JP7900147B2 - 光センサ - Google Patents

光センサ

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Description

本開示は、光センサに関する。
非接触で物体の有無を検出する光センサ(いわゆる近接センサ)の一つに反射型フォトセンサがある。反射型フォトセンサは、発光素子から出射された光を検出対象とする物体で反射させ、その反射光を受光素子で検出することによって物体の存在を検出する。このような光センサにおいて、発光素子からの拡散光に起因した光クロストーク(以下、単にクロストーク)は、受光素子による物体の検出精度を低下させる要因となる。特許文献1は、光センサの一例として、クロストークを低減するパッケージ構造を有した近接センサを開示している。
特開2017-11120号公報
近年、光センサの小型化および高機能化が進んでおり、クロストークの低減を図りつつ、発光素子および受光素子とともに他の様々な素子または回路を単一パッケージに集積化することが求められている。
本開示の一態様による光センサは、基板と、前記基板の主面に設けられた第1導電層と、前記基板の裏面に設けられた第2導電層と、前記第1導電層と前記第2導電層との間に設けられた導電ビア層と、前記第1導電層に実装された発光素子と、前記第1導電層に実装され、受光素子を含む集積回路と、前記基板に設けられ、前記第1導電層とともに前記発光素子および前記集積回路を覆い、前記基板の平面視において前記発光素子と前記集積回路との間に溝を含む透光性の被覆部材と、を備える。前記第1導電層は、前記発光素子が実装される第1実装部と、前記集積回路が実装される第2実装部と、を含む。前記発光素子は、前記第1実装部、前記導電ビア層、前記第2導電層、および前記第2実装部を介して前記集積回路に電気的に接続されている。
一態様による光センサは、クロストークを低減しつつ小型化および高機能化を実現することができる。
図1は、一実施形態にかかる例示的な光センサの概略断面図(図2のF1-F1線に沿った断面図)である。 図2は、基板の主面側の構造を示す図1の光センサの概略平面図である。 図3は、基板の裏面側の構造を示す図1の光センサの概略平面図(透視図)である。 図4は、図1の光センサを備える光センサシステムの概略ブロック回路図である。 図5は、発光素子および発光素子駆動回路を示す概略回路図である。 図6は、昇圧回路を含む別例の光センサシステムの概略ブロック回路図である。
以下、添付図面を参照して本開示における半導体発光装置の実施形態を説明する。
なお、説明を簡単かつ明確にするために、図面に示される構成要素は、必ずしも一定の縮尺で描かれていない。また、理解を容易にするために、断面図では、ハッチングが省略されている場合がある。添付の図面は、本開示の実施形態を例示するに過ぎず、本開示を制限するものとみなされるべきではない。
以下の詳細な記載は、本開示の例示的な実施形態を具体化する装置、システム、および方法を含む。この詳細な記載は本来説明のためのものに過ぎず、本開示の実施形態またはこのような実施形態の適用および使用を限定することを意図しない。
[光センサの概略構造]
図1は、一実施形態にかかる例示的な光センサ10の概略断面図である。光センサ10は、発光素子20と集積回路30を備え、集積回路30は1つまたは複数(例えば2つ)の受光素子40を含む。光センサ10は、例えば、反射型フォトセンサとして具現化されている。反射型フォトセンサは、フォトリフレクタとも呼ばれる。また、受光素子40を含む集積回路30は、光集積回路(フォトIC)とも呼ばれる。発光素子20には、例えば垂直共振器型面発光レーザ(VCSEL:Vertical Cavity Surface Emitting Laser)などの半導体レーザ素子を用いることができる。また、受光素子40には、例えばフォトダイオード(PD)を用いることができる。
図1に示されるように、光センサ10は、基板50と、複数(図1では、例えば2層)の導電層60,70と、導電層60,70の間に設けられた導電ビア層80とを備えている。導電層60,70は、互いに異なる層位置に設けられている。図1の例では、導電層60が第1導電層に対応し、導電層70が第2導電層に対応する。以下では、用語を区別して説明を分かり易くするために、導電層60,70をそれぞれ第1導電層60および第2導電層70と称す場合もある。
基板50は、例えば、樹脂基材またはセラミック基材などの絶縁性材料によって形成されている。樹脂基材の例はガラスエポキシ樹脂などである。また、セラミック基材の例は窒化アルミニウム(AlN)またはアルミナ(Al2O3)などである。あるいは、基板50は、例えば、シリコン基材またはガラス基材などの他の絶縁性材料によって形成されてもよい。基板50は、主面52と、反対側の裏面54とを含む。
なお、本開示において使用される「平面視」という用語は、互いに直交するXYZ軸(例えば図1参照)のZ軸方向に光センサ10(またはその他の部材)を視ることをいう。Z軸は、基板50の主面52(および裏面54)に直交する方向に対応する。以下では、説明を分かり易くするために、+Z方向を上、-Z方向を下、+X方向を右、-X方向を左と定義する。なお、明示的に別段の記載がない限り、「平面視」とは、光センサ10をZ軸方向において上方から視ることを指す。
導電層60,70および導電ビア層80は、例えば、銅(Cu)またはアルミニウム(Al)などの金属材料によって形成されている。ただし、CuおよびAl以外の他の金属材料が用いられてもよい。図1の例では、第1導電層60は基板50の主面52に設けられており、第2導電層70は基板50の裏面54に設けられている。発光素子20および集積回路30(受光素子40)は、第1導電層60上に実装されている。
導電ビア層80は、第1導電層60と第2導電層70とを電気的に接続する複数のビア導体82を含む。図1の例では、ビア導体82は基板50の内部に設けられており、基板50を主面52から裏面54まで貫通している。ビア導体82はいわゆるサーマルビアであり、第1導電層60と第2導電層70との間の導電経路としてだけでなく、第1導電層60から第2導電層70への放熱経路としても機能する。なお、ビア導体82は、図1の例では円筒状の中空導体であるが、非中空の円柱状の導体でもよい。あるいは、熱伝導率のより高い別の材料を各ビア導体82の内部に充填してもよい。一実装例では、導電ビア層80は、複数のビア導体82として、例えば9個のビア導体821,822,823,824,825,826,827,828,829(図2参照)を含む。
