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BEREICH DER OFFENLEGUNG
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Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf die Reduzierung des optischen Übersprechens in optischen Sensormodulen.
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HINTERGRUND
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Verschiedene Arten von optischen Sensormodulen, wie z. B. optische Näherungssensormodule, Umgebungslichtsensormodule, Entfernungssensormodule, wie z. B. Flugzeitsensormodule, 2D-Bildsensormodule und 3D-Bildsensormodule, wie z. B. strukturierte Lichtsensormodule, können in Smartphones und andere tragbare Datenverarbeitungsgeräte integriert werden. Viele dieser Sensormodule enthalten sowohl Lichtsender als auch Lichtsensoren, um ihre Funktionen zu erfüllen. Bei vielen Anwendungen ist es wünschenswert, ein internes Übersprechen zwischen dem Lichtemitter und dem Lichtsensor zu vermeiden.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Die vorliegende Offenbarung beschreibt Techniken zur Reduzierung des optischen Übersprechens in optischen Sensormodulen.
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In einem Aspekt beschreibt die vorliegende Offenbarung beispielsweise eine Vorrichtung, die ein Substrat, einen auf dem Substrat angebrachten Lichtemitter und einen auf dem Substrat angebrachten Lichtempfänger, der einen lichtempfindlichen Bereich enthält, umfasst. Das Substrat enthält ein oder mehrere lichtblockierende Vias, die so angeordnet sind, dass zumindest ein Teil des vom Lichtemitter erzeugten Lichts daran gehindert wird, durch das Substrat zu wandern und dadurch optisches Übersprechen im Lichtempfänger zu erzeugen.
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Einige Ausführungsformen umfassen eines oder mehrere der folgenden Merkmale. Zum Beispiel hat in manchen Fällen mindestens eines der lichtblockierenden Vias keine elektrische Funktion. Das Substrat kann außerdem ein oder mehrere elektrisch leitende Durchgangslöcher enthalten, die eine elektrische Funktion erfüllen. In einigen Fällen umfasst das Substrat eine gedruckte Leiterplatte. Die lichtabschirmenden Durchkontaktierungen können zum Beispiel aus Kupfer bestehen. Die lichtblockierenden Vias können verschiedene Formen annehmen, wie z. B. Durchgangslöcher, plattierte Vias, Blind Vias oder vergrabene Vias. In einigen Ausführungsformen umfasst der Lichtemitter mindestens eine LED, eine Laserdiode, einen VCSEL oder einen kantenemittierenden Laser, und der lichtempfindliche Bereich umfasst mindestens eine Fotodiode oder eine Anordnung räumlich verteilter lichtempfindlicher Elemente. In einigen Fällen enthält das Substrat eine Vielzahl von lichtblockierenden Vias, die so angeordnet sind, dass zumindest ein Teil des vom Lichtemitter erzeugten Lichts daran gehindert wird, das Substrat zu durchdringen, um ein optisches Übersprechen im Lichtempfänger zu erzeugen.
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In einem anderen Aspekt beschreibt die vorliegende Offenbarung ein Verfahren, das die Durchführung einer Computersimulation in Bezug auf ein optisches Gehäusedesign umfasst, das einen Lichtemitter und einen auf einem Substrat montierten Lichtempfänger enthält. Die Computersimulation identifiziert einen oder mehrere Pfade durch das Substrat, entlang derer ein Teil des vom Lichtemitter erzeugten Lichts wahrscheinlich wandert und auf den Lichtempfänger auftrifft. Das Verfahren umfasst ferner das Ausbilden mindestens eines lichtblockierenden Durchgangs in dem Substrat. Der mindestens eine lichtblockierende Durchgang ist so angeordnet, dass er verhindert, dass mindestens ein Teil des vom Lichtemitter erzeugten Lichts durch das Substrat wandert und dadurch ein optisches Übersprechen im Lichtempfänger erzeugt, wenn der Lichtemitter und der Lichtempfänger auf dem Substrat montiert sind.
