DE102021208953A1

DE102021208953A1 - Verpackungsanordnung sowie LiDAR-System

Info

Publication number: DE102021208953A1
Application number: DE102021208953.4A
Authority: DE
Inventors: Maximilian Amberger; Ulrike Scholz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-08-16
Filing date: 2021-08-16
Publication date: 2023-02-16
Also published as: WO2023020735A1

Abstract

Es wird eine Verpackungsanordnung (1) für eine photonische integrierte Schaltung (2) beschrieben, umfassend die photonische integrierte Schaltung (2), die einen optisch aktiven Bereich (3) aufweist, ein Substrat (4), das die photonische integrierte Schaltung (2) trägt, und ein passives Wärmeleitbauteil (5), das die Verpackungsanordnung (1) abschließt und die photonische integrierte Schaltung (2) bedeckt, wobei das Substrat (4), die photonische integrierte Schaltung (2) und das Wärmeleitbauteil (5) in einer gestapelten Konfiguration angeordnet sind. Die photonische integrierte Schaltung (2) ist zwischen dem Wärmeleitbauteil (5) und dem Substrat (4) angeordnet.Ferner wird ein LiDAR-System mit einer solchen Verpackungsanordnung (1) vorgeschlagen, wobei die Verpackungsanordnung (1) betriebsfähig mit dem LiDAR-System verbunden ist.

Description

Verpackungsanordnung für eine photonische integrierte Schaltung, umfassend die photonische integrierte Schaltung, die einen optisch aktiven Bereich aufweist, ein Substrat, das die photonische integrierte Schaltung trägt, und ein passives Wärmeleitbauteil, das die Verpackungsanordnung abschließt und die photonische integrierte Schaltung bedeckt, wobei das Substrat, die photonische integrierte Schaltung und das Wärmeleitbauteil in einer gestapelten Konfiguration angeordnet sind, sowie ein LiDAR-System mit einer solchen Verpackungsanordnung, wobei die Verpackungsanordnung betriebsfähig mit dem LiDAR-System verbunden ist.
Stand der Technik
LiDAR-Sensoren werden als integraler Bestandteil des autonomen Fahrens betrachtet. Bisherige Lösungen basieren zumeist auf der makroskopischen Ablenkung von Laser-Punkten oder -Linien und einer nachgelagerten Detektion, die üblicherweise entweder flächig oder ebenfalls punkt- oder linienförmig gerastert erfolgt. Alternative Ansätze dazu benutzen sogenannte Silicon Photonics-Strukturen, also Siliziumstrukturen für Photonik, um mittels steuerbarer Ablenkeinheiten (z.B. optical phased array, auf Deutsch optisches Phasenarray genannt) die Strahlerzeugung, Strahlablenkung und direktionale Detektion direkt auf einem Chip oder in einer photonischen integrierten Schaltung zu ermöglichen.
Die Implementierung der Funktionen in Silizium schreitet dabei in größeren Schritten voran. Für eine Integration in eine Automotiveumgebung werden noch zusätzliche Anstrengungen notwendig werden, für die es gegenwärtig keine entsprechenden Lösungen gibt. Alle Aufbauvarianten für Silizium-Photonic ICs (photonische integrierte Schaltungen oder photonischer integrierter Chip, im Folgenden auch kurz PIC genannt) orientieren sich am Bedarf für Telekommunikationsausrüstung.
Hier gibt es grob zwei Aufbaupfade:
Eine Variante ist die Integration von optischen und elektronischen Komponenten auf einer optischen Leiterplatte. Typisches Merkmal ist hierbei, dass es zumeist Glasfaseranschlüsse von/zur PCB gibt, da das Haupteinsatzszenario Transceiver in Datencentern darstellt, die mittels Glasfaserkabeln verbunden werden sollen.
Für Laser und einige Silicon Photonic-Varianten gibt es als weitere Aufbauvariante noch das sogenannte „Gold Box Package“, bei dem optoelektrische Komponenten in einer vergoldeten Keramikverpackung verbaut werden. Typischerweise gibt es auch hier Glasfaseranschlüsse sowie Peltier-Elemente zur Temperaturstabilisierung.
Aus der DE 10 2016 203 453 A1 ist ein Halbleiterbauelement bekannt, das ein optisches Bauelement, wie beispielsweise ein Galliumnitrid-Halbleiterchip, sein kann. Optisch aktive Bereiche an einer Unterseite des Halbleiterchips können photonische integrierte Schaltungen aufweisen. Nach Ausdünnen des Halbleitersystems kann ein Kühlkörper verwendet werden, der ein metallischer oder keramischer Wärmespreizer sein kann, wobei der Kühlkörper sowohl mit der Oberseite eines Trägers als auch mit der Oberseite einer Halbleiteranordnung, wie dem Halbleiterchip als Teil davon, wärmeleitend verbunden sein kann, insbesondere unter Zwischenschaltung einer Wärmeleitpaste.
Die DE 10 2015 120 493 A1 lehrt ein Silicium-Photonik-Integrations-Verfahren und -Struktur. Ein Ge-Photodetektor ist kopfüber auf einem Substrat aus Siliciumnitrid montiert, sodass durch eine Öffnung in dem Substrat ein optischer Wellenleiter an den Photodetektor anbindbar ist.
Die DE 11 2016 001 212 T5 offenbart ein Diamantfenster, das zur thermischen Verwaltung in Photonik verwendet werden kann, und ein Herstellungsverfahren für ein solches Diamantfenster.
Aus der WO 2012 / 159869 A1 ist eine Halbleiterkomponente mit einem Substrat und einer von dem Substrat losgelösten, freistehenden Brückenstruktur bekannt. Der planare Aufbau der Komponente erlaubt die Anwendung in der Photonik. Die geometrische Struktur der Brücke ist durch geätzte Fenster bestimmt.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird eine Verpackungsanordnung der eingangs genannten Art zur Verfügung gestellt, bei welcher die optische integrierte Schaltung zwischen dem Wärmeleitbauteil und dem Substrat angeordnet ist.
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Verpackungsanordnung hat den Vorteil, dass die photonische integrierte Schaltung zwischen dem Substrat und dem Wärmeleitbauteil gut geschützt ist. Weiter ist eine solche Verpackungsanordnung durch die gestapelte Konfiguration einfach und kompakt herstellbar.
Unter einer Verpackung versteht man im vorliegenden Zusammenhang insbesondere eine Konstruktion, die auch unter dem englischen Begriff „Package“ für elektrische Schaltungen bekannt ist. Es handelt sich um eine Gehäusestruktur, die elektronische Bauteile umschließt, um sie als Baugruppe in kompakter und geschützter Form in elektrischen Geräten verwenden zu können. Die Verpackung kann eine hermetisch gegen eine Umwelt abgedichtete Baugruppe von elektronischen Bauteilen sein.
Die gestapelte Konfiguration kann derart eingerichtet sein, dass die photonische integrierte Schaltung auf das Substrat aufgestapelt ist. So kann eine stabile Verbindung zwischen PIC und Substrat erreicht werden. Die photonische integrierte Schaltung kann elektronisch mit dem Substrat verbunden sein, insbesondere über elektrische Kontakte auf der photonischen integrierten Schaltung und entsprechende Gegenkontakte auf dem Substrat. Weiter kann die gestapelte Konfiguration vorsehen, dass das Wärmeleitbauteil auf dem Substrat aufgestapelt ist. So kann das Wärmeleitbauteil die photonische integrierte Schaltung zusammen mit dem Substrat umschließen. Das Wärmeleitbauteil kann unmittelbar oder mittelbar thermisch mit der photonischen integrierten Schaltung verbunden sein. Das bedeutet, entweder liegt das Wärmeleitbauteil direkt an der photonischen integrierten Schaltung an, um einen unmittelbaren thermischen Kontakt mit der photonischen integrierten Schaltung zu erzeugen, oder das Wärmeleitbauteil liegt an zwischengeschalteten Wärmeleitelementen an, die selbst mit dem Wärmeleitbauteil thermisch in Kontakt stehen, um so einen mittelbaren thermischen Kontakt des Wärmeleitbauteils mit der photonischen integrierten Schaltung zu erzeugen. Jeweils wird so eine Wärmeableitung von der PIC zum Wärmeleitbauteil ermöglicht.
Die photonische integrierte Schaltung kann weitere elektronische Bauteile tragen. So kann eine hochintegrierte Verpackungsanordnung bereitgestellt werden. Diese Bauteile können insbesondere CMOS-Chips sein, die sich vorzugsweise auf einer dem Wärmeleitbauteil abgewandten Oberfläche der photonischen integrierten Schaltung befinden. Es können sich aber auch elektronische Bauteile auf der dem Wärmeleitbauteil zugewandten Oberfläche der photonischen integrierten Schaltung befinden. Der optisch aktive Bereich kann eine Lichtquelle, einen Lichtsensor und/oder eine Lichtablenkeinheit aufweisen. Die Lichtquelle ist vorzugsweise eine Laserquelle. Der Lichtsensor ist vorzugsweise eine Photodiode. Die Lichtablenkeinheit umfasst vorzugsweise eine Spiegelanordnung, insbesondere ein Mikrospiegelarray, oder ein Linsenarray, insbesondere ein Mikrolinsenarray. Vorzugsweise ist die Lichtablenkeinheit der Lichtquelle der photonischen integrierten Schaltung zugeordnet, um Licht von der Lichtquelle kommend in eine Umwelt der Verpackungsanordnung abzulenken. Die photonische integrierte Schaltung ist vorzugsweise als ebene Platte ausgeführt, auf der in manchen Ausführungsformen die weiteren elektronischen Bauteile, hervorstehend von der ebenen Platte oder darin versenkt, angeordnet sind.
Das Substrat ist vorzugsweise als eine ebene Platte ausgeführt. Dies erlaubt es, die PIC und das Wärmeleitbauteil auf einfache Weise auf das Substrat aufzustapeln und eine Konfiguration mit geringer Bauhöhe zu erreichen. Bevorzugt ist, dass das Substrat eine PCB-Platine ist, die insbesondere gedruckte Schaltungen aufweist. Das Substrat kann ein organisches Substrat sein. In manchen Ausführungsformen ist in dem Substrat ein Wärmespreizer eingearbeitet, um Wärme von der photonischen integrierten Schaltung durch das Substrat hindurch zu verteilen. Der Wärmespreizer kann aus einem wärmeleitfähigen Material, insbesondere einem Metall und vorzugsweise Kupfer, hergestellt sein. Bevorzugt ist, dass das Wärmeleitbauteil auf dem Substrat verlötet oder verklebt ist, insbesondere unter Zwischenschaltung von wärmeleitenden Anbindungsflächen, über die das Wärmeleitbauteil mit dem Substrat verlötet oder verklebt sein kann. Das heißt, es ist bevorzugt, dass das Wärmeleitbauteil auf dem Substrat aufgestapelt und mit diesem verlötet oder, alternativ dazu, verklebt ist. Die Anbindungsflächen können mit dem Wärmespreizer verbunden sein. So kann Wärme von der photonischen integrierten Schaltung über das Substrat effizient auf das Wärmeleitbauteil abgeführt werden.
An das Substrat können einige Anforderungen gestellt sein. Das Substrat ist vorzugsweise dafür eingerichtet, mechanische Spannungen der Verpackungsanordnung aufzunehmen. Das Substrat ist vorzugsweise selbst sehr gut wärmeleitend (vorzugsweise als ein Keramiksubstrat ausgeführt) oder enthält eine sehr gut wärmeleitende Schicht, z.B. eine dicke Kupferlage in der PCB, die als Wärmespreizer dient, und die mit dem PIC vorzugsweise über thermische Vias thermisch leitend verbunden ist. Das Substrat soll insbesondere in der Lage sein, ausreichend Input/Output (I/O)-Schnittstellen, also Eingabe/Ausgabe-Schnittstellen, bereitzustellen, um alle Funktionen auf der PIC adressieren zu können. Je nach Partitionierung des Systems kann sich die Anzahl der notwendigen I/Os deutlich unterscheiden. Das Substrat sollte in Ausführungsformen eine optische Öffnung im Bereich der ablenkenden Einheiten, die bevorzugt optisch aktive Bereiche sind, der PIC aufweisen. Dies kann u.a. z.B. durch ein Loch im Substrat erreicht werden. Transparente Materialien können im Loch des Substrats bereitgestellt sein, beispielsweise ein Fenster aus Glas oder einem anderen optisch transparentem Material. Das Substrat kann vorzugsweise Stress aus dem übergeordneten Package aufnehmen und abmildern, da die Funktion der PIC typischerweise stark durch Stress im Chip beeinflusst wird. Neben der PIC auf dem Substrat sollen bevorzugt auf dem Substrat noch weitere Halbleiterbauelemente untergebracht werden können, die unmittelbar zum Betrieb des PIC notwendig sein könnten. Diese Bauelemente, insbesondere elektronische Bauelemente, werden idealerweise auch durch das Wärmeleitbauteil geschützt. Das Substrat stellt zudem vorzugsweise auf seiner Unterseite, deren Oberfläche vorzugsweise dem Wärmeleitbauteil abgewandt ist, vorzugsweise Verbindungstechnik zur weiteren elektrischen Kontaktierung bereit, typischerweise mit entsprechenden Lötkugeln, Lötflächen oder Steckverbindungen.
Das Substrat kann je nach Ausführungsform aus einer Vielzahl an Materialien bestehen, jeweils mit ihren typischen Vor- und Nachteilen. Bevorzugte Optionen für das Substrat sind u.a.:

