasse eine Aufnahmevertiefung mittels z. B. eines Stempels ausgebildet und die optische Einrichtung in dieser Aufnahmevertiefung nachfolgend befestigt, z. B. eingeklebt werden. Erfindungsgemäß wird die optische Einrichtung direkt in die noch nicht ausgehärtete Vergussmasse eingepresst und von dieser formschlüssig gehalten.
Gemäß eines erläuternden Beispiels kann auch direkt die aufgetragene Vergussmasse als optische Einrichtung ausgebildet werden, z.B. durch entsprechende Formung ihres in der optischen Achse liegenden Oberflächenbereiches, z. B. in Form eines Linsenbereiches bzw. einer Linse. Diese Ausführungsformen können grundsätzlich auch kombiniert werden.
Somit kann zum einen ein mechanischer Schutz bzw. eine Passivierung sowohl des Sensors als auch seiner Kontaktierungen erreicht werden, so dass eine hohe Genauigkeit und Langlebigkeit erreicht wird und die jeweiligen Umwelteinflüsse wie Temperatur, Feuchtigkeit usw. die Bildaufnahme allenfalls gering beeinträchtigen. Zum anderen kann eine gewünschte optische Einrichtung angebracht oder ausgebildet werden, die eine geeignete Fokussierung des Bildsensors auf einen zu betrachtenden Bereich, d.h. eine gewünschte Schnitttiefe bzw. Brennweite, ermöglicht. Hierbei können im Prinzip auch komplexere Linsensysteme angebracht werden, z.B. ein Stapel von Linsen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Vergussmasse einen ähnlichen Brechungsindex bzw. eine ähnliche Brechzahl wie das Material der optischen Einrichtung - z.B. Glas oder Kunststoff - auf, so dass die Grenzflächen zwischen der Vergussmasse und der eingepressten oder eingeklebten optischen Einrichtung nicht allzu relevant sind.
Figurenliste
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beiliegenden Zeichnungen an einigen Ausführungsformen erläutert. Es zeigen:

1 bis 5 ein Verfahren zur Herstellung eines Bildaufnahmesystems gemäß eines erläuternden Beispiels im Vertikalschnitt:
1 die Aufbringung der Vergussmasse auf dem Bildsensor;
2, 3 die Oberflächenformung der Vergussmasse als erläuterndes Beispiel;
4 das Einsetzen einer Linse in die geformte Vergussmasse als erläuterndes Beispiel;
5 d as Bildaufnahmesystem mit verklebter Linse als erläuterndes Beispiel;
6 die Herstellung eines Bildaufnahmesystems gemäß einer weiteren Ausführungsform mit direktem Einpressen der Linse;
7 verschiedene Linsen zum Einsatz in dem Bildaufnahmesystem;
8 ein Bildaufnahmesystem gemäß einer weiteren Ausführungsform mit direkt in der Vergussmasse ausgebildeter Linse als erläuterndes Beispiel.

Ausführungsformen der Erfindung
Zur Herstellung eines in 5 als erläuterndes Beispiel gezeigten Bildaufnahmesystems 1 wird gemäß 1 zunächst als Bildsensor ein Imagerchip 2 auf der Substratoberseite 3a eines Substrates 3, z.B. einer Leiterplatte 3, mittels z.B. einer Kleberschicht 4 befestigt und über Bonddrähte 5 kontaktiert. Nachfolgend wird eine Vergussmasse 6 (glob top) auf die Substratoberseite 3a derartig aufgebracht, dass sie den Imagerchip 2 und dessen Drahtbonds 5 vollständig bedeckt. Hierbei ist vorteilhafterweise auf der Substratoberseite 3a eine Begrenzung 8 zur Begrenzung der aufgebrachten Vergussmasse 6 vorgesehen. Die Begrenzung 8 kann wie in 1 gezeigt insbesondere durch einen auf dem Substrat 3 umlaufend, d.h. insbesondere ringförmig, ausgebildeten Rand 8 gebildet sein. Weiterhin sind jedoch auch Stopp-Kanten möglich, bei denen bei einem Überlauf überschüssiges Material zur Seite hin abgeführt wird.
Wie in 1 gezeigt, wird die Vergussmasse 6 vorteilhafterweise flüssig bzw. zähflüssig oder pastös in konvexer Form, z.B. Tröpfchenform aufgetragen, was durch eine hinreichende Viskosität der Vergussmasse 6 begünstigt wird; hierdurch bildet sich bereits eine linsenähnliche Form aus. Die Vergussmasse 6 kann z. B. mittels UV-Strahlung ausgehärtet werden.