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Einige Implementierungen umfassen eines oder mehrere der folgenden Merkmale. Zum Beispiel beinhaltet in einigen Fällen das Bilden von mindestens einem lichtblockierenden Durchgang in dem Substrat das Bilden eines Lochs in dem Substrat und das Beschichten des Lochs mit Kupfer. Das Substrat kann eine gedruckte Leiterplatte sein. In einigen Fällen hat die mindestens eine lichtabschirmende Durchkontaktierung keine elektrische Funktion. Die mindestens eine lichtblockierende Durchkontaktierung kann verschiedene Formen annehmen, wie z. B. eine Durchgangsbohrung, eine plattierte Durchkontaktierung, eine Blinddurchkontaktierung oder eine vergrabene Durchkontaktierung. In einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren das Ausbilden einer Vielzahl von lichtblockierenden Durchgangslöchern in dem Substrat, wobei die lichtblockierenden Durchgangslöcher so angeordnet sind, dass sie verhindern, dass zumindest ein Teil des von dem Lichtemitter erzeugten Lichts durch das Substrat wandert und dadurch ein optisches Übersprechen in dem Lichtempfänger erzeugt, wenn der Lichtemitter und der Lichtempfänger auf dem Substrat montiert sind.
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In einigen Fällen können die lichtblockierenden Durchkontaktierungen mit der gleichen Technologie hergestellt werden, die auch für die Herstellung der elektrischen Durchkontaktierungen verwendet wird. So können in einigen Fällen die lichtblockierenden Durchkontaktierungen ohne zusätzliche Fertigungsschritte in die Leiterplatte integriert werden.
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Weitere Aspekte, Merkmale und Vorteile werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung, den beigefügten Zeichnungen und den Ansprüchen ersichtlich.
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Figurenliste
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- ist eine Querschnittsansicht eines optoelektronischen Gehäuses.
- ist eine Explosionszeichnung des optoelektronischen Gehäuses von
- zeigt verschiedene Arten von lichtblockierenden Durchkontaktierungen in einer Leiterplatte.
- und zeigen ein Beispiel dafür, wie eine lichtblockierende Durchkontaktierung das interne optische Übersprechen reduzieren kann.
- ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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und zeigen ein Beispiel für ein optoelektronisches Gehäuse 100, das einen Lichtemissionskanal 102 und einen Lichterfassungskanal 104 umfasst. Ein oder mehrere Lichtemitter 106 und ein Lichtempfänger 108 können zum Beispiel auf einer Leiterplatte (PCB) oder einem anderen Substrat 110 montiert werden. Jeder Lichtemitter 106 kann Licht mit einer bestimmten Wellenlänge oder einem bestimmten Wellenlängenbereich emittieren. In einigen Ausführungsformen ist jeder Lichtemitter 106 als Leuchtdiode (LED), Laserdiode, oberflächenemittierender Laser mit vertikalem Resonator (VCSEL) oder kantenemittierender Laser (EEL) ausgeführt.
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Entsprechende geformte Linsen 114, 116 können für jeden der Kanäle 102, 104 vorgesehen werden. Das Licht von dem/den Sender(n) 106 kann durch die Linse 114 aus der Verpackung 100 herausgelenkt werden. Bei einigen Anwendungen (z. B. Näherungsmessung) kann ein Teil des Lichts von einem Objekt außerhalb der Verpackung zurück in Richtung des Erfassungskanals 104 reflektiert werden, wo das Licht von dem Lichtempfänger 108 erfasst werden kann, nachdem es die Linse 116 passiert hat.
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Der Lichtempfänger 108 kann beispielsweise einen Fotodetektor (z. B. eine beliebige Art von Fotodiode oder eine Anordnung räumlich verteilter lichtempfindlicher Elemente (z. B. SPADs)) und auch Logik und andere Elektronik (z. B. eine elektronische Steuereinheit) zum Lesen und Verarbeiten von Signalen aus dem Fotodetektor enthalten. zeigt einen lichtempfindlichen Bereich 109 des Empfängers 108. Die elektronische Steuerschaltung des Sensors kann beispielsweise als eine oder mehrere integrierte Schaltungen in einem oder mehreren Halbleiterchips mit geeigneter digitaler Logik und/oder anderen Hardwarekomponenten (z. B. Ausleseregistem, Verstärkern, Analog-Digital-Wandlern, Taktgebern, Zeitsteuerungslogik, Signalverarbeitungsschaltungen, einem Mikroprozessor und/oder Schnittstellen wie I2C oder SPI) ausgeführt werden. Die Steuer- und Verarbeitungsschaltungen und der zugehörige Speicher können sich auf demselben Halbleiterchip wie der Lichtempfänger 108 oder auf einem oder mehreren anderen Halbleiterchips befinden. In einigen Fällen kann der Steuer- und Verarbeitungsschaltkreis außerhalb des Gehäuses 100 liegen; zum Beispiel kann der Steuer- und Verarbeitungsschaltkreis in einen Prozessor für ein Host-Gerät integriert sein, in dem das Gehäuse 100 angeordnet ist.
