WO2023020735A1 - Verpackungsanordnung sowie lidar-system - Google Patents

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WO2023020735A1
WO2023020735A1 PCT/EP2022/067650 EP2022067650W WO2023020735A1 WO 2023020735 A1 WO2023020735 A1 WO 2023020735A1 EP 2022067650 W EP2022067650 W EP 2022067650W WO 2023020735 A1 WO2023020735 A1 WO 2023020735A1
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WO
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substrate
integrated circuit
photonic integrated
heat
thermally conductive
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Application number
PCT/EP2022/067650
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English (en)
French (fr)
Inventor
Maximilian Amberger
Ulrike Scholz
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/12—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof structurally associated with, e.g. formed in or on a common substrate with, one or more electric light sources, e.g. electroluminescent light sources, and electrically or optically coupled thereto
    • H01L31/16—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof structurally associated with, e.g. formed in or on a common substrate with, one or more electric light sources, e.g. electroluminescent light sources, and electrically or optically coupled thereto the semiconductor device sensitive to radiation being controlled by the light source or sources
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/481—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements
    • G01S7/4811—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements common to transmitter and receiver
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    • H01L31/02—Details
    • H01L31/0203—Containers; Encapsulations, e.g. encapsulation of photodiodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/02—Details
    • H01L31/024—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation

Definitions

  • a photonic integrated circuit packaging assembly comprising the photonic integrated circuit having an optically active region, a substrate supporting the photonic integrated circuit, and a passive heat conducting component terminating the packaging assembly and covering the photonic integrated circuit, the substrate, the photonic integrated circuit and the thermal conduction device being arranged in a stacked configuration, and a LiDAR system having such a packaging arrangement, the packaging arrangement being operatively connected to the LiDAR system.
  • LiDAR sensors are considered an integral part of autonomous driving. Previous solutions are mostly based on the macroscopic deflection of laser points or lines and a subsequent detection, which usually takes place either over an area or also in a point or line pattern. Alternative approaches to this use so-called silicon photonics structures, i.e. silicon structures for photonics, in order to enable beam generation, beam deflection and directional detection directly on a chip or in a photonic integrated circuit by means of controllable deflection units (e.g. optical phased array). .
  • controllable deflection units e.g. optical phased array
  • One variant is the integration of optical and electronic components on an optical circuit board.
  • a typical feature here is that there are usually fiber optic connections from/to the PCB, since the main application scenario is transceivers in data centers that are to be connected using fiber optic cables.
  • a semiconductor component is known from DE 102016203453 A1, which can be an optical component, such as a gallium nitride semiconductor chip. Optically active areas on a bottom side of the semiconductor chip can have photonic integrated circuits.
  • a heat sink can be used, which can be a metallic or ceramic heat spreader, wherein the heat sink can be thermally conductively connected both to the top of a carrier and to the top of a semiconductor device, such as the semiconductor chip as part of it, in particular under Interposition of a thermal paste.
  • a Ge photodetector is mounted upside down on a silicon nitride substrate such that an optical waveguide can be connected to the photodetector through an opening in the substrate.
  • DE 11 2016 001 212 T5 discloses a diamond window that can be used for thermal management in photonics and a manufacturing method for such a diamond window.
  • WO 2012/159869 A1 discloses a semiconductor component with a substrate and a free-standing bridge structure that is detached from the substrate. The planar structure of the component allows it to be used in photonics. The geometric structure of the bridge is determined by etched windows.
  • a packaging arrangement of the type mentioned is made available, in which the optical integrated circuit is arranged between the heat-conducting component and the substrate.
  • the packaging arrangement according to the invention has the advantage that the photonic integrated circuit is well protected between the substrate and the heat-conducting component. Furthermore, such a packaging arrangement can be produced simply and compactly due to the stacked configuration.
  • packaging is understood to mean, in particular, a construction that is also known by the English term “package” for electrical circuits. It is a housing structure that encloses electronic components in order to be able to use them as an assembly in electrical equipment in a compact and protected form.
  • the package may be an environmentally hermetically sealed assembly of electronic components.
  • the stacked configuration may be set up such that the photonic integrated circuit is stacked on the substrate. In this way, a stable connection between the PIC and the substrate can be achieved.
  • the photonic integrated circuit can be electronically connected to the substrate, in particular via electrical contacts on the photonic integrated circuit and corresponding mating contacts on the substrate.
  • the stacked configuration may provide that the thermal conduction member is stacked on the substrate. In this way, the heat-conducting component can enclose the photonic integrated circuit together with the substrate.
  • the heat conducting component can be directly or indirectly thermally connected to the photonic integrated circuit.
  • the thermally conductive component abuts the photonic integrated circuit directly to create direct thermal contact with the photonic integrated circuit, or the thermally conductive component abuts intermediate thermally conductive elements that are themselves thermally in contact with the thermally conductive component to provide such a to generate indirect thermal contact of the heat conducting component with the photonic integrated circuit.
  • heat dissipation from the PIC to the heat-conducting component is made possible.
  • the photonic integrated circuit can carry other electronic components.
  • a highly integrated packaging arrangement can thus be provided. These components can be CMOS chips, in particular, which are preferably located on a surface of the photonic integrated circuit that is remote from the heat-conducting component. However, electronic components can also be located on the surface of the photonic integrated circuit that faces the heat-conducting component.
  • the optically active area can have a light source, a light sensor and/or a light deflection unit.
  • the light source is preferably a laser source.
  • the light sensor is preferably a photodiode.
  • the light deflection unit preferably comprises a mirror arrangement, in particular a micromirror array, or a lens array, in particular a microlens array.
  • the light deflection unit is preferably associated with the light source of the photonic integrated circuit in order to deflect light coming from the light source into an environment of the packaging arrangement.
  • the photonic integrated circuit is preferably designed as a flat plate on which, in some embodiments, the further electronic components are arranged, protruding from the flat plate or sunk into it.
  • the substrate is preferably designed as a flat plate. This allows the PIC and the thermal device to be easily stacked on the substrate and achieve a low profile configuration. It is preferred that the substrate is a PCB board, which in particular has printed circuits.
  • the substrate can be an organic substrate.
  • a heat spreader is incorporated into the substrate to transfer heat from the photonic integrated circuit through the to distribute through the substrate.
  • the heat spreader can be made of a thermally conductive material, in particular a metal and preferably copper. It is preferred that the thermally conductive component is soldered or glued to the substrate, in particular with the interposition of thermally conductive connection surfaces via which the thermally conductive component can be soldered or glued to the substrate.
  • the thermally conductive component is stacked on the substrate and soldered thereto or, alternatively, glued thereto.
  • the connection surfaces can be connected to the heat spreader. In this way, heat can be efficiently dissipated from the photonic integrated circuit to the heat-conducting component via the substrate.
  • the substrate is preferably designed to absorb mechanical stresses of the packaging arrangement.
  • the substrate is preferably itself a very good thermal conductor (preferably implemented as a ceramic substrate) or contains a very good thermal conductor layer, e.g. a thick copper layer in the PCB, which serves as a heat spreader and which is thermally connected to the PIC, preferably via thermal vias.
  • the substrate should be able to provide sufficient input/output (I/O) interfaces, i.e. input/output interfaces, in order to be able to address all functions on the PIC.
  • I/O input/output
  • the substrate should have an optical opening in the area of the deflecting units, which are preferably optically active areas, of the PIC. This can be achieved, for example, by making a hole in the substrate. Transparent materials can be provided in the hole of the substrate, such as a window of glass or other optically transparent material.
  • the substrate can preferentially absorb and mitigate stress from the upper package, since the function of the PIC is typically strongly influenced by stress in the chip.
  • further semiconductor components that could be directly necessary for the operation of the PIC should preferably be able to be accommodated on the substrate. These components, in particular electronic components, are ideally also protected by the thermally conductive component.
  • the substrate is also preferably on its underside, the surface of which is preferably the Heat conducting component is turned away, preferably ready connection technology for further electrical contact, typically with corresponding solder balls, solder pads or connectors.
  • the substrate can consist of a large number of materials, each with their typical advantages and disadvantages.
  • Preferred substrate options include:
  • Ceramic substrates These allow significantly higher I/O densities than simple PCBs and can also be adapted from the CTE to the PIC. In addition, ceramic substrates themselves can be very good thermal conductors. Disadvantages are more complex AVT (construction and connection technology processes and higher costs.
  • a decisive role in the question of which substrate can be used is which functions have to be carried out by separate ICs, or more generally electronic components, on the PIC and which can be relocated to the substrate next door.
  • ICs or more generally electronic components
  • Phase shifter devices are moved from the PIC to the substrate, which are preferred electronic components, significantly more than 1000 I/Os have to be routed between the PIC and the substrate in some embodiments. This usually excludes the use of "standard PCBs" as a substrate.
  • the substrate itself must also be compatible with methods such as copper pillars for a high number of I/Os. Glass and silicon as substrates also have the property that, in principle, an optically transparent window would also be possible with them instead of an opening.
  • the ICs on the PIC either
  • the heat dissipation of the PIC that is required for operation takes place preferably via the passive heat-conducting component.
  • suitable thermally conductive material such as thermally conductive paste, gap filler paste, solder, thermally conductive adhesive or thermally conductive pads can be attached between the PIC and the passive thermally conductive component.
  • the heat can then be dissipated from the heat-conducting component away from the packaging arrangement using solutions for heat dissipation known from the consumer semiconductor industry, in particular by means of water cooling by an external water flow or air cooling by an external air flow.
  • the heat-conducting component itself is passive, it can be supported in this way by active heat dissipation. In this way, heat dissipation can be further improved.
  • the heat-conducting component is preferably designed as a cover, in particular as a cover with a C-shaped cross section.
  • the heat conducting component can be made of a metal. In this way, good thermal conductivity of the heat-conducting component can be ensured.
  • complex measures for cooling through the substrate e.g. the use of TECs (i.e. thermoelectric coolers)
  • TECs thermoelectric coolers
  • the system is advantageously over the substrate, the thermally conductive component and possibly additional components that are soldered or glued to the substrate or the PIC, or filled into the packaging arrangement
  • Thermally conductive material heats up.
