EP1665342A2 - Optical module and optical system - Google Patents

Optical module and optical system

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Publication number
EP1665342A2
EP1665342A2 EP04766746A EP04766746A EP1665342A2 EP 1665342 A2 EP1665342 A2 EP 1665342A2 EP 04766746 A EP04766746 A EP 04766746A EP 04766746 A EP04766746 A EP 04766746A EP 1665342 A2 EP1665342 A2 EP 1665342A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
optical module
thin
circuit carrier
module according
semiconductor element
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP04766746A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Henryk Frenzel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Continental Automotive GmbH
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP1665342A2 publication Critical patent/EP1665342A2/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/48—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor body packages
    • H01L33/58—Optical field-shaping elements

Definitions

  • the invention relates to an optical module with a circuit carrier, an unhoused semiconductor element arranged on the circuit carrier by means of flip-chip technology and a lens unit for projecting electromagnetic radiation onto the semiconductor element, the lens unit comprising a lens holder and a lens arrangement with at least one lens.
  • the invention further relates to an optical system with an optical module designed in this way.
  • Cameras for specific low-cost applications such as automotive, industry, digital cameras, cell phones, toys, etc. should, however, be able to be produced from cost and aspects of quality assurance as far as possible without adjustment processes between the optics and the camera chip, i.e. without adjusting the focus on the optical surface of the CMOS - or CCD sensor. This is fundamentally contrary to the requirements mentioned.
  • One possibility of developing a focus-free system is to reduce the sum of the possible tolerances and elements, so that the module or system works, depending on the design, without adjustment, at least in a certain distance and temperature range.
  • the circuit carrier for the camera chip eg CCD or CMOS
  • the circuit carrier for the camera chip has a large share in the tolerance chain.
  • the necessary solder and, if necessary, adhesive connections or the like between the chip and the circuit carrier have a large proportion in the tolerance chain.
  • PCB Printed circuit boards
  • MID Molded Interconnected Device
  • EVM EVM behavior
  • the invention has for its object an optical module and an optical system with one on a circuit carrier to provide arranged unhoused semiconductor element, in which the EVM disadvantage is avoided and / or the thickness tolerance of the necessary circuit carrier is minimized as much as possible, so that reliable optical quality can be provided without adjustment and, in particular, focusing effort with simple and cost-effective installation and above the lifespan of the module or system is maintained. After all, special measures should guarantee process-reliable production with simple handling.
  • the invention is based on the generic optical module in that the circuit carrier itself has at least one thin area and one thick area holding the thin, relatively sensitive area.
  • Such a circuit structure has advantages in terms of EVM behavior compared to a pure Flex solution due to the close proximity of a thick area.
  • it advantageously combines a tolerance dimension that has been reduced to a minimum while at the same time significantly increasing torsional rigidity.
  • the lens holder is preferably supported in the thin region of the circuit carrier, so that a defined reference dimension between the lens holder or lens unit and circuit carrier is ensured.
  • the semiconductor element is preferably also arranged in or adjacent to a thin region of the circuit carrier.
  • an easy-to-use remote enables technology with particularly low tolerances between the semiconductor element or the camera chip and the lens unit.
  • the thin area of the circuit carrier is advantageously held by the thick area. This allows the assembly (e.g. soldering, gluing or the like) of the semiconductor element, for example by means of flip-chip technology, on a thin, yet relatively stable, torsionally rigid plane, which advantageously guarantees process-reliable production than in comparable assembly processes of components exclusively flexibly trained circuit boards.
  • the thick area is preferably U-shaped in order to adequately hold the thin area.
  • the thin, relatively sensitive area is preferably held by a circumferential thick area, as if stretched in a frame. Further designs are conceivable as long as they hold or stretch the thin area, for example L-shaped, partially U-shaped, F- or E-fork-shaped or similar thick areas.
  • the thick region is preferably rigid, for example as a multilayer printed circuit board (PCB), so-called multilayer, FR 4 circuit board or the like.
  • PCB printed circuit board
  • the thin and the thick area are implemented as a Molded Interconnected Device (MID) with integrated conductor tracks.
  • MID Technology is essentially based on the use of high-temperature thermoplastics, which are metallized in a structured manner.
  • MIDs ie spatial (3-dimensional) injection molded circuit carriers, are molded parts with an integrated circuit structure.
  • MIDs can be produced in various ways, for example by producing the circuit carrier by single injection molding and then by hot stamping, which is then metallized, which is then structured by stamping. Electroplating can also be carried out after the single injection molding.
  • structuring can also be created using a 3D mask or an imaging laser process.
  • the circuit carrier according to the invention which has at least two regions, can also be produced by other plastic processing methods, for example by double injection molding.
  • the metallization and the structuring of the MID can also be carried out in an integrated manner by means of a conductor foil.
  • the thin area is preferably designed as a flexible PCB or the like and the thick area as a rigid PCB or the like.
  • the preferred design of the thin area as a flexible printed circuit board or so-called flex film fulfills all the requirements that a Circuit element carrier carrying the element must fulfill within the scope of the present invention, namely as far as possible no additional uncertainties with regard to the optical structure, which is why flexible printed circuit boards with the tightest possible tolerances are to be used in particular.
  • the aforementioned design variants of the first and second area of the circuit carrier roughly equally offer the possibility of using production technology with particularly low tolerances between the semiconductor element arranged in or adjacent to the thin area of the circuit carrier and the lens unit.
  • the tolerance chain which in conventional structures is still extended by the thickness of the circuit carrier and the thickness of any stabilizing elements that may be provided, is advantageously reduced to a minimum in the context of the present invention.
  • support elements are preferably at least partially formed on the lens holder, by means of which the lens holder and thus the lens unit are related to the circuit carrier in a defined degree to the optics.
  • the lens unit and circuit carrier are connected to one another in an otherwise customary manner, preferably adjacent to the support elements, in particular glued, laser-welded, screwed, riveted or the like, so that a connection between the printed circuit board and the lens holder or lens unit is made available by means of the spacer elements, which is practical no additional uncertainty regarding the optical quality of the module.
  • the thick second region of the circuit carrier is part of the lens unit or of the lens holder, the lens holder preferably being designed as a MID (“molded interconnected device”) with integrated conductor tracks.
  • the number of required components is reduced again while maintaining the holder according to the invention of a thin area.
  • the semiconductor element can be soldered or glued directly onto adjacent or in the thin area of the lens holder.
  • a production technology with particularly small tolerances between the semiconductor element and the lens unit is offered.
  • the holder according to the invention leads to a relatively stable, flat, thin area, which makes assembly, assembly or the like particularly simple.
  • the semiconductor element is preferably arranged on the side of the circuit carrier facing away from the lens unit, the thin region in the circuit carrier having an opening through which electromagnetic radiation is projected from the lens arrangement onto the semiconductor element.
  • the optical module is therefore constructed in the order of lens arrangement / circuit carrier or flexible printed circuit board / semiconductor element. Even if embodiments are conceivable in which the sequence of circuit carrier and semiconductor element is reversed, it has proven to be particularly advantageous to provide the circuit carrier with an opening and thus to enable the first-mentioned sequence.
  • the invention further consists in an optical system with an optical module of the type mentioned above In this way, the advantages of the optical module also come into play as part of an overall system.
  • the invention is based on the knowledge that it is possible to provide a compact, highly integrated module solution with small dimensions, which avoids the disadvantages mentioned in the prior art and, in particular, is more reliable in terms of manufacture, easier to assemble and is therefore particularly cost-effective.
  • optical module and the optical system are practically maintenance-free. Particularly in terms of cost savings, it is also no optical adjustment of the optical module is necessary, since this is now improved due to the geometric design of the components and because the tolerance chain is reduced to a measure by minimizing the circuit carrier tolerance, while at the same time improving the handling of the manufacturing technology.
  • the module is stable and of high quality;
  • an integrated solution of sensor and optics in a modular design is provided.
  • the modular design means that the number of variants is reduced, which is in line with the always sought-after common parts concept.
  • the invention can be used particularly useful in the implementation of video systems, possibly in combination with radar systems, ultrasound systems or the like in the automotive field.
