EP1665776A1 - Optisches modul und optisches system - Google Patents

Optisches modul und optisches system

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Publication number
EP1665776A1
EP1665776A1 EP04766782A EP04766782A EP1665776A1 EP 1665776 A1 EP1665776 A1 EP 1665776A1 EP 04766782 A EP04766782 A EP 04766782A EP 04766782 A EP04766782 A EP 04766782A EP 1665776 A1 EP1665776 A1 EP 1665776A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
support
lens
semiconductor element
optical module
lens unit
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Withdrawn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
EP04766782A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Danut Bogdan
Josef Dirmeyer
Henryk Frenzel
Harald Schmidt
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.)
Aumovio Germany GmbH
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
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, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Publication of EP1665776A1 publication Critical patent/EP1665776A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N23/00—Cameras or camera modules comprising electronic image sensors; Control thereof
    • H04N23/57—Mechanical or electrical details of cameras or camera modules specially adapted for being embedded in other devices
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B7/00—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements
    • G02B7/02—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements for lenses
    • G02B7/021—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements for lenses for more than one lens
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N23/00—Cameras or camera modules comprising electronic image sensors; Control thereof
    • H04N23/50—Constructional details
    • H04N23/55—Optical parts specially adapted for electronic image sensors; Mounting thereof
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F39/00—Integrated devices, or assemblies of multiple devices, comprising at least one element covered by group H10F30/00, e.g. radiation detectors comprising photodiode arrays
    • H10F39/80—Constructional details of image sensors
    • H10F39/804—Containers or encapsulations
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F77/00—Constructional details of devices covered by this subclass
    • H10F77/40—Optical elements or arrangements
    • H10F77/407—Optical elements or arrangements indirectly associated with the devices
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F77/00—Constructional details of devices covered by this subclass
    • H10F77/50—Encapsulations or containers

Definitions

  • the invention relates to an optical module with a circuit carrier, a housed semiconductor element arranged on the circuit carrier and a lens unit for projecting electromagnetic radiation onto the semiconductor element, the housed semiconductor element and the lens unit being designed in two pieces.
  • the invention further relates to an optical system with an optical module designed in this way.
  • the typical lifespan for systems in the vehicle is 10 to 15 years, whereby only extremely low failure rates are tolerated, so that the components of an optical one Systems of the type mentioned at the beginning are only allowed to show very slow aging.
  • the components sensor and optics must be geometrically very precisely coordinated.
  • the tolerance range for the distance from the camera chip to the optics in the z-axis is usually in the range of a few hundredths of a millimeter in order to achieve an optimally sharp image for a certain depth of field. This is particularly problematic for so-called fixed focus systems, since these may have little tolerance during manufacture.
  • An offset from the camera chip to the optics in the x or y axis also has the consequence that the optical system may "squint", i.e. the image is cut off at one edge (horizontal or vertical) because the offset means that there are no more pixels here and had to be provided as a precaution.
  • tilt ie tilting of the camera chip around the x or y axis
  • rotation ie a rotation about the z axis from the camera chip to the optics.
  • An adjustment step may also be necessary for the xy offset or, if this does not take place, a correspondingly larger sensor can be provided which compensates for the tolerances by adding more pixels. It is also known to use software to calculate or calibrate the "rotation". Since otherwise sharp image information is available, the pixels only have to be reassigned in a type of "calibration process". However, there can be no more information at the edges or corners because they have been cut off. Finally, a purely mechanical reduction of "tilt" and "rotation" between the chip and the optics can usually only be achieved with high-precision manufacturing and
  • Cameras for specific low cost applications such as Automotive, industry, digital cameras, cell phones, toys etc., however, should be able to be produced from cost and quality assurance aspects without any adjustment processes between the optics and the camera chip, i.e. without adjusting the focus to the optical surface of the CMOS or CCD sensor. This is fundamentally contrary to the requirements mentioned.
  • One possibility to develop a focus-free system is to reduce the sum of the possible tolerances and elements, so that the module or system can be designed without adjustment. works at least in a certain distance and temperature range.
  • sharp images should be ensured 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.
  • With housed semiconductor elements have msb. the necessary solder and possibly adhesive connections or the like between chip and circuit carrier make up a large proportion in the tolerance chain.
  • the lens holder itself which preferably consists of plastic, can be connected to the lens arrangement in various ways, so that an exact optical alignment of the lens arrangement and the semiconductor element with respect to the lens holder or the lens arrangement can always be ensured.
  • the camera chip or the semiconductor element being mounted in a housing on a suitable circuit carrier, it is difficult to avoid the problems mentioned in their entirety and at the same time to avoid the problems mentioned To meet quality requirements.
  • the chip housing offers sufficient protection from behind, for example for the silicon which is transparent to IR radiation.
  • the lens itself needs to be adjusted to the camera chip and have a defined focus. This is currently done by means of tolerance-related fixing options, for example by screwing, gluing or the like, by means of which the lens is fixed on the circuit carrier relative to the camera chip.
  • the invention has for its object to provide an optical module and an optical system with a housed semiconductor element arranged on a circuit carrier, in which the possible tolerance chain is minimized so that reliable optical quality without adjustment and in particular focusing effort can be made available and is maintained over the life of the module or system.
  • necessary measures against external light radiation or other environmental influences from the front should be avoided as far as possible.
  • the invention is based on the generic optical module in that a support is formed at least in sections on the housing of the semiconductor element, on which a lens unit is arranged in a supported manner.