  • the heat-conducting component is attached directly to heat-conducting structures, in particular copper conductor tracks, as connection surfaces that are connected to the heat spreader
  • the substrate or the PIC is soldered or glued in a thermally conductive manner so that the heat is dissipated directly into the thermally conductive component.
  • the heat-conducting component preferably takes on not only the function of heat dissipation, but also ESD shielding against electrical interference, for example electrostatics.
  • the thermally conductive component advantageously forms the mechanical and thermally conductive interface to the environment of the packaging arrangement and at the same time enables the construction of a cooling path, for example to a windshield, in particular the windshield of a motor vehicle, to which the packaging arrangement can be attached.
  • the thermally conductive component can have an electrically conductive coating in order to reduce interference, in particular due to high-frequency interference sources. Coating materials known per se to those skilled in the art can be used for this.
  • the photonic integrated circuit is stacked upside down on the substrate such that the optically active region of the photonic integrated circuit faces an optical aperture of the substrate.
  • This allows a surface of the PIC facing away from the optically active area to be thermally coupled to the heat-conducting component in order to ensure good heat dissipation from the PIC to the heat-conducting component.
  • the photonic integrated circuit is arranged between the thermally conductive component and the substrate.
  • a thermal interface material may be located between the PIC and the thermal device to improve thermal coupling between the PIC and the thermal device, such as thermal grease.
  • upside down can mean that the PIC is also mechanically connected to the substrate via a surface on which the optically active area is located.
  • the mechanical connection can be produced by soldering.
  • Appropriate solder balls are preferably located between that surface of the PIC that has the optically active area and the substrate.
  • the PIC can be stacked on the substrate such that the optically active region faces away from the substrate. In this way it is possible to avoid having to provide the optical opening in the substrate.
  • the optical opening can be provided in the heat-conducting component.
  • the optically active area then expediently faces the heat-conducting component.
  • the intermediate layers can have the advantage that they can carry additional electronic components, preferably integrated circuits, resistors and capacitors. In this way they can provide additional building space in the packaging arrangement.
  • the substrate is the organic substrate.
  • the intermediate layer provides I/O connections to functionally connect the PIC to the substrate.
  • the interlayer may be provided as a flat sheet that has a cutout to expose the optically active area on the PIC. Accordingly, it is preferred that the cutout is as large as the optical opening and corresponds to it in shape.
  • the packaging arrangement preferably includes one or more thermally conductive elements in a space between the substrate and the thermally conductive component arranged to conduct heat away from the photonic integrated circuit to the thermally conductive component. Since air is a poor conductor of heat, it is beneficial if the space includes the one or more heat conducting elements to cool the PIC.
  • the thermally conductive element or elements can fill part or all of the space. If only part of the space is filled with the thermally conductive element, a volume of the space located between the optically active area and the optical opening is preferably free of the thermally conductive element in order not to cover the optically active area. It can be a pasty, solid or liquid thermally conductive element.
  • Pasty or liquid thermally conductive elements can preferably be cured after they have been introduced into the room, for example by heat.
  • a thermally conductive paste is preferably provided as a thermally conductive element in order to thermally couple the photonic integrated circuit to the thermally conductive component.
  • An extended solution is preferably the at least partial filling of the interior of the packaging arrangement with thermally conductive material by the heat directly at the site of their Generation can be derived and forwarded to the heat conducting component.
  • the thermal paste can be an inexpensive and easy-to-use thermal interface material because it is already known in principle from many applications, for example computer and consumer technology.
  • the thermal conduction member has a filling hole provided for filling the thermal paste into the space therethrough. This is because the optical opening usually cannot be used for filling because of the optically active region arranged underneath, which is why the filling hole is advantageous.
  • a vent hole is preferably additionally provided to allow the air displaced from the space by the thermally conductive material to escape. This enables control of the flow profile.
  • the vent hole is also preferably not identical to the fill hole and optical port.
  • a sealing member is provided between the photonic integrated circuit and the substrate to protect the optically active area from the thermal paste. If the space is to be filled with heat-conducting paste, it is advantageous if the optical area of the PIC is kept free by applying a sealing element between the PIC and the heat-conducting component. This can preferably be achieved in the form of a sealing ring or sealing element such as a sealing dam which can be placed directly on the PIC dispenser.
  • the sealing element for the optically active area is preferably applied to the PIC before the heat-conducting component is installed.
  • the sealing element can be cured, for example, after the heat-conducting component has been installed. Therefore, it is preferably made of a thermosetting material.
  • One or more thermally conductive spring elements are preferably provided as the thermally conductive element, which spring elements extend in the space between the substrate and the thermally conductive component and are arranged to conduct heat from the substrate to the thermally conductive component.
  • the weight of the packaging arrangement can be reduced since only one or more relatively small spring elements have to be provided instead of filling all or a large part of the space with thermal conductive paste.
  • the spring elements are soldered or glued to the substrate and rest against the heat-conducting component.
  • Preferred spring elements are made of spring steel. Viewed in cross-section, the spring elements are preferably S-shaped or annular, particularly preferably omega-shaped. As a result, a good spring effect can be achieved, as a result of which the spring elements can rest well against the heat-conducting component.
  • electronic components are arranged laterally to the optically active region between the substrate and the heat-conducting component.
  • This can have the advantage that the overall height of the packaging arrangement can be kept particularly low and the area that is already available laterally can be used for the electronic components.
  • Lateral can refer to the direction of extension of the photonic integrated circuit and mean "offset along the direction of extension of the PIC to the optically active area".
  • the extension direction is preferably perpendicular to a stacking direction of the photonic integrated circuit, the substrate and the heat conducting component.
  • the electronic components can be arranged on the PIC. However, the electronic components can also be arranged additionally or alternatively on the substrate.
  • additional components driving the PIC can be integrated in this way, such as integrated circuits, resistors and capacitors, which are preferred electronic components. In this way, these electronic components are also protected by the thermally conductive component and can be cooled.
  • the packaging arrangement may further include a mounting base or be adapted to be connected to a mounting base.
  • the substrate is between the submount and the substrate.
  • the submount can support the substrate such that the PIC is mechanically connected to the submount with the substrate in between.
  • a stable packaging arrangement can thus be achieved.
  • the submount has a base opening aligned with the optical opening of the substrate. That is, the base opening preferably corresponds to the optical opening. In this way it can be avoided that the mounting base covers the optical area and thereby restricts or eliminates its function.
  • the substrate can in particular with the submount be soldered so that there are preferably solder balls between the substrate and the submount.
  • the mounting base is preferably designed as a flat plate.
  • the base opening can be implemented as a hole, which in embodiments has a transparent window, for example made of glass.
  • one aspect on which the present packaging arrangement is based is the need for a cost-effective, compact first-level assembly and connection technology for packaging Silicon Photonics LiDAR sensors suitable for automotive use.
  • particular attention can be paid to the compatibility of the assembly processes with standard processes in consumer semiconductor assembly technology and the integrated heat dissipation of the system, in particular the photonic IC for applications in LiDAR systems, for example.
  • a silicon photonic chip photonic integrated circuit, PIC
  • PIC photonic integrated circuit
  • fourth and sixth embodiments, illustrated in Figures 4 to 6, provide in particular to mount a Silicon Photonic Chip (PIC) on a suitable substrate, the deflecting units, which are arranged in the optically active region, the laser light a laser source placed on top of the PIC, up through an opening, such as a glass window, in the thermally conductive component, such as the lid.
  • PIC Silicon Photonic Chip
  • the LiDAR sensor to be built compactly and, for example, to be mounted directly behind a windshield of a motor vehicle. Since the emitter unit of the PIC emits light upwards through the cover, the laser dies and the required CMOS chips, for example, can be mounted on the PIC. This can be done using wire bonding, flip chip technology or similar methods.
  • the packaging arrangement presented here in various embodiments allows the use of assembly processes suitable for mass production from consumer electronics. In particular, the subsequent cooling of the packaging arrangement can be carried out using known standard methods (similar to CPU cooling).
  • the thermally conductive component in particular the cover, makes it possible to protect all components inside the packaging arrangement from the media that occur in the automotive sector, such as water and oil. If the thermally conductive component is made of metal or has a conductive coating over its entire surface, the thermally conductive element also represents an effective electromagnetic barrier in order to reduce interference with the remaining electronics, in particular the electronic components of the packaging arrangement. This applies in particular if the laser driver or other high-frequency interference sources have to be installed in the vicinity of the PIC in the packaging arrangement. In return, their susceptibility to failure is reduced.
  • I/Os are available between the PIC and the substrate, electronic components can also be moved flexibly between the PIC and the substrate as assembly platforms, as illustrated in the following exemplary embodiments. This makes it easier later to find the most cost-effective design variant with low scrap costs. In particular, there is the possibility of reducing the PIC area, which can also lead to cost savings.
  • the mounting surface of the PIC i.e. the surface that is connected to the substrate, is preferably connected to the heat spreader via thermal vias or Cu inlays. Likewise will the heat from the inner layer of the substrate is conducted back up.
  • the heat-conducting spring elements can be soldered or conductively glued to the metal cover on contact surfaces, namely connection surfaces, in order to transfer the heat.
  • the shape of the spring elements can vary. These spring elements can also be designed in the form of profiles in order to act as EMC protection.
  • the face-up assembly which is illustrated in FIGS. 4 to 6, of the PIC, on the other hand, can ensure that further functions such as lasers or CMOS chips can be integrated on the PIC.
  • TSVs in the PIC can be used for further, direct or targeted cooling.
  • the subsequent heat dissipation can be carried out according to known methods, in that substrates with good thermal conductivity, thermally conductive spring elements for connection to the cover or the connecting seam between substrate and cover are used as a thermal bridge. If such spring elements are ring-shaped, in particular circular, they can already provide ESD protection functions inside the housing and improve high-frequency operation.
  • the space in the packaging arrangement can also be at least partially filled with heat-conducting material, in which case the optical path from the optically active area to the optical opening can be kept free by means of suitable measures such as a sealing ring or a dispensing dam.
