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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer optischen Vorrichtung sowie eine optische Vorrichtung, die ein Substrat, welches eine Leiterplatte ist und ein Trägerelement, welches ein Objektivträger ist, umfasst.
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Kameras mit einem Bildaufnahmeelement als bildgebende Einheit, z. B. einem CMOS- oder CCD-Chip, werden unter anderem in Fahrzeugen bei Fahrerassistenzsystemen eingesetzt.
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Diese Kameras dienen dazu, das Umfeld eines Fahrzeugs aufzunehmen und auswertbare Bilder weiterzugeben. Der Fahrer kann beispielsweise mittels eines Notbremsassistenten durch das Fahrerassistenzsystem bei Vorliegen einer Gefahrensituation gewarnt werden oder es können Sicherheitssysteme ausgelöst werden. Speziell für den Einsatz solcher Kameras bei Fahrerassistenzsystemen ist die Güte der Kameras entscheidend. Die Güte hängt dabei u. a. von kameraintrinsischen Toleranzen, Einbautoleranzen und Fahrzeugtoleranzen ab. Einen Einfluss auf die Funktionsqualität der Kamera haben neben der Lage- und Positionstoleranzen auch der Roll-, Gier- und Nickwinkel. Da sich die Fahrzeugtoleranzen im Allgemeinen nicht wesentlich beeinflussen lassen, muss zur Optimierung der Güte der Kamera in erster Linie auf die kameraintrinsischen Toleranzen geachtet werden.
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Aktuelle Kameras für Anwendungen im Kraftfahrzeug werden aus den Komponenten Objektiv und Bildaufnahmeelement aufgebaut. Das Bildaufnahmeelement wandelt das über eine oder mehrere Linsen des Objektivs erfasste Bild in ein elektronisches Bild um. Das Objektiv ist dabei üblicherweise über einen Objektivhalter mit einer Trägerplatte bzw. einer Platine verbunden, die auch das Bildaufnahmeelement trägt.
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Aus der
US2010/0188759A1 ist eine optische Vorrichtung bekannt umfassend einen Bildsensor sowie eine Linsenanordnung eingebettet in einem Substrat, wobei das Substrat z. B. den Bildsensor hält. Elektronische Bauteile und Linsenmodule können beispielsweise gleichzeitig auf einem Träger angeordnet werden.
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Die
US2009/0115891A1 beschreibt ein Kameramodul mit einem Linsen-Trägerelement, einer Hauptplatine sowie einem Bildsensor, wobei die Hauptplatine und der Bildsensor mittels einer Lötverbindung elektrisch miteinander verbunden sind.
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Die
US2008/0285968A1 bezieht sich auf ein kompaktes Kameramodul mit einem Substrat, ein Sensorchipmodul und einem Linsenmodul. Beispielsweise umfasst das Substrat mindestens eine Durchgangsöffnung und eine Linsen-Halterung mindestens einen Zapfen, wobei der Zapfen in die zugehörige Zapfendurchgangsöffnung eingebracht werden kann.
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Ein wesentlicher Nachteil bei bekannten Kameras für Anwendungen im Kraftfahrzeug besteht darin, dass Objektiv und Bildaufnahmeelement in einem speziellen Fertigungsprozess aufwendig justiert werden müssen bzw. dass das Objektiv oder ein zugehöriger Objektivhalter in einem extra Fertigungsprozess mit der Träger- bzw. Leiterplatte, die auch das Bildaufnahmeelement trägt, verbunden werden muss. Hierdurch entstehen ein erhöhter Fertigungsaufwand sowie erhöhte Fertigungskosten.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Verfahren und eine Vorrichtung zu realisieren, bei dem der Fertigungs- und Montageaufwand möglichst gering ist, bezüglich der Ausrichtung von Bildaufnahmeelement und Objektiv bzw. bezüglich der Verbindung zwischen Träger- bzw. Leiterplatte und Objektivhalter.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen nach Anspruch 1 sowie durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen nach Anspruch 5 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand von Unteransprüchen, wobei auch Kombinationen und Weiterbildungen einzelner Merkmale miteinander denkbar sind.