光センサ10はさらに、基板50上に設けられ、第1導電層60とともに発光素子20および集積回路30を覆う透光性の被覆部材90を備えている。被覆部材90は、例えば、シリコーン樹脂などの透明樹脂材料によって形成されている。なお、樹脂材料の種類は特に限定されるものでなく、被覆部材90が透光性を有するものであればよい。被覆部材90は、発光素子20および集積回路30を保護する機能に加えて、発光素子20からの出射光を被覆部材90の内部で拡散させることにより、光センサ10の光出射面90T(図1において被覆部材90の上面)からの光の取り出し効率を増加させる機能も有している。
[基板および導電層の構成例]
図2は、基板50の主面52に配置された構造の一例を示す光センサ10の概略平面図である。また、図3は、基板50の裏面54に配置された構造の一例を示す光センサ10の概略平面図(透視図)である。なお、上記で説明した図1は、図2のF1-F1線に沿った断面図である。図2においては、分かり易くするために、被覆部材90を二点鎖線で示している。
基板50は、例えば、平面視矩形状を有している。ただし、基板50の平面視形状およびサイズは特に限定されない。図2および図3の例では、平面視において、基板50は、各々長辺となる第1の辺50Aおよび第2の辺50Bと、各々短辺となる第3の辺50Cおよび第4の辺50Dとを有している。一例では、長辺(第1および第2の辺50A,50B)の長さは約2.0mmであり、短辺(第3および第4の辺50C,50D)の長さは約1.0mmである。
[第1導電層]
図1および図2に示されるように、基板50の主面52に設けられた第1導電層60は、発光素子20が実装される第1実装部62と、集積回路30が実装される第2実装部64とを含む。第1実装部62は、複数(例えば2つ)の素子側導電パターン621,622を含み、第2実装部64は、複数(例えば7つ)の回路側導電パターン641,642,643,644,645,646,647を含む。なお、各実装部62,64における導電パターンの数および形状は一例に過ぎず、異なる数および形状の導電パターンが採用されてもよい。
図2の例では、第1実装部62(素子側導電パターン621,622)は、基板50の主面52の面積の1/5かもしくはそれよりも小さい矩形領域内に配置されている。言い換えれば、第2実装部64(回路側導電パターン641~647)は、主面52の面積の4/5かもしくはそれよりも大きい矩形領域内に配置されている。したがって、主面52の面積に占める第2実装部64の配置面積は、第1実装部62に比べて大きい。これにより、より大きなチップサイズの集積回路30を配置することが可能となる。
[第1導電層の第1実装部]
まず、第1実装部62について説明する。なお、以下では、説明を分かり易くするために、素子側導電パターン621,622をそれぞれ第1および第2素子側導電パターン621,622とも称す。
第1素子側導電パターン621は、発光素子20が配置される素子配置領域62Aを含む。例えば発光素子20がVCSELとして構成されている場合、発光素子20の主面(図2において上面)には、複数の発光領域22を除く位置に第1電極24が配置されている。また、発光素子20の主面と反対側に位置する発光素子20の裏面には、第2電極(図示略)が配置されている。例えば、第1電極24はアノード電極、第2電極はカソード電極であってよい。発光領域22からは、発光素子20の主面にほぼ垂直な方向(+Z方向である上方)に光が出射される。この光は、被覆部材90の内部で拡散されて光センサ10の光出射面90T(図1参照)から外部に出射される。
第1素子側導電パターン621の素子配置領域62Aには、発光素子20の第2電極(カソード電極)が図示しない導電性接着層により接合されている。また、第1素子側導電パターン621は、ビア導体821によって第2導電層70に接続されている。したがって、発光素子20の第2電極は、第1素子側導電パターン621およびビア導体821を介して第2導電層70に電気的に接続されている。
第2素子側導電パターン622は、ワイヤ101が接合されるワイヤボンディング領域62Bを含む。ワイヤ101は、その一端が発光素子20の第1電極24(アノード電極)に接合され、他端がワイヤボンディング領域62Bに接合されている。また、第2素子側導電パターン622は、ビア導体822によって第2導電層70に接続されている。したがって、発光素子20の第1電極24は、第2素子側導電パターン622およびビア導体822を介して第2導電層70に電気的に接続されている。
[第1導電層の第2実装部]
次に、第2実装部64について説明する。なお、以下では、説明を分かり易くするために、回路側導電パターン641~647をそれぞれ第1~第7回路側導電パターン641~647とも称す。
第1~第7回路側導電パターン641~647はそれぞれ、回路配置領域64A1,64A2,64A3,64A4,64A5,64A6,64A7を含む。集積回路30は、これら回路配置領域64A1~64A7を含む矩形状の配置領域に配置されており、第1~第7回路側導電パターン641~647(回路配置領域64A1~64A7)に図示しない導電性接着層によって接合されている。
また、第1~第7回路側導電パターン641~647はそれぞれ、ビア導体823~829によって第2導電層70に接続されている。したがって、受光素子40を含む集積回路30は、第1~第7回路側導電パターン641~647およびビア導体823~829を介して第2導電層70に電気的に接続されている。
なお、第1~第7回路側導電パターン641~647に形成されるビア導体823~829の位置は特に限定されるものでなく、第1~第7回路側導電パターン641~647を個別に第2導電層70に接続していればよい。例えば、集積回路30の基盤上には、受光素子40とともに、他の様々な任意の素子および回路が実装され得る。したがって、例えば、基盤上における素子(受光素子40を含む)および回路の実装形態、さらには、後述する第2導電層70の複数の導電パターンの形状および位置に応じて、ビア導体823~829の位置が決定されればよい。