  • the optical path preferably runs through the volume described above.
  • the packaging arrangement may be used in embodiments for the PIC current generation 2 LiDAR sensors to package it. Future products with Silicon Photonics units that do not require fiber optic connections can also be packaged in this way.
  • a specific application is the mounting of a silicon photonic chip (PIC) on a suitable substrate, with the deflecting units sending the laser light up through a window, e.g. a glass window, in the heat-conducting component, e.g. the cover, or through a window or hole in the substrate down.
  • PIC silicon photonic chip
  • an emission unit in particular a laser source
  • the laser dies and the required CMOS chips can be mounted on the PIC. This can preferably be done using wire bonding, flip-chip technology or similar methods.
  • a LiDAR system of the type mentioned at the outset is also provided with a packaging arrangement as described above, the photonic integrated circuit being arranged between the heat-conducting component and the substrate.
  • the LiDAR system according to the invention has the advantage that the photonic integrated circuit is well protected between the substrate and the thermally conductive component in the packaging arrangement. Furthermore, such a LiDAR system can be produced simply and compactly due to the stacked configuration of the packaging arrangement.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of the packaging arrangement in a schematic cross-sectional view
  • FIG. 2 shows a second embodiment of the packaging arrangement in a schematic cross-sectional view
  • FIG. 3 shows a third embodiment of the packaging arrangement in a schematic cross-sectional view
  • FIG. 4 shows a fourth embodiment of the packaging arrangement in a schematic cross-sectional view
  • FIG. 5 shows a fifth embodiment of the packaging arrangement in a schematic cross-sectional view
  • FIG. 6 shows a sixth embodiment of the packaging arrangement in a schematic cross-sectional view.
  • FIG. 1 shows a packaging arrangement 1 for a photonic integrated circuit 2 in a first embodiment in a schematic cross-sectional view.
  • the packaging arrangement 1 comprises the photonic integrated circuit 2.
  • the photonic integrated circuit 2 has an optically active region 3, in this case a micromirror array. In this and all other embodiments illustrated with reference to the figures, the optically active region 3 is set up to emit light into an environment of the packaging arrangement 1 .
  • the packaging arrangement 1 also has a substrate 4 which carries the photonic integrated circuit 2 .
  • the substrate 4 is a PCB here by way of example.
  • the packaging arrangement 1 also has a passive heat-conducting component 5 which closes off the packaging arrangement 1 .
  • the passive heat conduction device 5 covers the photonic integrated circuit 2.
  • the substrate 4, the photonic integrated circuit 2 and the heat conduction device 5 are arranged in a stacked configuration.
  • the photonic integrated circuit 2 is arranged between the thermally conductive component 5 and the substrate 4 .
  • the substrate 4 and the photonic integrated circuit 2 are both designed as flat plates.
  • the heat-conducting component 5 is C-shaped in cross section, with the legs of the C-shape ending on the substrate 4 .
  • the photonic integrated circuit 2 is stacked upside down on the substrate 4 in this embodiment.
  • the optically active region 3 of the photonic integrated circuit 2 faces an optical opening 6 in the substrate 4 .
  • a surface 7, the optically active region 3 of the photonic integrated circuit 2 faces the substrate 4, which supports the photonic integrated circuit 2. Due to the optical opening 6 of the substrate 4, the optically active area 3 is not covered by the substrate 4 but can fulfill its function.
  • the optical opening 6 is designed here simply as a hole in the substrate 4, in which, in embodiments that are not shown, an optically transparent window, in particular made of glass, can be provided.
  • the packaging arrangement 1 has a heat-conducting element 9 in a space 8 between the substrate 4 and the heat-conducting component 5 .
  • the space 8 is enclosed by the substrate 4 and the thermally conductive component 5 .
  • the thermally conductive element 9 is arranged to dissipate heat from the photonic integrated circuit 2 to the thermally conductive component 5 .
  • a thermally conductive paste is provided to thermally couple the photonic integrated circuit 2 to the thermally conductive member 5 .
  • the thermally conductive paste 5 is sandwiched as a layer between the photonic integrated circuit 2 and the thermally conductive component 5 .
  • the thermally conductive paste 5 is in contact with both the photonic integrated circuit 2 and the thermally conductive component 5 .
  • the substrate 4 was first provided for the production of the packaging arrangement 1 .
  • the photonic integrated circuit 2 was stacked on the substrate 4 and soldered thereto.
  • the thermally conductive paste was applied to the surface 10 of the photonic integrated circuit 2 that is opposite the optically active region 3 and/or to a surface 11 of the thermally conductive component 5 that faces the photonic integrated circuit 2 .
  • the heat-conducting component 5 was stacked onto the photonic integrated circuit 2, here with the heat-conducting paste interposed. Improved cooling of the photonic integrated circuit 2 can thus take place and at the same time the photonic integrated circuit 2 can be protected between the substrate 4 and the heat-conducting component 5 while being easy to produce.
  • An electronic component 12a is also arranged laterally to the optically active region 3, here on the substrate 4, between the substrate 4 and the heat-conducting component 5.
  • the electronic component 12a is involved here for example an electrical resistance.
  • the electronic component 12a is operatively connected to the photonic integrated circuit 2 .
  • Further electronic components 12b, 12c are arranged on the surface 7 of the photonic integrated circuit 2, which has the optically active region 3.
  • Two CMOS components 12b, 12c, which are preferred electronic components 12a-c, are soldered onto the photonic integrated circuit 2 laterally to the optically active region 3, for example.
  • Lateral refers here to the direction of extension of the photonic integrated circuit 2 and means along the direction of extension of the photonic integrated circuit 2 offset to the optically active region 3.
  • the direction of extension is perpendicular to a stacking direction of the photonic integrated circuit 2, the substrate 4 and the heat conducting component 5.
  • this first embodiment includes a submount 13 having a base opening 14 aligned with the optical opening 6 of the substrate 4 .
  • the substrate 4 is soldered to the submount 13 via solder balls 15 .
  • the substrate can also be heated towards the submount, for example via the solder balls 15.
  • solder balls 15 having different sizes are illustrated in the figures. For reasons of clarity, only a single solder ball 15 is identified by the reference number 15 in each figure.
  • the photonic integrated circuit 2 sits upside down (with the active optical structures of the optically active region 3 in the direction of the substrate 4) on the substrate 4.
  • the photonic integrated circuit 2 can, as shown, have further electronic or electro-optical Bring components 12a-c with you.
  • the optical opening 6 shown in the substrate 4, or a transparent window, which is not shown here, is particularly advantageous for this. If such additional components 12a-c are to be integrated on the surface 7 of the optically integrated circuit 2, not only a transparent area but also sufficient installation space above the optically integrated circuit 2, ie in the direction of the substrate 4, must be reserved.
  • the simplest possible realization here is the optical opening 6 as an optical hole in the substrate 4.
  • the substrate 4 has the contacting (not shown) of the photonic integrated circuit 2 at its edges, in particular in the area of the solder balls 15, i.e. the mechanical connection, between the substrate 4 and the surface 7 of the photonic integrated circuit 2. To be more precise, the contact is therefore in an overlapping area of the substrate 4 and the surface 7, in which the substrate 4 also is soldered to the surface 7.
  • Figure 2 shows an example of a second embodiment of the packaging arrangement 1, in which all the necessary electronic components 12a-c, here by way of example integrated CMOS circuits 12b, 12c and the resistor 12a, are mounted on the substrate 4, specifically laterally with respect to the Photonic integrated circuit 2.
  • Both the photonic integrated circuit 2 and the two CMOS ICs 12b, 12c are controlled here via interfaces (not shown) with significantly more than 1000 I/Os per chip, which means that only a few substrate types appear suitable. Since all the necessary ICs 12b, 12c are mounted on the substrate 4, the photonic integrated circuit 2, in contrast to the first exemplary embodiment from FIG or, more generally, electronic components 12a-c, all located adjacent to the PIC 2, this potentially allows the size of the PIC 2 to be reduced.
  • FIG. 3 A third embodiment of the packaging arrangement 1 is shown in FIG. 3, in which case an intermediate layer 16, also called an interposer, is arranged between the substrate 4 and the PIC 2 in order to mechanically connect the photonic integrated circuit 2 to the substrate 4.
  • the intermediate layer 16 is made of glass or silicon.
  • the intermediate layer 16 is designed as a flat plate.
  • the intermediate layer 16 may (but does not have to) also house some or all of the additional electronic components 12a-c, in particular ICs, resistors and capacitors.
  • the photonic integrated circuit 2 is stacked on the intermediate layer 16 and the intermediate layer 16 is stacked on the substrate 4 .
  • the intermediate layer 16 is soldered to the substrate 4 .
  • the intermediate layer 16 is soldered to the photonic integrated circuit 2 .
  • a cutout 17 is formed in the intermediate layer 16 in order to expose the optically active region 3 of the photonic integrated circuit 2 .
  • the substrate 4 does not carry the resistor here electronic component 12a, but the intermediate layer 16 carries the electronic component 12a.
  • the substrate 4 is an organic substrate 4. This exemplary embodiment therefore provides organic substrates 4 for stress decoupling in the direction of the mounting base 13 and a glass or silicon interposer 16 for providing the necessary I/Os.
  • the third exemplary embodiment is similar to the first exemplary embodiment from FIG. 1, which is why it is not repeated here.
  • FIG. 4 shows a fourth embodiment of the packaging arrangement 1.
  • FIG. 4 shows an example of a variant in which the heat-conducting component 5 is glued or soldered directly onto heat-conducting connection surfaces 18a, b.
  • the connection surfaces 18a, b partially fill the space 8 in the area between an edge of the thermally conductive component 5 and the substrate 4 and each represent a thermally conductive element 9.
  • the thermally conductive component 5 can thus heat directly derive
  • the substrate 4 is again a PCB. Again the photonic integrated circuit 2 is arranged between the heat conducting component 5 and the substrate 4 .
  • the photonic integrated circuit 2 is stacked on the substrate 4 in such a way that the surface 7 which has the optically active region 3 faces away from the substrate 4 .
