TW202147653A

TW202147653A - 用於光學雷達的光發射裝置

Info

Publication number: TW202147653A
Application number: TW109119605A
Authority: TW
Inventors: 游國仁
Original assignee: 台達電子工業股份有限公司
Priority date: 2020-06-11
Filing date: 2020-06-11
Publication date: 2021-12-16

Abstract

一種用於光學雷達的光發射裝置，包括：內嵌式電晶體、雷射光源及儲能電容。內嵌式電晶體內埋於基板內。雷射光源裝設於基板上且電性連接內嵌式電晶體。儲能電容裝設於基板上且電性連接雷射光源。內嵌式電晶體用以響應於閘極控制訊號來選擇性地導通以使得儲能電容放電，從而使得雷射光源發射脈衝訊號光。內嵌式電晶體與雷射光源為相對設置。

Description

用於光學雷達的光發射裝置

本發明是關於一種用於光學雷達的光發射裝置，且特別是關於一種模組化封裝之用於光學雷達的光發射裝置。

光學雷達(Light Detection And Ranging，lidar)是許多自動駕駛汽車不可或缺的重要元件，可例如用於障礙物偵測、前車跟隨、邊線維持等。光學雷達係利用光來量測與目標物的距離，其工作原理是向目標物發射脈衝雷射光，然後測量脈衝雷射光自發射到被目標物反射並返回光源的傳播時間，從而得知脈衝雷射光行進的速度，並進而計算出與目標物的距離。

由於光學雷達需要產生時間極短且能量極高的脈衝雷射光，因此對於發出脈衝雷射光之光學雷達的光源而言，需要在極短的時間內流經大電流，故其導通路徑的串聯電阻需要極低且路徑越短越好，然而，低串聯電阻的要求將會受限於印刷電路板上的銅箔線路的設計佈局限制。再者，印刷電路板的佈局的限制會使得各元件之間的寄生電阻與寄生電感變得很大，從而限制了脈衝雷射光的脈衝寬度與強度。此外，光學雷達的光源於導通與關斷時的極短時間之大電流切換不但會對於其他周邊電路造成干擾也會導致嚴重的接地反彈(ground bounce)。

本揭露之目的在於提出一種用於光學雷達的光發射裝置，包括：內嵌式電晶體、雷射光源及儲能電容。內嵌式電晶體內埋於基板內。雷射光源裝設於基板上且電性連接內嵌式電晶體。儲能電容裝設於基板上且電性連接雷射光源。內嵌式電晶體用以響應於閘極控制訊號來選擇性地導通以使得儲能電容放電，從而使得雷射光源發射脈衝訊號光。其中，內嵌式電晶體與雷射光源為相對設置。

在一些實施例中，上述之用於光學雷達的光發射裝置更包括：閘極驅動器。閘極驅動器裝設於基板上且電性連接內嵌式電晶體的閘極。閘極驅動器用以響應於脈衝觸發訊號來產生閘極控制訊號。

在一些實施例中，上述之用於光學雷達的光發射裝置更包括：充電電阻。充電電阻裝設於基板上。充電電阻電性連接於偏壓電壓源與儲能電容之間，以使得儲能電容通過充電電阻來朝向偏壓電壓源之偏壓電壓進行充電儲能。

在一些實施例中，所述內嵌式電晶體為碳化矽場效電晶體。

在一些實施例中，所述雷射光源為雷射二極體或垂直腔面發射雷射。

在一些實施例中，所述雷射光源的陰極通過導電柱來電性連接內嵌式電晶體的汲極。

在一些實施例中，所述雷射光源之陰極表面連接導電柱之一側，導電柱之另一側連接內嵌式電晶體。

在一些實施例中，所述儲能電容通過接合引線來電性連接雷射光源的陽極。

在一些實施例中，所述閘極驅動器通過導電柱來電性連接內嵌式電晶體的閘極。

在一些實施例中，所述基板為有機基板或平面印刷電路板。

在一些實施例中，所述光發射裝置為封裝裝置且為整合式模組。

在一些實施例中，所述內嵌式電晶體係通過使用內埋式電子封裝技術來內埋於基板內。

為讓本揭露的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

以下仔細討論本發明的實施例。然而，可以理解的是，實施例提供許多可應用的概念，其可實施於各式各樣的特定內容中。所討論、揭示之實施例僅供說明，並非用以限定本發明之範圍。

圖1係根據本揭露的實施例之用於光學雷達的光發射裝置100的橫截面視圖。光發射裝置100包括基板110、內嵌式電晶體120、雷射光源130、閘極驅動器140、儲能電容150及充電電阻160。在本揭露的實施例中，基板110為有機基板。在本揭露的實施例中，基板110為平面印刷電路板。在本揭露的實施例中，內嵌式電晶體120係通過使用內埋式電子封裝技術(embedded electronic packaging technologies)而被內埋於基板110內。