Erfindungsgemäß ist die Vergussmasse 6 optisch, d.h. zumindest in einem relevanten Wellenlängenbereich, für die zu detektierende Strahlung transparent. Der Imagerchip 2 kann insbesondere zur Aufnahme von Licht im optischen Wellenlängenbereich dienen; es sind jedoch grundsätzlich auch Anwendungen im IR-Spektralbereich möglich. Die Vergussmasse 6 dient als Passivierungsmittel zur Passivierung bzw. zum mechanischen Schutz des Imagerchips 2 und seiner Bonddrähte 5 sowie der kontaktierten Flächen auf dem Substrat 3, z. B. Bondpads, ohne den Empfang der relevanten Strahlung zu beeinträchtigen.
Die 2 - 5 zeigen erläuternde Beispiele. Gemäß 2 und 3 wird die Vergussmasse 6 nachfolgend durch einen Stempel 10 von oben her mechanisch verformt, woraufhin der Stempel 10 wieder zurück gefahren wird. Hierdurch können unterschiedliche Formen der Oberfläche 12 der Vergussmasse 6 ausgebildet werden. Gemäß 3 kann eine Aufnahmevertiefung 14 ausgebildet und nach Aushärten der Vergussmasse in einem nachfolgenden Verfahrensschritt gemäß 4 von oben her mittels eines Applikationswerkzeuges 17 eine Linse 16 als Optikeinheit eingesetzt und z.B. mittels Kleber 18 in der Aufnahmevertiefung 14 befestigt wird. Hierzu kann der Kleber 18 zuvor an der Linse 16 bzw. an seitlichen Klebeflächen 15 der entsprechenden Optikeinheit 22 angebracht werden. Es kann z.B. ein UV-härtender Kleber 18 verwendet und nachfolgend ausgehärtet werden. Hierdurch wird somit das in 5 gezeigte Bildaufnahmesystem 1 mit dem Substrat 3, dem Imagerchip 2, der optisch transparenten Vergussmasse 6 und der darüber befestigten Linse 16 ausgebildet. Gemäß 5 kann zwischen der Linse 16 und der Vergussmasse 6 ein Freiraum 19 verbleiben. Alternativ hierzu kann auch eine direkte Einbettung der Linse 16 in der Vergussmasse 6, d.h. ohne den Freiraum 19 erfolgen, so dass hier nur eine Grenzfläche vorliegt. Vorteilhafterweise wird der Kleber 18 nur lateral weiter außerhalb der optischen Achse A vorgesehen, so dass er den Strahlengang nicht beeinflusst. Grundsätzlich kann jedoch auch im optisch relevanten Bereich ein optisch transparenter Kleber 18 zwischen der Linse 16 und der Vergussmasse 6 vorgesehen sein
Gemäß den 1 bis 5 wird die Aufnahmevertiefung 14 somit als mechanische Funktionsfläche 14, d.h. als Linsenfassung oder Linsensitz ausgebildet.
Gemäß 6 kann eine Linse 20 auch direkt mittels des Applikationswerkzeuges 17, z.B. einer Vakuumsaugglocke 17, in die Vergussmasse 6 eingepresst werden, so dass kein Kleber 18 vorgesehen ist. Auch bei dieser Ausführungsform ergibt sich ein definierter optischer Strahlengang, da die Vergussmasse 6 lediglich in gegenüber der optischen Achse A lateral weiter außer gelegenen Bereichen verformt bzw. nach außen gedrückt wird; im Bereich des Strahlenganges A sind oberhalb des Imagerchips 2 die Vergussmasse 6 und die Linse 20 vorgesehen. Bei dieser Ausführungsform kann die jeweils aufgebrachte Linse 18, 20 bzw. eine Optikeinheit 22 durch Aufbringen einer zusätzlichen Sicherung von oben, z.B. eines den Rand der jeweiligen Linse 18, 20 fixierenden, in die Vergussmasse 6 eingedrückten Sicherungsringes gesichert werden.
Neben der konvexen Linse 16 der 5 sowie der bikonvexen Linse der 6 bzw. 8b können auch andere Formen vorgesehen sein, z.B. Optikeinheiten 22 gemäß 7c aus mehreren Linsen 23, 24, die z.B. über Klebstoff 25 miteinander verbunden sind.