  • FIG. 1 shows a first perspective illustration of an optical module according to the invention
  • FIG. 2 shows a second perspective illustration of an optical module according to the invention
  • FIG. 3 shows a third perspective, partially sectioned illustration of an optical module according to the invention
  • FIG. 4 shows a first exemplary embodiment of a circuit carrier of the module according to the invention, comprising a thin and a frame-shaped thick region;
  • FIG. 5 shows a second exemplary embodiment of a circuit carrier of the module according to the invention, comprising a thin and a U-shaped thick region;
  • FIG. 6 shows an exploded perspective view of an optical module according to the invention
  • 7 shows a first sectional view of an optical module according to the invention
  • FIG. 8 shows a first lens holder of an optical module according to the invention with partially formed supporting elements
  • FIG. 9 shows a second lens holder of an optical module according to the invention with alternatively partially designed supporting elements
  • FIG. 10 shows a third lens holder of an optical module according to the invention with a circumferential support ring
  • FIG. 11 shows a second sectional view of an optical module with a lens holder according to FIG. 10.
  • FIG. 12 shows a third sectional view of an optical module according to the invention.
  • FIG. 1 shows a perspective view of an optical module according to the invention.
  • a lens holder 14 and a circuit carrier 10 comprising a first thin region 10a and a second thick region 10b.
  • a (not visible) light-sensitive semiconductor element which is applied here as a so-called flip chip 12, is arranged under the globtop 26, which can also be seen, which is the advantage has that there are no additional tolerances within the sensor or component (e.g. carrier chip, adhesive, etc.).
  • solder pads 28 At the opposite end of the thin region 10a of the circuit carrier 10, the latter is provided with solder pads 28, so that contact is made between the optical module and a rigid circuit board (not shown), for example by iron soldering using the solder pads 28, without the need for any further electrical connection can be.
  • a corresponding electrical connection can also be implemented by a flat cable 36, as shown, for example, in FIG. 2. Recesses and light-emitting diodes 38 arranged therein can be seen on the side of the optical module opposite the globtop 26.
  • FIG. 2 shows a second perspective illustration of an optical module according to the invention.
  • a special alternating arrangement of the light-emitting diodes 38 around a lens 20 provided for the radiation entry can be seen here.
  • FIG. 3 shows a perspective, partially sectioned illustration of an optical module according to the invention.
  • the interior of the lens holder 14 can be seen here.
  • FIG. 6, shows an exploded view of the optical module according to the invention
  • FIG. 7, shows the optical module in a sectional view, but with a lens arrangement 16, 18 expanded by a diaphragm 21, 20th
  • Three lenses 16, 18, 20 are inserted into the lens holder 14 according to FIG. 3.
  • the lenses 16, 18, 20 or the diaphragm 21 shown in FIG. 7 are shaped in such a way that they are relative to one another who assume a defined position within the lens holder 14.
  • at least one of the lenses is designed such that it cooperates with the lens holder 14 and thus also assumes a defined position with respect to the lens holder 14 and ultimately with respect to the semiconductor element 12. In this way, all lenses 16, 18, 20 are adjusted with respect to the semiconductor element 12. This adjustment is not influenced by further measures, since the lens holder 14 is arranged directly in the thin region 10a of the circuit carrier.
  • connection between the semiconductor element 12 and the circuit carrier 10a takes place by means of flip-chip technology in that a soldered connection is made via solder bumps 30.
  • the connection can then be reinforced with an underfill. So that electromagnetic radiation from the lens arrangement 16, 18, 20; arranged on the side facing away from the mounting surface of the circuit carrier 10; 21 can reach the semiconductor element 12, the thin region 10a has an opening 24. Through this opening 24, electromagnetic radiation can reach a surface 34 of the semiconductor element 12 that is sensitive to electromagnetic radiation.
  • the semiconductor element 12 can - according to the current technology - be designed as a CMOS or CCD.
  • an adhesive connection can also be provided.
  • An underfill (not shown) can be applied for reinforcement.
  • a glob top 26 is provided.
  • an opening for ventilation can be provided. It is also possible to arrange an adhesive DAE (adhesive pressure compensation element) on an opening (not shown).
  • the optical module has a specially designed circuit carrier 10, comprising a thin region 10a and a thick region 10b holding the thin, relatively sensitive region 10a as in a frame, preferably the thin region 10a carrying a semiconductor element 12.
  • FIG. 4 shows a first exemplary embodiment of a circuit carrier 10 of the module according to the invention, comprising a thin 10a and a frame-shaped thick 10b region.
  • FIG. 5 shows a second exemplary embodiment of a circuit carrier 10 of the module according to the invention, comprising a thin 10a and a u-shaped thick 10b region.
  • FIG. 6 shows an exploded perspective view of the optical module according to the invention, including the light-emitting diodes 38, the mutual arrangement being clearly shown in FIG. 6.
  • FIG. 7 shows an optical module with a lens unit, comprising a lens holder 14, into which a lens arrangement comprising, for example, three lenses 16, 18, 20 and an aperture 21 is inserted.
  • the lenses are preferably 16, 18, 20 and the diaphragm 21 is clearly aligned with each other and with respect to the lens holder 14 by its geometric design, so that no further optical adjustment of the system is required.
  • the thick region 10b of the circuit carrier 10 holds a first region 10a, which is, for example, a flex film which carries a semiconductor element 12 which is sensitive to electromagnetic radiation.
  • the semiconductor element 12 is also in a defined position with respect to the other optical elements, that is, in particular the lenses 16, 18, 20 arranged.
  • the thick 10b and thin 10a areas in particular rigid and flexible PCBs, multilayer FR4 and thin PCBs, milling out to an exact dimension, realization in MID or the like.
  • the thin, relatively sensitive area 10a is held or stretched as if in a frame by the relatively rigid area 10b running at least in sections.
  • the small tolerances between the top and bottom of the PCB are achieved by the thin area 10a of the circuit carrier, possibly in combination with additional measures such as coordinated lens systems etc.
  • the contact between the lens holder 14 and circuit carrier 10 takes place in the thin area 10a.
  • 8 and 9 show a lens holder with partial supports 39 in this regard.
  • 10 shows a lens holder 14 with a circumferential support ring 39, which at the same time the lens unit 14; 16, 18, 20; 21 seals against the circuit carrier 10 and vice versa in an advantageous manner. This is shown in Fig. 11 in a sectional view.
  • FIG. 12 shows a circuit carrier 10 designed according to the invention with a cutout 10a in the direction of the flip chip 12.
  • no support elements need advantageously be formed on the lens holder 14.
  • Such a circuit carrier 10 also offers improved EVM behavior.
  • the present invention advantageously allows.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Lens Barrels (AREA)
  • Optical Couplings Of Light Guides (AREA)
  • Led Device Packages (AREA)

Abstract

The invention relates to an optical module comprising a lens holder (14) containing a lens arrangement consisting of, for example, three lenses (16, 18, 20) and a diaphragm (21). Preferably, the lenses (16, 18, 20) and optionally the diaphragm (21) are unequivocally oriented by the geometrical form thereof in such a way that no other optical adjustment is required. According to the invention, the optical module has a specially embodied circuit carrier (10) comprising a thin region (10a) and a thick region (10b) that holds the thin, relatively sensitive region (10a) as in a frame, the thin region (10a) preferably carrying a semiconductor element (12). Along with the particularly low tolerances between the semiconductor element (12) and the lens unit (14; 16, 18, 20; 21), the invention advantageously enables a more reliable assembly (e.g. soldering, gluing or the like) of a semiconductor element (12), for example by means of a flip-chip technique, on a thin and thus relatively stable, flat plane (10a), than comparable assembly processes of components on exclusively flexible circuit carriers. The invention is especially suitable for applying inside a motor vehicle or on the outside of the same.

Description

Beschreibungdescription
Optisches Modul und optisches SystemOptical module and optical system
Die Erfindung betrifft ein optisches Modul mit einem Schaltungsträger, einem mittels Flip-Chip-Technik auf dem Schaltungsträger angeordneten ungehäusten Halbleiterelement und einer Linseneinheit zum Projizieren von elektromagnetischer Strahlung auf das Halbleiterelement, wobei die Linseneinheit einen Linsenhalter und eine Linsenanordnung mit mindestens einer Linse umfasst.The invention relates to an optical module with a circuit carrier, an unhoused semiconductor element arranged on the circuit carrier by means of flip-chip technology and a lens unit for projecting electromagnetic radiation onto the semiconductor element, the lens unit comprising a lens holder and a lens arrangement with at least one lens.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein optisches System mit einem derartig ausgebildeten optischen Modul.The invention further relates to an optical system with an optical module designed in this way.
Gattungsgemäße optische Module und Systeme kommen insbesondere in der Kraftfahrzeugtechnik zum Einsatz.Generic optical modules and systems are used in particular in automotive engineering.