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Ein Gehäuse 120 mit entsprechenden Ausnehmungen 124, 126 (siehe ) über den Sende- und Empfangskanälen 102, 104 kann die Kanäle seitlich umgeben und auch als Kappe für die Verpackung 100 dienen. Das Gehäuse 120 kann beispielsweise aus einem Epoxid- oder einem anderen Polymermaterial bestehen, das für die Wellenlänge(n) des von dem/den Sender(n) 106 erzeugten Lichts im Wesentlichen undurchsichtig ist. In einigen Anwendungen können die Emitter 106 so betrieben werden, dass sie Infrarotlicht (IR) erzeugen; in einigen Ausführungsformen können ein oder mehrere Emitter so betrieben werden, dass sie Licht im sichtbaren oder UV-Bereich des Spektrums erzeugen. In einigen Fällen trägt ein Teil der Innenwand 122 des Gehäuses 120 zur optischen Isolierung zwischen dem Lichtsendekanal 102 und dem Lichterfassungskanal 104 bei.
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Der/die Sender 106 und der Lichtempfänger 108 können elektrisch mit der Leiterplatte 110 verbunden werden, z.B. durch leitende Pads und/oder Drahtverbindungen. zeigt Beispiele für die Pads 128, auf denen die Lichtsender 126 montiert werden können. zeigt auch Beispiele für leitende Pads 130 auf der Leiterplatte 110 für die elektrische Verbindung (z. B. über Drahtverbindungen) mit leitenden Pads 132 auf dem Empfänger 108.
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Die Leiterplatte 110 kann wiederum elektrisch mit anderen Komponenten innerhalb eines Host-Geräts (z. B. einem Smartphone oder einem anderen tragbaren Computergerät) verbunden sein. Das Design von Smartphones und anderen tragbaren Computergeräten, auf die in dieser Offenbarung Bezug genommen wird, kann einen oder mehrere Prozessoren, einen oder mehrere Speicher (z. B. RAM), Speicher (z. B. eine Festplatte oder einen Flash-Speicher), eine Benutzerschnittstelle (die z. B. eine Tastatur, einen TFT-LCD- oder OLED-Bildschirm, Berührungs- oder andere Gestensensoren, eine Kamera oder einen anderen optischen Sensor, einen Kompasssensor, ein 3D-Magnetometer, einen 3-Achsen-Beschleunigungsmesser, ein 3-Achsen-Gyroskop, ein oder mehrere Mikrofone usw. umfassen kann, zusammen mit Softwareanweisungen zur Bereitstellung einer grafischen Benutzeroberfläche), Verbindungen zwischen diesen Elementen (z. B. Busse) und eine Schnittstelle für die Kommunikation mit anderen Geräten (die drahtlos, wie GSM, 3G, 4G, CDMA, WiFi, WiMax, Zigbee oder Bluetooth, und/oder drahtgebunden, wie über ein lokales Ethernet-Netzwerk, eine T-1-Internetverbindung usw., sein kann).
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Obwohl die Innenwand 122 des Gehäuses 120 dazu beitragen kann, eine optische Isolierung zwischen dem Lichtemissionskanal 102 und dem Lichterfassungskanal 104 zu schaffen, kann die Leiterplatte 110 in einigen Fällen zusätzliche Wege für ein internes optisches Übersprechen zwischen dem/den Sender(n) 106 und dem lichtempfindlichen Bereich 109 des Empfängers 108 bieten, wenn keine geeigneten Maßnahmen getroffen werden. Dies kann besonders problematisch sein, wenn die Leiterplatte oder ein anderes Substrat 110 aus Materialien besteht, die es dem Substrat 110 ermöglichen, als Wellenleiter zu dienen, der Licht von dem/den Sender(n) 106 in den Empfänger 108 einkoppeln kann. Die Querauskopplung durch die Leiterplatte oder das andere Substrat 110 kann ein Ergebnis des von dem/den Sender(n) 106 erzeugten Lichts sein, das direkt in die Leiterplatte oder das andere Substrat geleitet wird, oder es kann daraus resultieren, dass ein Teil des Senderlichts reflektiert wird, beispielsweise durch das Vorhandensein der Öffnung 124 über dem/den Sender(n) 106.