第7回路側導電パターン647を除く第1~第6回路側導電パターン641~646はさらに、それぞれワイヤボンディング領域64B1,64B2,64B3,64B4,64B5,64B6を含む。これらワイヤボンディング領域64B1~64B6にはそれぞれ、ワイヤ111,112,113,114,115,116が接合される。ワイヤ111~116はそれぞれ、一端が集積回路30のパッド31,32,33,34,35,36に接合され、他端がワイヤボンディング領域64B1~64B6に接合されている。
[第1導電層のワイヤボンディング領域]
図2に示されるように、第1実装部62のワイヤボンディング領域62Bは、第1の辺50A寄りに配置されている。同様に、第2実装部64のワイヤボンディング領域64B1~64B6は、第1の辺50A寄りに配置されている。すなわち、すべてのワイヤボンディング領域62B,64B1~64B6が、基板50の一つの辺、特に図2の例では、長辺となる第1の辺50Aに沿って配置されている。この配置では、ワイヤボンディング位置が基板50の一辺にまとめられるため、レイアウトを効率化することができる。さらには、すべてのワイヤ111~116の延出方向が実質的にほぼ一方向に揃うため、ワイヤボンディング工程を容易にかつ精度よく行うことが可能となる。
なお、詳細な図示は省略しているが、第1導電層60(第1および第2実装部62,64)は、発光素子20および集積回路30の実装領域と、ワイヤボンディング領域64B1~64B6とを除き、絶縁層120によって覆われている。図2の例では、集積回路30の実装領域を開口する絶縁層120の開口部121を一点鎖線で示している。なお、図1では、絶縁層120の図示は省略している。
[第2導電層]
図1および図3に示されるように、基板50の裏面54に設けられた第2導電層70は、複数(例えば7つ)の導電パターン721,722,723,724,725,726,727を含む。なお、第2導電層70の導電パターンの数および形状は一例に過ぎず、異なる数および形状の導電パターンが採用されてもよい。
[第2導電層の配線接続部と第1導電層との接続関係]
導電パターン721は、発光素子20と集積回路30とを電気的に接続する配線接続部として設けられている。この導電パターン721は、ビア導体821,823に接続されている。したがって、発光素子20は、第1素子側導電パターン621(第1導電層60の第1実装部62)、ビア導体821(導電ビア層80)、導電パターン721(第2導電層70)、ビア導体823(導電ビア層80)、第1回路側導電パターン641(第1導電層60の第2実装部64)、およびワイヤ111を介して集積回路30のパッド31に電気的に接続されている。その結果、図3の例では、集積回路30の動作時に、パッド31は、発光素子20の第2電極(カソード電極)の電位に設定される。
[第2導電層の端子部と第1導電層との接続関係]
導電パターン722は、発光素子20用の端子部として設けられている。図3の例では、導電パターン722は、発光素子20を駆動するのに必要な電源電圧(例えば、VCSEL用の電源電圧)が印加される電源端子部722Tとして設けられている。導電パターン722は、ビア導体822に接続されている。したがって、導電パターン722に印加された電源電圧は、ビア導体822(導電ビア層80)、第2素子側導電パターン622(第1導電層60の第1実装部62)、およびワイヤ101を介して発光素子20の第1電極24(アノード電極)に供給される。ビア導体822は、第1ビア導体の一例である。
導電パターン723~727は、集積回路30用の端子部として設けられている。なお、図3では、導電パターン723~727を用いた5つの端子部が集積回路30用に設けられているが、端子部の数(すなわち、導電パターンの数)は特に限定されず、集積回路30の構成に応じて適宜変更されてよい。また、端子部(導電パターン723~727)に割り当てられる端子種類(端子機能)も特に限定されない。
一例として、導電パターン723は、グランド端子部723Tとして設けられている。なお、導電パターン723のグランド端子部723Tは、発光素子20と集積回路30とに共通の端子部として設けられている。この導電パターン723は、ビア導体824に接続されている。したがって、導電パターン723に印加されたグランド電圧は、ビア導体824(導電ビア層80)、第2回路側導電パターン642(第1導電層60の第2実装部64)、およびワイヤ112を介して、集積回路30のパッド32に供給される。その結果、図3の例では、集積回路30の動作時に、パッド32はグランド電位に設定される。このパッド32は、集積回路30の内部回路(例えば、後述する発光素子20用の駆動回路)を介して、パッド31に電気的に接続されている。
導電パターン724は、集積回路30を駆動するのに必要な電源電圧(例えば、VCSEL用の電電電圧よりも低いVDD電圧)が印加される電源端子部724Tとして設けられている。この導電パターン724は、ビア導体825に接続されている。したがって、導電パターン724に印加された電源電圧(VDD電圧)は、ビア導体825(導電ビア層80)、第3回路側導電パターン643(第1導電層60の第2実装部64)、およびワイヤ113を介して集積回路30のパッド33に供給される。その結果、図3の例では、集積回路30の動作時に、パッド33はVDD電圧の電位に設定される。このVDD電圧は、受光素子40を駆動する電源電圧としても利用される。ビア導体825は、第2ビア導体の一例である。
導電パターン725,726,727は、例えば、集積回路30用の信号端子部725T,726T,727Tとしてそれぞれ設けられている。例えば、集積回路30がI2Cインターフェースに準拠した回路として構成されている場合、信号端子部725Tをシリアルクロック(SCL)端子として使用し、信号端子部726Tをシリアルデータ(SDA)端子として使用してもよい。また、信号端子部727Tは、信号割り込み(INT)端子として使用してもよい。
図3の例では、導電パターン725は、ビア導体826,827に接続される配線接続部725Aを含む。したがって、導電パターン725は、ビア導体826(導電ビア層80)、第4回路側導電パターン644(第1導電層60の第2実装部64)、およびワイヤ114を介して、集積回路30のパッド34に電気的に接続されている。その結果、導電パターン725に供給された信号(例えば、シリアルクロック)は集積回路30のパッド34に供給される。また、導電パターン725は、ビア導体827(導電ビア層80)を介して第7回路側導電パターン647にも電気的に接続されている。したがって、導電パターン725に供給された信号は、第7回路側導電パターン647にも供給される。