Dabei kann mit elektromagnetischer Strahlung aus verschiede- nen Frequenzbereichen gearbeitet werden, wobei kumulativ zum sichtbaren Licht, mit welchem typischerweise Anwendungen im Außenraum eines Kraftfahrzeuges wie Lane Departure arning (LDW) , Blind Spot Detection (BSD) oder Rear View Cameras arbeiten, insbesondere die für Menschen unsichtbare Infrarot- Strahlung bei Anwendungen im Innenraum eines Kraftfahrzeuges wie Out of Position Detection (OOP) oder bei zusätzlichen Außenbeleuchtungen eines Night Vision Systems bevorzugt wird.It is possible to work with electromagnetic radiation from different frequency ranges, cumulative to the visible light with which typically applications in the exterior of a motor vehicle such as lane departure arning (LDW), blind spot detection (BSD) or rear view cameras work, in particular those for Invisible infrared radiation is preferred for applications in the interior of a motor vehicle such as out of position detection (OOP) or for additional external lighting of a night vision system.
Bei Anwendungen im Innen- oder Außenbereich eines Fahrzeugs bestehen hohe Anforderungen aufgrund von äußeren Einflüssen wie Temperatur, Feuchtigkeit, Verschmutzung und Vibration. Die typische Lebensdauer für Systeme im Fahrzeug liegt bei 10 bis 15 Jahren, wobei nur extrem geringe Ausfallraten tole- riert werden, so dass auch die Komponenten eines optischen Systems der eingangs genannten Art eine nur sehr langsame Alterung zeigen dürfen.Applications in the interior or exterior of a vehicle are subject to high demands due to external influences such as temperature, humidity, pollution and vibration. The typical lifespan for systems in the vehicle is 10 to 15 years, with only extremely low failure rates be so that the components of an optical system of the type mentioned at the outset are only allowed to show very slow aging.
Da in vielen Fällen der Einbauraum von optischen Modulen bzw. optischen Systemen sehr begrenzt ist, existieren zusätzliche Schwierigkeiten bei der Realisierung der optischen Systeme. Mit herkömmlichen Mitteln ist es daher extrem schwierig, eine hermetisch abgedichtete zuverlässige Einheit aus einem Kame- rachip (derzeit CCD- oder CMOS-Sensor) und einer Optik aufzubauen .Since the installation space of optical modules or optical systems is very limited in many cases, there are additional difficulties in realizing the optical systems. With conventional means, it is therefore extremely difficult to build a hermetically sealed, reliable unit from a camera chip (currently CCD or CMOS sensor) and optics.
So ist bei derartigen Systemen, mit denen Bilder oder ähnliche Informationen aufgenommen werden, es bekanntlich nötig, dass die Optik am Punkt der Umwandlung Licht in InformationIn such systems, with which images or similar information are recorded, it is known that it is necessary for the optics to convert light into information at the point of conversion
(z.B. Filmebene, optische Fläche CCD- oder CMOS-Sensor) Ihren genauen Fokus hat. Daher muss der Abstand zwischen dem Kamerachip und der Optik entweder während der Fertigung einmal grundlegend eingestellt und fixiert werden oder der Focus wird bei jedem Bild neu eingestellt (Scharfstellen auf Objekt, nicht verwaschende Strahlen) . Dies führt zu einem erheblichen Fertigungsaufwand. Ferner besteht hierdurch ein Qualitätsrisiko .(e.g. film level, optical surface CCD or CMOS sensor) has your exact focus. Therefore, the distance between the camera chip and the optics must either be set and fixed once during production or the focus is reset for each image (focusing on the object, non-blurring rays). This leads to a considerable manufacturing effort. This also poses a quality risk.
Kameras für spezifische Low Cost Anwendungen wie z.B. Automotive, Industrie, Digitalkamera, Handy, Spielzeug etc., sollen jedoch aus Kosten- und Aspekten der Qualitätssicherung möglichst ohne Justagevorgänge zwischen Optik und Kamerachip herstellbar sein, also ohne Einstellungen des Focus auf die optische Fläche des CMOS- oder CCD-Sensors. Dies steht den genannten Anforderungen grundsätzlich entgegen. Eine Möglichkeit ein fokusfreies System zu entwickeln ist die Summen der möglichen Toleranzen und Elemente zu verkleinern, so dass das Modul bzw. System designbedingt ohne Justage zumindest in einem bestimmten Entfernungs- und Temperaturbe- reich funktioniert. Bei Verwendung der Erfindung beispielsweise im Rahmen eines Insassenschutzsystems eines Kraftfahrzeuges, auf welches die vorliegende Erfindung jedoch nicht beschränkt ist, sollten scharfe Bilder bei Entfernungen von z.B. 15 cm bis 130 cm sowie bei Temperaturen von z.B. - 40°C bis + 105°C gewährleistbar sein. Dies ist um so eher realisierbar, je weniger Elemente in die Toleranzkette mit eingehen. Einen großen Anteil in der Toleranzkette besitzt der Schaltungsträger für den Kamerachip (z.B. CCD oder CMOS). So wird beispielsweise durch Einsatz von sehr dünnen, sog. fle- xiblen, Leiterplatten versucht, nur eine geringe Dickentoleranz einzubringen. Darüber hinaus besitzen insb. die notwendigen Löt- und ggf- Klebeverbindungen oder dergleichen zwischen Chip und Schaltungsträger einen großen Anteil in der Toleranzkette .Cameras for specific low-cost applications such as automotive, industry, digital cameras, cell phones, toys, etc. should, however, be able to be produced from cost and aspects of quality assurance as far as possible without adjustment processes between the optics and the camera chip, i.e. without adjusting the focus on the optical surface of the CMOS - or CCD sensor. This is fundamentally contrary to the requirements mentioned. One possibility of developing a focus-free system is to reduce the sum of the possible tolerances and elements, so that the module or system works, depending on the design, without adjustment, at least in a certain distance and temperature range. When using the invention, for example in the context of an occupant protection system of a motor vehicle, to which the present invention is not restricted, it should be possible to guarantee sharp images at distances of, for example, 15 cm to 130 cm and at temperatures of, for example, -40 ° C. to + 105 ° C. , This is all the more realizable, the fewer elements are included in the tolerance chain. The circuit carrier for the camera chip (eg CCD or CMOS) has a large share in the tolerance chain. For example, by using very thin, so-called flexible, printed circuit boards, an attempt is made to introduce only a small thickness tolerance. In addition, the necessary solder and, if necessary, adhesive connections or the like between the chip and the circuit carrier have a large proportion in the tolerance chain.
Diese Lösung, insb. das setzen eines Halbleiterelements auf eine flexible Leiterplatte, zieht aber auch Nachteile nach sich. So ist das Handling wie das Rackeln, Bestücken, Löten, Trennen usw. erschwert; die Verwindungssteifigkeit und damit die Prozesssicherheit ist häufig schlechter als bei sog.This solution, in particular placing a semiconductor element on a flexible printed circuit board, also has disadvantages. This makes handling such as racking, fitting, soldering, separating, etc. difficult. the torsional rigidity and thus the process reliability is often worse than with so-called
Printed Circuit Boards (PCB) , Moulded Interconnected Device (MID) oder dergleichen ausgebildeten Schaltungsträgern, welche jedoch je nach Dickenmaß einen erheblichen Beitrag zur Toleranzkette leisten. Darüber hinaus bestehen Nachteile im EVM-Verhalten.Printed circuit boards (PCB), Molded Interconnected Device (MID) or similarly designed circuit carriers, which, however, make a significant contribution to the tolerance chain depending on the thickness. There are also disadvantages in EVM behavior.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein optisches Modul und ein optisches System mit einem auf einen Schaltungsträger angeordneten ungehäusten Halbleiterelement zur Verfügung zu stellen, bei dem EVM-Nachteil vermieden und/oder die Dickentoleranz des notwendigen Schaltungsträgers weitgehendst minimiert sind, so dass bei einfacher und kostengünstiger Montage eine zuverlässige optische Qualität ohne Justier- und insbesondere Fokussieraufwand zur Verfügung gestellt werden kann und über die Lebensdauer des Moduls bzw. Systems gehalten wird. Schließlich sollen besondere Maßnahmen eine prozesssichere Fertigung bei einfachem Handling garantieren.The invention has for its object an optical module and an optical system with one on a circuit carrier to provide arranged unhoused semiconductor element, in which the EVM disadvantage is avoided and / or the thickness tolerance of the necessary circuit carrier is minimized as much as possible, so that reliable optical quality can be provided without adjustment and, in particular, focusing effort with simple and cost-effective installation and above the lifespan of the module or system is maintained. After all, special measures should guarantee process-reliable production with simple handling.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung, welche einzeln oder in Kombination miteinander einsetzbar sind, sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved with the features of the independent claims. Advantageous embodiments of the invention, which can be used individually or in combination with one another, are specified in the dependent claims.