Es ist weiterhin auch möglich, als Optikeinheit direkt die aufgebrachte Vergussmasse 6 entsprechend zu formen. 8 zeigt als erläuterndes Beispiel Bespiel, bei dem die aufgebrachte Vergussmasse 6 von oben durch einen Stempel 28 zumindest in einem für den optischen Strahlengang relevanten mittleren Bereich in ihrer Oberfläche 6a geformt wird. Es ergibt sich somit ein Linsenbereich 30 in der Oberfläche 12 der Vergussmasse 6, der insbesondere konvex zur Fokussierung der einfallende Strahlung ausgebildet sein kann. Der Linsenbereich 30 kann nachträglich geschliffen und/oder poliert werden. Bei dieser Ausführungsform wird der Linsenbereich 30 somit als Funktionsfläche in der Vergussmasse 6 ausgebildet. Je nach Ausgestaltung der Optikeinheit kann auch eine konkave Ausgestaltung des Linsenbereichs 30 vorteilhaft sein, um Abbildungsfehler der Optikeinheit zu kompensieren.
Die gewünschten optischen Eigenschaften können durch Auswahl geeigneter Brechungsindizes der Linse 16, 20 bzw. der verschiedenen Linsen 23, 24 der Optikeinheit 22 sowie auch der Vergussmasse 6 beeinflusst werden.
Sämtliche Verfahrensschritte können in der Platinen- Bestückungsmaschine, d.h. bei der Platinenbestückung durchgeführt werden. Nach Aufbringen des Imagerchips 2 und der Bonddrähte 5 wird nachfolgend ein Tropfen der Vergussmasse 6 aufgebracht und vor der Aushärtung der jeweilige Stempel 10 bzw. über das Applikationswerkzeug 17 die Linse 16 eingesetzt. Auch gemäß 8 kann die Formung der Vergussmasse 6 durch den Stempel 28 während des Platinenbestückungsprozesses durchgeführt werden.
Die Brechungsindizes der Vergussmasse 6 und des Glas- oder Kunststoffmaterials der Linse 16, 20 bzw. 23, 24 können ähnlich oder auch gleich ausgebildet sein, so dass die Grenzflächen nur einen kleinen Beitrag zur Gesamtbrechungskraft des optischen Systems liefern.
Das Bildaufnahmesystem 1 kann insbesondere als Fixfokussystem mit fester Brennweite dienen. Hierzu kann für eine korrekte Fokussierung und somit hohe Abbildungsqualität die bildseitige Schnittweite durch verschiedene Maßnahmen festgelegt werden. Zum einen kann die bildseitige Schnittweite bzw. Brennweite der jeweiligen Linse 16, 20 bzw. Optikeinheit 22 vor dem Einsatz in die Vergussmasse 6 bekannt sein bzw. aktuell bestimmt werden.
Weiterhin ist auch eine Real Time-Fokussierung in der Bestückungsmaschine möglich, um eine Kontrastoptimierung zu erreichen. Hierzu können mehrere Möglichkeiten der Fokussierung vorgenommen werden:

a) die Auflagepunkte der Linse 16, 20 bzw. Optik-Einheit 22 werden gezielt bearbeitet, z.B. abgeschliffen, so dass die Position des Bildsensors 1 nach der Montage mit der Schnittweite zusammenfällt. Der Auflagepunkt der Linse 16 ist hierbei bei der ersten Ausführungsform der 1 bis 5 durch die Klebefläche 15 festgelegt.
b) beim Einkleben wird die Linse 16, 20, bzw. die Optikeinheit 22 bis zum Aushärten des Klebestoffs 18 und/oder Vergussmasse 6 in der Best focus-Position gehalten, bei der die Bildebene auf dem Imagerchip 2 liegt. Bei der Ausführungsform der 1 bis 5 härtet hierbei der Klebstoff 18 aus. Bei der Ausführungsform der 6 härtet die Vergussmasse 6 aus, wobei auch hier die Linse 18 in der Best focus-Position gebracht wird, was bei bekannter bildseitiger Schnittweite direkt durch die Bestückungsmaschine bzw. über das Applikationswerkzeug 17 erfolgt.