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Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung besteht darin, den Objektivhalter auf der Träger- bzw. Leiterplatte aufzulöten. Das Auflöten erfolgt vorzugsweise im selben Lötprozess, wie das Auflöten weiterer Bauteile, insbesondere des Bildaufnahmeelements, auf der Träger- bzw. Leiterplatte.
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Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass durch die Verwendung eines Standardlötprozesses für die Verbindung zwischen Objektivhalter und Träger- bzw. Leiterplatte sowohl Fertigungsaufwand als auch Fertigungskosten gespart werden können.
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Erfindungsgemäß wird ein Trägerelement auf einem Substrat aufgelötet. Bei dem Trägerelement handelt es sich um einen Objektivträger, zur Aufnahme eines Objektivs, und bei dem Substrat um eine Leiterplatte, wobei auf dem Substrat insbesondere ein Bildaufnahmeelement, beispielsweise ein Imager-Chip bzw. ein CMOS- oder CCD-Imager, und optional weitere Bauteile aufgebracht werden bzw. aufgebracht sind. Das Substrat kann dabei chemisch verzinnt ausgestaltet sein, während das Trägerelement beispielsweise aus Messing mit galvanischer Beschichtung ausgebildet sein kann. Zum Auflöten wird vorzugsweise bleifreie Lotpaste verwendet, wobei ebenfalls die Anwendung einer anderen Lotpaste denkbar ist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Trägerelement in demselben Lötprozess auf dem Substrat aufgelötet, wie noch weitere Bauteile. Vorzugsweise handelt es sich bei den weiteren Bauteilen zumindest um ein Bildaufnahmeelement, beispielsweise ein Imager-Chip bzw. ein CMOS-Chip oder CCD-Chip. Optional ist das Bildaufnahmeelement als BGA Imager ausgebildet. BGA steht insbesondere für Ball Grid Array. Ein BGA Imager umfasst kugelförmige Lotanschlüsse auf der Bauteilunterseite, d. h. bei einem Bildaufnahmeelement, welches als BGA Imager ausgestaltet ist, sind die Kontakte vorzugsweise als Lotballs auf der Rückseite des Bildaufnahmeelements ausgeführt. Jeder CMOS- oder CCD-Chip kann dabei als BGA Imager ausgeführt sein. Optional kann es sich bei den weiteren Bauteilen um eines oder mehrere der folgenden Elemente handeln: Zif-Connector, Widerstand, Kondensator, Leitungstreiber, Speicherbaustein. Zif-Connector steht für Zero Injection Force-Conector bzw. Nullkraft-Steckverbinder. Ein Zif-Connector kann insbesondere durch kraftloses Einstecken, beispielsweise auf einer Leiterplatte oder an einem Steckanschluss, vorzugsweise mittels eines eingelegten Folienkabels sowie mittels Drücken auf nebeneinander angeordnet Kontaktstellen über einen Hebel oder Schieber angeordnet werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Bildaufnahmeelement in einem dem Lötprozess des Trägerelements sowie optional weiterer Elemente, beispielsweise Zif-Connectoren, Widerstände, Kondensatoren, Leitungstreiber, Speicherbausteine, vorausgehenden Fertigungsschritt auf dem Substrat angeordnet.
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Insbesondere kann das Bildaufnahmeelement dabei durch Bonden beispielsweise als Bare-Die aufgebracht werden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung handelt es sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren, bei dem das Trägerelement auf dem Substrat aufgelötet wird, um ein SMD-Lötverfahren (Surface Mounted Devices-Lötverfahren) bzw. um ein Verfahren zum Löten von SMD-Bauteilen. Bei dem SMD-Lötverfahren kann es sich beispielsweise um ein Reflow-Lötverfahren (Wiederaufschmelzlötverfahren) handeln. Ein solches Verfahren zum Löten von SMD-Bauteilen ist beispielsweise aus der internationalen Anmeldeschrift
WO 2007/023030 A2 bekannt. Es umfasst insbesondere die drei Prozessschritte: Drucken von Lotpaste, Bestückung mit SMD-Bauteilen und Reflow Löten in einer Reflow-Anlage. Das erfindungsgemäße Verfahren sieht im Besonderen vor, dass das Trägerelement während eines solchen SMD-Lötverfahrens wie ein SMD-Bauteil behandelt wird und mit weiteren Bauteilen, vorzugsweise SMD-Bauteilen, in demselben Lötprozess auf dem Substrat aufgelötet wird.