  • a main beam direction of the photonic integrated circuit 2 is upward through the heat conducting member 5 in which the optical opening 6 is provided in this embodiment.
  • This is also called a face-up montage.
  • the packaging arrangement 1 has the connection surfaces 18a, b as heat-conducting elements 9 in the space 8 between the substrate 4 and the heat-conducting component 5, which are arranged to dissipate heat from the photonic integrated circuit 2 to the heat-conducting component 5.
  • connection surfaces 18a, 18b are in fact connected to a heat spreader 19 made of copper, which extends essentially along the direction of extension through the substrate 4 and which in turn is connected to the photonic integrated circuit 2 via connections in the stacking direction .
  • the photonic integrated circuit 2 is soldered onto the substrate 4 and connected to the substrate 4 and the heat spreader 19 via a corresponding soldering layer 20 .
  • the packaging arrangement is 1 set up to conduct heat from the photonic integrated circuit 2 via the heat spreader 19 of the substrate 4 and then via the connection surfaces 18a, b to the heat-conducting component 5 and thus to cool the photonic integrated circuit 2.
  • the heat-conducting paste from the first three exemplary embodiments can be omitted in the fourth exemplary embodiment, more space remains on the surface 7 that has the optically active area 3 in order to arrange electronic components 12a-c on the photonic integrated circuit 2 laterally to the optically active area 3 , here a laser source 12a and a CMOS chip 12b.
  • Laser radiation from the laser source 12a can be deflected via the optically active region 3 through the optical opening 6 into an environment of the packaging arrangement 1.
  • the laser source 12a therefore does not have to be uncovered by the optical opening 6.
  • the CMOS chip 12b is set up to drive the photonic integrated circuit 2 .
  • the connection surfaces 18a, 18b can form a single connected connection surface that is circular or rectangular in plan view along the stacking direction.
  • the heat-conducting component 5 can also be heat-conductively bonded to corresponding connection surfaces 18a, b.
  • the assembly of the heat-conducting component 5 simultaneously assumes a heat-conducting function, without additional elements having to be assembled, which are illustrated in the following FIG. 5 in a fifth exemplary embodiment.
  • FIG. 1 A fifth embodiment of the packaging arrangement 1 is shown in FIG.
  • the heat-conducting component 5 is not soldered to the substrate 4 by means of the connection surfaces 18a, b.
  • two thermally conductive spring elements 21a, b are provided on the connection surfaces 18a, b, which extend in the space 8 between the substrate 4 and the thermally conductive component 5 and are arranged to conduct heat from the substrate 4 to the thermally conductive component 5.
  • the spring elements 21a, 21b are soldered onto the connection surfaces 18a, b.
  • the connection surfaces 18a, b are again connected to the heat spreader 19 of the substrate 4, as was already the case in FIG.
  • a first spring element 21a has an S-shaped cross section here.
  • a second spring element 21b has a circular ring-shaped cross section, more precisely omega-shaped. Both spring elements 21a, b are made of spring steel. In this way, a firm fit of the spring elements 21a, b on the heat-conducting component 5 can be ensured. Soldering the spring elements 21a, b am Thermally conductive component 5 is not provided, which simplifies production. For the other features, reference is made to the description of FIG. In the embodiment according to FIG. 5, the cooling options are thus shown in the form of the spring elements 21a, b, which connect the heat spreader 19 of the substrate 4 to the heat-conducting component 5.
  • FIG. 6 shows a sixth embodiment of the packaging arrangement 1. It corresponds in many respects to the fifth embodiment.
  • the photonic integrated circuit 2 is arranged between the thermally conductive component 5 and the substrate 4 .
  • the spring elements 21a, b are omitted here and functionally replaced by a thermal paste as a thermally conductive element 9, which partially fills the space 8 between the thermally conductive component 5 and the substrate 4, but with the exception of a volume 22 between the optical opening 6 of the thermally conductive component 5 and the active optical area 3 of the photonic integrated circuit 2.
  • a sealing element 23 is provided in the space 8 to protect the optically active area 3 from the thermal paste.
  • the sealing element 23 is arranged in a ring shape between the photonic integrated circuit 2 and the heat-conducting component 5, so that the optically active region 3 is laterally enclosed by the sealing element 23.
  • the volume 22 is thus sealed in a fluid-tight manner in relation to the remaining space 8 .
  • the sealing element 23 is made of rubber, for example.
  • the thermal conduction member 5 has a filling hole 24 provided for filling the thermal paste into the space 8 therethrough.
  • the thermal member 5 also has a vent hole 25 provided to allow air to escape from the space 8 when thermal grease is filled into the space 8 . In this way, the entire space 8, with the exception of the volume 22, can be filled with thermal paste without air remaining in the space 8.
  • the filling hole 24 and the ventilation hole 25 must be provided in addition to the optical opening 6, since the optical opening 6 communicates with the volume 22 and the volume 22 is sealed fluid-tight with respect to the space 8 to be filled with heat-conducting paste.
  • the thermal paste is provided in this embodiment to the to thermally couple photonic integrated circuit 2 to the heat-conducting component 5 .
  • the heat-conducting paste causes heat to be dissipated from the photonic integrated circuit 2 not only directly via the heat-conducting paste to the heat-conducting component 5, but also via the heat spreader 19 and then the connection surfaces 18a, b to the heat spreader 19.
  • the waste heat from the photonic integrated circuit 2 can thus dissipate both initially via the substrate 4 and directly via the heat-conducting component 5 .
  • Any electronic components 12a-c on the substrate 4, which are not shown in FIG. 6, can also be cooled in this way.
  • the heat-conducting paste consists here, for example, of thermally curing, pasty material.
  • the packaging arrangement 1 from the embodiments in FIGS. 1 to 6 is part of a LiDAR system, which is not illustrated further here.
  • the packaging assembly 1 is operably connected to the LiDAR system.
  • the packaging arrangement 1 can in particular be attached to a window pane, preferably of a motor vehicle.
  • the photonic integrated circuit 2 is set up to deflect the laser beam of the LiDAR system, coming from the light source on the photonic integrated circuit 2, into the environment by means of the optically active region 3 in order to scan the environment.
  • the packaging assembly 1 may be operably connected to the LiDAR system via a wireless data connection provided by the PIC 2 or a wired connection.
  • the proposed heat dissipation options provided in the fourth, fifth and sixth embodiments in order to dissipate heat from the photonic integrated circuit 2 to the heat conducting component 5 can also be used in the first, second and third embodiments, and vice versa.
  • heat dissipation options for the upside-down arrangement of the PIC 2, as illustrated in FIGS. 1 to 3 can also be used for the face-up assembly, which is shown in FIGS. 4 to 6, and vice versa.

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Abstract

Es wird eine Verpackungsanordnung (1) für eine photonische integrierte Schaltung (2) beschrieben, umfassend die photonische integrierte Schaltung (2), die einen optisch aktiven Bereich (3) aufweist, ein Substrat (4), das die photonische integrierte Schaltung (2) trägt, und ein passives Wärmeleitbauteil (5), das die Verpackungsanordnung (1) abschließt und die photonische integrierte Schaltung (2) bedeckt, wobei das Substrat (4), die photonische integrierte Schaltung (2) und das Wärmeleitbauteil (5) in einer gestapelten Konfiguration angeordnet sind. Die photonische integrierte Schaltung (2) ist zwischen dem Wärmeleitbauteil (5) und dem Substrat (4) angeordnet. Ferner wird ein LiDAR-System mit einer solchen Verpackungsanordnung (1) vorgeschlagen, wobei die Verpackungsanordnung (1) betriebsfähig mit dem LiDAR-System verbunden ist.

Description

Beschreibung
Titel
Verpackungsanordnung sowie LiDAR-System
Verpackungsanordnung für eine photonische integrierte Schaltung, umfassend die photonische integrierte Schaltung, die einen optisch aktiven Bereich aufweist, ein Substrat, das die photonische integrierte Schaltung trägt, und ein passives Wärmeleitbauteil, das die Verpackungsanordnung abschließt und die photonische integrierte Schaltung bedeckt, wobei das Substrat, die photonische integrierte Schaltung und das Wärmeleitbauteil in einer gestapelten Konfiguration angeordnet sind, sowie ein LiDAR-System mit einer solchen Verpackungsanordnung, wobei die Verpackungsanordnung betriebsfähig mit dem LiDAR-System verbunden ist.
Stand der Technik
LiDAR-Sensoren werden als integraler Bestandteil des autonomen Fahrens betrachtet. Bisherige Lösungen basieren zumeist auf der makroskopischen Ablenkung von Laser-Punkten oder -Linien und einer nachgelagerten Detektion, die üblicherweise entweder flächig oder ebenfalls punkt- oder linienförmig gerastert erfolgt. Alternative Ansätze dazu benutzen sogenannte Silicon Photonics-Strukturen, also Siliziumstrukturen für Photonik, um mittels steuerbarer Ablenkeinheiten (z.B. optical phased array, auf Deutsch optisches Phasenarray genannt) die Strahlerzeugung, Strahlablenkung und direktionale Detektion direkt auf einem Chip oder in einer photonischen integrierten Schaltung zu ermöglichen.
Die Implementierung der Funktionen in Silizium schreitet dabei in größeren Schritten voran. Für eine Integration in eine Automotiveumgebung werden noch zusätzliche Anstrengungen notwendig werden, für die es gegenwärtig keine entsprechenden Lösungen gibt. Alle Aufbauvarianten für Silizium-Photonic ICs (photonische integrierte Schaltungen oder photonischer integrierter Chip, im Folgenden auch kurz PIC genannt) orientieren sich am Bedarf für Telekommunikationsausrüstung.
Hier gibt es grob zwei Aufbaupfade:
Eine Variante ist die Integration von optischen und elektronischen Komponenten auf einer optischen Leiterplatte. Typisches Merkmal ist hierbei, dass es zumeist Glasfaseranschlüsse von/zur PCB gibt, da das Haupteinsatzszenario Transceiver in Datencentern darstellt, die mittels Glasfaserkabeln verbunden werden sollen.