Die Erfindung baut auf dem gattungsgemäßen optischen Modul dadurch auf, dass der Schaltungsträger selbst wenigstens einen dünnen Bereich und einen den dünnen, relativ empfindlichen, Bereich halternden dicken Bereich aufweist. Ein derar- tiger Schaltungsaufbau hat durch die räumlich Nahe Anwesenheit eines dicken Bereichs Vorteile im EVM-Verhalten gegenüber einer reinen Flex-Lösung. Darüber hinaus vereint er in vorteilhafter Weise ein auf ein Minimum verkürztes Toleranzmaß bei zugleich deutlich erhöhter Verwindungssteifigkeit .The invention is based on the generic optical module in that the circuit carrier itself has at least one thin area and one thick area holding the thin, relatively sensitive area. Such a circuit structure has advantages in terms of EVM behavior compared to a pure Flex solution due to the close proximity of a thick area. In addition, it advantageously combines a tolerance dimension that has been reduced to a minimum while at the same time significantly increasing torsional rigidity.
Erfindungsgemäß bevorzugt ist der Linsenhalter im dünnen Bereich des Schaltungsträgers abgestützt angeordnet, so dass ein definiertes Bezugsmaß zwischen Linsenhalter bzw. Linseneinheit und schaltungsträger gewährleistet ist.According to the invention, the lens holder is preferably supported in the thin region of the circuit carrier, so that a defined reference dimension between the lens holder or lens unit and circuit carrier is ensured.
Erfindungsgemäß bevorzugt ist in oder benachbart eines dünnen Bereichs des Schaltungsträgers auch das Halbleiterelement angeordnet. Auf diese Weise wird eine einfach handhabbare Fer- tigungstechnologie mit besonders geringen Toleranzen zwischen dem Halbleiterelement bzw. dem Kamerachip und der Linseneinheit ermöglicht. Der dünne Bereich des Schaltungsträgers ist vorteilhaft durch den dicken Bereich gehaltert. Dies erlaubt die Montage (z.B. löten, kleben oder dergleichen) des Halbleiterelements, beispielsweise mittels Flip-Chip-Technik, auf einer dünnen und dennoch relativ stabilen, verwindungssteifen planen Ebene, womit vorteilhaft eine prozesssichere Fertigung garantiert ist als bei vergleichbaren Montageprozessen von Bauelementen auf ausschließlich flexibel ausgebildeten Schaltungsträgern .According to the invention, the semiconductor element is preferably also arranged in or adjacent to a thin region of the circuit carrier. In this way, an easy-to-use remote enables technology with particularly low tolerances between the semiconductor element or the camera chip and the lens unit. The thin area of the circuit carrier is advantageously held by the thick area. This allows the assembly (e.g. soldering, gluing or the like) of the semiconductor element, for example by means of flip-chip technology, on a thin, yet relatively stable, torsionally rigid plane, which advantageously guarantees process-reliable production than in comparable assembly processes of components exclusively flexibly trained circuit boards.
Erfindungsgemäß bevorzugt ist der dicke Bereich U-förmig ausgebildet, um den dünnen Bereich hinreichend zu haltern. In einer alternativen Ausführungsform wird jedoch der dünne relativ empfindliche Bereich bevorzugt durch einen umlaufenden dicken Bereich wie in einem Rahmen gespannt gehaltert. Weitere Ausführungen sind denkbar, solange diese den dünnen Bereich haltern bzw. aufspannen, beispielsweise L-förmige, teilweise U-förmige, F- oder E-gabelförmig oder dergleichen ausgebildete dicke Bereiche.According to the invention, the thick area is preferably U-shaped in order to adequately hold the thin area. In an alternative embodiment, however, the thin, relatively sensitive area is preferably held by a circumferential thick area, as if stretched in a frame. Further designs are conceivable as long as they hold or stretch the thin area, for example L-shaped, partially U-shaped, F- or E-fork-shaped or similar thick areas.
Vorzugsweise ist der dicke Bereich starr ausgebildet, beispielsweise als mehrlagiges Printet Circuit Board (PCB) , sog. Multilayer, FR 4-Leiterplatte oder dergleichen.The thick region is preferably rigid, for example as a multilayer printed circuit board (PCB), so-called multilayer, FR 4 circuit board or the like.
Insbesondere bei diesen Materialien bietet sich an, den dünnen ersten Bereich des Schaltungsträgers durch Aussparung o- der Ausfräsen zu realisieren.With these materials in particular, it is advisable to implement the thin first region of the circuit carrier by cutting out or milling out.
In einer alternativen Weiterbildung der Erfindung sind der dünne und der dicke Bereich als Moulded Interconnected Device (MID) mit integrierten Leiterbahnen realisiert. Die MID- Technologie beruht im Wesentlichen auf der Nutzung von Hochtemperaturthermoplasten, die strukturiert metallisiert werden. MIDs, das heißt räumliche (3-dimensionale) spritzgegossene Schaltungsträger, sind Formteile mit integrierter Lei- terbildstruktur . Insbesondere ist auf das Rationalisierungspotential von MID-Strukturen hinzuweisen, wobei auch die im Vergleich zu herkömmlichen Schaltungsträgern erfüllte Umweltverträglichkeit erwähnt werden sollte. MIDs können auf verschiedene Art und Weise produziert werden, beispielsweise, indem der Schaltungsträger durch Einfach-Spritzguss hergestellt wird und im Anschluss hieran durch Heiß-Prägen eine Metallisierung stattfindet, die dann durch Formstempeln strukturiert wird. Ebenfalls kann nach dem Einfach-Spritzguss eine galvanische Metallisierung erfolgen. Im Anschluss an die Metallisierung, sei sie durch Heiß-Prägen oder galvanisch erfolgt, kann eine Strukturierung auch durch 3D-Maske oder durch ein abbildendes Laserverfahren erzeugt werden. Der erfindungsgemäße, wenigstens zwei Bereiche aufweisende, Schaltungsträger kann auch durch andere kunststoffverarbeitende Verfahren hergestellt werden, beispielsweise durch Zweifach- Spritzguss. Die Metallisierung und die Strukturierung des MID kann auch in integrierter Weise durch eine Leiterbildfolie vorgenommen werden. Die vorstehend genannten Verfahren zum Herstellen von MIDs sind nur als Beispiele einer Vielzahl be- kannter Verfahren des Standes der Technik zu verstehen, wobei im Rahmen der vorliegenden Erfindung beliebig hergestellte MIDs zum Einsatz kommen können.In an alternative development of the invention, the thin and the thick area are implemented as a Molded Interconnected Device (MID) with integrated conductor tracks. The MID Technology is essentially based on the use of high-temperature thermoplastics, which are metallized in a structured manner. MIDs, ie spatial (3-dimensional) injection molded circuit carriers, are molded parts with an integrated circuit structure. In particular, reference should be made to the rationalization potential of MID structures, whereby the environmental compatibility that is achieved in comparison to conventional circuit carriers should also be mentioned. MIDs can be produced in various ways, for example by producing the circuit carrier by single injection molding and then by hot stamping, which is then metallized, which is then structured by stamping. Electroplating can also be carried out after the single injection molding. Following the metallization, whether by hot stamping or galvanically, structuring can also be created using a 3D mask or an imaging laser process. The circuit carrier according to the invention, which has at least two regions, can also be produced by other plastic processing methods, for example by double injection molding. The metallization and the structuring of the MID can also be carried out in an integrated manner by means of a conductor foil. The above-mentioned methods for producing MIDs are only to be understood as examples of a large number of known methods from the prior art, it being possible to use MIDs produced in any way within the scope of the present invention.
Erfindungsgemäß bevorzugt ist der dünne Bereich als flexible PCB oder dergleichen und der dicke Bereich als starre PCB o- der dergleichen ausgebildet . Durch die bevorzugte Ausbildung des dünnen Bereichs als flexible Leiterplatte bzw. sog. Flex- Folie erfüllt dieser alle Anforderungen, die ein das Halblei- terelement tragender Schaltungsträger im Rahmen der vorliegenden Erfindung erfüllen muss, nämlich möglichst keine Erzeugung zusätzlicher Unsicherheiten im Hinblick auf den optischen Aufbau, weshalb insbesondere flexible Leiterplatten mit möglichst engen Toleranzen zu verwenden sind.According to the invention, the thin area is preferably designed as a flexible PCB or the like and the thick area as a rigid PCB or the like. The preferred design of the thin area as a flexible printed circuit board or so-called flex film fulfills all the requirements that a Circuit element carrier carrying the element must fulfill within the scope of the present invention, namely as far as possible no additional uncertainties with regard to the optical structure, which is why flexible printed circuit boards with the tightest possible tolerances are to be used in particular.