- PCB-Material. Dies stellt die günstigste Variante dar. Nachteile sind hier der CTE (Coefficient of thermal expansion; dt. Wärmeausdehnungskoeffizient)-Mismatch zwischen PIC und Substrat sowie die eingeschränkte Anzahl an lOs zwischen PIC und Substrat.
- Höherwertige Substrat PCBs, die vorzugsweise lithographisch erzeugt sind. Diese erlauben deutlich dichtere l/O-Verbindungen, haben aber immer noch den Nachteil des CTE-Mismatch. Diese Variante stellt eine der Hauptvarianten dar, wie sie abgewandelt auch im Consumer-Bereich im Einsatz sind.
- Keramiksubstrate. Diese erlauben deutlich höhere I/O-Dichten als einfache PCBs und können zudem vom CTE an die PIC angeglichen werden. Außerdem können Keramiksubstrate selbst sehr gut wärmeleitfähig sein. Nachteil sind aufwendigere AVT (Aufbau und Verbindungstechnik)-Prozesse und höhere Kosten.
- Silizium und Glas. Diese erlauben als Substrat schließlich nahezu unbegrenzte I/Os zwischen PIC und Substrat, sind aber kostspielig und die Automotivezuverlässigkeit müsste nachgewiesen werden.

Eine entscheidende Rolle bei der Frage, welches Substrat eingesetzt werden kann, ist hierbei, welche Funktionen durch separate ICs, bzw. allgemeiner gesagt, elektronische Bauelemente, auf der PIC erfolgen müssen und welche nebenan auf das Substrat verlagert werden können. Können z.B. Phasenschieber-Einheiten von der PIC auf das Substrat verschoben werden, die bevorzugte elektronische Bauteile sind, müssen in einigen Ausführungsformen deutlich mehr als 1000 I/Os zwischen PIC und Substrat geroutet werden. Dies schließt in der Regel den Einsatz von „Standard-PCBs“ als Substrat aus. Zudem muss das Substrat selbst auch kompatibel zu Verfahren wie Copper-Pillars für eine hohe I/O-Anzahl sein. Glas und Silizium als Substrate haben zudem noch die Eigenschaft, dass mit ihnen prinzipiell auch ein optisch transparentes Fenster anstelle einer Öffnung möglich wäre. Dafür können in derartigen Ausführungsformen die ICs auf der PIC entweder

- auf die Rückseite des PIC, was TSVs (Through-Silicon-Vias) in der PIC nötig machen würde,
- neben der PIC, was elektrisch nicht in allen Fällen möglich sein könnte,
- auf der PIC, aber versenkt in speziellen Öffnungen des Silizium/Glas-Fensters des Substrats