導電パターン726は、ビア導体828に接続されている。したがって、導電パターン726は、ビア導体828(導電ビア層80)、第6回路側導電パターン646(第1導電層60の第2実装部64)、およびワイヤ116を介して、集積回路30のパッド36に電気的に接続されている。その結果、導電パターン726に供給された信号(例えば、シリアルデータ)は集積回路30のパッド36に供給される。この場合、導電パターン726は、シリアルデータ出力端子としても使用される。
導電パターン727は、ビア導体829に接続されている。したがって、導電パターン727は、ビア導体829(導電ビア層80)、第5回路側導電パターン645(第1導電層60の第2実装部64)、およびワイヤ115を介して、集積回路30のパッド35に電気的に接続されている。その結果、導電パターン727に供給された信号(例えば、インタラプト信号)は集積回路30のパッド35に供給される。
なお、第2導電層70は、開口部131~136(図3において一点鎖線で示す)を含む絶縁層130によって覆われている。導電パターン722~727は、これらの開口部131~136を通じて、上述した端子部722T,723T,724T,725T,726T,727Tをそれぞれ露出している。なお、図1では、絶縁層130の図示は省略している。
[被覆部材の溝]
図1および図2に示されるように、被覆部材90は、基板50の平面視において、発光素子20と集積回路30との間に溝92を含む。この溝92は、平面視において、基板50の主面52を、第1実装部62が配置される第1領域と、第2実装部64が配置される第2領域とに区画している。図1の例では、溝92は、被覆部材90を第1被覆部90Aと第2被覆部90Bとに分離するスリットである。すなわち、被覆部材90は、発光素子20を覆う第1被覆部90Aと、集積回路30を覆う第2被覆部90Bとを含み、これら第1被覆部90Aと第2被覆部90Bは互いに離間して、基板50を露出させるスリットを溝92として画定している。
したがって、溝92は、被覆部材90、絶縁層120、および第1導電層60を貫通しており、この溝92によって、第1導電層60は第1実装部62と第2実装部64との2つに物理的に切断されている。このため、第1実装部62と第2実装部64は、基板50の主面52上では電気的に接続されていない。溝92は、例えば30μm以上100μm未満の幅、例えば約50μmの幅を有するマイクロスリットとして形成され得る。なお、溝92は、第1の溝に対応する。
このような溝92を形成することで、第1被覆部90Aと溝92(空気層)との界面に向けて拡散する発光素子20からの光は、当該界面で屈折されて第1被覆部90A内へと戻される。これにより、光センサ10の光出射面90Tからの光の取り出し効率を増加させることができる。また、発光素子20からの拡散光に起因したクロストークを低減することができる。
[基板の溝]
図1および図2に示されるように、基板50は、被覆部材90の溝92に対応する位置に溝56を含み得る。この溝56は、基板50の主面52から所与の深さ(微小深さ)を有する凹溝として形成されている。このような溝56を基板50に形成することで、第1導電層60を第1実装部62と第2実装部64との2つに、より適切に切断することができる。なお、被覆部材90の溝92により第1導電層60が第1実装部62と第2実装部64との2つに切断されるのであれば、基板50の溝56は必ずしも形成されていなくてもよい。
被覆部材90の溝92および基板50の溝56は、例えば、一枚の大判基板に形成された複数の光センサ構造体(すなわち複数の光センサ10)を個片化する際に、基板50の溝56が形成される位置まで各光センサ構造体をハーフカットすることによって形成され得る。
[光センサシステム]
図4は、上述した光センサ10を備える光センサシステム10Sの概略ブロック回路図である。
光センサシステム10Sは、光センサ10と、定電圧レギュレータ12とを含む。この定電圧レギュレータ12は、例えば、低ドロップアウト(LDO)レギュレータであり、電源としてのバッテリBTに接続されている。定電圧レギュレータ12は、電圧入力端子12T1と、電圧出力端子12T2とを含み、バッテリBTから電圧入力端子12T1に供給された第1電源電圧を降圧し、その降圧電圧を電圧入力端子12T1から出力する。例えば、定電圧レギュレータ12は、バッテリBTから供給された第1電源電圧を、集積回路30の駆動に適した第2電源電圧(VDD電圧)に降圧する。
光センサ10は、上記したように、発光素子20(例えばVCSEL)と、受光素子40(例えばPD)を含む集積回路30とを含む。また、一例として、光センサ10は、第1電源端子10T1、第2電源端子10T2、第1~第3信号端子10T3,10T4,10T5、およびグランド端子10T6を含む。
第1電源端子10T1は、例えば、図3の導電パターン722の電源端子部722Tに対応し得る。第1電源端子10T1は、定電圧レギュレータ12の電圧入力端子12T1およびバッテリBTに接続されている。この第1電源端子10T1には、発光素子20を駆動するのに必要な第1電源電圧(例えば、VCSEL用の電源電圧)がバッテリBTから供給される。言い換えれば、発光素子20は、バッテリBTに直接接続されている。このバッテリBTから供給される第1電源電圧は、例えばバッテリBTの残量および光センサシステム10Sの動作などに応じて、例えば2.7V以上4.2V以下の範囲で変動し得る。
第2電源端子10T2は、例えば、図3の導電パターン724の電源端子部724Tに対応し得る。この第2電源端子10T2は、定電圧レギュレータ12の電圧出力端子12T2に接続されている。したがって、第2電源端子10T2には、定電圧レギュレータ12により生成された集積回路30用の第2電源電圧(VDD電圧)が供給される。VDD電圧は、例えば1.8Vなどであってよい。
第1~第3信号端子10T3,10T4,10T5は、例えば、図3の導電パターン725,726,727の信号端子部725T,726T,727T(例えば、シリアルクロック端子、シリアルデータ端子、信号割り込み端子)にそれぞれ対応し得る。グランド端子10T6は、例えば、図3の導電パターン723のグランド端子部723Tに対応し得る。
[発光素子駆動回路]