  • This can be easily achieved, especially when using injection-molded plastic housings, since in addition to the actual housing shape, in particular the edge area can be designed in almost any way, in particular as a defined reference plane, in particular in relation to the chip.
  • the tolerance range available for focusing is kept as small as possible so that this only includes manufacturing tolerances of the support and the lens unit.
  • the proposed solution has the advantage that the direct contact of the lens unit and the housed chip greatly prevents the incidence of extraneous light from the side.
  • the support is preferably in the form of an annular collar, but at least partially tilt-free, which not only advantageously maintains the distance and thus the focus area to the required extent, but also reduces tilting of the components to one another to a minimum.
  • the lens unit comprises a support lens, the lens unit being supported by the support lens.
  • a design of the support lens is selected which comprises a flat section which is designed to correspond to the support, for example plan at least in sections, and which lies on the supports formed on the housing of the semiconductor element.
  • the lens unit comprises a lens holder, wherein the lens unit is supported by the lens holder.
  • a design of the lens holder is selected which comprises a flat section which is correspondingly designed for support, for example at least sectionally planned, and which rests on the supports formed on the housing of the semiconductor element.
  • the support on the lens holder further advantageously reduces the support due to the support acting on the outside Overturning. It also allows the formation of smaller modules as modules with support via a support lens.
  • the support lens or lens holder preferably has a collar, at least in sections, which is part of the lens and is essentially designed to correspond to a contact surface formed on the support.
  • a collar at least in sections, which is part of the lens and is essentially designed to correspond to a contact surface formed on the support.
  • an abutment surface is formed at least in sections on the support.
  • the contact surface may be tapered, or in a further development may be tapered, in particular conical, when viewed from the semiconductor element in the direction of the optical axis of the module.
  • a type of self-centering can advantageously take place, which ensures exact positioning of the optics relative to the chip with respect to the x and y axes and also reduces the "tilt" to a minimum.
  • the invention also 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 in the context of an overall system.
  • the invention is based on the knowledge that the formation of a support, at least in sections, directly on the housing of a housed semiconductor element, even with Usually housed semiconductor chips, in which only the component to a standard SMD is populated regardless of the optics, a camera module can be built up in which any mechanical focus adjustment can be dispensed with.
  • the module can be manufactured fully automatically, which has the advantage of reducing the manufacturing and assembly costs for large numbers of pieces.
  • the optical module can be developed without moving parts such as threads or fixing screws, which leads to higher reliability. Due to the small tolerances of the structure in the x and y axes, the chip surface does not have to be unnecessarily large, which makes the camera chip cheaper.
  • the construction of such a module can be made relatively compact, which has the advantage that the camera module can also be used in applications where space is limited.
  • the integrative structure also advantageously offers protection against extraneous light radiation.
  • 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 motor vehicle sector.
  • FIG. 1 shows a sectional view of an optical module according to the invention
  • FIG. 2 shows an enlarged section X of the module according to FIG. 1;
  • FIG. 3 shows a semiconductor element designed according to the invention.
  • Figures 1 to 3 show in different sections and perspectives an optical module with a circuit carrier 10; a housed semiconductor element 12 arranged on the circuit carrier 10 and a lens unit 14; 16, 18, 20; 21 for projecting electromagnetic radiation onto the semiconductor element 12.
  • the lens unit 14; separately formed for the housed semiconductor element (12); 16, 18, 20; 21 comprises a lens holder 14 and a lens arrangement 16,
  • a support 13a is formed on the housing 13 of the semiconductor element 12, at least in sections, on which the lens unit 14; 16, 18, 20; 21 is arranged trimmed.
  • the support of the lens unit 14; 16, 18, 20; 21 takes place either via the lens 16, which is preferably designed as a so-called support lens 16, or the lens holder (not shown).
  • support lens 16 or lens holder have, at least in sections, a flat section 16a which corresponds to the support 13a and is, for example, planar in the figures and rests on the support 13a formed on the housing 13 of the semiconductor element 12.
  • the support lens 16 or the lens holder has, at least in sections, a collar 16b which is essentially designed to correspond to a contact surface 13b formed on the support 13a.
  • the support 13a is therefore preferably in the form of an annular collar 13a.
  • the contact surface 13b of the annular collar 13a is preferably conical, so that not only for automated production, a type of self-centering of adjacent components, in the present case of lens 16 and support 13a, is more easily made possible.
  • the optical quality can be improved by a lens with a plurality of lenses, which is also possible within the scope of the present invention, in particular since it is possible to work with small tolerances.
  • fluctuations in the lens arrangement 16, 18, 20; 21 in the Z direction that is, in the direction in which the lenses follow one another, practically excluded.
  • the tolerances are only from the lens arrangement 16, 18, 20; 21 itself dependent.
  • the relative positions of the lenses to one another are determined by the geometry of the lenses 16, 18, 20 and, if appropriate, diaphragms 21 themselves.
  • the arrangement of the lenses can also be determined in the XY direction by the lenses themselves, namely that contact surfaces of the lenses or diaphragms are designed accordingly.
  • the lenses 16, 18, 20 or diaphragms 21 held in the lens holder 14 are therefore preferably shaped such that they assume a defined position within the lens holder 14 relative to one another.
  • at least one of the lenses 20 is designed in such a way that it interacts with the lens holder 14 and thus also assumes a defined position with respect to the semiconductor element 12. In this way, all lenses 16, 18, 20 are adjusted with respect to the semiconductor element 12.
  • the lens holder 14 is connected to the circuit carrier 10, for example via a screw connection 23.