Die für den Betrieb notwendige Entwärmung der PIC findet vorzugsweise über das passive Wärmeleitbauteil statt. Dafür kann in Ausführungsformen geeignetes Wärmeleitmaterial wie Wärmeleitpaste, Gap-Filler-Paste, Lot, Wärmeleitkleber oder Wärmeleit-Pads zwischen der PIC und dem passiven Wärmeleitbauteil angebracht sein. Vom Wärmeleitbauteil kann die Wärme dann mit aus der Consumer-Halbleiterindustrie bekannten Lösungen zur Entwärmung weg von der Verpackungsanordnung abgeführt werden, insbesondere mittels Wasserkühlung durch eine äußere Wasserströmung oder Luftkühlung durch eine äußere Luftströmung. Das Wärmeleitbauteil selbst ist zwar passiv, kann auf diese Weise aber durch eine aktive Wärmeabfuhr unterstützt sein. So kann die Wärmeabfuhr nochmal verbessert sein. Das Wärmeleitbauteil ist vorzugsweise als Deckel ausgeführt, insbesondere als im Querschnitt C-förmiger Deckel. Das Wärmeleitbauteil kann aus einem Metall hergestellt sein. So kann eine gute Wärmeleitfähigkeit des Wärmeleitbauteils sichergestellt sein. Mit einer Entwärmung über das Wärmeleitbauteil können aufwändige Maßnahmen zur Kühlung durch das Substrat (z.B. den Einsatz von TECs (d.h. thermoelektrische Kühler)) verhindert oder zumindest deutlich abgemindert werden. Es ist somit keine aktive Entwärmung direkt unterhalb der PIC notwendig (TEC). Vielmehr wird das System mit Vorteil über das Substrat, das Wärmeleitbauteil und ggfs. zusätzliche Komponenten, die auf dem Substrat oder der PIC aufgelötet oder aufgeklebt sind, oder über in die Verpackungsanordnung eingefülltes Wärmeleitmaterial entwärmt. Im einfachsten Fall wird das Wärmeleitbauteil direkt auf wärmeleitende Strukturen, insbesondere Kupferleiterbahnen als Anbindungsflächen, die mit dem Wärmespreizer verbunden sind, auf dem Substrat oder der PIC gelötet oder thermisch leitfähig geklebt, sodass die Wärme direkt in das Wärmeleitbauteil abgeführt wird. Das Wärmeleitbauteil übernimmt vorzugsweise nicht nur die Funktion der Entwärmung, sondern auch eine ESD-Abschirmung gegen elektrische Störeinflüsse, beispielsweise Elektrostatik. Das Wärmeleitbauteil bildet vorteilhaft die mechanische und wärmeleitende Schnittstelle zur Umwelt der Verpackungsanordnung und ermöglicht zugleich den Aufbau eines Kühlpfades z.B. zu einer Windschutzscheibe, insbesondere der Windschutzscheibe eines Kraftfahrzeugs, an der die Verpackungsanordnung angebracht sein kann. Das Wärmeleitbauteil kann elektrisch leitfähig beschichtet sein, um Störungen, insbesondere durch Hochfrequenz-Störquellen, zu mindern. Hierfür können dem Fachmann an sich bekannte Beschichtungsmaterialien zum Einsatz kommen.
Vorzugsweise ist die photonische integrierte Schaltung kopfüber auf dem Substrat aufgestapelt, sodass der optisch aktive Bereich der photonischen integrierten Schaltung einer optischen Öffnung des Substrats zugewandt ist. Dies erlaubt, eine dem optisch aktiven Bereich abgewandte Oberfläche des PICs thermisch mit dem Wärmeleitbauteil zu koppeln, um eine gute Wärmeabfuhr von PIC auf das Wärmeleitbauteil zu gewährleisten. Dementsprechend ist es von Vorteil, dass die photonische integrierte Schaltung zwischen dem Wärmeleitbauteil und dem Substrat angeordnet ist. Zwischen der PIC und dem Wärmeleitbauteil kann sich ein Wärmeschnittstellenmaterial befinden, um die thermische Kopplung zwischen der PIC und dem Wärmeleitbauteil zu verbessern, zum Beispiel Wärmeleitpaste. Kopfüber kann im Unterschied zu anderen Anordnungsmöglichkeiten bedeuten, dass über eine Oberfläche, auf der sich der optisch aktive Bereich befindet, auch die mechanische Verbindung der PIC mit dem Substrat besteht. Die mechanische Verbindung kann durch Verlöten erzeugt sein. Vorzugsweise befinden sich dafür entsprechende Lötkugeln zwischen jener Oberfläche der PIC, die den optisch aktiven Bereich aufweist, und dem Substrat. Alternativ kann die PIC derart auf dem Substrat aufgestapelt sein, dass der optisch aktive Bereich vom Substrat abgewandt ist. So kann vermieden werden, im Substrat die optische Öffnung vorsehen zu müssen. Stattdessen kann die optische Öffnung in solchen Ausführungsformen im Wärmeleitbauteil vorgesehen sein. Dann ist der optisch aktive Bereich zweckmäßigerweise dem Wärmeleitbauteil zugewandt.
Manche Ausführungsformen sehen vor, dass zwischen dem Substrat und der photonischen integrierten Schaltung eine oder mehrere Zwischenschichten angeordnet sind, um die photonische integrierte Schaltung mit dem Substrat mechanisch zu verbinden. Die Zwischenschichten können insbesondere aus Glas und/oder Silizium hergestellt sein. Die Zwischenschichten können den Vorteil haben, dass sie zusätzliche elektronische Bauteile, vorzugsweise integrierte Schaltungen, Widerstände und Kondensatoren, tragen können. So können sie zusätzliche Baufläche in der Verpackungsanordnung bieten. Bevorzugt ist in Ausführungsformen mit Zwischenschichten vorgesehen, dass das Substrat das organische Substrat ist. Ausführungsformen sehen vor, dass die Zwischenschicht l/O-Anbindungen bereitstellt, um die PIC mit dem Substrat funktional zu verbinden. Die Zwischenschicht kann als ebene Platte bereitgestellt sein, die einen Ausschnitt aufweist, sodass der optisch aktive Bereich auf der PIC freiliegt. Entsprechend ist bevorzugt, dass der Ausschnitt so groß ist wie die optische Öffnung und ihr in der Form entspricht.
Die Verpackungsanordnung weist vorzugsweise ein oder mehrere wärmeleitende Elemente in einem Raum zwischen dem Substrat und dem Wärmeleitbauteil auf, die dafür angeordnet sind, Wärme von der photonischen integrierten Schaltung zum Wärmeleitbauteil abzuführen. Da Luft ein schlechter Wärmeleiter ist, ist es von Vorteil, wenn der Raum das eine oder die mehreren wärmeleitenden Elemente aufweist, um die PIC zu entwärmen. Das oder die wärmeleitenden Elemente können einen Teil des Raums oder den ganzen Raum ausfüllen. Ist nur ein Teil des Raums mit dem wärmeleitenden Element gefüllt, ist vorzugsweise ein Volumen des Raums, das sich zwischen optisch aktivem Bereich und optischer Öffnung befindet, frei von dem wärmeleitenden Element, um den optisch aktiven Bereich nicht zu verdecken. Es kann sich um ein pastöses, ein festes oder ein flüssiges wärmeleitendes Element handeln. Pastöse oder flüssige wärmeleitende Elemente können nach deren Einbringen in den Raum vorzugsweise ausgehärtet werden, zum Beispiel durch Wärme.
Als wärmeleitendes Element ist vorzugsweise eine Wärmeleitpaste bereitgestellt, um die photonische integrierte Schaltung thermisch mit dem Wärmeleitbauteil zu koppeln. Eine erweiterte Lösung stellt nämlich vorzugsweise das zumindest teilweise Auffüllen des Innenraums der Verpackungsanordnung mit wärmeleitendem Material dar, indem die Wärme unmittelbar am Ort ihrer Erzeugung abgeleitet und in das Wärmeleitbauteil weitergeleitet werden kann. Die Wärmeleitpaste kann ein preiswertes und leicht anwendbares Wärmeschnittstellenmaterial sein, weil sie grundsätzlich aus vielen Anwendungen, beispielsweise der Computer- und Consumertechnik, bereits bekannt ist.
Bevorzugt ist, dass das Wärmeleitbauteil ein Befüllungsloch aufweist, das dafür bereitgestellt ist, dort hindurch die Wärmeleitpaste in den Raum einzufüllen. Üblicherweise kann wegen dem darunter angeordneten optisch aktiven Bereich die optische Öffnung nämlich nicht zur Befüllung verwendet werden, weshalb das Befüllungsloch vorteilhaft ist. Bevorzugt ist zusätzlich ein Entlüftungsloch bereitgestellt, um die durch das wärmeleitende Material aus dem Raum verdrängte Luft entweichen zu lassen. So wird eine Kontrolle des Fließprofils ermöglicht. Das Entlüftungsloch ist ebenfalls vorzugsweise nicht identisch mit dem Befüllungsloch und der optischen Öffnung.
In einigen Ausführungsformen ist zwischen der photonischen integrierten Schaltung und dem Substrat ein Dichtelement bereitgestellt, um den optisch aktiven Bereich vor der Wärmeleitpaste zu schützen. Soll der Raum mit Wärmeleitpaste verfüllt werden, ist es von Vorteil, wenn der optische Bereich des PIC freigehalten wird, indem ein abdichtendes Element zwischen PIC und Wärmeleitbauteil aufgebracht wird. Dieses kann vorzugsweise in Form eines Dichtrings oder eines Dichtelements wie eines dichtenden Damms, der direkt auf den PIC dispenst sein kann, erreicht werden. Das Dichtelement für den optisch aktiven Bereich wird vorzugsweise bereits vor der Montage des Wärmeleitbauteils auf dem PIC aufgebracht. Das Dichtelement kann beispielsweise nach Montage des Wärmeleitbauteils ausgehärtet werden. Daher besteht es vorzugsweise aus einem wärmehärtbaren Material.
Vorzugsweise sind als wärmeleitendes Element eine oder mehrere wärmeleitfähige Federelemente bereitgestellt, die sich in dem Raum zwischen dem Substrat und dem Wärmeleitbauteil erstrecken und dafür angeordnet sind, Wärme vom Substrat auf das Wärmeleitbauteil zu leiten. Dadurch kann das Gewicht der Verpackungsanordnung reduziert werden, da nur ein oder mehrere relativ kleine Federelemente bereitgestellt werden müssen, anstatt den gesamten oder einen großen Teil des Raums mit Wärmeleitpaste auszufüllen. Bevorzugt ist, dass die Federelemente auf dem Substrat angelötet oder angeklebt sind und am Wärmeleitbauteil anliegen. Bevorzugte Federelemente sind aus Federstahl gefertigt. Im Querschnitt betrachtet sind die Federelemente vorzugsweise S-förmig oder kreisringförmig gebildet, besonders vorzugsweise omega-förmig. Dadurch kann eine gute Federwirkung erreicht werden, wodurch sich eine gute Anlage der Federelemente gegen das Wärmeleitbauteil erreichen lässt.