Für Laser und einige Silicon Photonic-Varianten gibt es als weitere Aufbauvariante noch das sogenannte „Gold Box Package“, bei dem optoelektrische Komponenten in einer vergoldeten Keramikverpackung verbaut werden. Typischerweise gibt es auch hier Glasfaseranschlüsse sowie Peltier- Elemente zur Temperaturstabilisierung.
Aus der DE 102016203453 A1 ist ein Halbleiterbauelement bekannt, das ein optisches Bauelement, wie beispielsweise ein Galliumnitrid-Halbleiterchip, sein kann. Optisch aktive Bereiche an einer Unterseite des Halbleiterchips können photonische integrierte Schaltungen aufweisen. Nach Ausdünnen des Halbleitersystems kann ein Kühlkörper verwendet werden, der ein metallischer oder keramischer Wärmespreizer sein kann, wobei der Kühlkörper sowohl mit der Oberseite eines Trägers als auch mit der Oberseite einer Halbleiteranordnung, wie dem Halbleiterchip als Teil davon, wärmeleitend verbunden sein kann, insbesondere unter Zwischenschaltung einer Wärmeleitpaste.
Die DE 10 2015 120 493 A1 lehrt ein Silicium-Photonik-Integrations-Verfahren und -Struktur. Ein Ge-Photodetektor ist kopfüber auf einem Substrat aus Siliciumnitrid montiert, sodass durch eine Öffnung in dem Substrat ein optischer Wellenleiter an den Photodetektor anbindbar ist.
Die DE 11 2016 001 212 T5 offenbart ein Diamantfenster, das zur thermischen Verwaltung in Photonik verwendet werden kann, und ein Herstellungsverfahren für ein solches Diamantfenster. Aus der WO 2012 / 159869 A1 ist eine Halbleiterkomponente mit einem Substrat und einer von dem Substrat losgelösten, freistehenden Brückenstruktur bekannt. Der planare Aufbau der Komponente erlaubt die Anwendung in der Photonik. Die geometrische Struktur der Brücke ist durch geätzte Fenster bestimmt.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird eine Verpackungsanordnung der eingangs genannten Art zur Verfügung gestellt, bei welcher die optische integrierte Schaltung zwischen dem Wärmeleitbauteil und dem Substrat angeordnet ist.
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Verpackungsanordnung hat den Vorteil, dass die photonische integrierte Schaltung zwischen dem Substrat und dem Wärmeleitbauteil gut geschützt ist. Weiter ist eine solche Verpackungsanordnung durch die gestapelte Konfiguration einfach und kompakt herstellbar.
Unter einer Verpackung versteht man im vorliegenden Zusammenhang insbesondere eine Konstruktion, die auch unter dem englischen Begriff „Package“ für elektrische Schaltungen bekannt ist. Es handelt sich um eine Gehäusestruktur, die elektronische Bauteile umschließt, um sie als Baugruppe in kompakter und geschützter Form in elektrischen Geräten verwenden zu können. Die Verpackung kann eine hermetisch gegen eine Umwelt abgedichtete Baugruppe von elektronischen Bauteilen sein.
Die gestapelte Konfiguration kann derart eingerichtet sein, dass die photonische integrierte Schaltung auf das Substrat aufgestapelt ist. So kann eine stabile Verbindung zwischen PIC und Substrat erreicht werden. Die photonische integrierte Schaltung kann elektronisch mit dem Substrat verbunden sein, insbesondere über elektrische Kontakte auf der photonischen integrierten Schaltung und entsprechende Gegenkontakte auf dem Substrat. Weiter kann die gestapelte Konfiguration vorsehen, dass das Wärmeleitbauteil auf dem Substrat aufgestapelt ist. So kann das Wärmeleitbauteil die photonische integrierte Schaltung zusammen mit dem Substrat umschließen. Das Wärmeleitbauteil kann unmittelbar oder mittelbar thermisch mit der photonischen integrierten Schaltung verbunden sein. Das bedeutet, entweder liegt das Wärmeleitbauteil direkt an der photonischen integrierten Schaltung an, um einen unmittelbaren thermischen Kontakt mit der photonischen integrierten Schaltung zu erzeugen, oder das Wärmeleitbauteil liegt an zwischengeschalteten Wärmeleitelementen an, die selbst mit dem Wärmeleitbauteil thermisch in Kontakt stehen, um so einen mittelbaren thermischen Kontakt des Wärmeleitbauteils mit der photonischen integrierten Schaltung zu erzeugen. Jeweils wird so eine Wärmeableitung von der PIC zum Wärmeleitbauteil ermöglicht.
Die photonische integrierte Schaltung kann weitere elektronische Bauteile tragen. So kann eine hochintegrierte Verpackungsanordnung bereitgestellt werden. Diese Bauteile können insbesondere CMOS-Chips sein, die sich vorzugsweise auf einer dem Wärmeleitbauteil abgewandten Oberfläche der photonischen integrierten Schaltung befinden. Es können sich aber auch elektronische Bauteile auf der dem Wärmeleitbauteil zugewandten Oberfläche der photonischen integrierten Schaltung befinden. Der optisch aktive Bereich kann eine Lichtquelle, einen Lichtsensor und/oder eine Lichtablenkeinheit aufweisen. Die Lichtquelle ist vorzugsweise eine Laserquelle. Der Lichtsensor ist vorzugsweise eine Photodiode. Die Lichtablenkeinheit umfasst vorzugsweise eine Spiegelanordnung, insbesondere ein Mikrospiegelarray, oder ein Linsenarray, insbesondere ein Mikrolinsenarray. Vorzugsweise ist die Lichtablenkeinheit der Lichtquelle der photonischen integrierten Schaltung zugeordnet, um Licht von der Lichtquelle kommend in eine Umwelt der Verpackungsanordnung abzulenken. Die photonische integrierte Schaltung ist vorzugsweise als ebene Platte ausgeführt, auf der in manchen Ausführungsformen die weiteren elektronischen Bauteile, hervorstehend von der ebenen Platte oder darin versenkt, angeordnet sind.
Das Substrat ist vorzugsweise als eine ebene Platte ausgeführt. Dies erlaubt es, die PIC und das Wärmeleitbauteil auf einfache Weise auf das Substrat aufzustapeln und eine Konfiguration mit geringer Bauhöhe zu erreichen. Bevorzugt ist, dass das Substrat eine PCB-Platine ist, die insbesondere gedruckte Schaltungen aufweist. Das Substrat kann ein organisches Substrat sein. In manchen Ausführungsformen ist in dem Substrat ein Wärmespreizer eingearbeitet, um Wärme von der photonischen integrierten Schaltung durch das Substrat hindurch zu verteilen. Der Wärmespreizer kann aus einem wärmeleitfähigen Material, insbesondere einem Metall und vorzugsweise Kupfer, hergestellt sein. Bevorzugt ist, dass das Wärmeleitbauteil auf dem Substrat verlötet oder verklebt ist, insbesondere unter Zwischenschaltung von wärmeleitenden Anbindungsflächen, über die das Wärmeleitbauteil mit dem Substrat verlötet oder verklebt sein kann. Das heißt, es ist bevorzugt, dass das Wärmeleitbauteil auf dem Substrat aufgestapelt und mit diesem verlötet oder, alternativ dazu, verklebt ist. Die Anbindungsflächen können mit dem Wärmespreizer verbunden sein. So kann Wärme von der photonischen integrierten Schaltung über das Substrat effizient auf das Wärmeleitbauteil abgeführt werden.
An das Substrat können einige Anforderungen gestellt sein. Das Substrat ist vorzugsweise dafür eingerichtet, mechanische Spannungen der Verpackungsanordnung aufzunehmen. Das Substrat ist vorzugsweise selbst sehr gut wärmeleitend (vorzugsweise als ein Keramiksubstrat ausgeführt) oder enthält eine sehr gut wärmeleitende Schicht, z.B. eine dicke Kupferlage in der PCB, die als Wärmespreizer dient, und die mit dem PIC vorzugsweise über thermische Vias thermisch leitend verbunden ist. Das Substrat soll insbesondere in der Lage sein, ausreichend Input/Output (I/O)-Schnittstellen, also Eingabe/Ausgabe- Schnittstellen, bereitzustellen, um alle Funktionen auf der PIC adressieren zu können. Je nach Partitionierung des Systems kann sich die Anzahl der notwendigen I/Os deutlich unterscheiden. Das Substrat sollte in Ausführungsformen eine optische Öffnung im Bereich der ablenkenden Einheiten, die bevorzugt optisch aktive Bereiche sind, der PIC aufweisen. Dies kann u.a. z.B. durch ein Loch im Substrat erreicht werden. Transparente Materialien können im Loch des Substrats bereitgestellt sein, beispielsweise ein Fenster aus Glas oder einem anderen optisch transparentem Material. Das Substrat kann vorzugsweise Stress aus dem übergeordneten Package aufnehmen und abmildern, da die Funktion der PIC typischerweise stark durch Stress im Chip beeinflusst wird. Neben der PIC auf dem Substrat sollen bevorzugt auf dem Substrat noch weitere Halbleiterbauelemente untergebracht werden können, die unmittelbar zum Betrieb des PIC notwendig sein könnten. Diese Bauelemente, insbesondere elektronische Bauelemente, werden idealerweise auch durch das Wärmeleitbauteil geschützt. Das Substrat stellt zudem vorzugsweise auf seiner Unterseite, deren Oberfläche vorzugsweise dem Wärmeleitbauteil abgewandt ist, vorzugsweise Verbindungstechnik zur weiteren elektrischen Kontaktierung bereit, typischerweise mit entsprechenden Lötkugeln, Lötflächen oder Steckverbindungen.
Das Substrat kann je nach Ausführungsform aus einer Vielzahl an Materialien bestehen, jeweils mit ihren typischen Vor- und Nachteilen. Bevorzugte Optionen für das Substrat sind u.a.:
- PCB-Material. Dies stellt die günstigste Variante dar. Nachteile sind hier der GTE (Coefficient of thermal expansion; dt. Wärmeausdehnungskoeffizient)- Mismatch zwischen PIC und Substrat sowie die eingeschränkte Anzahl an IOs zwischen PIC und Substrat.