Speziell auf die vorliegende Erfindung bezogen bieten die vorbenannten Ausgestaltungsvarianten von erstem und zweitem Bereich des Schaltungsträgers etwa gleichermaßen die Möglich- keit, eine Fertigungstechnologie mit besonders geringen Toleranzen zwischen dem im oder benachbart des dünnen Bereichs des Schaltungsträgers angeordneten Halbleiterelement und der Linseneinheit einzusetzen. Die Toleranzkette, die bei herkömmlichen Aufbauten noch durch die Dicke des Schaltungsträ- gers und die Dicke von eventuell vorgesehenen Stabilisierungselementen ausgedehnt ist, ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auf ein minimales Maß verkürzt .Specifically related to the present invention, the aforementioned design variants of the first and second area of the circuit carrier roughly equally offer the possibility of using production technology with particularly low tolerances between the semiconductor element arranged in or adjacent to the thin area of the circuit carrier and the lens unit. The tolerance chain, which in conventional structures is still extended by the thickness of the circuit carrier and the thickness of any stabilizing elements that may be provided, is advantageously reduced to a minimum in the context of the present invention.
Erfindungsgemäß bevorzugt sind am Linsenhalter zumindest partiell Abstützelemente ausgebildet, über welche der Linsenhalter und damit die Linseneinheit mit dem Schaltungsträger in einem definierten Maß zur Optik in Beziehung stehen. Die Linseneinheit und Schaltungsträger sind in ansonsten üblicher Weise, vorzugsweise benachbart der Abstützelemente, miteinander verbunden, insbesondere verklebt, laserverschweißt, verschraubt, vernietet oder dergleichen, womit mittels der Abstandselemente eine Verbindung zwischen Leiterplatte und Linsenhalter beziehungsweise Linseneinheit zur Verfügung ge- stellt ist, die praktisch keine zusätzliche Unsicherheit im Hinblick auf die optische Qualität des Moduls bewirkt. Bei einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der dicke zweite Bereich des Schaltungsträgers Teil der Linseneinheit bzw. des Linsenhalters, wobei der Linsenhalter bevorzugt als MID ("moulded interconnected device") mit integrierten Leiterbahnen ausgebildet ist. Auf diese Weise wird - unter Beibehaltung der erfindungsgemäßen Halterung eines dünnen Bereiches - nochmals die Anzahl der benötigten Bauteile reduziert. Dadurch, dass bei dem als MID realisierten Linsenhalter Leiterbahnen integriert sind, kann das Halb- leiterelement direkt auf benachbart oder in den dünnen Bereich des Linsenhalter gelötet oder geklebt werden. Und auch bei einem mittels Flex-Folie ausgebildeten ersten dünnen Bereich ist eine Fertigungstechnologie mit besonders geringen Toleranzen zwischen dem Halbleiterelement und der Linsenein- heit angeboten. Zudem führt die erfindungsgemäße Halterung zu einem relativ stabilen, planen dünnen Bereich, was die Bestückung, Montage oder dergleichen besonders einfach macht.According to the invention, support elements are preferably at least partially formed on the lens holder, by means of which the lens holder and thus the lens unit are related to the circuit carrier in a defined degree to the optics. The lens unit and circuit carrier are connected to one another in an otherwise customary manner, preferably adjacent to the support elements, in particular glued, laser-welded, screwed, riveted or the like, so that a connection between the printed circuit board and the lens holder or lens unit is made available by means of the spacer elements, which is practical no additional uncertainty regarding the optical quality of the module. In an alternative embodiment of the present invention, the thick second region of the circuit carrier is part of the lens unit or of the lens holder, the lens holder preferably being designed as a MID (“molded interconnected device”) with integrated conductor tracks. In this way, the number of required components is reduced again while maintaining the holder according to the invention of a thin area. As a result of the fact that printed conductors are integrated in the lens holder implemented as MID, the semiconductor element can be soldered or glued directly onto adjacent or in the thin area of the lens holder. And even in the case of a first thin area formed by means of flex film, a production technology with particularly small tolerances between the semiconductor element and the lens unit is offered. In addition, the holder according to the invention leads to a relatively stable, flat, thin area, which makes assembly, assembly or the like particularly simple.
Bevorzugt ist das Halbleiterelement auf der der Linseneinheit abgewandten Seite des Schaltungsträgers angeordnet, wobei der dünne Bereich im Schaltungsträger eine Öffnung aufweist, durch die elektromagnetische Strahlung von der Linsenanordnung auf das Halbleiterelement projiziert wird. Das optische Modul ist also in der Reihenfolge Linsenanordnung/Schaltungs- träger bzw. flexible Leiterplatte/Halbleiterelement aufgebaut. Auch wenn Ausführungsformen denkbar sind, bei denen die Reihenfolge von Schaltungsträger und Halbleiterelement umgekehrt ist, hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, den Schaltungsträger mit einer Öffnung zu versehen und so die erstgenannte Reihenfolge zu ermöglichen.The semiconductor element is preferably arranged on the side of the circuit carrier facing away from the lens unit, the thin region in the circuit carrier having an opening through which electromagnetic radiation is projected from the lens arrangement onto the semiconductor element. The optical module is therefore constructed in the order of lens arrangement / circuit carrier or flexible printed circuit board / semiconductor element. Even if embodiments are conceivable in which the sequence of circuit carrier and semiconductor element is reversed, it has proven to be particularly advantageous to provide the circuit carrier with an opening and thus to enable the first-mentioned sequence.
Die Erfindung besteht weiterhin in einem optischen System mit einem optischen Modul der vorstehend genannten Art. Auf diese Weise kommen die Vorteile des optischen Moduls auch im Rahmen eines Gesamtsystems zur Geltung.The invention further consists in an optical system with an optical module of the type mentioned above In this way, the advantages of the optical module also come into play as part of an overall system.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass es möglich ist, eine kompakte hochintegrierte Modullösung mit geringen Abmaßen zur Verfügung zu stellen, welche die im Stand der Technik genannten Nachteile vermeidet und insb. prozesssicherer zu fertigen, einfacher zu montieren und hierdurch besonders kostengünstig ist.The invention is based on the knowledge that it is possible to provide a compact, highly integrated module solution with small dimensions, which avoids the disadvantages mentioned in the prior art and, in particular, is more reliable in terms of manufacture, easier to assemble and is therefore particularly cost-effective.
Es gelingt, diverse Funktionalitäten bei gleichzeitig geringen Abmessungen zur Verfügung zu stellen.It is possible to provide various functionalities with small dimensions at the same time.
Das optische Modul und das optische System sind praktisch wartungsfrei. Besonders im Sinne der Kosteneinsparung ist auch, dass keine optische Justierung des optischen Moduls erforderlich ist, da diese durch die geometrische Gestaltung der Komponenten nunmehr verbessert vorliegt und da die Toleranzkette durch Minimierung der Schaltungsträgertoleranz auf ein Maß verkürzt ist bei gleichzeitig verbessertem fertigungstechnischem Handling.The optical module and the optical system are practically maintenance-free. Particularly in terms of cost savings, it is also no optical adjustment of the optical module is necessary, since this is now improved due to the geometric design of the components and because the tolerance chain is reduced to a measure by minimizing the circuit carrier tolerance, while at the same time improving the handling of the manufacturing technology.
Das Modul ist stabil und von hoher Qualität; zudem wird eine integrierte Lösung von Sensor und Optik in Modulbauweise zur Verfügung gestellt. Die Modulbauweise bewirkt, dass die Anzahl von Varianten reduziert wird, was im Sinne des stets angestrebten Gleichteilkonzeptes ist.The module is stable and of high quality; In addition, an integrated solution of sensor and optics in a modular design is provided. The modular design means that the number of variants is reduced, which is in line with the always sought-after common parts concept.