Lateral zum optisch aktiven Bereich sind in manchen Ausführungsformen elektronische Bauteile zwischen dem Substrat und dem Wärmeleitbauteil angeordnet. Das kann den Vorteil haben, dass die Bauhöhe der Verpackungsanordnung besonders gering gehalten werden kann und lateral ohnehin vorhandene Fläche für die elektronischen Bauteile genutzt werden kann. Lateral kann sich auf die Erstreckungsrichtung der photonischen integrierten Schaltung beziehen und „entlang der Erstreckungsrichtung der PIC versetzt zum optisch aktiven Bereich“ bedeuten. Die Erstreckungsrichtung ist vorzugsweise senkrecht zu einer Stapelrichtung der photonischen integrierten Schaltung, des Substrats und des Wärmeleitbauteils. Die elektronischen Bauteile können auf der PIC angeordnet sein. Die elektronischen Bauteile können aber auch zusätzlich oder alternativ auf dem Substrat angeordnet sein. Neben der PIC, aber immer noch unter dem Wärmeleitbauteil, können auf diese Weise noch zusätzliche Komponenten zur Ansteuerung des PICs integriert werden wie etwa integrierte Schaltungen, Widerstände und Kondensatoren, die bevorzugte elektronische Bauteile sind. So werden auch diese elektronischen Bauteile durch das Wärmeleitbauteil geschützt und können entwärmt werden.
Die Verpackungsanordnung kann weiter eine Montagebasis aufweisen oder dafür eingerichtet sein, mit einer Montagebasis verbunden zu werden. Vorzugsweise befindet sich das Substrat zwischen der Montagebasis und dem Substrat. Die Montagebasis kann das Substrat tragen, sodass die PIC unter Zwischenschaltung des Substrats mit der Montagebasis mechanisch verbunden ist. So kann eine stabile Verpackungsanordnung erreicht werden. Bevorzugt ist, dass die Montagebasis eine Basisöffnung aufweist, die mit der optischen Öffnung des Substrats ausgerichtet ist. Das heißt, die Basisöffnung korrespondiert vorzugsweise mit der optischen Öffnung. So kann vermieden werden, dass die Montagebasis den optischen Bereich verdeckt und seine Funktion dadurch einschränkt oder aufhebt. Das Substrat kann insbesondere mit der Montagebasis verlötet sein, sodass sich vorzugsweise Lötkugeln zwischen dem Substrat und der Montagebasis befinden. Vorzugsweise ist die Montagebasis als ebene Platte ausgeführt. Die Basisöffnung kann als Loch ausgeführt sein, das in Ausführungsformen ein transparentes Fenster aufweist, zum Beispiel aus Glas.
Wie anhand der nun folgenden Ausführungsbeispiele veranschaulicht und oben erläutert, ist ein Aspekt, der der vorliegenden Verpackungsanordnung zu Grunde liegt, der Bedarf für eine kostengünstige, kleinbauende First-Level Aufbau- und Verbindungstechnik zur automotivetauglichen Verpackung von Silicon Photonics LiDAR-Sensoren. Ein besonderes Augenmerk kann vorliegend auf der Kompatibilität der Aufbauprozessen zu Standardprozessen in der Consumer-Halbleiter-Aufbautechnik und der integrierten Entwärmung des Systems, insbesondere des photonischen ICs für z.B. Anwendungen in LiDAR-Systemen liegen. Dazu ist in den folgenden ersten, zweiten und dritten Ausführungsbeispielen der Verpackungsanordnung vorgeschlagen, dass ein Silicon Photonic Chip (photonische integrierte Schaltung, PIC) kopfüber (das heißt, mit dem optisch aktiven Bereich, insbesondere ablenkenden Einheiten, nach unten, also in Richtung des Substrats weisend) auf ein geeignetes Substrat montiert ist. Dies erlaubt es, über dem Chip vorzugsweise einen Standard-Metalldeckel als Wärmeleitbauteil anzubringen und mittels eines Wärmeleitmediums den PIC über diesen Deckel zu entwärmen.
Vierte, fünfte und sechste Ausführungsformen, die in den 4 bis 6 veranschaulicht sind, sehen insbesondere vor, einen Silicon Photonic Chip (PIC) auf ein geeignetes Substrat zu montieren, wobei die ablenkenden Einheiten, die im optisch aktiven Bereich angeordnet sind, das Laserlicht einer Laserquelle, die auf der PIC angeordnet ist, nach oben durch eine Öffnung, wie beispielsweise ein Glasfenster, im Wärmeleitbauteil, beispielsweise dem Deckel, senden. Dies erlaubt es, den LiDAR-Sensor kompakt zu bauen und beispielsweise direkt hinter einer Windschutzscheibe eines Kraftfahrzeugs zu montieren. Indem die Abstrahleinheit der PIC nach oben durch den Deckel abstrahlt, können auf dem PIC beispielsweise die Laser-Dies und die erforderlichen CMOS-Chips montiert sein. Dies kann mittels Drahtbonden, Flip-Chip-Technologie oder ähnlicher Verfahren geschehen.
Im Vergleich zum eingangs dargestellten Stand der Technik erlaubt die hier in verschiedenen Ausführungsformen vorgestellte Verpackungsanordnung den Einsatz von massentauglichen Aufbauprozessen aus der Consumer-Elektronik. Speziell die nachfolgende Entwärmung der Verpackungsanordnung kann nach bekannten Standardverfahren (analog zu CPU-Kühlung) erfolgen.
Der Einsatz des Wärmeleitbauteils, insbesondere des Deckels, erlaubt es, alle Komponenten im Inneren der Verpackungsanordnung vor den Medien, die im Automotivebereich auftreten, zu schützen, wie beispielsweise Wasser und Öl. Sofern das Wärmeleitbauteil aus Metall ist oder ganzflächig leitfähig beschichtet ist, stellt das Wärmeleitelement auch eine wirksame elektromagnetische Barriere dar, um Störungen der restlichen Elektronik, insbesondere der elektronischen Bauteile der Verpackungsanordnung, zu verringern. Dies gilt insbesondere dann, wenn in der Verpackungsanordnung der Lasertreiber oder andere Hochfrequenz-Störquellen in der Nähe der PIC verbaut werden müssen. Im Gegenzug verringert sich dann auch deren Störanfälligkeit.
Bei entsprechender Verfügbarkeit von I/Os zwischen PIC und Substrat können auch elektronische Bauteile flexibel zwischen PIC und Substrat als Montageplattformen verschoben werden, wie in den folgenden Ausführungsbeispielen veranschaulicht. Dies erleichtert es später, eine möglichst kostengünstige Aufbauvariante mit geringen Ausschusskosten zu finden. Insbesondere besteht die Möglichkeit, die PIC-Fläche zu verkleinern, was ebenfalls zu einer Kostenersparnis führen kann.
Die Montage der PIC kopfüber kann dafür sorgen, dass die PIC während der Montage nicht in der optisch abstrahlenden Region angesaugt oder gehaltert werden muss oder dass Randflächen für die Montage vorgehalten werden müssen. Das erste würde das Risiko von Aufbaufehlern erhöhen, das zweite massiv die Kosten erhöhen, da die PIC schon sehr groß ist. Zur Entwärmung der PIC bzw. von Laser- und CMOS-Chips ist in einigen Ausführungsformen, wie beispielsweise anhand der 4 bis 6, veranschaulicht, im Substrat mindestens ein sehr gut wärmeleitender Bereich, z.B. in Form einer dicken Kupferlage, als Wärmespreizer, integriert. Die Montagefläche der PIC, also die Oberfläche, die mit dem Substrat verbunden ist, ist vorzugsweise über thermische Vias oder Cu-Inlays mit dem Wärmespreizer verbunden. Ebenso wird die Wärme aus der Innenlage des Substrats wieder nach oben geführt. Auf Kontaktflächen, nämlich Anbindungsflächen, können die wärmeleitenden Federelemente zum Weiterleiten der Wärme an den Metalldeckel aufgelötet oder leitfähig aufgeklebt sein. Die Form der Federelemente kann dabei variieren. Auch können diese Federelemente in Form von Profilen ausgeführt sein, um als EMV-Schutz zu wirken.
Die Face-up-Montage, die in den 4 bis 6 veranschaulicht ist, der PIC kann hingegen dafür sorgen, dass weitere Funktionen wie Laser oder CMOS-Chips auf der PIC integriert werden können. TSVs im PIC können zur weiteren, direkten bzw. gezielten Entwärmung eingesetzt werden. Speziell die nachfolgende Entwärmung kann nach bekannten Verfahren erfolgen, indem gut wärmeleitende Substrate, wärmeleitende Federelemente zur Verbindung mit dem Deckel oder die Verbindungsnaht zwischen Substrat und Deckel als Wärmebrücke eingesetzt werden. Sind solche Federelemente ringförmig ausgeführt, insbesondere kreisringförmig, können diese bereits innerhalb des Gehäuses ESD-Schutzfunktionen darstellen und den hochfrequenten Betrieb verbessern. Alternativ oder zusätzlich kann auch der Raum der Verpackungsanordnung zumindest teilweise mit wärmeleitendem Werkstoff aufgefüllt werden, wobei der optische Pfad von dem optisch aktiven Bereich bis zur optischen Öffnung mittels geeigneter Maßnahmen wie z.B. einem Dichtring oder einem dispensten Damm freigehalten werden kann. Der optische Pfad verläuft vorzugsweise durch das oben beschriebene Volumen hindurch.
Die Verpackungsanordnung kann in Ausführungsformen für die PIC der aktuellen Generation 2 LiDAR-Sensoren eingesetzt werden, um diesen zu verpacken. Auch zukünftige Produkte mit Silicon Photonics-Einheiten, die keine Glasfaseranschlüsse benötigen, können so verpackt werden. Eine konkrete Anwendung ergibt sich insbesondere darin, einen Silicon Photonic Chip (PIC) auf ein geeignetes Substrat zu montieren, wobei die ablenkenden Einheiten das Laserlicht durch ein Fenster, beispielsweise ein Glasfenster, im Wärmeleitbauteil, beispielsweise dem Deckel, nach oben senden oder durch ein Fenster bzw. Loch im Substrat nach unten senden. Dies erlaubt es, den LiDAR-Sensor kompakt zu bauen und beispielsweise direkt hinter einer Windschutzscheibe eines Kraftfahrzeugs zu montieren. Indem eine Abstrahleinheit, insbesondere eine Laserquelle, des PICs nach oben durch den Deckel oder nach unten durch das Substrat abstrahlt, können auf der PIC beispielsweise die Laser-Dies und die erforderlichen CMOS-Chips montiert werden. Dies kann vorzugsweise mittels Drahtbonden, Flip-Chip-Technologie oder ähnlicher Verfahren geschehen.
Erfindungsgemäß wird weiter ein LiDAR-System der eingangs genannten Art mit einer oben beschriebenen Verpackungsanordnung zur Verfügung gestellt, wobei die photonische integrierte Schaltung zwischen dem Wärmeleitbauteil und dem Substrat angeordnet ist.
Das erfindungsgemäße LiDAR-System hat den Vorteil, dass die photonische integrierte Schaltung zwischen dem Substrat und dem Wärmeleitbauteil in der Verpackungsanordnung gut geschützt ist. Weiter ist ein solches LiDAR-System durch die gestapelte Konfiguration der Verpackungsanordnung einfach und kompakt herstellbar.
Die beschriebenen möglichen Vorteile und Ausführungsformen der Verpackungsanordnung können in dem LiDAR-System erreicht und verkörpert sein. Auf Wiederholungen dieser Vorteile und Ausführungsformen wird an dieser Stelle verzichtet.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
Figurenliste
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