- Höherwertige Substrat PCBs, die vorzugsweise lithographisch erzeugt sind. Diese erlauben deutlich dichtere I/O-Verbindungen, haben aber immer noch den Nachteil des CTE-Mismatch. Diese Variante stellt eine der Hauptvarianten dar, wie sie abgewandelt auch im Consumer-Bereich im Einsatz sind.
- Keramiksubstrate. Diese erlauben deutlich höhere I/O-Dichten als einfache PCBs und können zudem vom CTE an die PIC angeglichen werden. Außerdem können Keramiksubstrate selbst sehr gut wärmeleitfähig sein. Nachteil sind aufwendigere AVT (Aufbau und Verbindungstechnikj-Prozesse und höhere Kosten.
- Silizium und Glas. Diese erlauben als Substrat schließlich nahezu unbegrenzte I/Os zwischen PIC und Substrat, sind aber kostspielig und die Automotivezuverlässigkeit müsste nachgewiesen werden.
Eine entscheidende Rolle bei der Frage, welches Substrat eingesetzt werden kann, ist hierbei, welche Funktionen durch separate ICs, bzw. allgemeiner gesagt, elektronische Bauelemente, auf der PIC erfolgen müssen und welche nebenan auf das Substrat verlagert werden können. Können z.B.
Phasenschieber-Einheiten von der PIC auf das Substrat verschoben werden, die bevorzugte elektronische Bauteile sind, müssen in einigen Ausführungsformen deutlich mehr als 1000 I/Os zwischen PIC und Substrat geroutet werden. Dies schließt in der Regel den Einsatz von „Standard-PCBs“ als Substrat aus. Zudem muss das Substrat selbst auch kompatibel zu Verfahren wie Copper-Pillars für eine hohe I/O-Anzahl sein. Glas und Silizium als Substrate haben zudem noch die Eigenschaft, dass mit ihnen prinzipiell auch ein optisch transparentes Fenster anstelle einer Öffnung möglich wäre. Dafür können in derartigen Ausführungsformen die ICs auf der PIC entweder
- auf die Rückseite des PIC, was TSVs (Through-Silicon-Vias) in der PIC nötig machen würde,
- neben der PIC, was elektrisch nicht in allen Fällen möglich sein könnte,
- auf der PIC, aber versenkt in speziellen Öffnungen des Silizium/Glas-Fensters des Substrats angeordnet sein.
Die für den Betrieb notwendige Entwärmung der PIC findet vorzugsweise über das passive Wärmeleitbauteil statt. Dafür kann in Ausführungsformen geeignetes Wärmeleitmaterial wie Wärmeleitpaste, Gap-Filler-Paste, Lot, Wärmeleitkleber oder Wärmeleit-Pads zwischen der PIC und dem passiven Wärmeleitbauteil angebracht sein. Vom Wärmeleitbauteil kann die Wärme dann mit aus der Consumer-Halbleiterindustrie bekannten Lösungen zur Entwärmung weg von der Verpackungsanordnung abgeführt werden, insbesondere mittels Wasserkühlung durch eine äußere Wasserströmung oder Luftkühlung durch eine äußere Luftströmung. Das Wärmeleitbauteil selbst ist zwar passiv, kann auf diese Weise aber durch eine aktive Wärmeabfuhr unterstützt sein. So kann die Wärmeabfuhr nochmal verbessert sein. Das Wärmeleitbauteil ist vorzugsweise als Deckel ausgeführt, insbesondere als im Querschnitt C-förmiger Deckel. Das Wärmeleitbauteil kann aus einem Metall hergestellt sein. So kann eine gute Wärmeleitfähigkeit des Wärmeleitbauteils sichergestellt sein. Mit einer Entwärmung über das Wärmeleitbauteil können aufwändige Maßnahmen zur Kühlung durch das Substrat (z.B. den Einsatz von TECs (d.h. thermoelektrische Kühler)) verhindert oder zumindest deutlich abgemindert werden. Es ist somit keine aktive Entwärmung direkt unterhalb der PIC notwendig (TEC). Vielmehr wird das System mit Vorteil über das Substrat, das Wärmeleitbauteil und ggfs. zusätzliche Komponenten, die auf dem Substrat oder der PIC aufgelötet oder aufgeklebt sind, oder über in die Verpackungsanordnung eingefülltes
Wärmeleitmaterial entwärmt. Im einfachsten Fall wird das Wärmeleitbauteil direkt auf wärmeleitende Strukturen, insbesondere Kupferleiterbahnen als Anbindungsflächen, die mit dem Wärmespreizer verbunden sind, auf dem Substrat oder der PIC gelötet oder thermisch leitfähig geklebt, sodass die Wärme direkt in das Wärmeleitbauteil abgeführt wird. Das Wärmeleitbauteil übernimmt vorzugsweise nicht nur die Funktion der Entwärmung, sondern auch eine ESD- Abschirmung gegen elektrische Störeinflüsse, beispielsweise Elektrostatik. Das Wärmeleitbauteil bildet vorteilhaft die mechanische und wärmeleitende Schnittstelle zur Umwelt der Verpackungsanordnung und ermöglicht zugleich den Aufbau eines Kühlpfades z.B. zu einer Windschutzscheibe, insbesondere der Windschutzscheibe eines Kraftfahrzeugs, an der die Verpackungsanordnung angebracht sein kann. Das Wärmeleitbauteil kann elektrisch leitfähig beschichtet sein, um Störungen, insbesondere durch Hochfrequenz-Störquellen, zu mindern. Hierfür können dem Fachmann an sich bekannte Beschichtungsmaterialien zum Einsatz kommen.
Vorzugsweise ist die photonische integrierte Schaltung kopfüber auf dem Substrat aufgestapelt, sodass der optisch aktive Bereich der photonischen integrierten Schaltung einer optischen Öffnung des Substrats zugewandt ist. Dies erlaubt, eine dem optisch aktiven Bereich abgewandte Oberfläche des PICs thermisch mit dem Wärmeleitbauteil zu koppeln, um eine gute Wärmeabfuhr von PIC auf das Wärmeleitbauteil zu gewährleisten. Dementsprechend ist es von Vorteil, dass die photonische integrierte Schaltung zwischen dem Wärmeleitbauteil und dem Substrat angeordnet ist. Zwischen der PIC und dem Wärmeleitbauteil kann sich ein Wärmeschnittstellenmaterial befinden, um die thermische Kopplung zwischen der PIC und dem Wärmeleitbauteil zu verbessern, zum Beispiel Wärmeleitpaste. Kopfüber kann im Unterschied zu anderen Anordnungsmöglichkeiten bedeuten, dass über eine Oberfläche, auf der sich der optisch aktive Bereich befindet, auch die mechanische Verbindung der PIC mit dem Substrat besteht. Die mechanische Verbindung kann durch Verlöten erzeugt sein. Vorzugsweise befinden sich dafür entsprechende Lötkugeln zwischen jener Oberfläche der PIC, die den optisch aktiven Bereich aufweist, und dem Substrat. Alternativ kann die PIC derart auf dem Substrat aufgestapelt sein, dass der optisch aktive Bereich vom Substrat abgewandt ist. So kann vermieden werden, im Substrat die optische Öffnung vorsehen zu müssen. Stattdessen kann die optische Öffnung in solchen Ausführungsformen im Wärmeleitbauteil vorgesehen sein. Dann ist der optisch aktive Bereich zweckmäßigerweise dem Wärmeleitbauteil zugewandt. Manche Ausführungsformen sehen vor, dass zwischen dem Substrat und der photonischen integrierten Schaltung eine oder mehrere Zwischenschichten angeordnet sind, um die photonische integrierte Schaltung mit dem Substrat mechanisch zu verbinden. Die Zwischenschichten können insbesondere aus Glas und/oder Silizium hergestellt sein. Die Zwischenschichten können den Vorteil haben, dass sie zusätzliche elektronische Bauteile, vorzugsweise integrierte Schaltungen, Widerstände und Kondensatoren, tragen können. So können sie zusätzliche Baufläche in der Verpackungsanordnung bieten. Bevorzugt ist in Ausführungsformen mit Zwischenschichten vorgesehen, dass das Substrat das organische Substrat ist. Ausführungsformen sehen vor, dass die Zwischenschicht I/O-Anbindungen bereitstellt, um die PIC mit dem Substrat funktional zu verbinden. Die Zwischenschicht kann als ebene Platte bereitgestellt sein, die einen Ausschnitt aufweist, sodass der optisch aktive Bereich auf der PIC freiliegt. Entsprechend ist bevorzugt, dass der Ausschnitt so groß ist wie die optische Öffnung und ihr in der Form entspricht.
Die Verpackungsanordnung weist vorzugsweise ein oder mehrere wärmeleitende Elemente in einem Raum zwischen dem Substrat und dem Wärmeleitbauteil auf, die dafür angeordnet sind, Wärme von der photonischen integrierten Schaltung zum Wärmeleitbauteil abzuführen. Da Luft ein schlechter Wärmeleiter ist, ist es von Vorteil, wenn der Raum das eine oder die mehreren wärmeleitenden Elemente aufweist, um die PIC zu entwärmen. Das oder die wärmeleitenden Elemente können einen Teil des Raums oder den ganzen Raum ausfüllen. Ist nur ein Teil des Raums mit dem wärmeleitenden Element gefüllt, ist vorzugsweise ein Volumen des Raums, das sich zwischen optisch aktivem Bereich und optischer Öffnung befindet, frei von dem wärmeleitenden Element, um den optisch aktiven Bereich nicht zu verdecken. Es kann sich um ein pastöses, ein festes oder ein flüssiges wärmeleitendes Element handeln.
Pastöse oder flüssige wärmeleitende Elemente können nach deren Einbringen in den Raum vorzugsweise ausgehärtet werden, zum Beispiel durch Wärme.