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Um die potenziellen Wege für das von dem/den Sender(n) 106 erzeugte Licht zu reduzieren oder zu eliminieren, damit es durch die Leiterplatte oder ein anderes Substrat 110 zum lichtempfindlichen Bereich 109 des Empfängers gelangen kann, sind ein oder mehrere lichtblockierende Durchgänge 140 in der Leiterplatte oder einem anderen Substrat 110 vorgesehen (siehe ). Die lichtblockierenden Vias 140 können an Stellen innerhalb der Leiterplatte oder des anderen Substrats 110 so ausgebildet werden, dass sie einen oder mehrere Pfade kreuzen, entlang derer das Licht von dem/den Sender(n) 106 andernfalls den lichtempfindlichen Bereich 109 des Empfängers 108 erreichen würde. Die lichtblockierenden Durchkontaktierungen 140 blockieren somit Licht, das von dem/den Sender(n) 106 erzeugt wurde und durch die Leiterplatte oder ein anderes Substrat 110 wandert, wo das Licht ohne die lichtblockierende(n) Durchkontaktierung(en) auf den Empfänger 108 treffen würde.
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Die idealen Stellen für die lichtblockierenden Durchkontaktierungen 140 innerhalb der Leiterplatte oder eines anderen Substrats 110 können zum Beispiel auf der Grundlage von Computersimulationen für das jeweilige Gehäusedesign bestimmt werden. Solche Simulationen können für jeden Emitter 106 durchgeführt werden, um festzustellen, ob es wahrscheinlich Pfade für ein signifikantes optisches Übersprechen durch die Leiterplatte oder ein anderes Substrat 110 gibt und, wenn ja, wie viele Durchkontaktierungen 140 vorgesehen werden sollten, sowie ihre genaue Positionierung innerhalb der Leiterplatte oder des anderen Substrats.
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Die Leiterplatte oder ein anderes Substrat 110 kann zwei verschiedene Gruppen von Durchkontaktierungen enthalten: (i) eine erste Gruppe, die elektrische Verbindungen zwischen verschiedenen leitenden Schichten der Leiterplatte herstellt und elektrische Verbindungen zu oder von den auf der Leiterplatte montierten Komponenten (z. B. dem/den Sender(n) 106 und dem Empfänger 108) herstellt, und (ii) eine zweite Gruppe, die die Lichtblockierfunktion zur Verringerung des internen optischen Übersprechens zwischen dem/den Sender(n) 106 und dem Empfänger 108 herstellt. In einigen Fällen kann es zu einer teilweisen oder vollständigen Überlappung zwischen den beiden Gruppen von Durchkontaktierungen kommen. So können einige oder alle Durchkontaktierungen sowohl eine elektrische als auch eine lichtblockierende Funktion haben. In anderen Fällen übernehmen zumindest einige der Durchkontaktierungen die Funktion der Lichtabschirmung, haben aber keine elektrische Funktion.
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In manchen Fällen ist die Leiterplatte 110 eine dünne Platine aus Glasfaser, Epoxid-Verbundstoff oder einem anderen Laminatmaterial. Leitende Bahnen können auf die Platine geätzt oder gedruckt werden, um verschiedene Komponenten auf der Platine elektrisch zu verbinden. Die Herstellung der lichtblockierenden Vias 140 kann mit der Technologie übereinstimmen, die zur Herstellung der elektrisch leitenden Vias (z. B. Kupfer) verwendet wird, die z. B. verschiedene Metallschichten der Leiterplatte verbinden, die durch Schichten aus nichtleitendem (z. B. dielektrischem) Material voneinander getrennt sind. So können die lichtblockierenden Durchkontaktierungen 140 gebildet werden, indem die Leiterplatte 110 an bestimmten Stellen teilweise oder ganz durchbohrt wird (z. B. durch Laserbohren) und die Löcher (teilweise oder ganz) mit Kupfer beschichtet oder gefüllt werden.