1 eine erste Ausführungsform der Verpackungsanordnung in einer schematischen Querschnittsansicht,
2 eine zweite Ausführungsform der Verpackungsanordnung in einer schematischen Querschnittsansicht,
3 eine dritte Ausführungsform der Verpackungsanordnung in einer schematischen Querschnittsansicht,
4 eine vierte Ausführungsform der Verpackungsanordnung in einer schematischen Querschnittsansicht,
5 eine fünfte Ausführungsform der Verpackungsanordnung in einer schematischen Querschnittsansicht und
6 eine sechste Ausführungsform der Verpackungsanordnung in einer schematischen Querschnittsansicht.

Ausführungsformen der Erfindung
In der 1 ist eine Verpackungsanordnung 1 für eine photonische integrierte Schaltung 2 in einer ersten Ausführungsform in einer schematischen Querschnittsansicht gezeigt. Die Verpackungsanordnung 1 umfasst die photonische integrierte Schaltung 2. Die photonische integrierte Schaltung 2 weist einen optisch aktiven Bereich 3 auf, in diesem Fall ein Mikrospiegelarray. Der optisch aktive Bereich 3 ist in dieser und allen weiteren anhand der Figuren veranschaulichten Ausführungsformen dafür eingerichtet, Licht in eine Umwelt der Verpackungsanordnung 1 zu senden. Weiter weist die Verpackungsanordnung 1 ein Substrat 4 auf, das die photonische integrierte Schaltung 2 trägt. Das Substrat 4 ist hier beispielhaft ein PCB. Weiter weist die Verpackungsanordnung 1 ein passives Wärmeleitbauteil 5 auf, das die Verpackungsanordnung 1 abschließt. Das passive Wärmeleitbauteil 5 bedeckt die photonische integrierte Schaltung 2. Das Substrat 4, die photonische integrierte Schaltung 2 und das Wärmeleitbauteil 5 sind in einer gestapelten Konfiguration angeordnet. Die photonische integrierte Schaltung 2 ist zwischen dem Wärmeleitbauteil 5 und dem Substrat 4 angeordnet. Das Substrat 4 und die photonische integrierte Schaltung 2 sind beide als ebene Platten ausgeführt. Das Wärmeleitbauteil 5 ist im Querschnitt C-förmig ausgeführt, wobei die Schenkel der C-Form auf dem Substrat 4 enden.
Wie in 1 zu erkennen ist, ist die photonische integrierte Schaltung 2 in dieser Ausführungsform kopfüber auf dem Substrat 4 aufgestapelt. Dadurch ist der optisch aktive Bereich 3 der photonischen integrierten Schaltung 2 einer optischen Öffnung 6 des Substrats 4 zugewandt. Eine Oberfläche 7, die den optisch aktiven Bereich 3 der photonischen integrierten Schaltung 2 aufweist, ist dem Substrat 4, das die photonische integrierte Schaltung 2 trägt, zugewandt. Aufgrund der optischen Öffnung 6 des Substrats 4 ist der optisch aktive Bereich 3 dennoch nicht durch das Substrat 4 verdeckt, sondern kann seine Funktion erfüllen. Die optische Öffnung 6 ist hier einfach nur als ein Loch im Substrat 4 ausgeführt, in dem in nicht gezeigten Ausführungsformen aber ein optisch transparentes Fenster, insbesondere hergestellt aus Glas, vorgesehen sein kann.
In einem Raum 8 zwischen dem Substrat 4 und dem Wärmeleitbauteil 5 weist die Verpackungsanordnung 1 ein wärmeleitendes Element 9 auf. Der Raum 8 ist durch das Substrat 4 und das Wärmeleitbauteil 5 umschlossen. Das wärmeleitende Element 9 ist dafür angeordnet, Wärme von der photonischen integrierten Schaltung 2 zum Wärmeleitbauteil 5 abzuführen. In diesem ersten Ausführungsbeispiel ist genauer gesagt als das wärmeleitende Element 9 eine Wärmeleitpaste bereitgestellt, um die photonische integrierte Schaltung 2 thermisch mit dem Wärmeleitbauteil 5 zu koppeln. Die Wärmeleitpaste 5 ist sandwichartig als Schicht zwischen der photonischen integrierten Schaltung 2 und dem Wärmeleitbauteil 5 angeordnet. Die Wärmeleitpaste 5 liegt sowohl an der photonischen integrierten Schaltung 2 als auch an dem Wärmeleitbauteil 5 an. In dieser ersten Ausführungsform wurde zur Herstellung der Verpackungsanordnung 1 zunächst das Substrat 4 bereitgestellt. Anschließend wurde die photonische integrierte Schaltung 2 auf das Substrat 4 aufgestapelt und damit verlötet. Dann wurde die Wärmeleitpaste aufgetragen, auf die Oberfläche 10 der photonischen integrierten Schaltung 2, die dem optischen aktiven Bereich 3 entgegengesetzt ist, und/oder auf eine Oberfläche 11 des Wärmeleitbauteils 5, die der photonischen integrierten Schaltung 2 zugewandt ist. Schließlich wurde das Wärmeleitbauteil 5 auf die photonische integrierte Schaltung 2 aufgestapelt, hier unter Zwischenschaltung der Wärmeleitpaste. So kann eine verbesserte Entwärmung der photonischen integrierten Schaltung 2 erfolgen und gleichzeitig bei einfacher Herstellbarkeit die photonische integrierte Schaltung 2 zwischen Substrat 4 und Wärmeleitbauteil 5 geschützt sein.
Weiter ist lateral zum optisch aktiven Bereich 3 ein elektronisches Bauteil 12a angeordnet, hier auf dem Substrat 4, zwischen dem Substrat 4 und dem Wärmeleitbauteil 5. Hier handelt es sich bei dem elektronischen Bauteil 12a beispielhaft um einen elektrischen Widerstand. Das elektronische Bauteil 12a ist mit der photonischen integrierten Schaltung 2 wirkverbunden. Weitere elektronische Bauteile 12b, 12c sind auf der Oberfläche 7 der photonischen integrierten Schaltung 2 angeordnet, die den optisch aktiven Bereich 3 aufweist. Lateral zu dem optisch aktiven Bereich 3 sind hier beispielhaft auf der photonischen integrierten Schaltung 2 zwei CMOS-Bausteine 12b, 12c aufgelötet, die bevorzugte elektronische Bauteile 12a-c sind. Lateral bezieht sich hier auf die Erstreckungsrichtung der photonischen integrierten Schaltung 2 und bedeutet entlang der Erstreckungsrichtung der photonischen integrierten Schaltung 2 versetzt zum optisch aktiven Bereich 3. Die Erstreckungsrichtung ist in diesem Ausführungsbeispiel senkrecht zu einer Stapelrichtung der photonischen integrierten Schaltung 2, des Substrats 4 und des Wärmeleitbauteils 5.
Weiter weist diese erste Ausführungsform eine Montagebasis 13 auf, die eine Basisöffnung 14 aufweist, die mit der optischen Öffnung 6 des Substrats 4 ausgerichtet ist. Das Substrat 4 ist mit der Montagebasis 13 über Lötkugeln 15 verlötet. Das Substrat kann auch in Richtung der Montagebasis entwärmt werden, beispielsweise über die Lötkugeln 15. Es sind diverse Lötkugeln 15 in den Figuren veranschaulicht, die unterschiedliche Größen aufweisen. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist in jeder Figur nur eine einzige Lötkugel 15 mit dem Bezugszeichen 15 gekennzeichnet.