雷射光源130、閘極驅動器140、儲能電容150及充電電阻160分別被佈植(populate)而裝設於基板110的頂面上，其中，內嵌式電晶體120與雷射光源130為相對設置，進一步來說，內嵌式電晶體120係設置於基板110的內部，較佳為內嵌式電晶體120低於基板110的表面，雷射光源130設置於內嵌式電晶體120的上方，而內嵌式電晶體120與雷射光源130之間設置有導電柱V1，並透過導電柱V1使內嵌式電晶體120與雷射光源130之間產生電性連接，並且，較佳為雷射光源130設置於內嵌式電晶體120的正上方，意即，雷射光源130與內嵌式電晶體120在垂直軸向上的投影會有部分重疊。在本揭露的實施例中，雷射光源130為雷射二極體(laser diode，LD)或垂直腔面發射雷射(vertical-cavity surface-emitting laser，VCSEL)，用以發出脈衝訊號光(light pulse)。

圖2係根據本揭露的實施例之光發射裝置100的各元件之電路連接示意圖。圖2係用以更佳地輔助說明光發射裝置100的各元件之間的連接關係。請一併參閱圖1與圖2，在本揭露的實施例中，雷射光源130之陰極表面連接導電柱V1之一側，而導電柱V1之另一側連接內嵌式電晶體120的汲極，換言之，雷射光源130的陰極通過導電柱V1來電性連接內埋於基板110內的內嵌式電晶體120的汲極，並且，內嵌式電晶體120的源極通過導電柱V2來電性連接接地電源GND。

在本揭露的實施例中，閘極驅動器140的第一端(輸出端/控制端)通過導電柱V3來電性連接內嵌式電晶體120的閘極，閘極驅動器140的第二端(輸入端)用以接收脈衝觸發訊號IN(圖1未示出)，閘極驅動器140的第三端(接地端)通過導電柱V4與導線架(lead frame)LF1來電性連接接地電源GND。

閘極驅動器140可為由邏輯閘與電晶體所構成的閘極驅動電路，閘極驅動器140用以響應於脈衝觸發訊號IN來產生閘極控制訊號OUT，以選擇性地導通內嵌式電晶體120。換言之，閘極驅動器140為連接至內嵌式電晶體120之閘極的閘極驅動電路，閘極驅動器140用以輸出閘極控制訊號OUT至內嵌式電晶體120之閘極，以透過閘極控制訊號OUT來導通或關斷內嵌式電晶體120。

在本揭露的實施例中，雷射光源130的陽極通過接合引線(bonding wire)W1來電性連接儲能電容150的一端與充電電阻160的一端。儲能電容150的另一端通過導電柱V5與導線架LF2來電性連接接地電源GND。充電電阻160的另一端電性連接於偏壓電壓源Vbus(圖1未示出)。在本揭露的實施例中，偏壓電壓源Vbus例如為0~75伏特(Volt)。

當內嵌式電晶體120關斷時，偏壓電壓源Vbus通過充電電阻160來朝向儲能電容150進行充電儲能(如圖2中的點線所示)。當內嵌式電晶體120導通時，儲能電容150、雷射光源130、內嵌式電晶體120及接地電源GND形成一串聯導通路徑(如圖2中的虛線所示)，儲能電容150將充電儲能之能量透過此串聯導通路徑來進行放電，從而使得雷射光源130發射脈衝訊號光。

在本揭露的實施例中，內嵌式電晶體120為氮化鎵(gallium nitride，GaN)場效電晶體(field-effect transistor，FET)，由於氮化鎵具有極低的導通電阻(例如約為7mOhm(毫歐姆))，因此可以使得內嵌式電晶體120導通時的串聯導通路徑的串聯電阻極低。在本揭露的其他實施例中，內嵌式電晶體120也可為碳化矽(silicon carbide，SiC)場效電晶體，碳化矽場效電晶體同樣具備低導通電阻的特性，因此可以使得內嵌式電晶體120導通時的串聯導通路徑的串聯電阻極低。在本揭露的實施例中，透過閘極驅動器140來使得內嵌式電晶體120僅於極短的時間內導通，因此本揭露的光發射裝置100能夠對應地在極短的時間(例如約為10奈秒(ns))內產生大電流(例如約為100安培(A))流經雷射光源130，以使得雷射光源130能夠發出符合光學雷達的光源之需求的脈衝訊號光。

本揭露的光發射裝置100將內嵌式電晶體120內埋於基板110內，且將雷射光源130、閘極驅動器140、儲能電容150及充電電阻160裝設於基板110上，其中本揭露還使用了雷射光源130自行封裝，從而形成模組化(modulized)的封裝結構(package structure)，換言之，本揭露的光發射裝置100為整合式模組(integrated module)。

本揭露的光發射裝置100將內嵌式電晶體120內埋於基板110內，因此內埋於基板110內之內嵌式電晶體120至裝設於基板110的頂面上的雷射光源130與閘極驅動器140之間的路徑長度可由毫米(mm)等級縮短至約100微米(µm)。此外，內嵌式電晶體120與儲能電容150至接地電源GND的路徑長度同樣縮短至微米等級。換言之，本揭露的光發射裝置100由於將內嵌式電晶體120內埋於基板110內，因此走線(trace)長度得以大幅縮短，大幅地降低了內嵌式電晶體120導通時的串聯導通路徑上的寄生電阻與寄生電感，以避免其對於訊號傳輸的影響，從而提升了放電速度，以利於產生短而強的脈衝訊號光，來更佳地符合光學雷達的發光需求。