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Erfindungsgemäß wird das Trägerelement mittels eines durchkontaktierenden Lötverfahrens auf dem Substrat aufgelötet. Hierbei werden vorzugsweise eine bzw. mehrere, vorzugsweise jedoch zumindest zwei Durchkontaktierungen im Substrat als Lötaugen für ein bedrahtetes Bauelement verwendet, wobei es sich in diesem Fall insbesondere um ein bedrahtetes Trägerelement handelt. Das Trägerelement wird hierbei über vorzugsweise drahtartige Elemente bzw. über Nieten und/oder Stifte, die am Trägerelement ausgebildet sind, durch die Durchkontaktierungen hindurch auf dem Substrat bestückt und aufgelötet. Als Lötverfahren für das durchkontaktierende Löten kann beispielsweise eines oder mehrere der folgenden Lötverfahren eingesetzt werden: Wellenlöten, Miniwellenlöten, Laserlöten, Induktionslöten.
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Die mindestens zwei Durchkontaktierungen können insbesondere als Bohrungen ausgestaltet sein, die bevorzugt metallisiert und/oder mit Kupferhülsen ausgebildet sind. Die Durchkontaktierungen des Substrats, somit der Leiterplatte, werden vorzugsweise während der Leiterplattenherstellung gefräst und/oder gebohrt, beispielsweise mit einem Laser.
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In einer weiteren optionalen Ausführungsform der Erfindung wird das Trägerelement mittels eines durchkontaktierenden Paste-In-Hole-Lötverfahrens auf dem Substrat aufgelötet. Beim Paste-In-Hole-Lötverfahren, auch bekannt als Pin-in-Paste(PIP)-Verfahren oder Intrusion-Reflow, erfolgt das durchkontaktierende Löten des Trägerelements auf das Substrat, wobei die Durchkontaktierungen, beispielsweise die Durchkontaktierungsbohrungen, vor dem Bestücken mit Lot gefüllt werden.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst ein Substrat und ein Trägerelement, wobei das Trägerelement auf dem Substrat aufgelötet ist. Bei dem Substrat handelt es sich um eine Leiterplatte, z. B. eine Leiterflexplatte, oder ein anderes lötfähiges Substrat zur Aufnahme zumindest eines Bildaufnahmeelements, beispielsweise eines Imager-Chip. Bei dem Trägerelement handelt es sich um einen Objektivhalter zur Aufnahme eines Objektivs.
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Optional sind auf dem Substrat noch weitere Bauteile, insbesondere SMD-Bauteile aufgebracht. Vorzugsweise ist die erfindungsgemäße optische Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement in gleicher Weise auf dem Substrat aufgelötet ist, wie die weiteren Bauteile, insbesondere wie das Bildaufnahmeelement. Optional handelt es sich bei dem Lötverfahren, um ein SMD-Lötverfahren (Surface Mounted Devices-Lötverfahren) bzw. um ein Verfahren zum Löten von SMD-Bauteilen, beispielsweise ein Reflow-Lötverfahren (Wiederaufschmelzlötverfahren).
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In einer weiteren optionalen Ausgestaltung der Erfindung ist das Trägerelement entweder verzinnt oder unverzinnt ausgestaltet. Optional kann vor dem Lötverfahren ein Fließmittel aufgetragen werden, insbesondere bei unverzinnter Ausführung des Trägerelements.
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Das Trägerelement, das bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung auf einem Substrat aufgelötet ist, kann als Dreh-, Fräs-, Fließpress- und/oder Blechteil ausgebildet sein. Bei einer Ausführung des Trägerelements als Blechteil, kann beispielsweise vorverzinntes Blech verwendet werden. Insbesondere kann das Trägerelement mittels Kaltumformung und/oder Tiefziehen vorzugsweise von vorverzinntem Blech gefertigt sein. Im Besonderen kann das Trägerelement mittels eines Gussverfahrens hergestellt werden.