Die photonische integrierte Schaltung 2 sitzt im Ausführungsbeispiel aus 1 also kopfüber (mit den aktiven optischen Strukturen des optisch aktiven Bereichs 3 in Richtung des Substrats 4) auf dem Substrat 4. Die photonische integrierte Schaltung 2 kann dabei wie gezeigt weitere elektronische oder elektro-optische Komponenten 12a-c mitbringen. Vorteilhaft ist hierfür vor allem die gezeigte optische Öffnung 6 im Substrat 4, oder ein transparentes Fenster, das hier nicht gezeigt ist. Sollen solche zusätzlichen Bauteile 12a-c auf der Oberfläche 7 der optischen integrierten Schaltung 2 integriert sein, muss nicht nur ein transparenter Bereich, sondern auch ausreichend Bauraum über der optisch integrierten Schaltung 2, also in Richtung des Substrats 4, vorgehalten werden. Die einfachste Realisierungsmöglichkeit ist hier die optische Öffnung 6 als optisches Loch im Substrat 4. Das Substrat 4 weist an seinen Rändern die Kontaktierung (nicht gezeigt) der photonischen integrierten Schaltung 2 auf, insbesondere im Bereich der Lötkugeln 15, also der mechanischen Verbindung, zwischen dem Substrat 4 und der Oberfläche 7 der photonischen integrierten Schaltung 2. Die Kontaktierung befindet sich genauer gesagt also in einem Überlappbereich des Substrats 4 und der Oberfläche 7, in dem das Substrat 4 zudem mit der Oberfläche 7 verlötet ist.
2 zeigt hier als Beispiel eine zweite Ausführungsform der Verpackungsanordnung 1, in der alle notwendigen elektronischen Bauteile 12a-c, hier beispielhaft integrierte CMOS-Schaltungen 12b, 12c und der Widerstand 12a, auf dem Substrat 4 montiert sind, und zwar lateral bezogen auf die photonische integrierte Schaltung 2. Sowohl die photonische integrierte Schaltung 2 als auch die beiden CMOS-ICs 12b, 12c werden hier über nicht gezeigte Schnittstellen mit deutlich mehr als 1000 I/Os pro Chip angesteuert, was nur noch wenige Substrattypen als tauglich erscheinen lässt. Da alle notwendigen ICs 12b, 12c auf dem Substrat 4 montiert sind, trägt die photonische integrierte Schaltung 2 im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel aus 1 hier keine weiteren elektronischen Bauteile 12a-12c zusätzlich zum optisch aktiven Bereich 3. Sind, wie hier, die ICs bzw. allgemeiner elektronischen Bauteile 12a-c alle neben der PIC 2 angeordnet, erlaubt dies möglicherweise, die Größe der PIC 2 zu reduzieren.
Eine dritte Ausführungsform der Verpackungsanordnung 1 ist in 3 dargestellt, wobei hier eine Zwischenschicht 16, auch Interposer genannt, zwischen dem Substrat 4 und der PIC 2 angeordnet ist, um die photonische integrierte Schaltung 2 mit dem Substrat 4 mechanisch zu verbinden. Die Zwischenschicht 16 ist aus Glas oder Silizium gefertigt. Die Zwischenschicht 16 ist als ebene Platte ausgeführt. Die Zwischenschicht 16 kann (muss aber nicht) auch einige oder alle der zusätzlichen elektronischen Bauteile 12a-c, insbesondere ICs, Widerstände und Kondensatoren, beherbergen. Die photonische integrierte Schaltung 2 ist auf der Zwischenschicht 16 aufgestapelt und die Zwischenschicht 16 ist auf dem Substrat 4 aufgestapelt. Die Zwischenschicht 16 ist mit dem Substrat 4 verlötet. Die Zwischenschicht 16 ist mit der photonischen integrierten Schaltung 2 verlötet. In der Zwischenschicht 16 ist ein Ausschnitt 17 gebildet, um den optisch aktiven Bereich 3 der photonischen integrierten Schaltung 2 freizulegen. Im Gegensatz zum ersten und zum zweiten Ausführungsbeispiel trägt hier nicht das Substrat 4 den Widerstand als elektronisches Bauteil 12a, sondern die Zwischenschicht 16 trägt das elektronische Bauteil 12a. Das Substrat 4 ist in diesem dritten Ausführungsbeispiel ein organisches Substrat 4. Diese Ausführungsform sieht also organische Substrate 4 zur Stressentkopplung in Richtung Montagebasis 13 und einen Glas- oder Silizium-Interposer 16 zur Bereitstellung der notwendigen I/Os vor. Abgesehen von der Zwischenschicht 16 und davon, dass die Zwischenschicht 16 den Widerstand als elektronisches Bauteil 12a trägt, ist das dritte Ausführungsbeispiel dem ersten Ausführungsbeispiel aus 1 ähnlich, weshalb hier auf Wiederholungen verzichtet wird.
4 zeigt eine vierte Ausführungsform der Verpackungsanordnung 1. 4 zeigt ein Beispiel einer Variante auf, in der das Wärmeleitbauteil 5 direkt auf wärmeleitende Anbindungsflächen 18a, b aufgeklebt oder aufgelötet ist. Die Anbindungsflächen 18a, b füllen den Raum 8 teilweise, in dem Bereich zwischen einem Rand des Wärmeleitbauteils 5 und dem Substrat 4, aus und stellen jeweils ein wärmeleitendes Element 9 dar. Bei dieser Variante der PIC-Verpackungsanordnung 1 kann das Wärmeleitbauteil 5 somit direkt Wärme ableiten. Das Substrat 4 ist im vierten Ausführungsbeispiel wieder ein PCB. Wieder ist die photonische integrierte Schaltung 2 zwischen dem Wärmeleitbauteil 5 und dem Substrat 4 angeordnet. Allerdings ist hier die photonische integrierte Schaltung 2 so auf dem Substrat 4 aufgestapelt, dass die Oberfläche 7, die den optisch aktiven Bereich 3 aufweist, vom Substrat 4 abgewandt ist. Eine Hauptstrahlrichtung der photonischen integrierten Schaltung 2 ist nach oben durch das Wärmeleitbauteil 5, in dem in dieser Ausführungsform die optische Öffnung 6 bereitgestellt ist. Man nennt dies auch eine Face-up-Montage. Die Verpackungsanordnung 1 weist die Anbindungsflächen 18a, b als wärmeleitende Elemente 9 in dem Raum 8 zwischen dem Substrat 4 und dem Wärmeleitbauteil 5 auf, die dafür angeordnet sind, Wärme von der photonische integrierten Schaltung 2 zum Wärmeleitbauteil 5 abzuführen. Die beiden Anbindungsflächen 18a, 18b sind nämlich mit einem Wärmespreizer 19, der aus Kupfer hergestellt ist, verbunden, der sich im Wesentlichen entlang der Erstreckungsrichtung durch das Substrat 4 erstreckt und der wiederum mit der photonischen integrierten Schaltung 2 über Anbindungen in die Stapelrichtung in Verbindung steht. Die photonische integrierte Schaltung 2 ist auf dem Substrat 4 aufgelötet und über eine entsprechende Lötschicht 20 mit dem Substrat 4 und dem Wärmespreizer 19 verbunden. Dadurch ist die Verpackungsanordnung 1 dafür eingerichtet, Wärme von der photonischen integrierten Schaltung 2 über den Wärmespreizer 19 des Substrats 4 und danach über die Anbindungsflächen 18a, b an das Wärmeleitbauteil 5 zu leiten und somit die photonische integrierte Schaltung 2 zu entwärmen. Da die Wärmeleitpaste aus den ersten drei Ausführungsbeispielen im vierten Ausführungsbeispiel entfallen kann, bleibt auf der Oberfläche 7, die den optisch aktiven Bereich 3 aufweist, mehr Platz, um elektronische Bauteile 12a-c auf der photonischen integrierten Schaltung 2 lateral zum optisch aktiven Bereich 3 anzuordnen, hier eine Laserquelle 12a und einen CMOS-Chip 12b. Laserstrahlung der Laserquelle 12a kann über den optisch aktiven Bereich 3 durch die optische Öffnung 6 in eine Umwelt der Verpackungsanordnung 1 abgelenkt werden. Die Laserquelle 12a muss daher nicht von der optischen Öffnung 6 freigelegt sein. Der CMOS-Chip 12b ist dafür eingerichtet, die photonische integrierte Schaltung 2 anzusteuern. Die Anbindungsflächen 18a, 18b können eine einzige zusammenhängende, in einer Aufsicht entlang der Stapelrichtung kreisringförmige oder rechteckige Anbindungsfläche bilden. Statt aufgelötet zu sein, kann das Wärmeleitbauteil 5 auch auf entsprechenden Anbindungsflächen 18a, b wärmeleitend aufgeklebt sein. Besonders vorteilhaft ist in dieser vierten Ausführungsform, dass die Montage des Wärmeleitbauteils 5 gleichzeitig wärmeleitende Funktion übernimmt, ohne dass zusätzliche Elemente montiert werden müssen, die in der folgenden 5 in einem fünften Ausführungsbeispiel veranschaulicht sind.