本揭露的光發射裝置100更透過調整充電電阻160的電阻值來調整儲能電容150進行充電儲能時的充電速度，從而使得儲能電容150的放電速度快但充電速度相對於放電速度是極慢的。具體而言，儲能電容150充電速度極慢，因此本揭露的光發射裝置100能改善光源於大電流切換時對於其他周邊電路造成的電磁干擾(Electromagnetic Interference，EMI)，且也能改善接地反彈(ground bounce)現象。

綜合上述，本揭露提出一種用於光學雷達的光發射裝置，藉由將氮化鎵場效電晶體內埋於基板內，從而形成模組化的封裝結構。本揭露之用於光學雷達的光發射裝置能夠將寄生電阻、寄生電感降至極低，且由於已將各元件整合在封裝結構中，可以增強特性，降低對於周遭電路的干擾。

以上概述了數個實施例的特徵，因此熟習此技藝者可以更了解本揭露的態樣。熟習此技藝者應了解到，其可輕易地把本揭露當作基礎來設計或修改其他的製程與結構，藉此實現和在此所介紹的這些實施例相同的目標及/或達到相同的優點。熟習此技藝者也應可明白，這些等效的建構並未脫離本揭露的精神與範圍，並且他們可以在不脫離本揭露精神與範圍的前提下做各種的改變、替換與變動。

100:光發射裝置 110:基板 120:內嵌式電晶體 130:雷射光源 140:閘極驅動器 150:儲能電容 160:充電電阻 GND:接地電源 IN:脈衝觸發訊號 LF1,LF2:導線架 OUT:閘極控制訊號 V1~V5:導電柱 Vbus:偏壓電壓源 W1:接合引線

從以下結合所附圖式所做的詳細描述，可對本揭露之態樣有更佳的了解。需注意的是，根據業界的標準實務，各特徵並未依比例繪示。事實上，為了使討論更為清楚，各特徵的尺寸都可任意地增加或減少。 [圖1]係根據本揭露的實施例之用於光學雷達的光發射裝置的橫截面視圖。 [圖2]係根據本揭露的實施例之光發射裝置的各元件之電路連接示意圖。

100:光發射裝置

110:基板

120:內嵌式電晶體

130:雷射光源

140:閘極驅動器

150:儲能電容

160:充電電阻

LF1,LF2:導線架

V1~V5:導電柱

W1:接合引線

Claims

一種用於光學雷達的光發射裝置，包括：一內嵌式電晶體，內埋於一基板內；一雷射光源，裝設於該基板上且電性連接該內嵌式電晶體；及一儲能電容，裝設於該基板上且電性連接該雷射光源；其中，該內嵌式電晶體用以響應於一閘極控制訊號來選擇性地導通以使得該儲能電容放電，從而使得該雷射光源發射一脈衝訊號光；其中，該內嵌式電晶體與該雷射光源為相對設置。
如請求項1所述之用於光學雷達的光發射裝置，更包括：一閘極驅動器，裝設於該基板上且電性連接該內嵌式電晶體的一閘極，該閘極驅動器用以響應於一脈衝觸發訊號來產生該閘極控制訊號。
如請求項1所述之用於光學雷達的光發射裝置，更包括：一充電電阻，裝設於該基板上，該充電電阻電性連接於一偏壓電壓源與該儲能電容之間，以使得該儲能電容通過該充電電阻來朝向該偏壓電壓源之一偏壓電壓進行充電儲能。
如請求項1所述之用於光學雷達的光發射裝置，其中該內嵌式電晶體為一碳化矽場效電晶體。
如請求項1所述之用於光學雷達的光發射裝置，其中該雷射光源為一雷射二極體或一垂直腔面發射雷射。
如請求項1所述之用於光學雷達的光發射裝置，其中該雷射光源的一陰極通過一導電柱來電性連接該內嵌式電晶體的一汲極。
如請求項1所述之用於光學雷達的光發射裝置，其中該雷射光源之陰極表面連接該導電柱之一側，該導電柱之另一側連接該內嵌式電晶體。
如請求項1所述之用於光學雷達的光發射裝置，其中該儲能電容通過一接合引線來電性連接該雷射光源的一陽極。
如請求項2所述之用於光學雷達的光發射裝置，其中該閘極驅動器通過一導電柱來電性連接該內嵌式電晶體的該閘極。
如請求項1所述之用於光學雷達的光發射裝置，其中該基板為一有機基板或一平面印刷電路板。
如請求項1所述之用於光學雷達的光發射裝置，其中該光發射裝置為一封裝裝置且為一整合式模組。
如請求項1所述之用於光學雷達的光發射裝置，其中該內嵌式電晶體係通過使用內埋式電子封裝技術來內埋於該基板內。