Als wärmeleitendes Element ist vorzugsweise eine Wärmeleitpaste bereitgestellt, um die photonische integrierte Schaltung thermisch mit dem Wärmeleitbauteil zu koppeln. Eine erweiterte Lösung stellt nämlich vorzugsweise das zumindest teilweise Auffüllen des Innenraums der Verpackungsanordnung mit wärmeleitendem Material dar, indem die Wärme unmittelbar am Ort ihrer Erzeugung abgeleitet und in das Wärmeleitbauteil weitergeleitet werden kann. Die Wärmeleitpaste kann ein preiswertes und leicht anwendbares Wärmeschnittstellenmaterial sein, weil sie grundsätzlich aus vielen Anwendungen, beispielsweise der Computer- und Consumertechnik, bereits bekannt ist.
Bevorzugt ist, dass das Wärmeleitbauteil ein Befüllungsloch aufweist, das dafür bereitgestellt ist, dort hindurch die Wärmeleitpaste in den Raum einzufüllen. Üblicherweise kann wegen dem darunter angeordneten optisch aktiven Bereich die optische Öffnung nämlich nicht zur Befüllung verwendet werden, weshalb das Befüllungsloch vorteilhaft ist. Bevorzugt ist zusätzlich ein Entlüftungsloch bereitgestellt, um die durch das wärmeleitende Material aus dem Raum verdrängte Luft entweichen zu lassen. So wird eine Kontrolle des Fließprofils ermöglicht. Das Entlüftungsloch ist ebenfalls vorzugsweise nicht identisch mit dem Befüllungsloch und der optischen Öffnung.
In einigen Ausführungsformen ist zwischen der photonischen integrierten Schaltung und dem Substrat ein Dichtelement bereitgestellt, um den optisch aktiven Bereich vor der Wärmeleitpaste zu schützen. Soll der Raum mit Wärmeleitpaste verfüllt werden, ist es von Vorteil, wenn der optische Bereich des PIC freigehalten wird, indem ein abdichtendes Element zwischen PIC und Wärmeleitbauteil aufgebracht wird. Dieses kann vorzugsweise in Form eines Dichtrings oder eines Dichtelements wie eines dichtenden Damms, der direkt auf den PIC dispenst sein kann, erreicht werden. Das Dichtelement für den optisch aktiven Bereich wird vorzugsweise bereits vor der Montage des Wärmeleitbauteils auf dem PIC aufgebracht. Das Dichtelement kann beispielsweise nach Montage des Wärmeleitbauteils ausgehärtet werden. Daher besteht es vorzugsweise aus einem wärmehärtbaren Material.
Vorzugsweise sind als wärmeleitendes Element eine oder mehrere wärmeleitfähige Federelemente bereitgestellt, die sich in dem Raum zwischen dem Substrat und dem Wärmeleitbauteil erstrecken und dafür angeordnet sind, Wärme vom Substrat auf das Wärmeleitbauteil zu leiten. Dadurch kann das Gewicht der Verpackungsanordnung reduziert werden, da nur ein oder mehrere relativ kleine Federelemente bereitgestellt werden müssen, anstatt den gesamten oder einen großen Teil des Raums mit Wärmeleitpaste auszufüllen. Bevorzugt ist, dass die Federelemente auf dem Substrat angelötet oder angeklebt sind und am Wärmeleitbauteil anliegen. Bevorzugte Federelemente sind aus Federstahl gefertigt. Im Querschnitt betrachtet sind die Federelemente vorzugsweise S- förmig oder kreisringförmig gebildet, besonders vorzugsweise omega-förmig. Dadurch kann eine gute Federwirkung erreicht werden, wodurch sich eine gute Anlage der Federelemente gegen das Wärmeleitbauteil erreichen lässt.
Lateral zum optisch aktiven Bereich sind in manchen Ausführungsformen elektronische Bauteile zwischen dem Substrat und dem Wärmeleitbauteil angeordnet. Das kann den Vorteil haben, dass die Bauhöhe der Verpackungsanordnung besonders gering gehalten werden kann und lateral ohnehin vorhandene Fläche für die elektronischen Bauteile genutzt werden kann. Lateral kann sich auf die Erstreckungsrichtung der photonischen integrierten Schaltung beziehen und „entlang der Erstreckungsrichtung der PIC versetzt zum optisch aktiven Bereich“ bedeuten. Die Erstreckungsrichtung ist vorzugsweise senkrecht zu einer Stapelrichtung der photonischen integrierten Schaltung, des Substrats und des Wärmeleitbauteils. Die elektronischen Bauteile können auf der PIC angeordnet sein. Die elektronischen Bauteile können aber auch zusätzlich oder alternativ auf dem Substrat angeordnet sein. Neben der PIC, aber immer noch unter dem Wärmeleitbauteil, können auf diese Weise noch zusätzliche Komponenten zur Ansteuerung des PICs integriert werden wie etwa integrierte Schaltungen, Widerstände und Kondensatoren, die bevorzugte elektronische Bauteile sind. So werden auch diese elektronischen Bauteile durch das Wärmeleitbauteil geschützt und können entwärmt werden.
Die Verpackungsanordnung kann weiter eine Montagebasis aufweisen oder dafür eingerichtet sein, mit einer Montagebasis verbunden zu werden. Vorzugsweise befindet sich das Substrat zwischen der Montagebasis und dem Substrat. Die Montagebasis kann das Substrat tragen, sodass die PIC unter Zwischenschaltung des Substrats mit der Montagebasis mechanisch verbunden ist. So kann eine stabile Verpackungsanordnung erreicht werden. Bevorzugt ist, dass die Montagebasis eine Basisöffnung aufweist, die mit der optischen Öffnung des Substrats ausgerichtet ist. Das heißt, die Basisöffnung korrespondiert vorzugsweise mit der optischen Öffnung. So kann vermieden werden, dass die Montagebasis den optischen Bereich verdeckt und seine Funktion dadurch einschränkt oder aufhebt. Das Substrat kann insbesondere mit der Montagebasis verlötet sein, sodass sich vorzugsweise Lötkugeln zwischen dem Substrat und der Montagebasis befinden. Vorzugsweise ist die Montagebasis als ebene Platte ausgeführt. Die Basisöffnung kann als Loch ausgeführt sein, das in Ausführungsformen ein transparentes Fenster aufweist, zum Beispiel aus Glas.
Wie anhand der nun folgenden Ausführungsbeispiele veranschaulicht und oben erläutert, ist ein Aspekt, der der vorliegenden Verpackungsanordnung zu Grunde liegt, der Bedarf für eine kostengünstige, kleinbauende First-Level Aufbau- und Verbindungstechnik zur automotivetauglichen Verpackung von Silicon Photonics LiDAR-Sensoren. Ein besonderes Augenmerk kann vorliegend auf der Kompatibilität der Aufbauprozessen zu Standardprozessen in der Consumer- Halbleiter-Aufbautechnik und der integrierten Entwärmung des Systems, insbesondere des photonischen ICs für z.B. Anwendungen in LiDAR-Systemen liegen. Dazu ist in den folgenden ersten, zweiten und dritten Ausführungsbeispielen der Verpackungsanordnung vorgeschlagen, dass ein Silicon Photonic Chip (photonische integrierte Schaltung, PIC) kopfüber (das heißt, mit dem optisch aktiven Bereich, insbesondere ablenkenden Einheiten, nach unten, also in Richtung des Substrats weisend) auf ein geeignetes Substrat montiert ist. Dies erlaubt es, über dem Chip vorzugsweise einen Standard- Metalldeckel als Wärmeleitbauteil anzubringen und mittels eines Wärmeleitmediums den PIC über diesen Deckel zu entwärmen.
Vierte, fünfte und sechste Ausführungsformen, die in den Figuren 4 bis 6 veranschaulicht sind, sehen insbesondere vor, einen Silicon Photonic Chip (PIC) auf ein geeignetes Substrat zu montieren, wobei die ablenkenden Einheiten, die im optisch aktiven Bereich angeordnet sind, das Laserlicht einer Laserquelle, die auf der PIC angeordnet ist, nach oben durch eine Öffnung, wie beispielsweise ein Glasfenster, im Wärmeleitbauteil, beispielsweise dem Deckel, senden. Dies erlaubt es, den LiDAR-Sensor kompakt zu bauen und beispielsweise direkt hinter einer Windschutzscheibe eines Kraftfahrzeugs zu montieren. Indem die Abstrahleinheit der PIC nach oben durch den Deckel abstrahlt, können auf dem PIC beispielsweise die Laser-Dies und die erforderlichen CMOS-Chips montiert sein. Dies kann mittels Drahtbonden, Flip-Chip-Technologie oder ähnlicher Verfahren geschehen. lm Vergleich zum eingangs dargestellten Stand der Technik erlaubt die hier in verschiedenen Ausführungsformen vorgestellte Verpackungsanordnung den Einsatz von massentauglichen Aufbauprozessen aus der Consumer-Elektronik. Speziell die nachfolgende Entwärmung der Verpackungsanordnung kann nach bekannten Standardverfahren (analog zu CPU-Kühlung) erfolgen.
Der Einsatz des Wärmeleitbauteils, insbesondere des Deckels, erlaubt es, alle Komponenten im Inneren der Verpackungsanordnung vor den Medien, die im Automotivebereich auftreten, zu schützen, wie beispielsweise Wasser und Öl. Sofern das Wärmeleitbauteil aus Metall ist oder ganzflächig leitfähig beschichtet ist, stellt das Wärmeleitelement auch eine wirksame elektromagnetische Barriere dar, um Störungen der restlichen Elektronik, insbesondere der elektronischen Bauteile der Verpackungsanordnung, zu verringern. Dies gilt insbesondere dann, wenn in der Verpackungsanordnung der Lasertreiber oder andere Hochfrequenz- Störquellen in der Nähe der PIC verbaut werden müssen. Im Gegenzug verringert sich dann auch deren Störanfälligkeit.