In 5 ist eine fünfte Ausführungsform der Verpackungsanordnung 1 gezeigt. Hier ist das Wärmeleitbauteil 5 im Gegensatz zu 4 nicht mittels der Anbindungsflächen 18a, b am Substrat 4 angelötet. Stattdessen sind auf den Anbindungsflächen 18a, b zwei wärmeleitfähige Federelemente 21a, b bereitgestellt, die sich in dem Raum 8 zwischen dem Substrat 4 und dem Wärmeleitbauteil 5 erstrecken und dafür angeordnet sind, Wärme vom Substrat 4 auf das Wärmeleitbauteil 5 zu leiten. Die Federelemente 21 a, 21 b sind auf den Anbindungsflächen 18a, b angelötet. Die Anbindungsflächen 18a, b sind wie bereits in 4 wieder mit dem Wärmespreizer 19 des Substrats 4 verbunden. Ein erstes Federelement 21a ist hier im Querschnitt S-förmig ausgebildet. Ein zweites Federelement 21 b ist hier im Querschnitt kreisringförmig ausgebildet, genauer gesagt omega-förmig. Beide Federelemente 21a, b sind aus Federstahl gebildet. So kann ein festes Anliegen der Federelemente 21a, b am Wärmeleitbauteil 5 sichergestellt sein. Ein Anlöten der Federelemente 21a, b am Wärmeleitbauteil 5 ist nicht vorgesehen, was die Herstellung vereinfacht. Für die übrigen Merkmale wird auf die Beschreibung von 4 verwiesen. Die Entwärmungsoptionen sind in der Ausführungsform nach 5 also in Form der Federelemente 21a, b dargestellt, die den Wärmespreizer 19 des Substrats 4 mit dem Wärmeleitbauteil 5 verbinden.
6 zeigt schließlich eine sechste Ausführungsform der Verpackungsanordnung 1. Sie entspricht in vielerlei Hinsicht der fünften Ausführungsform. Wie schon in allen vorherigen anhand der Figuren veranschaulichten Ausführungsbeispielen ist die photonische integrierte Schaltung 2 zwischen dem Wärmeleitbauteil 5 und dem Substrat 4 angeordnet. Allerdings sind hier die Federelemente 21a, b weggelassen und funktional ersetzt durch eine Wärmeleitpaste als wärmeleitendes Element 9, das den Raum 8 zwischen Wärmeleitbauteil 5 und Substrat 4 teilweise ausfüllt, allerdings mit Ausnahme eines Volumens 22 zwischen der optischen Öffnung 6 des Wärmeleitbauteils 5 und dem aktivem optischen Bereich 3 der photonischen integrierten Schaltung 2. Um sicherzustellen, dass dieses Volumen 22 von Wärmeleitpaste frei bleibt, ist in dem Raum 8 ein Dichtelement 23 bereitgestellt, um den optisch aktiven Bereich 3 vor der Wärmeleitpaste zu schützen. Hier ist das Dichtelement 23 ringförmig zwischen der photonischen integrierten Schaltung 2 und dem Wärmeleitbauteil 5 angeordnet, sodass der optisch aktive Bereich 3 seitlich von dem Dichtelement 23 umschlossen ist. Das Volumen 22 wird so bezogen auf den übrigen Raum 8 fluiddicht abgedichtet. Das Dichtelement 23 ist beispielhaft aus Gummi gefertigt.
Das Wärmeleitbauteil 5 weist ein Befüllungsloch 24 auf, das dafür bereitgestellt ist, dort hindurch die Wärmeleitpaste in den Raum 8 einzufüllen. Das Wärmebauteil 5 weist auch ein Entlüftungsloch 25 auf, das dafür bereitgestellt ist, Luft aus dem Raum 8 entweichen zu lassen, wenn Wärmeleitpaste in den Raum 8 eingefüllt wird. So kann der gesamte Raum 8, mit Ausnahme des Volumens 22, mit Wärmeleitpaste gefüllt werden, ohne dass Luft im Raum 8 verbleibt. Das Befüllungsloch 24 und das Entlüftungsloch 25 müssen zusätzlich zur optischen Öffnung 6 bereitgestellt sein, da die optische Öffnung 6 mit dem Volumen 22 in Kommunikation steht und das Volumen 22 gegenüber dem mit Wärmeleitpaste zu befüllenden Raum 8 fluiddicht abgedichtet ist. Als wärmeleitendes Element 9 ist also in dieser Ausführungsform die Wärmeleitpaste bereitgestellt, um die photonische integrierte Schaltung 2 thermisch mit dem Wärmeleitbauteil 5 zu koppeln. Die Wärmeleitpaste bewirkt, dass Wärme von der photonische integrierten Schaltung 2 nicht nur direkt über die Wärmeleitpaste auf das Wärmeleitbauteil 5, sondern auch über den Wärmespreizer 19 und dann die Anbindungsflächen 18a, b auf den Wärmespreizer 19 ableitbar ist. So kann die Abwärme der photonische integrierten Schaltung 2 sowohl zunächst über das Substrat 4 als auch direkt über das Wärmeleitbauteil 5 abfließen. Auch etwaige elektronische Bauteile 12a-c auf dem Substrat 4, die in 6 nicht gezeigt sind, können auf diese Weise ebenfalls entwärmt werden. Die Wärmeleitpaste besteht hier beispielhaft aus thermisch aushärtendem, pastösem Material. Bezüglich weiterer Merkmale dieses Ausführungsbeispiels wird auf die Beschreibung der 4 und 5 verwiesen, soweit sich diese Merkmale ähneln.
Die Verpackungsanordnung 1 aus den Ausführungsformen der 1 bis 6 ist Teil eines LiDAR-Systems, das hier nicht weiter veranschaulicht ist. Die Verpackungsanordnung 1 ist betriebsfähig mit dem LiDAR-System verbunden. Die Verpackungsanordnung 1 kann insbesondere auf einer Fensterscheibe, vorzugsweise eines Kraftfahrzeugs, befestigt sein. Die photonische integrierte Schaltung 2 ist dafür eingerichtet, den Laserstrahl des LiDAR-Systems, von der Lichtquelle auf der photonischen integrierten Schaltung 2 kommend, zum Abtasten der Umwelt mittels des optisch aktiven Bereichs 3 in die Umwelt abzulenken. Beispielsweise kann die Verpackungsanordnung 1 mittels einer drahtlosen Datenverbindung, die durch die PIC 2 bereitgestellt ist, oder einer verdrahteten Verbindung mit dem LiDAR-System betriebsfähig verbunden sein.
Es ist zu verstehen, dass alle in der Beschreibung, den Figuren und den beigefügten Ansprüchen offenbarten Merkmale der Verpackungsanordnung 1 in beliebiger Kombination miteinander zu neuen Ausführungsformen, die vom Umfang der Ansprüche erfasst werden, kombiniert werden können, sofern solche Kombinationen aus Konstruktionsgründen nicht ausgeschlossen sind. Insbesondere können die Merkmale der sechs Ausführungsbeispiele, die anhand der Figuren beschrieben sind, untereinander zu neuen Ausführungsformen kombiniert werden, die ebenfalls in den Umfang der Ansprüche fallen. Dies gilt insbesondere, aber nicht ausschließlich, für die Merkmale der ersten, zweiten und dritten Ausführungsbeispiele, die mit den Merkmalen der vierten, fünften und sechsten Ausführungsbeispiele beliebig kombiniert werden können. Das heißt unter anderem, dass die vorgeschlagenen Entwärmungsoptionen, die jeweils in den vierten, fünften und sechsten Ausführungsbeispielen vorgesehen sind, um Wärme von der photonischen integrierten Schaltung 2 zum Wärmeleitbauteil 5 abzuführen, auch in den ersten, zweiten und dritten Ausführungsformen eingesetzt werden können, und umgekehrt. Entwärmungsoptionen für die Kopfüber-Anordnung der PIC 2, wie in den 1 bis 3 veranschaulicht, können also grundsätzlich genauso für die Face-up-Montage verwendet werden, die in den 4 bis 6 gezeigt ist, und umgekehrt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102016203453 A1 [0006]
DE 102015120493 A1 [0007]
DE 112016001212 T5 [0008]
WO 2012159869 A1 [0009]