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zeigt verschiedene Beispiele von Durchgangslöchern 140A-140F, die als lichtblockierende Durchgangslöcher 140 dienen können. In einigen Fällen wird das Loch für die Durchkontaktierung durch Galvanisieren (z. B. Kupfer) leitfähig gemacht. Das Via 140A ist beispielsweise ein durchkontaktiertes, galvanisiertes Via, während die Blind Vias 140B und 140C nur auf einer Seite der Leiterplatte 110 freiliegen. Das vergrabene Via 140D verbindet interne Schichten, ohne auf einer der beiden Oberflächen der Leiterplatte 110 freizulegen. Bei der verdeckten Durchkontaktierung 140E ist das Durchgangsloch mit einer Lötmaske abgedeckt. Bei der verstopften Durchkontaktierung 140F ist das Durchgangsloch versiegelt. In einigen Ausführungsformen sind alle lichtblockierenden Durchkontaktierungen 140 vom gleichen Typ. In anderen Fällen können einige der lichtblockierenden Durchkontaktierungen 140 von einem ersten Typ sein, während andere der lichtblockierenden Durchkontaktierungen 140 von einem zweiten, anderen Typ sein können.
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und zeigen ein Beispiel dafür, wie das Vorhandensein der lichtblockierenden Durchkontaktierung(en) 140 vorteilhaft sein kann, um das interne optische Übersprechen zu reduzieren. Wie in gezeigt, kann ein Teil des vom Sender 106 erzeugten Lichts 148 beispielsweise von der Linse 114 zurück in Richtung der Leiterplatte 110 reflektiert werden, wenn kein lichtblockierendes Via vorhanden ist. Das reflektierte Licht 150 kann dann innerhalb der Leiterplatte 110 so reflektiert werden, dass es auf den Lichtempfänger 108 und insbesondere auf den lichtempfindlichen Bereich 109 des Empfängers fällt. Andererseits kann, wie in gezeigt, das Vorhandensein von einem oder mehreren lichtblockierenden Vias 140 den Lichtweg kreuzen, um das Licht 150 zu blockieren und zu verhindern, dass es den Lichtempfänger 108 erreicht. In einigen Fällen können lichtblockierende Ebenen (z. B. Kupfer) auf den oberen und/oder unteren Substratschichten zur weiteren Lichtabschirmung und zur Reduzierung des optischen Übersprechens innerhalb des optischen Gehäusesystems vorgesehen werden.
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ist ein Flussdiagramm, das die Vorgänge in einem Verfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung illustriert. Wie bei 200 angegeben, umfasst das Verfahren die Durchführung einer Computersimulation in Bezug auf ein optisches Gehäusedesign, das einen Lichtemitter und einen Lichtempfänger umfasst, die auf einem Substrat (z. B. einer Leiterplatte) montiert sind. Die Computersimulation identifiziert einen oder mehrere Pfade durch das Substrat, entlang derer ein Teil des vom Lichtemitter erzeugten Lichts wahrscheinlich wandert und auf den Lichtempfänger auftrifft. Wie unter 202 angegeben, umfasst das Verfahren ferner das Ausbilden mindestens eines lichtblockierenden Durchgangs in dem Substrat, wobei der mindestens eine lichtblockierende Durchgang so angeordnet ist, dass er verhindert, dass mindestens ein Teil des von dem Lichtemitter erzeugten Lichts durch das Substrat wandert und dadurch ein optisches Übersprechen in dem Lichtempfänger erzeugt, wenn der Lichtemitter und der Lichtempfänger auf dem Substrat montiert sind.
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Bei der Festlegung der Platzierung der lichtblockierenden Durchkontaktierungen 140 in der Leiterplatte oder einem anderen Substrat 110 sollte darauf geachtet werden, dass keine elektrischen Kurzschlüsse entstehen, die den ordnungsgemäßen elektrischen Betrieb der Komponenten im Gehäuse 100 stören oder unterbrechen könnten. Andererseits können die Konstruktionsregeln für die Platzierung von Durchkontaktierungen, die eine elektrische Funktion haben, auf Durchkontaktierungen 140, die nur eine Lichtblockierfunktion, aber keine elektrische Funktion haben, nicht anwendbar sein. So können in manchen Fällen mehrere Durchkontaktierungen 140 näher beieinander liegen, als es nach den Konstruktionsregeln für die Anordnung von Durchkontaktierungen mit elektrischer Funktion zulässig wäre.
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Verschiedene Modifikationen werden im Sinne der vorliegenden Offenbarung leicht erkennbar sein. Dementsprechend sind andere Implementierungen innerhalb des Anwendungsbereichs der Ansprüche.