  • the housed semiconductor element 12 is arranged on the circuit carrier 10 via lead frames 30.
  • an adhesive bond 22 or other known connection techniques can be provided.
  • the lens holder (not shown). Since the lenses determine their relative positions with one another, it is sufficient to fix exactly one lens or diaphragm with the lens holder. In this way, the entire lens arrangement is aligned with respect to the semiconductor element, as a result of which the advantageous optical quality can ultimately be ensured.
  • the exactly one lens is connected to the lens holder in a watertight and dustproof manner.
  • the foremost lens is advantageously selected as the lens which interacts with the lens holder for sealing. This can be done, for example, in such a way that the exactly one lens is connected to the lens holder by ultrasound, laser welding and / or adhesive methods. that is, optionally alternatively or cumulatively using screws and / or putty.
  • the lens arrangement is snapped into the area holding the lenses via latching means (likewise not shown). This also ensures exact positioning. It should also be emphasized that this makes it easier to separate between the lenses and the other components, in particular the expensive semiconductor element.
  • the sealing effect is provided in a particularly advantageous manner, in particular in connection with snap mounting, in that the lenses have a hard and a soft component, the soft component being arranged on the circumference of the lenses for sealing.
  • the soft component also supports the general requirement that when snapping be careful not to introduce tension into the lenses; Tensions have always had a negative impact on the optical properties.
  • the lens arrangement 16, 18, 20; 21 is held in the lens holder 14 via a holding element 15 (molded ring).
  • the holding element 15 preferably has a hard 15a and at least in sections a permanently elastic component 15b.
  • a permanently elastic component 15b which is preferably circumferentially formed, can also be used, in particular, to seal the lens arrangement 16, 18, 20; 21 serve against moisture and dirt - in addition to their own balancing function of any mechanical and / or thermal stresses that may occur.
  • the permanently elastic component 15b is preferably formed on the circumference adjacent to the lens 20.
  • the holding element 15 is arranged on the area 14 holding the lenses, for example ultrasound or laser-welded, glued, riveted, molded or by means of another similarly easily automatable connection method.
  • the hard component 15a of the retaining ring 15 preferably contains a thermoplastic material. Accordingly, a permanently elastic component 15b, which preferably contains thermoplastic elastomers (TPE) or silicone or the like, has been retained. In order to provide a uniform and easy-to-use component 15, the permanently elastic component 15b is preferably molded onto the hard component 15a or vice versa, for example by a two-component injection molding process.
  • TPE thermoplastic elastomers
  • the module can be connected to a rigid circuit board using a flexible printed circuit board or, in particular, when using a flexible circuit board as a circuit carrier (the latter are also referred to as rigid-flex systems), in particular (for example, by means of solder plugs) , In terms of angle and position, etc., this is a particularly flexible solution for connecting the circuit carrier 10 or the module to a controller or circuit board (not shown).
  • the invention allows one directly on the housing 13 package semiconductor element 12, the construction of a camera module, in which any mechanical focus adjustment can be dispensed with in principle.
  • the module can be manufactured fully automatically, which has the advantage of reducing the manufacturing and assembly costs for large quantities.
  • the optical module can be developed without moving parts such as threads or fixing screws, which leads to greater reliability.
  • the chip surface does not have to be unnecessarily large, which makes the camera chip cheaper.
  • the construction of such a module can be made relatively compact, which has the advantage that the camera module can also be used in applications where space is limited.
  • the structure offers the possibility to design a hermetically sealed module that is well protected against environmental influences such as moisture or dust.

Landscapes

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches Modul mit einem Schaltungsträger (10); einem auf dem Schaltungsträger (10) angeordneten gehäusten Halbleiterelement (12); und einer Linseneinheit (14; 16, 18, 20; 21) zum Projizieren von elektromagnetischer Strahlung auf das Halbleiterelement (12). Die zum gehäusten Halbleiterelement (12) separat ausgebildete Linseneinheit (14; 16, 18, 20; 21) umfasst bevorzugt eine Linsenanordnung aus beispielsweise drei Linsen (16, 18, 20) und einer Blende (21). Vorzugsweise sind die Linsen (16, 18, 20) nebst ggf. Blende (21) durch ihre geometrische Gestaltung eindeutig ausgerichtet, so dass einerseits keine weitere optische Justierung erforderlich ist. Erfindungsgemäss ist am Gehäuse (13) des Halbleiterelements (12) wenigstens abschnittsweise eine Abstützung (13a) ausgebildet, auf welcher die Linseneinheit (14; 16, 18, 20; 21) abgestützt angeordnet ist. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch die Ausbildung einer Abstützung (13a) direkt am Gehäuse (13) eines gehäusten Halbleiterelements (12) auch mit klassischerweise gehäusten Halbleiterchips ein Kameramodul aufbaubar ist, bei dem auf jegliche mechanische Fokuseinstellung verzichtet werden kann. Die Erfindung eignet sich insbesondere bei Anwendungen im Innen- oder Aussenbereich eines Kraftfahrzeugs.

Description

Beschreibung
Optisches Modul und optisches System
Die Erfindung betrifft ein optisches Modul mit einem Schaltungstrager, einem auf dem Schaltungstrager angeordneten gehausten Halbleiterelement und einer Linseneinheit zum Projizieren von elektromagnetischer Strahlung auf das Halbleiterelement, wobei das gehauste Halbleiterelement und die Linsen- emheit zweistuckig ausgebildet sind.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein optisches System mit einem derartig ausgebildeten optischen Modul.