Insgesamt wird also eine integrierte Lösung mit Sensor und Optik sowie ggf. Beleuchtung und/oder Heizeinrichtung zurOverall, an integrated solution with sensor and optics as well as, if necessary, lighting and / or heating device is therefore used
Verfügung gestellt, die eine besonders kostengünstige Verbindung zwischen Optikmodul und Hauptplatine verwendet. Die Erfindung lässt sich besonders nützlich bei der Realisierung von Videosystemen, ggf. in Kombination mit Radarsystemen, Ultraschallsystemen oder dergleichen im Kraftfahrzeugbereich verwenden.Provided that uses a particularly inexpensive connection between the optics module and the main board. The invention can be used particularly useful in the implementation of video systems, possibly in combination with radar systems, ultrasound systems or the like in the automotive field.
Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsformen beispielhaft erläutert .The invention will now be explained by way of example with reference to the accompanying drawings using preferred embodiments.
Es zeigen schematisch:They show schematically:
Fig. 1 eine erste perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen optischen Moduls;1 shows a first perspective illustration of an optical module according to the invention;
Fig. 2 eine zweite perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen optischen Moduls;2 shows a second perspective illustration of an optical module according to the invention;
Fig. 3 eine dritte perspektivische teilweise geschnittene Darstellung eines erfindungsgemäßen optischen Mo- duls;3 shows a third perspective, partially sectioned illustration of an optical module according to the invention;
Fig. 4 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Schaltungsträgers des erfindungsgemäßen Moduls, umfassend einen dünnen und einen rahmenförmig ausgebildeten dicken Bereich;4 shows a first exemplary embodiment of a circuit carrier of the module according to the invention, comprising a thin and a frame-shaped thick region;
Fig. 5 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Schaltungsträgers des erfindungsgemäßen Moduls, umfassend einen dünnen und einen u-förmig ausgebildeten dicken Bereich;5 shows a second exemplary embodiment of a circuit carrier of the module according to the invention, comprising a thin and a U-shaped thick region;
Fig. 6 eine perspektivische Explosionsdarstellung eines erfindungsgemäßen optischen Moduls; Fig. 7 eine erste Schnittansicht eines erfindungsgemäßen optischen Moduls;6 shows an exploded perspective view of an optical module according to the invention; 7 shows a first sectional view of an optical module according to the invention;
Fig. 8 einen ersten Linsenhalter eines erfindungsgemäßen optischen Moduls mit partiell ausgebildeten Ab- stützelementen;8 shows a first lens holder of an optical module according to the invention with partially formed supporting elements;
Fig. 9 einen zweiten Linsenhalter eines erfindungsgemäßen optischen Moduls mit alternativ partiell ausgebildeten Abstützelementen;9 shows a second lens holder of an optical module according to the invention with alternatively partially designed supporting elements;
Fig. 10 einen dritten Linsenhalter eines erfindungsgemäßen optischen Moduls mit einem umlaufenden Abstützring;10 shows a third lens holder of an optical module according to the invention with a circumferential support ring;
Fig. 11 eine zweite Schnittansicht eines optischen Modul mit einem Linsenhalter gemäß Fig. 10; undFIG. 11 shows a second sectional view of an optical module with a lens holder according to FIG. 10; and
Fig. 12 eine dritte Schnittansicht eines optisches Modul nach der Erfindung.12 shows a third sectional view of an optical module according to the invention.
Bei der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.In the following description of the preferred embodiments of the present invention, identical reference symbols designate identical or comparable components.
Fig. 1 zeigt eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen optischen Moduls. In dem dargestellten zusammengebauten Zustand des optischen Moduls sind ein Linsenhalter 14 und ein Schaltungsträger 10 umfassend einen ersten dünnen Bereich 10a und einen zweiten dicken Bereich 10b. Unter dem weiterhin zu erkennenden Globtop 26 ist ein (nicht sichtbares) lichtempfindliches Halbleiterelement angeordnet, das hier als sog. Flip-Chip 12 aufgebracht ist, was den Vorteil hat, dass keine zusätzlichen Toleranzen innerhalb des Sensors bzw. Bauelements (z.B. Träger Chip, Klebstoff, etc.) dazu kommen. An dem entgegengesetzten Ende des dünnen Bereichs 10a des Schaltungsträgers 10 ist dieser mit Lötpads 28 versehen, so dass ohne Bemühung einer weiteren elektrischen Verbindung ein Kontakt zwischen dem optischen Modul und einer (nicht dargestellten) starren Schaltungsplatine, beispielsweise durch Bügellöten unter Verwendung der Lötpads 28 hergestellt werden kann. Alternativ hierzu kann, je nach Ausgestaltung des Schaltungsträgers 10 und/oder Zweckdienlichkeit, eine entsprechende elektrische Verbindung auch durch ein Flachkabel 36, wie z.B. in Fig. 2 dargestellt, realisiert sein. An der dem Globtop 26 entgegengesetzten Seite des optischen Moduls sind Ausnehmungen und darin angeordnete Leuchtdioden 38 zu erkennen.1 shows a perspective view of an optical module according to the invention. In the assembled state of the optical module shown, there are a lens holder 14 and a circuit carrier 10 comprising a first thin region 10a and a second thick region 10b. A (not visible) light-sensitive semiconductor element, which is applied here as a so-called flip chip 12, is arranged under the globtop 26, which can also be seen, which is the advantage has that there are no additional tolerances within the sensor or component (e.g. carrier chip, adhesive, etc.). At the opposite end of the thin region 10a of the circuit carrier 10, the latter is provided with solder pads 28, so that contact is made between the optical module and a rigid circuit board (not shown), for example by iron soldering using the solder pads 28, without the need for any further electrical connection can be. As an alternative to this, depending on the configuration of the circuit carrier 10 and / or expediency, a corresponding electrical connection can also be implemented by a flat cable 36, as shown, for example, in FIG. 2. Recesses and light-emitting diodes 38 arranged therein can be seen on the side of the optical module opposite the globtop 26.
Fig. 2 zeigt eine zweite perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen optischen Moduls. Hier ist eine spezielle wechselnde Anordnung der Leuchtdioden 38 um eine für den Strahlungseintritt vorgesehene Linse 20 erkennbar.2 shows a second perspective illustration of an optical module according to the invention. A special alternating arrangement of the light-emitting diodes 38 around a lens 20 provided for the radiation entry can be seen here.
Fig. 3 zeigt eine perspektivische, teilweise geschnittene Darstellung eines erfindungsgemäßen optischen Moduls. Hier ist das Innere des Linsenhalters 14 zu erkennen. Zur Be- Schreibung dieser Anordnung wird gleichzeitig auf Fig. 6 verwiesen, die eine Explosionsdarstellung des erfindungsgemäßen optischen Moduls zeigt, sowie auf Fig. 7, die das optische Modul in Schnittansicht darstellt, jedoch mit einer um eine Blende 21 erweiterten Linsenanordnung 16, 18, 20.3 shows a perspective, partially sectioned illustration of an optical module according to the invention. The interior of the lens holder 14 can be seen here. For a description of this arrangement, reference is made simultaneously to FIG. 6, which shows an exploded view of the optical module according to the invention, and to FIG. 7, which shows the optical module in a sectional view, but with a lens arrangement 16, 18 expanded by a diaphragm 21, 20th
In den Linsenhalter 14 nach Fig. 3 sind drei Linsen 16, 18, 20 eingesetzt. Die Linsen 16, 18, 20 bzw. die in Fig. 7 dargestellt Blende 21 sind so geformt, dass sie relativ zueinan- der eine definierte Lage innerhalb des Linsenhalters 14 annehmen. Weiterhin ist mindestens eine der Linsen so ausgestaltet, dass sie mit dem Linsenhalter 14 zusammenwirkt und so auch eine definierte Lage bezüglich des Linsenhalters 14 und letztlich bezüglich des Halbleiterelementes 12 einnimmt. Auf diese Weise sind alle Linsen 16, 18, 20 bezüglich des Halbleiterelementes 12 justiert. Diese Justierung wird durch weitere Maßnahmen nicht beeinflusst, da der Linsenhalter 14 direkt im dünnen Bereich 10a des Schaltungsträgers auf diesem angeordnet wird.Three lenses 16, 18, 20 are inserted into the lens holder 14 according to FIG. 3. The lenses 16, 18, 20 or the diaphragm 21 shown in FIG. 7 are shaped in such a way that they are relative to one another who assume a defined position within the lens holder 14. Furthermore, at least one of the lenses is designed such that it cooperates with the lens holder 14 and thus also assumes a defined position with respect to the lens holder 14 and ultimately with respect to the semiconductor element 12. In this way, all lenses 16, 18, 20 are adjusted with respect to the semiconductor element 12. This adjustment is not influenced by further measures, since the lens holder 14 is arranged directly in the thin region 10a of the circuit carrier.