Bei einer derartigen Best focus-Positionierung wird während des Aushärtungsvorgangs Licht bzw. Strahlung entlang der optischen Achse A auf die jeweilige Linse 16, 20 bzw. Optikeinheit 22 gestrahlt und das Messsignal des Imagerchips 2 ausgewertet; im Allgemeinen erfolgt eine minimale Verstellung bzw. ein Halten der jeweiligen Linse in Abhängigkeit des Bildsignals des Imagerchips 2, wobei dieses im Allgemeinen auf einen optimalen Wert geregelt wird.
Das erfindungsgemäße Bildaufnahmesystem kann in Kraftfahrzeugen zu verschiedenen Zwecken eingesetzt werden, z.B. zur Sitzplatzerkennung, zur Überwachung des Tanks sowie anderer Teile des Kraftfahrzeugs und zur Erfassung und Erkennung der Fahrzeugumgebung, insbesondere der Erfassung und Erkennung des Fahrbahnzustandes, weiterer Verkehrsteilnehmer, zur Pre-Crash-Sensierung sowie als Überholhilfe und zur Erkennung von Verkehrszeichen sowie der Fahrbahnumgebung zur Ergänzung von digitalen Straßenkarten. Hierbei werden als Bildsensor insbesondere kostengünstige Halbleiter-Elemente, z.B. CCD-Zeilen oder CCD- oder CMOS-Matrizen, verwendet.

Claims

Bildaufnahmesystem (1), insbesondere für Automotive-Anwendungen, das mindestens aufweist: ein Substrat (3), einen auf dem Substrat (3) angebrachten und mittels Kontaktierungen (5) kontaktierten Bildsensor (2), eine optisch transparente Vergussmasse (6), die den Bildsensor (2), die Kontaktierungen (5) und einen Teil der Substratoberseite (2a) bedeckt, wobei in der Vergussmasse (6) eine optische Einrichtung (16, 20, 22) befestigt ist, und wobei die optische Einrichtung (16, 20, 22) in die Vergussmasse (6) eingepresst und von dieser formschlüssig gehalten ist.
Bildaufnahmesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Einrichtung eine Linse (16, 20) oder ein Linsensystem (22; 23, 24) aufweist.
Bildaufnahmesystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Einrichtung zur Fokussierung von einfallendem Licht auf den Bildsensor (2) vorgesehen ist.
Bildaufnahmesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Vergussmasse (6) eine Aufnahme (14) ausgebildet ist, in der die optische Einrichtung (16, 20, 22) eingeklebt ist.
Bildaufnahmesystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bildsensor (2) vollständig auf dem Substrat (3) eingegossen ist.
Bildaufnahmesystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergussmasse (6) durch eine auf dem Substrat (3) angebrachte Begrenzung (8) begrenzt wird.
Verfahren zum Herstellen eines Bildaufnahmesystems (1), mit mindestens folgenden Schritten: Befestigen und Kontaktieren mindestens eines Bildsensors (2) auf einem Substrat (3), Aufbringen einer optischen transparenten Vergussmasse (6) auf dem Substrat (3) derartig, dass sie den Bildsensor (2) und dessen Kontaktierungen (5) bedeckt, Anbringen einer optischen Einrichtung (16, 20, 22, 30) in der Vergussmasse (6), wobei die optische Einrichtung (20, 22) in die noch nicht ausgehärtete Vergussmasse (6) eingepresst wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in der Vergussmasse (6) eine Aufnahmevertiefung (14) ausgebildet wird, in der nachfolgend die optische Einrichtung (16, 20, 22) befestigt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmevertiefung (14) durch Eindrücken mittels eines Stempels (10) in der nicht ausgehärteten Vergussmasse (6) ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Anbringens der optischen Einrichtung als Verfahrensschritt eines Bestückungsverfahrens zur Bestückung des Substrates (3) ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Real Time-Fokussierung des Bildsensors (2) in einem Bestückungsverfahren erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Einrichtung (16, 20, 22) beim Einkleben und/oder Einsetzen in die Vergussmasse bis zum Aushärten des sie fixierenden Klebestoffs (18) und/oder der sie fixierenden Vergussmasse (6) in einer best focus-Position gehalten wird, bei der die Bildebene auf dem Bildsensor (2) liegt.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass während des Aushärtungsvorgangs des Klebestoffs (18) und/oder der Vergussmasse (6) Licht oder Strahlung entlang einer optischen Achse A auf die optische Einrichtung (16, 20, 22) gestrahlt und das Messsignal des Bildsensors (2) ausgewertet wird, wobei gegebenenfalls die Position der optischen Einrichtung (16, 20, 22) verändert wird.