Gattungsgemaße optische Module und Systeme kommen insbesondere in der Kraftfahrzeugtechnik zum Einsatz.
Dabei kann mit elektromagnetischer Strahlung aus verschiedenen Freguenzbereichen gearbeitet werden, wobei kumulativ zum sichtbaren Licht, mit welchem typischerweise Anwendungen im Außenraum eines Kraftfahrzeuges wie Lane Departure Warnmg (LD ) , Blind Spot Detection (BSD) oder Rear View Cameras arbeiten, insbesondere die für Menschen unsichtbare Infrarotstrahlung bei Anwendungen im Innenraum eines Kraftfahrzeuges wie Out of Position Detection (OOP) oder bei zusatzlichen Außenbeleuchtungen eines Night Vision Systems bevorzugt wird.
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 toleriert werden, so dass auch die Komponenten eines optischen Systems der eingangs genannten Art eine nur sehr langsame Alterung zeigen dürfen.
Da in vielen Fallen der Einbauraum von optischen Modulen bzw. optischen Systemen sehr begrenzt ist, existieren zusatzliche Schwierigkeiten bei der Realisierung der optischen Systeme. Mit herkömmlichen Mitteln ist es daher extrem schwierig, eine hermetisch abgedichtete zuverlässige Einheit aus einem Kamerachip (CCD- oder CMOS-Sensor) und einer Optik aufzubauen.
Um für ein Kamerasystem, bestehend aus einem Bildsensor (derzeit CCD oder CMOS) und einem Linsensystem ausreichende Bildscharfe zu erreichen, müssen die Komponenten Sensor und Optik geometrisch sehr genau aufeinander abgestimmt werden. Der To- leranzbereich für den Abstand von Kamerachip zur Optik in z- Achse liegt üblicherweise im Bereich von wenigen hundertstel Millimetern, um für einen bestimmten Tiefenschärfebereich ein optimal scharfes Bild zu erreichen. Dies ist vor allem für so genannte Fixfokussysteme problematisch, da diese bei der Fer- tigung allenfalls gering Toleranz behaftet sein dürfen. Ein Versatz von Kamerachip zur Optik in x- bzw. y-Achse hat zusatzlich zur Folge, dass das optische System unter Umständen "schielt", d.h. an jeweils einer Kante (horizontal oder vertikal) das Bild abgeschnitten wird, da durch den Versatz hier keine Pixel mehr vorhanden sind und vorsorglich bereitgestellt werden mussten.
Ein weiteres Problem stellt der sog. "Tilt" dar, d.h. eine Verkippung des Kamerachips um die x- bzw. y-Achse, was zu Folge hat, dass das Bild einen Unscharfegradienten in horizontaler bzw. vertikaler Richtung aufweist. Daneben kann es noch eine "Rotation" ergeben, d.h. eine Verdrehung um die z- Achse von Kamerachip zu Optik. Nahezu alle bisher auf den Markt befindlichen Kamerasysteme, die mit einer festen Fokuseinstellung ausgeliefert werden, benotigen wahrend der Fertigung einen zusätzlichen Abglei- chungsschritt, bei welchem der Abstand von Kamerachip zur Optik entlang der z-Achse eingestellt und auf diesem Wert fixiert wird. Dies geschieht beispielsweise durch ein Gewinde und eine entsprechende Feststellschraube oder eine Klebever- bindung. Auch für den x-y-Versatz kann ein Abgleichsschritt notwenig sein oder, wenn dieser nicht erfolgt, ein entsprechend größerer Sensor vorgesehen werden, der die Toleranzen durch ein Mehr an Pixel ausgleicht. Es ist auch bekannt, die "Rotation" per Software herauszurechnen bzw. zu kalibrieren. Da ansonsten scharfe Bildinformation vorliegen, müssen die Pixel nur in einer Art "Eichvorgang" neu zugewiesen werden. Allerdings können an den Randern bzw. Ecken gerade keine Informationen mehr vorliegen, weil diese abgeschnitten sind. Eine rein mechanische Reduzierung schließlich von "Tilt" und "Rotation" zwischen Chip und Optik lasst sich bei üblichen Systemen in der Regel nur durch hochprazise Fertigung und
Montage bzw. durch einen Abgleich der Komponenten erreichen.
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 Justagevorgange zwischen Optik und Kamerachip herstellbar sein, also ohne Einstellungen des Focus auf die optische Flache des CMOS- oder CCD-Sensors. Dies steht den genannten Anforderungen grundsatzlich 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 zu- mindest in einem bestimmten Entfernungs- und Temperaturbereich funktioniert. Bei Verwendung der Erfindung beispielsweise im Rahmen eines Insassenschutzsystems eines Kraftfahrzeuges, auf welches die vorliegende Erfindung jedoch nicht beschrankt 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 gewahrleistbar sein. Dies ist um so eher realisierbar, je weniger Elemente in die Toleranzkette mit eingehen. Bei gehausten Halbleiterelementen besitzen msb. die notwendigen Lot- und ggf. Klebeverbindungen oder dergleichen zwischen Chip und Schaltungstrager einen großen Anteil in der Toleranzkette.
Bei Verwendung von nur einer Linse wird vermieden, dass zu- satzliche optische Toleranzen durch einen komplizierten Linsenaufbau bewirkt werden. Der, vorzugsweise aus Kunststoff bestehende, Linsenhalter selbst kann in verschiedener Weise mit der Linsenanordnung verbunden werden, so dass stets eine exakte optische Ausrichtung der Linsenanordnung und des Halb- leiterelementes in Bezug auf den Linsenhalter beziehungsweise die Linsenanordnung sichergestellt werden kann.