図4に示されるように、光センサ10において、集積回路30は、集積回路30に搭載される内部回路の一つとして、発光素子20を駆動するための発光素子駆動回路(図4では「DRV」で示される)200を含み得る。
図5は、発光素子20と発光素子駆動回路200とを示す概略回路図である。発光素子駆動回路200は、直列接続された複数(例えば2つ)のスイッチング素子210,220を含む。各スイッチング素子210,220は、例えば、低耐圧素子のn型MOSFETで構成され得る。
例えば、スイッチング素子210の第1電流端子210A(図5では、ソース端子)はグランドに接続されている。スイッチング素子210の第2電流端子210B(図5では、ドレイン端子)は、スイッチング素子220の第1電流端子220A(図5では、ソース端子)に接続されている。スイッチング素子220の第2電流端子220B(図5では、ドレイン端子)は、発光素子20の第2電極26(図5では、カソード電極)に接続されている。スイッチング素子210,220は、制御端子210C,220Cに供給される制御信号によってオンオフされ、スイッチング素子210,220がともにオンされると、発光素子20に電流が流れて発光素子20から光が出射される。
発光素子駆動回路200は、図3には図示されていないが、例えば図3の集積回路30の基盤に実装され得る。例えば、スイッチング素子210の第1電流端子210Aは、グランド電位が印加されるパッド32に接続され、スイッチング素子220の第2電流端子220Bは、発光素子20の第2電極26(カソード電極;図5参照)の電位が印加されるパッド31に接続される。これにより、集積回路30内に、発光素子駆動回路200を集積化することができる。その結果、第1実装部62には、発光素子20のみを実装するだけで済み、光センサ10のレイアウトを効率化することが可能となる。
また、図5の発光素子駆動回路200では、直列接続された2つのスイッチング素子210,220が各々耐圧素子として機能する。上記したように、発光素子20はバッテリBTに直接接続されているため、バッテリBTからの第1電源電圧が第1電源端子10T1(図4参照)を介して発光素子20に直接印加される。この際、発光素子20の耐圧(最大定格)を越える電圧がバッテリBTに供給されないようにするために、スイッチング素子210,220が耐圧素子として設けられている。言い換えれば、直接接続されたスイッチング素子210,220を発光素子20の駆動素子として設けることにより、発光素子20にその最大定格を越える電圧が印加されることが抑制される。
[光センサ10の作用]
次に、光センサ10の作用について説明する。
光センサ10は、発光素子20と集積回路30(受光素子40)とを覆う透光性の被覆部材90を含む。この被覆部材90は、基板50の平面視において、発光素子20と集積回路30との間に溝92を含む。この溝92により、発光素子20からの拡散光に起因したクロストークを低減して、受光素子40による物体の検出精度が低下することを抑制することができる。
ここで、溝92は、第1導電層60を、発光素子20が実装された第1実装部62と、集積回路30が実装された第2実装部64との2つに物理的に切断するように形成されている。したがって、第1実装部62と第2実装部64は、基板50の主面52上では互いに電気的に接続されていない。
この点、光センサ10は、第1導電層60(第1および第2実装部62,64)と異なる層位置(例えば、基板50の裏面)に設けられた第2導電層70を含み、第1導電層60の第1および第2実装部62,64が導電ビア層80によって第2導電層70と接続されている。
例えば、図1~図3では、発光素子20は、第1素子側導電パターン621(第1導電層60の第1実装部62)、ビア導体821(導電ビア層80)、導電パターン721(第2導電層70)、ビア導体823(導電ビア層80)、第1回路側導電パターン641(第1導電層60の第2実装部64)、およびワイヤ111を介して、集積回路30のパッド31に電気的に接続されている。したがって、基板50の主面52上で第1実装部62と第2実装部64とが溝92によって物理的に切断されていても、第1実装部62と第2実装部64とを互いに電気的に接続することができる。
一実施形態の光センサ10は、以下の利点を有する。
(1)発光素子20は、第1導電層60の第1実装部62、導電ビア層80、第2導電層70、および第1導電層60の第2実装部64を介して、集積回路30に電気的に接続されている。これにより、基板50の主面52上で第1実装部62と第2実装部64とが溝92によって物理的に切断されていても、導電ビア層80および第2導電層70を介して第1実装部62と第2実装部64とを互いに電気的に接続することができる。その結果、基板50の主面52上に配置される導電パターンの面積、すなわち基板50上における配線の長さを短くして、基板50上に実装可能な集積回路30のサイズを大きくすることができる。また、発光素子20を覆う第1被覆部90Aと、集積回路30(受光素子40)を覆う第2被覆部90Bとが、溝92(空気層)によって互いに分離されるため、発光素子20からの拡散光に起因したクロストークも低減することができる。
(2)集積回路30は、発光素子20を駆動するための発光素子駆動回路200を含む。これにより、集積回路30内に発光素子駆動回路200を集積化することができる。その結果、第1実装部62には、発光素子20のみを実装するだけで済み、光センサ10のレイアウトを効率化することが可能となる。
(3)発光素子駆動回路200は、発光素子20の第2電極26とグランド端子との間に直列に接続された複数のスイッチング素子210,220を含む。この構成では、直列接続された2つのスイッチング素子210,220が各々耐圧素子として機能する。これにより、発光素子20にその最大定格を越える電圧がバッテリBTから印加されることが抑制される。
(4)第1実装部62は、溝92を境に区画される基板50の第1領域(すなわち発光素子側領域)内に配置されており、第2実装部64は、溝92を境に区画される基板50の第2領域(すなわち集積回路側領域)内に配置されている。発光素子20は、第1実装部62にワイヤ101によって接続されている。また、集積回路30は、第2実装部64にワイヤ111~116によって接続されている。この構成では、第1実装部62と第2実装部64とが溝92によって物理的に切断されていても、ワイヤ101,111~116が溝92を跨ぐことなく、第1実装部62と第2実装部64とを互いに電気的に接続することができる。