Claims

Verpackungsanordnung (1) für eine photonische integrierte Schaltung (2), umfassend: - die photonische integrierte Schaltung (2), die einen optisch aktiven Bereich (3) aufweist, - ein Substrat (4), das die photonische integrierte Schaltung (2) (2) trägt, und - ein passives Wärmeleitbauteil (5), das die Verpackungsanordnung (1) abschließt und die photonische integrierte Schaltung (2) bedeckt, wobei das Substrat (4), die photonische integrierte Schaltung (2) und das Wärmeleitbauteil (5) in einer gestapelten Konfiguration angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die photonische integrierte Schaltung (2) zwischen dem Wärmeleitbauteil (5) und dem Substrat (4) angeordnet ist.
Verpackungsanordnung (1) nach Anspruch 1, wobei die photonische integrierte Schaltung (2) kopfüber auf dem Substrat (4) aufgestapelt ist, sodass der optisch aktive Bereich (3) der photonischen integrierten Schaltung (2) einer optischen Öffnung (6) des Substrats (4) zugewandt ist.
Verpackungsanordnung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei zwischen dem Substrat (4) und der photonischen integrierten Schaltung (2) eine oder mehrere Zwischenschichten (16) angeordnet sind, um die photonische integrierte Schaltung (2) mit dem Substrat (4) mechanisch zu verbinden.
Verpackungsanordnung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Verpackungsanordnung (1) ein oder mehrere wärmeleitende Elemente (9) in einem Raum (8) zwischen dem Substrat (4) und dem Wärmeleitbauteil (5) aufweist, die dafür angeordnet sind, Wärme von der photonische integrierten Schaltung (2) zum Wärmeleitbauteil (5) abzuführen.
Verpackungsanordnung (1) nach Anspruch 4, wobei als wärmeleitendes Element (9) eine Wärmeleitpaste bereitgestellt ist, um die photonische integrierte Schaltung (2) thermisch mit dem Wärmeleitbauteil (5) zu koppeln.
Verpackungsanordnung (1) nach Anspruch 5, wobei das Wärmeleitbauteil (5) ein Befüllungsloch (24) aufweist, das dafür bereitgestellt ist, dort hindurch die Wärmeleitpaste in den Raum (8) einzufüllen.
Verpackungsanordnung (1) nach Anspruch 6, wobei in dem Raum (8) ein Dichtelement (23) bereitgestellt ist, um den optisch aktiven Bereich (3) vor der Wärmeleitpaste zu schützen.
Verpackungsanordnung (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei als wärmeleitendes Element (9) eine oder mehrere wärmeleitfähige Federelemente (21a, b) bereitgestellt sind, die sich in dem Raum (8) zwischen dem Substrat (4) und dem Wärmeleitbauteil (5) erstrecken und dafür angeordnet sind, Wärme vom Substrat (4) auf das Wärmeleitbauteil (5) zu leiten.
Verpackungsanordnung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei lateral zum optisch aktiven Bereich (3) ein oder mehrere elektronische Bauteile (12a-c) zwischen dem Substrat (4) und dem Wärmeleitbauteil (5) angeordnet sind.
LiDAR-System mit einer Verpackungsanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Verpackungsanordnung (1) betriebsfähig mit dem LiDAR-System verbunden ist.