Dennoch ist bei Systemen, die weitgehend einen klassischen Aufbau aus Objektiv und Kamerachip aufweisen, wobei der Kame- rachip bzw. das Halbleiterelement in einem Gehäuse auf einem geeigneten Schaltungstrager aufgebracht ist, es schwierig, die genannten Probleme in ihrer Gesamtschau zu umgehen und gleichzeitig die genannten Qualitatsanforderungen zu erfüllen. Zwar sind bei gehausten Halbleiterchips nur besondere Maßnahmen gegen Fremdlichtstrahlung oder anderer Umwelteinflüsse von vorne zu ergreifen, da das Chipgehause einen ausreichenden Schutz von hinten z.B. für das für IR-Strahlung durchlassige Silizium bietet. Das Objektiv selbst muss jedoch zum Kamerachip justiert sein und eine definierte Fokussierung aufweisen. Dies erfolgt gegenwartig durch toleranzbehaftete Feststellmoglichkeiten, beispielsweise durch eine Verschrau- bung, Verklebung oder dergleichen, mittels welcher das Objek- tiv relativ zum Kamerachip am Schaltungstrager fixiert wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein optisches Modul und ein optisches System mit einem auf einen Schaltungstrager angeordneten gehausten Halbleiterelement zur Verfugung zu stellen, bei dem die mögliche Toleranzkette so minimiert ist, dass bei einfacher und kostengünstiger Montage eine zuverlässige optische Qualität ohne Justier- und insbesondere Fokus- sieraufwand zur Verfugung gestellt werden kann und über die Lebensdauer des Moduls bzw. Systems gehalten wird. Darüber hinaus sollen notwendige Maßnahmen gegen Fremdlichtstrahlung oder anderer Umwelteinflusse von vorne weitmoglichst entfallen .
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Patent- anspruche gelost. Vorteilhafte Ausfuhrungsformen der Erfindung, welche einzeln oder in Kombination miteinander einsetzbar sind, sind in den abhangigen Ansprüchen angegeben.
Die Erfindung baut auf dem gattungsgemaßen optischen Modul dadurch auf, dass am Gehäuse des Halbleiterelements wenigstens abschnittsweise eine Abstutzung ausgebildet ist, auf welcher eine Linseneinheit abgestutzt angeordnet ist. Dies kann gerade bei der Verwendung von gespritzten Kunststoffge- hausen einfach realisiert werden, da hier neben der eigentli- chen Gehauseform insb. der Randbereich nahezu beliebig, insbesondere als definierte Referenzebene insb. in Bezug zum Chip, gestaltet werden kann. Auf diese Weise wird der Toleranzbereich, der für die Fokussierung zur Verfugung steht, möglichst klein gehalten, so dass dieser nur noch Fertigungstoleranzen der Abstutzung sowie der Linseneinheit umfasst. Darüber hinaus hat die vorgeschlagene Losung den Vorteil, dass durch den direkten Kontakt von Linseneinheit und ge- hausten Chip der Fremdlichteinfall von der Seite stark vermieden wird.
Erfindungsgemaß bevorzugt ist die Abstutzung als Ringkragen, zumindest aber partiell kippfrei, ausgebildet, wodurch nicht nur vorteilhaft zum einen der Abstand und damit der Fokusbereich in dem erforderlichen Maße eingehalten ist, sondern zum anderen eine Verkippung der Komponenten zueinander auf ein Minimum reduziert wird.
In einer ersten Weiterbildung der Erfindung umfasst die Linseneinheit eine Stutzlinse, wobei die Abstutzung der Linseneinheit über die Stutzlinse erfolgt. Dies erfolgt vorzugsweise dergestalt, dass ein Design der Stutzlinse gewählt wird, welches einen zur Abstutzung korrespondierend ausgebildeten, beispielsweise zumindest abschnittsweise planen, Flachenabschnitt umfasst, der auf den am Gehäuse des Halbleiterelements ausgebildeten Abstutzungen aufliegt.
In einer alternativen Weiterbildung der Erfindung umfasst die Linseneinheit einen Linsenhalter, wobei die Abstutzung der Linseneinheit über den Linsenhalter erfolgt. Dies erfolgt vorzugsweise dergestalt, dass ein Design des Linsenhalters gewählt wird, welches einen zur Abstύtzung korrespondierend ausgebildeten, beispielsweise zumindest abschnittsweise pla- nen, Flachenabschnitt umfasst, der auf den am Gehäuse des Halbleiterelements ausgebildeten Abstutzungen aufliegt. Die Abstutzung auf den Linsenhalter verringert aufgrund der weiter außen angreifenden Abstutzung weiter vorteilhaft die Kippgefahr. Sie erlaubt zudem die Ausbildung kleinerer Moduln als Moduln mit einer Abstutzung über eine Stutzlinse.
Erfindungsgemaß bevorzugt weist die Stutzlinse bzw. der Lin- senhalter wenigstens abschnittsweise einen Kragen auf, welcher Teil der Linse ist und zu einer an der Abstutzung ausgebildeten Anlageflache im Wesentlichen korrespondierend ausgebildet ist. Dies kann gerade bei der Verwendung von gespritzten Kunststofflinsen einfach realisiert werden, da hier neben der optisch wirksamen Flache der Linse, gleich ob diese klassisch gewölbt oder plan ausgebildet ist, der Randbereich nahezu beliebig gestaltet werden kann, ähnlich wie beim Chipge- hause gemäß vorliegender Erfindung.