Die Verbindung zwischen dem Halbleiterelement 12 und dem Schaltungsträger 10a erfolgt durch Flip-Chip-Technik, indem eine Lötverbindung über Löt-Bumps 30 hergestellt wird. An- schließend kann die Verbindung mit einem Underfill verstärkt werden. Damit elektromagnetische Strahlung von der auf der zur Bestückfläche des Schaltungsträgers 10 abgewandten Seite angeordneten Linsenanordnung 16, 18, 20; 21 zum Halbleiterelement 12 gelangen kann, weist der dünne Bereich 10a eine Öffnung 24 auf. Durch diese Öffnung 24 kann elektromagnetische Strahlung zu einer auf elektromagnetische Strahlung empfindlichen Fläche 34 des Halbleiterelements 12 gelangen.The connection between the semiconductor element 12 and the circuit carrier 10a takes place by means of flip-chip technology in that a soldered connection is made via solder bumps 30. The connection can then be reinforced with an underfill. So that electromagnetic radiation from the lens arrangement 16, 18, 20; arranged on the side facing away from the mounting surface of the circuit carrier 10; 21 can reach the semiconductor element 12, the thin region 10a has an opening 24. Through this opening 24, electromagnetic radiation can reach a surface 34 of the semiconductor element 12 that is sensitive to electromagnetic radiation.
Das Halbleiterelement 12 kann - der gegenwärtigen Technik entsprechend - als CMOS oder CCD ausgelegt sein. Es kann zusätzlich oder neben der Lötverbindung 30 auch eine Klebeverbindung vorgesehen sein. Zur Verstärkung kann ein Underfill (nicht dargestellt) appliziert werden. Um das teure Halbleiterelement 12 gegen Umwelteinflüsse und/oder Fremdlichtstrah- lung von hinten zu schützen, wird ein Globtop 26 vorgesehen. Um bei, insbesondere starken, Temperaturschwankungen eine Entlüftung des optischen Moduls zu gestatten, kann eine Öffnung zum Entlüften vorgesehen sein. Ebenfalls ist es möglich, ein Klebe-DAE (Klebe-Druckausgleichselement) auf einer Öffnung (nicht dargestellt) anzuordnen.The semiconductor element 12 can - according to the current technology - be designed as a CMOS or CCD. In addition or in addition to the soldered connection 30, an adhesive connection can also be provided. An underfill (not shown) can be applied for reinforcement. In order to protect the expensive semiconductor element 12 against environmental influences and / or extraneous light radiation from behind, a glob top 26 is provided. In order to permit ventilation of the optical module in the event of, in particular, strong temperature fluctuations, an opening for ventilation can be provided. It is also possible to arrange an adhesive DAE (adhesive pressure compensation element) on an opening (not shown).
Erfindungsgemäß weist das optische Modul einen speziell ausgebildeten Schaltungsträger 10 auf, umfassend einen dünnen Bereich 10a und einen den dünnen, relativ empfindlichen, Bereich 10a wie in einem Rahmen halternden dicken Bereich 10b, wobei vorzugsweise der dünnen Bereich 10a ein Halbleiterelement 12 trägt.According to the invention, the optical module has a specially designed circuit carrier 10, comprising a thin region 10a and a thick region 10b holding the thin, relatively sensitive region 10a as in a frame, preferably the thin region 10a carrying a semiconductor element 12.
Fig. 4 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Schaltungsträgers 10 des erfindungsgemäßen Moduls, umfassend einen dünnen 10a und einen rahmenförmig ausgebildeten dicken 10b Bereich.4 shows a first exemplary embodiment of a circuit carrier 10 of the module according to the invention, comprising a thin 10a and a frame-shaped thick 10b region.
Fig. 5 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines Schaltungsträgers 10 des erfindungsgemäßen Moduls, umfassend einen dünnen 10a und einen u-förmig ausgebildeten dicken 10b Bereich .FIG. 5 shows a second exemplary embodiment of a circuit carrier 10 of the module according to the invention, comprising a thin 10a and a u-shaped thick 10b region.
Deutlich erkennbar jeweils ist, wie der dünne Bereich 10a vorteilhaft durch den u-förmig bzw. rahmenförmig ausgebildeten dicken Bereich 10b gehaltert ist.It can be clearly seen in each case how the thin region 10a is advantageously held by the u-shaped or frame-shaped thick region 10b.
Fig. 6 zeigt eine perspektivische Explosionsdarstellung des erfindungsgemäßen optischen Moduls einschließlich der Leuchtdioden 38, wobei in Fig. 6 die wechselseitige Anordnung deutlich dargestellt ist.FIG. 6 shows an exploded perspective view of the optical module according to the invention, including the light-emitting diodes 38, the mutual arrangement being clearly shown in FIG. 6.
Fig. 7 zeigt ein optisches Modul mit einer Linseneinheit, umfassend einen Linsenhalter 14, in den eine Linsenanordnung aus beispielsweise drei Linsen 16, 18, 20 und einer Blende 21 eingesetzt ist. Vorzugsweise sind die Linsen 16, 18, 20 und die Blende 21 zueinander und bezüglich des Linsenhalters 14 durch ihre geometrische Gestaltung eindeutig ausgerichtet, so dass keine weitere optische Justierung des Systems erforderlich ist. Der dicke Bereich 10b des Schaltungsträgers 10 hal- tert einen ersten Bereich 10a, welche beispielsweise eine Flex-Folie ist, welche ein auf elektromagnetische Strahlung empfindliches Halbleiterelement 12 trägt. Da der Linsenhalter 14 im dünnen Bereich 10a der Leiterplatte 10, welcher allenfalls eine äußerst geringer Toleranz aufweist, beispielsweise über eine Klebe- oder Schraubverbindung oder dergleichen mit dem Schaltungsträger 10 verbunden ist, ist auch das Halbleiterelement 12 an definierter Position bezüglich den anderen optischen Elementen, das heißt insbesondere den Linsen 16, 18, 20 angeordnet. Beispielsweise am Linsenhalter 14 ausge- bildete Führungselemente und/oder -bohrungen 32 oder dergleichen erleichtern schließlich die exakte Positionierung von Schaltungsträger 10 zur Linseneinheit 14 oder umgekehrt.FIG. 7 shows an optical module with a lens unit, comprising a lens holder 14, into which a lens arrangement comprising, for example, three lenses 16, 18, 20 and an aperture 21 is inserted. The lenses are preferably 16, 18, 20 and the diaphragm 21 is clearly aligned with each other and with respect to the lens holder 14 by its geometric design, so that no further optical adjustment of the system is required. The thick region 10b of the circuit carrier 10 holds a first region 10a, which is, for example, a flex film which carries a semiconductor element 12 which is sensitive to electromagnetic radiation. Since the lens holder 14 is connected to the circuit carrier 10 in the thin region 10a of the printed circuit board 10, which at most has an extremely low tolerance, for example via an adhesive or screw connection or the like, the semiconductor element 12 is also in a defined position with respect to the other optical elements, that is, in particular the lenses 16, 18, 20 arranged. Guide elements and / or bores 32 or the like formed on the lens holder 14, for example, finally facilitate the exact positioning of the circuit carrier 10 relative to the lens unit 14 or vice versa.
Für die Realisierung des dicken 10b und des dünnen 10a Be- reichs sind verschiedene Ausführungen denkbar, insbesondere starre und flexible PCB, Multilayer FR4 und dünne PCB, ausfräsen auf eine genaues Maß, Realisierung in MID oder dergleichen. In allen Fällen wird der dünne, relativ empfindliche, Bereich 10a durch den zumindest abschnittsweise u lau- fenden verhältnismäßig starren Bereich 10b wie in einem Rahmen gehaltert bzw. gespannt. Die geringen Toleranzen zwischen PCB-Ober und -Unterseite werden durch den dünnen Bereich 10a des Schaltungsträgers, ggf. in Kombination mit zusätzlichen Maßnahmen wie abgestimmte Linsensysteme etc., erreicht.Various designs are conceivable for realizing the thick 10b and thin 10a areas, in particular rigid and flexible PCBs, multilayer FR4 and thin PCBs, milling out to an exact dimension, realization in MID or the like. In all cases, the thin, relatively sensitive area 10a is held or stretched as if in a frame by the relatively rigid area 10b running at least in sections. The small tolerances between the top and bottom of the PCB are achieved by the thin area 10a of the circuit carrier, possibly in combination with additional measures such as coordinated lens systems etc.