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Weitere Vorteile sowie optionale Ausgestaltungen gehen aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor. Ausführungsbeispiele sind in den Zeichnungen vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigt
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1: Eine erfindungsgemäße optische Vorrichtung mit Leiterplatte, Bildaufnahmeelement, Objektivträger und Objektiv, wobei der Objektivträger stumpf auf der Leiterplatte aufgelötet ist.
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2: Eine erfindungsgemäße optische Vorrichtung mit Leiterplatte, Bildaufnahmeelement, Objektivträger und Objektiv, wobei der Objektivträger als Blechteil ausgestaltet ist mit durchkontaktierender Lötverbindung zwischen Objektivträger und Leiterplatte,
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1 zeigt ein Beispiel für eine Vorrichtung 1 umfassend ein Substrat 2, in diesem Fall eine Leiterplatte, ein Bildaufnahmeelement 3, in diesem Fall ein Imager-Chip, ein Trägerelement 4, in diesem Fall ein Objektivträger, der über dem Bildaufnahmeelement 3 angeordnet ist, sowie ein optisches Modul 5, in diesem Fall ein Objektiv, das über eine Klebeverbindung 10 mit dem Trägerelement 4 verbunden ist. Das Trägerelement 4 ist dabei über eine Lötverbindung 6 mit dem Substrat 2 verbunden.
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Das Substrat 2 kann dabei chemisch verzinnt ausgestaltet sein, während das Trägerelement 4 bzw. der Objektivhalter beispielsweise aus Messing (DuZn39Pb3) mit galvanischer Beschichtung (Cu3Sn10) ausgebildet sein kann. Das Substrat 2 bzw. die Leiterplatte kann in einer speziellen Ausführungsvariante mit einer Nickel/Gold-Oberflächenveredelung (NiAu bzw. NiPau) und/oder mit einer OSP-Beschichtung (Organic Surface Protection) ausgestaltet sein. OSP ist insbesondere eine aus organischen Nanopartikeln bestehende Dispersion, mit der ein Substrat 2 vorzugsweise im Tauch- oder Schwallverfahren beschichtet werden kann.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung handelt es sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren, bei dem das Trägerelement 4 auf dem Substrat 2 aufgelötet wird, um ein SMD-Lötverfahren (Surface Mounted Devices-Lötverfahren) bzw. um ein Verfahren zum Löten von SMD-Bauteilen.
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Das Drucken von Lotpaste 9 kann mittels eines Lotpastendruckers mit einer bestimmten Lotpastenüberdruckung erfolgen, wobei das Lot in Form von Lotpaste 9 vor der Bestückung auf das Substrat 2 aufgetragen wird. Das Substrat 2 kann hierbei beispielsweise mit 1 mm und/oder 2 mm Lotpaste 9 überdruckt werden. Zum Lotauftrag kann insbesondere eine oder mehrere der folgenden Möglichkeiten eingesetzt werden: Schablonendruck (Siebdruck), Dispenser, Lotformteile (Preforms) oder galvanischer Lotauftrag.
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Anschließend wird das Trägerelement 4 vorzugsweise gemeinsam mit weiteren SMD-Bauteilen auf dem Substrat 2 bestückt, wobei es sich bei den weiteren Bauteilen insbesondere um ein Bildaufnahmeelement 3 handelt, dass unter bzw. innerhalb des Trägerelements 4 angeordnet ist. Bei dem Bildaufnahmeelement 3 handelt es sich beispielsweise um einen BGA-Imager mit mechanischem Muster. Die Verwendung von Lotpaste 9 hat den Vorteil, dass diese insbesondere klebrig ist und so die Bauteile bei der Bestückung direkt an der Paste 9 haften.