Bei einer besonders bevorzugten Ausfuhrungsform ist an der Abstutzung wenigstens abschnittsweise eine Anlageflache ausgebildet. Die Anlageflache kann nichtkonisch oder in einer Weiterbildung vom Halbleiterelement in Richtung der optischen Achse des Moduls betrachtet verjungt, insbesondere konisch, ausgebildet ist. Bei einer derartigen Ausgestaltung kann in vorteilhafter Weise eine Art Selbstzentrierung stattfinden, welche eine exakte Positionierung der Optik zum Chip bezuglich x- und y-Achse gewährleistet und auch den "Tilt" auf ein Minimum reduziert.
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.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch die wenigstens abschnittsweise Ausbildung einer Abstutzung direkt am Gehäuse eines gehausten Halbleiterelements auch mit klas- sischerweise gehausten Halbleiterchips, bei dem unabhängig von der Optik nur das Bauelement zu einem Standart-SMD bestuckt wird, ein Kameramodul aufbaubar ist, bei dem auf jegliche mechanische Fokuseinstellung verzichtet werden kann. Somit kann das Modul vollautomatisch gefertigt werden, was bei großen Stuckzahlen den Vorteil hat, das die Fertigungsund Montagekosten geringer werden. Des weiteren kann das optische Modul ohne bewegte Teile wie Gewinde oder Fixierschrauben entwickelt werden, was zu einer höheren Zuverlas- sigkeit fuhrt. Durch die geringen Toleranzen des Aufbaus auch in x- und y-Achse muss die Chipoberflache nicht unnötig groß sein, was den Kamerachip billiger macht. Der Aufbau eines solchen Moduls lasst sich verhältnismäßig kompakt gestalten was den Vorteil hat, dass sich das Kameramodul auch in Anwen- düngen bei begrenzten Platzverhaltnissen einsetzen lasst. Schließlich bietet der integrative Aufbau zudem vorteilhaft einen Schutz gegen Fremdlichtstrahlung.
Die Erfindung lasst sich besonders nutzlich bei der Realisie- rung von Videosystemen, ggf. in Kombination mit Radarsystemen, Ultraschallsystemen oder dergleichen im Kraftfahrzeugbereich verwenden.
Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die begleitenden Zeich- nungen anhand bevorzugter Ausfuhrungsformen beispielhaft erläutert .
Es zeigen schematisch:
Fig. 1 eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen optischen Moduls; Fig. 2 einen vergrößerten Ausschnitt X des Moduls nach Fig. 1; und
Fig. 3 ein nach der Erfindung ausgebildetes Halbleiterele- ment.
Bei der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausfuhrungsformen der vorliegenden Erfindung bezeichnen gleiche Be- zugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.
Figuren 1 bis 3 zeigen in unterschiedlichen Ausschnitten und Perspektiven ein optisches Modul mit einem Schaltungstrager 10; einem auf dem Schaltungstrager 10 angeordneten gehausten Halbleiterelement 12 und einer Linseneinheit 14; 16, 18, 20; 21 zum Projizieren von elektromagnetischer Strahlung auf das Halbleiterelement 12. Die zum gehausten Halbleiterelement (12) separat ausgebildete Linseneinheit 14; 16, 18, 20; 21 umfasst einen Linsenhalter 14 und eine Linsenanordnung 16,
18, 20; 21 mit mindestens einer Linse 20 und ggf. einer Blende 21.
Erfindungsgemaß ist am Gehäuse 13 des Halbleiterelements 12 wenigstens abschnittsweise eine Abstutzung 13a ausgebildet, auf welcher die Linseneinheit 14; 16, 18, 20; 21 abgestutzt angeordnet ist. Die Abstutzung der Linseneinheit 14; 16, 18, 20; 21 erfolgt entweder über die Linse 16, welche bevorzugt als sog. Stutzlinse 16 ausgebildet ist, oder den Linsenhalter (nicht dargestellt) . Stutzlinse 16 bzw. Linsenhalter weisen diesbezüglich wenigstens abschnittsweise einen zur Abstutzung 13a korrespondierend ausgebildeten Flachenabschnitt 16a auf, welcher in den Figuren beispielsweise plan ausgebildet ist und auf der am Gehäuse 13 des Halbleiterelements 12 ausgebildeten Abstutzung 13a aufliegt. Zudem weist die Stutzlinse 16 bzw. der Linsenhalter wenigstens abschnittsweise einen Kragen 16b auf, welcher zu einer an der Abstutzung 13a ausgebildeten Anlageflache 13b im Wesentlichen korrespondierend ausgebildet ist. Die Abstutzung 13a ist daher vorzugsweise in Gestalt eines Ringkragens 13a ausgebildet. Die Anlageflache 13b des Ringkragens 13a ist in Richtung der optischen Achse 33 des Moduls betrachtet bevorzugt konisch ausgebildet, so dass nicht nur für automatisierte Fertigungen vorteilhaft eine Art Selbstzentrierung benachbarter Komponenten, vorliegend von Linse 16 und Abstutzung 13a, leichter ermöglicht ist.