(5)基板50の上記第1領域(すなわち発光素子側領域)は、基板50の主面52の面積の1/5以下であり、基板50の上記第2領域(すなわち集積回路側領域)は、基板50の主面52の面積の4/5以下である。この構成では、主面52の面積に占める第2実装部64の配置面積が、第1実装部62に比べて大きい。これにより、より大きなチップサイズの集積回路30を配置することが可能となる。
(6)すべてのワイヤボンディング領域62B,64B1~64B6が、基板50の一つの辺(図2の例では、長辺となる第1の辺50A)に沿って配置されている。この配置では、ワイヤボンディング位置が基板50の一辺にまとめられるため、レイアウトを効率化することができる。さらには、すべてのワイヤ111~116の延出方向が実質的にほぼ一方向に揃うため、ワイヤボンディング工程を容易にかつ精度よく行うことが可能となる。
(7)第1導電層60は基板50の主面52に配置されており、第2導電層70は基板50の裏面54に配置されており、導電ビア層80は基板50を貫通している。この構成では、基板50を通じて配線が行われるため、光センサ10の全体の厚みを小さくすることができる。
(8)基板50は、被覆部材90の溝92に対応する位置に溝56を含む。この構成では、被覆部材90の溝92を形成するときに基板50にも溝56を形成することで、第1導電層60を第1実装部62と第2実装部64との2つに、より適切に切断することができる。
(9)溝92の幅は、30μm以上100μm未満である。したがって、溝92は、微小な幅を有するマイクロスリットとすることができる。
(10)発光素子20は垂直共振器型面発光レーザ(VCSEL)であり、受光素子40はフォトダイオード(PD)である。発光ダイオードに比べて高い指向性を有するVCSELを発光素子20に採用することにより、反射型フォトセンサに適した光センサ10を実現することができる。
(11)上記のように、発光素子駆動回路200の複数のスイッチング素子210,220(駆動素子)は各々耐圧素子として機能する。これにより、発光素子20にその最大定格を越える電圧がバッテリBTから印加されることが抑制されるため、バッテリBTに発光素子20を直接接続することができる。例えば、定電圧レギュレータ12の出力電圧を昇圧する昇圧回路を別途設けることにより、発光素子20に適した電源電圧を供給可能となるが、このような昇圧回路を不要とすることができる。
[変更例]
上記各実施形態は、以下のように変更して実施することができる。また、上記実施形態および以下の各変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
・発光素子20はバッテリBTに直接接続することに限定されない。例えば、図6に示されるように、定電圧レギュレータ12の電圧出力端子12T2に昇圧回路300を接続してもよい。昇圧回路300は、定電圧レギュレータ12の出力電圧(集積回路30用のVDD電圧)を昇圧することにより、発光素子20に適した(すなわち、発光素子20の最大定格を越えない)電源電圧を生成する。この場合、発光素子駆動回路200は、単一のスイッチング素子によって構成されてもよい。
・発光素子20はVCSELに限定されず、他の半導体レーザ素子であってもよい。あるいは、発光素子20は発光ダイオードであってもよい。
・受光素子40はフォトダイオードに限定されず、フォトトランジスタでもよい。
・受光素子40の数は2つに限定されず、1つまたは3つ以上でもよい。
・基板50は平面視正方形状であってもよい。
・発光素子駆動回路200は集積回路30に含まれていなくてもよく、第1実装部62上に実装されてもよい。
・第1導電層としては、基板50の主面52に設けられた導電層60に限定されない。また、第2導電層としては、基板50の裏面54に設けられた導電層70に限定されない。また、導電層の数は2層に限定されない。例えば、導電層60,70に加えて、または導電層60,70に代えて、2層以上の導電層と、隣接する導電層の間に各々設けられた1層以上の層間絶縁層と、各層間絶縁層を貫通するビア導体(導電ビア層)とを含む配線基板を、基板50上に設けてもよい。この場合、配線基板の最上層の導電層に発光素子20および集積回路30(受光素子40)を実装してもよい。あるいは、受光素子40が光を受光可能であれば、集積回路30をその配線基板内に埋め込んでもよい。
本開示で使用される「~上に」という用語は、文脈によって明らかにそうでないことが示されない限り、「~上に」と「~の上方に」の意味を含む。したがって、例えば、「第1要素が第2要素上に実装される」という表現は、或る実施形態では第1要素が第2要素に接触して第2要素上に直接配置され得るが、他の実施形態では第1要素が第2要素に接触することなく第2要素の上方に配置され得ることが意図される。すなわち、「~上に」という用語は、第1要素と第2要素との間に他の要素が形成される構造を排除しない。
本開示で使用されるZ軸方向は必ずしも鉛直方向である必要はなく、鉛直方向に完全に一致している必要もない。したがって、本開示による種々の構造(例えば、図6に示される構造)は、本明細書で説明されるZ軸方向の「上」および「下」が鉛直方向の「上」および「下」であることに限定されない。例えば、X軸方向が鉛直方向であってもよく、またはY軸方向が鉛直方向であってもよい。
本開示で使用される「第1~」、「第2~」などの数詞は単に構成部品を明確に区別するために用いたものであり、必ずしも順番どおりの構成部品を備えることが必須とされるものではない。
[付記]
上記各実施形態および各変更例から把握できる技術的思想を以下に記載する。なお、各付記に記載された構成要素に対応する実施形態の構成要素の符号を括弧書きで示す。符号は、理解の補助のために例として示すものであり、各付記に記載された構成要素は、符号で示される構成要素に限定されるべきではない。
(付記A1)
基板(50)と、
前記基板(50)に設けられた第1導電層(60)と、
前記第1導電層(60)と異なる層位置に設けられた第2導電層(70)と、
前記第1導電層(60)と前記第2導電層(70)との間に設けられた導電ビア層(80)と、
前記第1導電層(60)に実装された発光素子(20)と、
前記第1導電層(60)に実装され、受光素子(40)を含む集積回路(30)と、