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Nach der Bestückung des Substrats 2 mit dem Trägerelement 4 sowie optional weiteren Bauteilen erfolgt erfindungsgemäß das Reflow-Löten in einer Reflowanlage. Beispielsweise kann das bestückte Substrat 2 hierbei in einer Durchlauflötstrecke gelötet werden, wozu es von einem Fördersystem durch einen Ofen gefahren wird. Der Lötvorgang kann durch die Verweildauer des Substrats 2 in verschiedenen Temperaturzonen gesteuert werden.
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Üblicherweise gibt es hierzu verschiedene Zonen, wobei zumindest eine zum Aufwärmen des gesamten Lötguts, optional zumindest eine weitere zur Aktivierung möglicher Flussmittel, zumindest eine weitere zum Löten und zumindest eine Zone zum Abkühlen des gesamten Lötguts dienen kann. Erfindungsgemäß kann vorzugsweise eines oder mehrere der folgenden Reflow-Lötverfahren eingesetzt werden: Reflow-Löten mittels Heizplatte, Infratorstrahler, Laserstrahl, Reflow-Löten mit beheizten Formteilen, Bügeln und Stempel, Vollkonvektions-Reflow-Löten, Kondensationslöten (Dampfphasenlöten).
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Die Lötverbindung 6 kann dabei umlaufend, d. h. mit am in diesem Fall rotationssymmetrischen Profil des Trägerelements 4 an der Auflagekante zum Substrat 2 durchgängig angeordneter Lotpaste 9, ausgebildet sein. Optional kann die Lotpaste 9 auch nur partiell an der Auflagekante angeordnet sein. Sowohl Substrat 2, Bildaufnahmeelement 3, Trägerelement 4 als auch optisches Modul 5 können erfindungsgemäß auch mehrteilig ausgebildet sein, bzw. eine andere Form als in 1 aufweisen. Erfindungsgemäß können auch noch weiter Bauelemente, insbesondere SMD-Bauelemente auf dem Substrat 2 vorzugsweise mittels Lötverfahren aufgebracht sein.
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2 zeigt ein weiteres Beispiel für eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 aus 2 ist dabei in weiten Teilen entsprechend der Beschreibung aus 1 aufgebaut. Im Gegensatz zu 1 ist das Trägerelement 4 mittels eines durchkontaktierenden Lötverfahrens mit dem Substrat 2 verbunden. Das Trägerelement 4 umfasst hierzu zumindest zwei Stifte 7 die in die Durchkontaktierungen 8, welche in diesem Fall mit Kupferhülsen ausgebildet sind, während der Bestückung hindurchgeführt worden sind. In einer speziellen Ausführungsvariante werden die Durchkontaktierungen 8 hergestellt, indem eine Bohrung im Substrat bekeimt (mit einem Katalysator belegt), anschließend katalytisch metallisiert und danach beispielsweise elektrolytisch verstärkt (Aufbau einer Metallschicht) wird. In diesem speziellen Fall ist als Lötverfahren das sogenannte Paste-In-Hole-Verfahren dargestellt, wobei die Durchkontaktierungen 8 vor dem Bestücken mit Lot 9 gefüllt worden sind. Optional kann das Trägerelement 4 über mehr als zwei Stifte 7 bzw. das Substrat 2 über mehr als zwei Durchkontaktierungen 8 verfügen. Darüber hinaus ist in 2 im Gegensatz zu 2 das Trägerelement 4 in diesem speziellen Fall als Blechteil ausgestaltet.
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Sowohl Substrat 2, Bildaufnahmeelement 3, Trägerelement 4 als auch optisches Modul 5 können erfindungsgemäß auch mehrteilig ausgebildet sein, bzw. eine andere Form als in 2 aufweisen. Erfindungsgemäß können auch noch weiter Bauelemente, insbesondere SMD-Bauelemente auf dem Substrat 2 vorzugsweise mittels Lötverfahren aufgebracht sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Optische Vorrichtung
- 2
- Substrat
- 3
- Bildaufnahmeelement
- 4
- Trägerelement
- 5
- Optisches Modul
- 6
- Lötverbindung
- 7
- Stifte
- 8
- Durchkontaktierungen
- 9
- Lotpaste
- 10
- Klebeverbindung