Vorzugsweise ist eine Linsenanordnung 14; 16, 18, 20; 21 mit mehreren Linsen 16, 18, 20 und ggf. wenigstens einer Blende 21 in Form eines Pakets vorgesehen. Die optische Qualität kann durch ein Objektiv mit mehreren Linsen verbessert werden, was auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung möglich ist, insbesondere da mit geringen Toleranzen gearbeitet wer- den kann. In diesem Zusammenhang ist es auch besonders vorteilhaft, dass die Linsen 16, 18, 20 und ggf. die Blende 21 in direktem Kontakt zueinander stehen. Hierdurch werden Schwankungen der Linsenanordnung 16, 18, 20; 21 in Z-Rich- tung, das heißt in der Richtung, in der die Linsen aufeinan- derfolgen, praktisch ausgeschlossen. Die Toleranzen sind nur noch von der Linsenanordnung 16, 18, 20; 21 selbst abhangig. Ebenso ist es besonders nützlich, dass die relativen Positionen der Linsen zueinander durch die Geometrie der Linsen 16, 18, 20 und ggf. Blenden 21 selbst bestimmt sind. Auch in XY- Richtung kann die Anordnung der Linsen durch die Linsen selbst bestimmt werden, indem nämlich Anlageflachen der Linsen bzw. Blenden entsprechend ausgestaltet sind. Die im Linsenhalter 14 gehalterten Linsen 16, 18, 20 bzw. Blenden 21 sind vorzugsweise also so geformt, dass sie relativ zueinander eine definierte Lage innerhalb des Linsenhalters 14 annehmen. Weiterhin ist mindestens eine der Linsen 20 so ausgestaltet, dass sie mit dem Linsenhalter 14 zusammenwirkt und so auch eine definierte Lage bezüglich des Halblei- terelements 12 einnimmt. Auf diese Weise sind alle Linsen 16, 18, 20 bezüglich des Halbleiterelementes 12 justiert.
Diese Justierung wird auch nicht dadurch in Frage gestellt, dass der Linsenhalter 14 beispielsweise über eine Schraubverbindung 23 mit dem Schaltungstrager 10 verbunden ist. Auf dem Schaltungstrager 10 ist über Leadframes 30 das gehauste Halbleiterelement 12 angeordnet. Zusatzlich können eine Klebever- bmdung 22 oder andere bekannte Verbindungstechniken vorgesehen sein.
Besonders nützlich ist es, dass genau eine der Linsen bzw. Blenden mit dem Linsenhalter in direktem Kontakt stehen (nicht dargestellt) . Da die Linsen untereinander ihre relativen Positionen festlegen, reicht es aus, genau eine Linse bzw. Blende mit dem Linsenhalter zu fixieren. Auf diese Weise wird die gesamte Linsenanordnung in Bezug auf das Halbleiterelement ausgerichtet, wodurch letztlich die vorteilhafte op- tische Qualität sichergestellt werden kann. In diesem Zusammenhang ist es besonders vorteilhaft, dass die genau eine Linse wasserdicht und staubdicht mit dem Linsenhalter verbunden ist. Vorteilhafterweise wird die vorderste Linse hierfür als diejenige Linse ausgewählt, die mit dem Linsenhalter zur Abdichtung zusammenwirkt. Dies kann beispielsweise so erfolgen, dass die genau eine Linse durch Ultraschall-, Laserschweiß- und/oder Klebeverfahren mit dem Linsenhalter verbun- den ist, ggf. alternativ oder kumulativ unter Verwendung von Schrauben und/oder Kitt.
Ebenso kann vorgesehen sein, dass die Linsenanordnung in den die Linsen halternden Bereich über Rastmittel eingeschnappt ist (ebenfalls nicht dargestellt) . Auch hierdurch kann eine exakte Positionierung sichergestellt werden. Weiterhin ist zu betonen, dass auf diese Weise eine erleichterte Trennmoglich- keit zwischen den Linsen und den restlichen Bauteilen, insb. dem teuren Halbleiterelement, sichergestellt werden kann. Die abdichtende Wirkung wird insbesondere im Zusammenhang mit einer Schnappmontage in besonders vorteilhafter Weise dadurch bereitgestellt, dass die Linsen eine harte und eine weiche Komponente aufweisen, wobei die weiche Komponente zum Abdich- ten am Umfang der Linsen angeordnet ist. Die Weichkomponente unterstutzt auch die allgemeine Anforderung, dass beim Schnappen darauf zu achten ist, keine Spannungen in die Linsen einzubringen; Spannungen wurden stets eine negative Beeinflussung der optischen Eigenschaften bewirken.
Vorzugsweise ist die Linsenanordnung 16, 18, 20; 21 über ein Halteelement 15 (moulded ring) im Linsenhalter 14 gehaltert. Das Halteelement 15 weist vorzugsweise eine harte 15a und wenigstens abschnittsweise eine dauerelastische Komponente 15b auf. Eine vorzugsweise umlaufend ausgebildete dauerelastische Komponente 15b kann zugleich insb. zum Abdichten der Linsenanordnung 16, 18, 20; 21 gegen Feuchtigkeit und Schmutz dienen - neben ihrer eigenen Ausgleichfunktion etwaig auftretender mechanisch und/oder thermisch bedingter Spannungen. Die dauerelastische Komponente 15b ist bevorzugt an dem der Linse 20 anliegenden Umfang ausgebildet. Im Bereich der härteren Komponente 15a wird das Halteelement 15 an dem die Linsen halternden Bereich 14 angeordnet, beispielsweise Ultraschall- bzw. laserverschweißt, geklebt, vernietet, angeformt oder mittels eines anderen ahnlich gut automatisierbaren Verbindungsverfahren. Auch Schraub- und Schnappverbindungen sind denkbar. Vorzugsweise enthalt die harte Komponente 15a des Halterings 15 ein thermoplastisches Material. Dementsprechend hat sich eine dauerelastische Komponente 15b bewahrt, die vorzugsweise thermoplastische Elastomere (TPE) oder Silikon oder dergleichen enthalt. Zwecks Bereitstellung eines einheitlich und einfach handhabbaren Bauteils 15 ist bevorzugt die dauerelastische Komponente 15b z.B. nach einem Zwei- komponenten-Spritzverfahren an der harten Komponente 15a oder umgekehrt angeformt.