前記基板(50)に設けられ、前記第1導電層(60)とともに前記発光素子(20)および前記集積回路(30)を覆い、前記基板(50)の平面視において前記発光素子(20)と前記集積回路(30)との間に溝(92)を含む透光性の被覆部材(90)と、を備え、
前記第1導電層(60)は、
前記発光素子(20)が実装される第1実装部(62)と、
前記集積回路(30)が実装される第2実装部(64)と、を含み、
前記発光素子(20)は、前記第1実装部(62)、前記導電ビア層(80)、前記第2導電層(70)、および前記第2実装部(64)を介して前記集積回路(30)に電気的に接続されている、光センサ(10)。
(付記A2)
前記集積回路(30)は、前記発光素子(20)の駆動回路(200)を含む、付記A1に記載の光センサ(10)。
(付記A3)
前記発光素子(20)は、
前記発光素子(20)の主面に配置された第1電極(24)と、
前記発光素子(20)の裏面に配置された第2電極(26)と、を含み、
前記発光素子(20)の前記第2電極(26)は、前記第1実装部(62)、前記導電ビア層(80)、前記第2導電層(70)、および前記第2実装部(64)を介して前記駆動回路(200)に電気的に接続されている、付記A2に記載の光センサ(10)。
(付記A4)
前記駆動回路(200)は、前記発光素子(20)の前記第2電極(26)とグランド端子との間に直列に接続された複数のスイッチング素子(210,220)を含む、付記A3に記載の光センサ(10)。
(付記A5)
前記第1実装部(62)と前記第2実装部(64)とは前記溝(92)によって物理的に切断されており、
前記第1実装部(62)は、前記溝(92)を境に区画される前記基板(50)の第1領域内に配置されており、
前記第2実装部(64)は、前記溝(92)を境に区画される前記基板(50)の第2領域内に配置されており、
前記発光素子(20)は、前記第1実装部(62)に第1ワイヤ(101)によって接続されており、
前記集積回路(30)は、前記第2実装部(64)に第2ワイヤ(111~116)によって接続されている、付記A1~A4のうちのいずれか一つに記載の光センサ(10)。
(付記A6)
前記第2導電層(70)は、
第1電源電圧が供給される第1導電パターン(722)と、
前記第1電源電圧よりも低い第2電源電圧が供給される第2導電パターン(724)と、
を含み、
前記第1電源電圧は、前記第1導電パターン(722)から前記基板(50)の前記第1領域に配置された第1ビア導体(822)を介して前記第1実装部(62)に供給され、
前記第2電源電圧は、前記第2導電パターン(724)から前記基板(50)の前記第2領域に配置された第2ビア導体(825)を介して前記第2実装部(64)に供給される、付記A5に記載の光センサ(10)。
(付記A7)
前記第1領域は、前記基板(50)の主面(52)の面積の1/5以下であり、
前記第2領域は、前記基板(50)の前記主面(52)の面積の4/5以上である、付記A5またはA6に記載の光センサ(10)。
(付記A8)
前記発光素子(20)は、
前記発光素子(20)の主面に配置された第1電極(24)と、
前記発光素子(20)の裏面に配置された第2電極(26)と、を含み、
前記第1実装部(62)は、
前記発光素子(20)の前記第2電極(26)が実装される素子配置領域(62A)を含む第1素子側導電パターン(621)と、
前記発光素子(20)の前記第1電極(24)にワイヤによって接続されるワイヤボンディング領域(62B)を含む第2素子側導電パターン(622)と、を含み、
前記第2実装部(64)は、複数の回路配置領域(64A1~64A7)と複数のワイヤボンディング領域(64B1~64B6)とを含む複数の回路側導電パターン(641~647)を含み、
前記集積回路(30)は、前記複数の回路配置領域(64A1~64A7)を含む矩形状の配置領域に実装されており、
前記複数のワイヤボンディング領域(64B1~64B6)は、前記集積回路(30)の複数のパッド(31~36)に複数のワイヤ(111~116)によって接続されており、
前記第2素子側導電パターン(622)の前記ワイヤボンディング領域(62B)と、前記複数の回路側導電パターン(641~647)の前記複数のワイヤボンディング領域(64B1~64B6)は、前記基板(50)の一辺(50A)に沿って配置されている、付記A1またはA2に記載の光センサ(10)。
(付記A9)
前記基板(50)は平面視矩形状であり、
前記基板(50)の一辺(50A)は前記基板(50)の長辺である、付記A8に記載の光センサ(10)。
(付記A10)
前記第1導電層(60)は前記基板(50)の主面(52)に配置されており、
前記第2導電層(70)は前記基板(50)の裏面(54)に配置されており、
前記導電ビア層(80)は前記基板(50)を貫通している、付記A1~A9のうちのいずれか一つに記載の光センサ(10)。
(付記A11)
前記被覆部材(90)は、
前記発光素子(20)を覆う第1被覆部(90A)と、
前記集積回路(30)を覆う第2被覆部(90B)と、を含み、
前記第1被覆部(90A)と前記第2被覆部(90B)は互いに離間して、前記基板(50)を露出させるスリットを前記溝(92)として画定する、付記A1~A10のうちのいずれか一つに記載の光センサ(10)。
(付記A12)
前記基板(50)は、前記被覆部材(90)の前記スリット(92)に対応する位置に凹溝(56)を含む、付記A11に記載の光センサ(10)。
(付記A13)
前記被覆部材(90)の前記溝(92)の幅が、30μm以上100μm未満である、付記A1~A12のうちのいずれか一つに記載の光センサ(10)。
(付記A14)
前記発光素子(20)は垂直共振器型面発光レーザであり、
前記受光素子(40)はフォトダイオードである、付記A1~A13のうちのいずれか一つに記載の光センサ(10)。
(付記B1)
基板(50)と、
前記基板(50)上に設けられ、電源(BT)から供給される第1電源電圧で動作する発光素子(20)と、
前記基板(50)上に設けられ、前記第1電源電圧よりも低い第2電源電圧で動作する集積回路(30)であって、受光素子(40)を含む前記集積回路(30)と、
を備えた光センサ(10)。
(付記C1)
光センサ(10)と、
定電圧レギュレータ(12)と、を備え、
前記定電圧レギュレータ(12)は、
電源(BT)から供給される第1電源電圧を受け取る電圧入力端子(12T1)と、