Der Kontakt zwischen Linsenhalter 14 und Schaltungsträger 10 erfolgt im dünnen Bereich 10a. Fig. 8 und 9 zeigen diesbezüglich einen Linsenhalter mit partiellen Abstützungen 39. Fig. 10 zeigt einen Linsenhalter 14 mit einem umlaufenden Ab- stützring 39, welcher zugleich die Linseneinheit 14; 16, 18, 20; 21 gegenüber dem Schaltungsträger 10 und umgekehrt in vorteilhafter Weise abdichtet. Dieser ist in Fig. 11 in einer Schnittansicht dargestellt.The contact between the lens holder 14 and circuit carrier 10 takes place in the thin area 10a. 8 and 9 show a lens holder with partial supports 39 in this regard. 10 shows a lens holder 14 with a circumferential support ring 39, which at the same time the lens unit 14; 16, 18, 20; 21 seals against the circuit carrier 10 and vice versa in an advantageous manner. This is shown in Fig. 11 in a sectional view.
Fig. 12 schließlich zeigt einen nach der Erfindung ausgebildeten Schaltungsträger 10 mit einer Aussparung 10a in Rich- tung Flip-Chip 12. Bei diesem Ausführungsbeispiel brauchen in vorteilhafter Weise keine Abstützelemente am Linsenhalter 14 ausgebildet werden. Auch ein derartiger Schaltungsträger 10 bietet ein verbessertes EVM-Verhalten.Finally, FIG. 12 shows a circuit carrier 10 designed according to the invention with a cutout 10a in the direction of the flip chip 12. In this exemplary embodiment, no support elements need advantageously be formed on the lens holder 14. Such a circuit carrier 10 also offers improved EVM behavior.
Die vorliegende Erfindung erlaubt in vorteilhafter Weise.The present invention advantageously allows.
Flip-Chip Bauelemente 12 auf einer dünnen, stabil gehalterten planen Ebene 10a zu montieren. Sie ermöglicht neben einer einfachen Nutzenverarbeitung insb. auch mehrere Lagen um den Flip-Chip z.B. FR4 Layer zu nutzen, was sich positiv auf die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) sowie auf das sog. Routing insgesamt auswirkt. Sie erlaubt darüber hinaus in vorteilhafter Weise eine Integration von Flip-Chip Trägern und Elektronikeinheit auf einem einzigen Schaltungsträger 10.To mount flip-chip components 12 on a thin, stable plane 10a. In addition to simple processing of benefits, it also enables multiple layers around the flip chip, e.g. Use FR4 layers, which has a positive effect on electromagnetic compatibility (EMC) and on the so-called routing as a whole. In addition, it advantageously allows an integration of flip-chip carriers and electronics unit on a single circuit carrier 10.
Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein. Sie eignet sich insbesondere bei Anwendungen im Innen- und/oder Außenbereich eines Kraftfahrzeugs. The features of the invention disclosed in the above description, in the drawings and in the claims can be essential both individually and in any combination for realizing the invention. It is particularly suitable for applications in the interior and / or exterior of a motor vehicle.

Claims

Patentansprüche claims
1. Optisches Modul mit einem Schaltungsträger (10) ; - einem mittels Flip-Chip-Technik auf dem Schaltungsträger (10) angeordneten ungehäusten Halbleiterelement (12) ; und einer Linseneinheit (14; 16, 18, 20; 21) zum Proji- zieren von elektromagnetischer Strahlung auf das Halbleiterelement (12); wobei die Linseneinheit (14; 16, 18, 20; 21) einen Linsenhalter (14) und eine Linsenanordnung (16, 18, 20; 21) mit mindestens einer Linse umfasst, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , - dass der Schaltungsträger (10) wenigstens einen dünnen Bereich (10a) und einen den dünnen Bereich (10a) halternden dicken Bereich (10b) aufweist.1. Optical module with a circuit carrier (10); - An unhoused semiconductor element (12) arranged on the circuit carrier (10) by means of flip-chip technology; and a lens unit (14; 16, 18, 20; 21) for projecting electromagnetic radiation onto the semiconductor element (12); wherein the lens unit (14; 16, 18, 20; 21) comprises a lens holder (14) and a lens arrangement (16, 18, 20; 21) with at least one lens, characterized in that - the circuit carrier (10) has at least one thin area (10a) and a thick area (10b) holding the thin area (10a).
2. Optisches Modul nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Linsenhalter (14) im dünnen Bereich (10a) des Schaltungsträgers (10) abgestützt angeordnet ist.2. Optical module according to claim 1, so that the lens holder (14) is arranged supported in the thin region (10a) of the circuit carrier (10).
3. Optisches Modul nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass in oder benachbart eines dünnen Bereichs (10a) des Schaltungsträgers (10) auch das Halbleiterelement (12) angeordnet ist.3. Optical module according to claim 1 or 2, so that the semiconductor element (12) is also arranged in or adjacent to a thin region (10a) of the circuit carrier (10).
4. Optisches Modul nach Anspruch 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der dicke Bereich (10b) wenigstens teilweise U- formig, L-formig, F- oder E-gabelformig oder rahmenförmig ausgebildet ist.4. Optical module according to claim 1 to 3, characterized in that the thick area (10b) is at least partially U-shaped, L-shaped, F- or E-fork-shaped or frame-shaped.
Optisches Modul nach einem der vorherigen Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der dicke Bereich (10b) starr ausgebildet ist, beispielsweise als mehrlagiges Printet Circuit Board (PCB), sog. Multilayer oder FR 4-Leiterplatte .Optical module according to one of the preceding claims, so that the thick region (10b) is rigid, for example as a multilayer printed circuit board (PCB), so-called multilayer or FR 4-circuit board.
Optisches Modul nach einem der vorherigen Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der dünne Bereich (10a) durch Aussparung oder Aus- frasen realisiert ist.Optical module according to one of the preceding claims, so that the thin area (10a) is realized by recessing or milling out.
7. Optisches Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der dünne (10a) Bereich und der dicke (10b) Bereich als Moulded Interconnected Device (MID) mit integrierten Leiterbahnen realisiert sind.7. Optical module according to one of claims 1 to 4, so that the thin (10a) area and the thick (10b) area are realized as a Molded Interconnected Device (MID) with integrated conductor tracks.
8. Optisches Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der dünne Bereich (10a) als flexible PCB und der dicke Bereich (10b) als starre PCB ausgebildet ist.8. Optical module according to one of claims 1 to 5, so that the thin region (10a) is designed as a flexible PCB and the thick region (10b) as a rigid PCB.
9. Optisches Modul nach einem der vorherigen Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass am Linsenhalter (14) zumindest partiell Abstutzele- mente (39) ausgebildet sind.9. Optical module according to one of the preceding claims, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that at least partially supporting elements (39) are formed on the lens holder (14).
10. Optisches Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Linsenhalter (14) mit dem Schaltungstrager (10) , vorzugsweise benachbart der Abstutzelemente (39) , verbunden ist; insbesondere verklebt, laserverschweißt, verschraubt oder vernietet.10. Optical module according to one of claims 1 to 9, characterized in that the lens holder (14) is connected to the circuit carrier (10), preferably adjacent to the support elements (39); in particular glued, laser welded, screwed or riveted.
11. Optisches Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der dicke zweite Bereich (10b) des Schaltungsträges (10) Teil der Linseneinheit bzw. des Linsenhalters (14) ist, wobei der Linsenhalter (14) vorzugsweise ein MID ("moulded interconnected device") mit integrierten Leiterbahnen ist.11. Optical module according to one of claims 1 to 9, characterized in that the thick second region (10b) of the circuit carrier (10) is part of the lens unit or of the lens holder (14), the lens holder (14) preferably being a MID (" molded interconnected device ") with integrated conductor tracks.
12. Optisches Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Halbleiterelement (12) auf der der Linseneinheit abgewandten Seite des Schaltungstragers (10) angeordnet ist; und - dass der dünne Bereich (10a) im Schaltungstrager (10) eine Öffnung (24) aufweist, durch die elektromagnetische Strahlung von der Linsenanordnung (16, 18, 20; 21) auf das Halbleiterelement (12) proji- ziert wird.12. Optical module according to one of the preceding claims, that the semiconductor element (12) is arranged on the side of the circuit carrier (10) facing away from the lens unit; and - that the thin region (10a) in the circuit carrier (10) has an opening (24) through which electromagnetic radiation from the lens arrangement (16, 18, 20; 21) is projected onto the semiconductor element (12).
13. Optisches System mit einem optischen Modul nach einem der vorherigen Ansprüche. 13. Optical system with an optical module according to one of the preceding claims.
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