Es kann weiterhin besonders vorteilhaft sein, dass uner- wünschte optische Effekte insbesondere aufgrund von seitlichem Lichteinfall durch Schwärzung und/oder Mattierung oder unter Ausnutzung von Totalreflexion verhindert werden (nicht dargestellt) . Dabei handelt es sich um Beispiele geeigneter Maßnahmen.
Nutzlicherweise schließlich ist vorgesehen, dass das Modul über ein Flachkabel oder insb. bei Einsatz einer flexiblen Leiterplatte als Schaltungstrager mittels dieser mit einer starren Schaltungsplatme verbindbar (letztere werden auch als Starr-Flex-Systeme bezeichnet), insbesondere (beispielsweise mittels Bugelloten) auflotbar, ist. Dies ist in Hinblick auf Winkel und Position etc. eine besonders flexible Losung zur Verbindung des Schaltungstragers 10 bzw. des Moduls mit einer Steuerung oder Schaltungsplatine (nicht darge- stellt) .
Der Erfindung erlaubt durch die wenigstens abschnittsweise Ausbildung einer Abstutzung 13a direkt am Gehäuse 13 eines gehäusten Halbleiterelements 12 den Aufbau eines Kameramoduls, bei dem grundsatzlich auf jegliche mechanische Fokuseinstellung verzichtet werden kann. Somit kann das Modul vollautomatisch gefertigt werden, was bei großen Stückzahlen den Vorteil hat, das die Fertigungs- und Montagekosten geringer werde. Insbesondere kann das optische Modul ohne bewegte Teile wie Gewinde oder Fixierschrauben entwickelt werden, was zu einer höheren Zuverlässigkeit fuhrt. Durch die ansonsten geringen Toleranzen des Aufbaus auch in x- und y-Achse muss die Chipoberflache nicht unnötig groß sein, was den Kamerachip billiger macht. Der Aufbau eines solchen Moduls lasst sich verhältnismäßig kompakt gestalten was den Vorteil hat, dass sich das Kameramodul auch in Anwendungen bei begrenzten Platzverhaltnissen einsetzen lasst. Des weiteren bietet der Aufbau die Möglichkeit, ein hermetisch abgedichtetes Modul zu entwerfen, welches gegen Umwelteinflusse wie Feuchtigkeit oder Staub gut geschützt ist.
Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen so- wie 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.

Claims

Patentansprüche
1. Optisches Modul mit einem Schaltungstrager (10); - einem auf dem Schaltungstrager (10) angeordneten gehausten Halbleiterelement (12); und einer Linseneinheit (14; 16, 18, 20; 21) zum Projizieren von elektromagnetischer Strahlung auf das Halbleiterelement (12); wobei das gehauste Halbleiterelement (12) und die Linseneinheit (14; 16, 18, 20; 21) zweistuckig ausgebildet sind; d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass am Gehäuse (13) des Halbleiterelements (12) wenigstens abschnittsweise eine Abstutzung (13a) ausgebildet ist, auf welcher die Linseneinheit (14; 16, 18, 20; 21) abgestutzt angeordnet ist.
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 die Abstutzung (13a) partiell kippfrei, insbesondere in Gestalt eines Ringkragens, ausgebildet ist.
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 die Linseneinheit (14; 16, 18, 20; 21) eine Stutzlinse (16) umfasst, wobei die Abstutzung der Linseneinheit (14; 16, 18, 20; 21) über die Stutzlinse (16) erfolgt.
4. 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 die Linseneinheit (14; 16, 18, 20; 21) einen Linsenhalter (14) umfasst, wobei die Abstutzung der Linseneinheit (14; 16, 18, 20; 21) über den Linsenhalter (14) erfolgt.
5. Optisches Modul nach Anspruch 3 oder 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Stützlinse (16) bzw. der Linsenhalter (14) einen zur Abstutzung (13a) wenigstens abschnittsweise korrespondierend ausgebildeten Flachenabschnitt (16a) auf- weist, welcher auf der am Gehäuse (13) des Halbleiterelements (12) ausgebildeten Abstϋtzung (13a) aufliegt.
6. Optisches Modul nach einem der Ansprüche 3 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Stutzlinse (16) bzw. der Linsenhalter (14) wenigstens abschnittsweise einen Kragen (16b) aufweist, welcher zu einer an der Abstutzung (13a) ausgebildeten Anlageflache (13b) im Wesentlichen korrespondierend ausgebildet ist.
7. 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 an der Abstutzung (13a) wenigstens abschnittsweise eine Anlageflache (13b) ausgebildet ist.
8. Optisches Modul Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Anlagefläche (13b) der Abstutzung (13a) vom Halbleiterelement (12) in Richtung der optischen Achse (33) des Moduls betrachtet verjungt, insbesondere konisch, ausgebildet ist. Optisches System mit einem optischen Modul nach einem der vorherigen Ansprüche.
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