前記第1電源電圧よりも低い第2電源電圧を出力する電圧出力端子(12T2)と、
を含み、
前記光センサ(10)は、
前記電源(BT)および前記定電圧レギュレータ(12)の前記電圧入力端子(12T1)に接続された第1電源端子(10T1)と、
前記第1電源端子(10T1)に供給された前記第1電源電圧で動作する発光素子(20)と、
前記定電圧レギュレータ(12)の前記電圧出力端子(12T2)に接続された第2電源端子(10T2)と、
前記第2電源端子(10T2)に供給された前記第2電源電圧で動作する集積回路(30)であって、受光素子(40)を含む前記集積回路(30)と、
を含む、光センサシステム(10S)。
以上の説明は単に例示である。本開示の技術を説明する目的のために列挙された構成要素および方法(製造プロセス)以外に、より多くの考えられる組み合わせおよび置換が可能であることを当業者は認識し得る。本開示は、特許請求の範囲を含む本開示の範囲内に含まれるすべての代替、変形、および変更を包含することが意図される。
10…光センサ
10S…光センサシステム
12…定電圧レギュレータ
20…発光素子
24…第1電極
26…第2電極
30…集積回路
31~36…パッド
40…受光素子
50…基板
52…主面
54…裏面
56…溝(凹溝)
60…第1導電層
62…第1実装部
621…第1素子側導電パターン
622…第2素子側導電パターン
62A…素子配置領域
62B…ワイヤボンディング領域
64…第2実装部
641~647…回路側導電パターン
64A1~64A7…回路配置領域
64B1~64B6…ワイヤボンディング領域
70…第2導電層
721~727…導電パターン
80…導電ビア層
82…ビア導体
821~829…ビア導体
90…被覆部材
90A…第1被覆部
90B…第2被覆部
92…溝
101,111~116…ワイヤ
200…発光素子駆動回路
210,220…スイッチング素子

Claims (11)

  1. 基板と、
    前記基板の主面に設けられた第1導電層と、
    前記基板の裏面に設けられた第2導電層と、
    前記第1導電層と前記第2導電層との間に設けられた導電ビア層と、
    前記第1導電層に実装された発光素子と、
    前記第1導電層に実装され、受光素子と前記発光素子の駆動回路とを含む集積回路と、
    前記基板に設けられ、前記第1導電層とともに前記発光素子および前記集積回路を覆い、前記基板の平面視において前記発光素子と前記集積回路との間に溝を含む透光性の被覆部材と、を備え、
    前記第1導電層は、
    前記発光素子が実装される第1実装部と、
    前記集積回路が実装される第2実装部と、を含み、
    前記発光素子は、前記発光素子の主面に配置された第1電極と、前記発光素子の裏面に配置された第2電極とを含み、前記第2電極は、前記第1実装部、前記導電ビア層、前記第2導電層、および前記第2実装部を介して前記駆動回路に電気的に接続されており、
    前記駆動回路は、前記発光素子の前記第2電極とグランド端子との間に直列に接続された複数のスイッチング素子を含むことで前記発光素子を外部のバッテリに直接接続可能とするように構成されている、光センサ。
  2. 前記第1実装部と前記第2実装部とは、前記溝によって物理的に切断されており、
    前記第1実装部は、前記溝を境に区画される前記基板の第1領域内に配置されており、
    前記第2実装部は、前記溝を境に区画される前記基板の第2領域内に配置されており、
    前記発光素子は、前記第1実装部に第1ワイヤによって接続されており、
    前記集積回路は、前記第2実装部に第2ワイヤによって接続されている、請求項1に記載の光センサ。
  3. 前記第2導電層は、
    第1電源電圧が供給される第1導電パターンと、
    前記第1電源電圧よりも低い第2電源電圧が供給される第2導電パターンと、
    を含み、
    前記第1電源電圧は、前記第1導電パターンから前記基板の前記第1領域に配置された第1ビア導体を介して前記第1実装部に供給され、
    前記第2電源電圧は、前記第2導電パターンから前記基板の前記第2領域に配置された第2ビア導体を介して前記第2実装部に供給される、請求項2に記載の光センサ。
  4. 前記第1領域は、前記基板の主面の面積の1/5以下であり、
    前記第2領域は、前記基板の前記主面の面積の4/5以上である、請求項2または3に記載の光センサ。
  5. 前記第1実装部は、
    前記発光素子の前記第2電極が実装される素子配置領域を含む第1素子側導電パターンと、
    前記発光素子の前記第1電極にワイヤによって接続されるワイヤボンディング領域を含む第2素子側導電パターンと、を含み、
    前記第2実装部は、複数の回路配置領域と複数のワイヤボンディング領域とを含む複数の回路側導電パターンを含み、
    前記集積回路は、前記複数の回路配置領域を含む矩形状の配置領域に実装されており、
    前記複数のワイヤボンディング領域は、前記集積回路の複数のパッドに複数のワイヤによって接続されており、
    前記第2素子側導電パターンの前記ワイヤボンディング領域と、前記複数の回路側導電パターンの前記複数のワイヤボンディング領域は、前記基板の一辺に沿って配置されている、請求項1に記載の光センサ。
  6. 前記基板は平面視矩形状であり、
    前記基板の一辺は前記基板の長辺である、請求項5に記載の光センサ。
  7. 前記導電ビア層は前記基板を貫通している、請求項1~6のうちのいずれか一項に記載の光センサ。
  8. 前記被覆部材は、
    前記発光素子を覆う第1被覆部と、
    前記集積回路を覆う第2被覆部と、を含み、
    前記第1被覆部と前記第2被覆部は互いに離間して、前記基板を露出させるスリットを前記溝として画定する、請求項1~7のうちのいずれか一項に記載の光センサ。
  9. 前記基板は、前記被覆部材の前記スリットに対応する位置に凹溝を含む、請求項8に記載の光センサ。
  10. 前記被覆部材の前記溝の幅が、30μm以上100μm未満である、請求項1~9のうちのいずれか一項に記載の光センサ。
  11. 前記発光素子は垂直共振器型面発光レーザであり、
    前記受光素子はフォトダイオードである、請求項1~10のうちのいずれか一項に記載の光センサ。
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