Bei entsprechender Verfügbarkeit von I/Os zwischen PIC und Substrat können auch elektronische Bauteile flexibel zwischen PIC und Substrat als Montageplattformen verschoben werden, wie in den folgenden Ausführungsbeispielen veranschaulicht. Dies erleichtert es später, eine möglichst kostengünstige Aufbauvariante mit geringen Ausschusskosten zu finden. Insbesondere besteht die Möglichkeit, die PIC-Fläche zu verkleinern, was ebenfalls zu einer Kostenersparnis führen kann.
Die Montage der PIC kopfüber kann dafür sorgen, dass die PIC während der Montage nicht in der optisch abstrahlenden Region angesaugt oder gehaltert werden muss oder dass Randflächen für die Montage vorgehalten werden müssen. Das erste würde das Risiko von Aufbaufehlern erhöhen, das zweite massiv die Kosten erhöhen, da die PIC schon sehr groß ist. Zur Entwärmung der PIC bzw. von Laser- und CMOS-Chips ist in einigen Ausführungsformen, wie beispielsweise anhand der Figuren 4 bis 6, veranschaulicht, im Substrat mindestens ein sehr gut wärmeleitender Bereich, z.B. in Form einer dicken Kupferlage, als Wärmespreizer, integriert. Die Montagefläche der PIC, also die Oberfläche, die mit dem Substrat verbunden ist, ist vorzugsweise über thermische Vias oder Cu-Inlays mit dem Wärmespreizer verbunden. Ebenso wird die Wärme aus der Innenlage des Substrats wieder nach oben geführt. Auf Kontaktflächen, nämlich Anbindungsflächen, können die wärmeleitenden Federelemente zum Weiterleiten der Wärme an den Metalldeckel aufgelötet oder leitfähig aufgeklebt sein. Die Form der Federelemente kann dabei variieren. Auch können diese Federelemente in Form von Profilen ausgeführt sein, um als EMV- Schutz zu wirken.
Die Face-up-Montage, die in den Figuren 4 bis 6 veranschaulicht ist, der PIC kann hingegen dafür sorgen, dass weitere Funktionen wie Laser oder CMOS- Chips auf der PIC integriert werden können. TSVs im PIC können zur weiteren, direkten bzw. gezielten Entwärmung eingesetzt werden. Speziell die nachfolgende Entwärmung kann nach bekannten Verfahren erfolgen, indem gut wärmeleitende Substrate, wärmeleitende Federelemente zur Verbindung mit dem Deckel oder die Verbindungsnaht zwischen Substrat und Deckel als Wärmebrücke eingesetzt werden. Sind solche Federelemente ringförmig ausgeführt, insbesondere kreisringförmig, können diese bereits innerhalb des Gehäuses ESD-Schutzfunktionen darstellen und den hochfrequenten Betrieb verbessern. Alternativ oder zusätzlich kann auch der Raum der Verpackungsanordnung zumindest teilweise mit wärmeleitendem Werkstoff aufgefüllt werden, wobei der optische Pfad von dem optisch aktiven Bereich bis zur optischen Öffnung mittels geeigneter Maßnahmen wie z.B. einem Dichtring oder einem dispensten Damm freigehalten werden kann. Der optische Pfad verläuft vorzugsweise durch das oben beschriebene Volumen hindurch.
Die Verpackungsanordnung kann in Ausführungsformen für die PIC der aktuellen Generation 2 LiDAR-Sensoren eingesetzt werden, um diesen zu verpacken. Auch zukünftige Produkte mit Silicon Photonics-Einheiten, die keine Glasfaseranschlüsse benötigen, können so verpackt werden. Eine konkrete Anwendung ergibt sich insbesondere darin, einen Silicon Photonic Chip (PIC) auf ein geeignetes Substrat zu montieren, wobei die ablenkenden Einheiten das Laserlicht durch ein Fenster, beispielsweise ein Glasfenster, im Wärmeleitbauteil, beispielsweise dem Deckel, nach oben senden oder durch ein Fenster bzw. Loch im Substrat nach unten senden. Dies erlaubt es, den LiDAR-Sensor kompakt zu bauen und beispielsweise direkt hinter einer Windschutzscheibe eines Kraftfahrzeugs zu montieren. Indem eine Abstrahleinheit, insbesondere eine Laserquelle, des PICs nach oben durch den Deckel oder nach unten durch das Substrat abstrahlt, können auf der PIC beispielsweise die Laser-Dies und die erforderlichen CMOS-Chips montiert werden. Dies kann vorzugsweise mittels Drahtbonden, Flip-Chip-Technologie oder ähnlicher Verfahren geschehen.
Erfindungsgemäß wird weiter ein LiDAR-System der eingangs genannten Art mit einer oben beschriebenen Verpackungsanordnung zur Verfügung gestellt, wobei die photonische integrierte Schaltung zwischen dem Wärmeleitbauteil und dem Substrat angeordnet ist.
Das erfindungsgemäße LiDAR-System hat den Vorteil, dass die photonische integrierte Schaltung zwischen dem Substrat und dem Wärmeleitbauteil in der Verpackungsanordnung gut geschützt ist. Weiter ist ein solches LiDAR-System durch die gestapelte Konfiguration der Verpackungsanordnung einfach und kompakt herstellbar.
Die beschriebenen möglichen Vorteile und Ausführungsformen der Verpackungsanordnung können in dem LiDAR-System erreicht und verkörpert sein. Auf Wiederholungen dieser Vorteile und Ausführungsformen wird an dieser Stelle verzichtet.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine erste Ausführungsform der Verpackungsanordnung in einer schematischen Querschnittsansicht,
Figur 2 eine zweite Ausführungsform der Verpackungsanordnung in einer schematischen Querschnittsansicht,
Figur 3 eine dritte Ausführungsform der Verpackungsanordnung in einer schematischen Querschnittsansicht, Figur 4 eine vierte Ausführungsform der Verpackungsanordnung in einer schematischen Querschnittsansicht,
Figur 5 eine fünfte Ausführungsform der Verpackungsanordnung in einer schematischen Querschnittsansicht und
Figur 6 eine sechste Ausführungsform der Verpackungsanordnung in einer schematischen Querschnittsansicht.
Ausführungsformen der Erfindung
In der Figur 1 ist eine Verpackungsanordnung 1 für eine photonische integrierte Schaltung 2 in einer ersten Ausführungsform in einer schematischen Querschnittsansicht gezeigt. Die Verpackungsanordnung 1 umfasst die photonische integrierte Schaltung 2. Die photonische integrierte Schaltung 2 weist einen optisch aktiven Bereich 3 auf, in diesem Fall ein Mikrospiegelarray. Der optisch aktive Bereich 3 ist in dieser und allen weiteren anhand der Figuren veranschaulichten Ausführungsformen dafür eingerichtet, Licht in eine Umwelt der Verpackungsanordnung 1 zu senden. Weiter weist die Verpackungsanordnung 1 ein Substrat 4 auf, das die photonische integrierte Schaltung 2 trägt. Das Substrat 4 ist hier beispielhaft ein PCB. Weiter weist die Verpackungsanordnung 1 ein passives Wärmeleitbauteil 5 auf, das die Verpackungsanordnung 1 abschließt. Das passive Wärmeleitbauteil 5 bedeckt die photonische integrierte Schaltung 2. Das Substrat 4, die photonische integrierte Schaltung 2 und das Wärmeleitbauteil 5 sind in einer gestapelten Konfiguration angeordnet. Die photonische integrierte Schaltung 2 ist zwischen dem Wärmeleitbauteil 5 und dem Substrat 4 angeordnet. Das Substrat 4 und die photonische integrierte Schaltung 2 sind beide als ebene Platten ausgeführt. Das Wärmeleitbauteil 5 ist im Querschnitt C-förmig ausgeführt, wobei die Schenkel der C-Form auf dem Substrat 4 enden.
Wie in Figur 1 zu erkennen ist, ist die photonische integrierte Schaltung 2 in dieser Ausführungsform kopfüber auf dem Substrat 4 aufgestapelt. Dadurch ist der optisch aktive Bereich 3 der photonischen integrierten Schaltung 2 einer optischen Öffnung 6 des Substrats 4 zugewandt. Eine Oberfläche 7, die den optisch aktiven Bereich 3 der photonischen integrierten Schaltung 2 aufweist, ist dem Substrat 4, das die photonische integrierte Schaltung 2 trägt, zugewandt. Aufgrund der optischen Öffnung 6 des Substrats 4 ist der optisch aktive Bereich 3 dennoch nicht durch das Substrat 4 verdeckt, sondern kann seine Funktion erfüllen. Die optische Öffnung 6 ist hier einfach nur als ein Loch im Substrat 4 ausgeführt, in dem in nicht gezeigten Ausführungsformen aber ein optisch transparentes Fenster, insbesondere hergestellt aus Glas, vorgesehen sein kann.
In einem Raum 8 zwischen dem Substrat 4 und dem Wärmeleitbauteil 5 weist die Verpackungsanordnung 1 ein wärmeleitendes Element 9 auf. Der Raum 8 ist durch das Substrat 4 und das Wärmeleitbauteil 5 umschlossen. Das wärmeleitende Element 9 ist dafür angeordnet, Wärme von der photonischen integrierten Schaltung 2 zum Wärmeleitbauteil 5 abzuführen. In diesem ersten Ausführungsbeispiel ist genauer gesagt als das wärmeleitende Element 9 eine Wärmeleitpaste bereitgestellt, um die photonische integrierte Schaltung 2 thermisch mit dem Wärmeleitbauteil 5 zu koppeln. Die Wärmeleitpaste 5 ist sandwichartig als Schicht zwischen der photonischen integrierten Schaltung 2 und dem Wärmeleitbauteil 5 angeordnet. Die Wärmeleitpaste 5 liegt sowohl an der photonischen integrierten Schaltung 2 als auch an dem Wärmeleitbauteil 5 an. In dieser ersten Ausführungsform wurde zur Herstellung der Verpackungsanordnung 1 zunächst das Substrat 4 bereitgestellt. Anschließend wurde die photonische integrierte Schaltung 2 auf das Substrat 4 aufgestapelt und damit verlötet. Dann wurde die Wärmeleitpaste aufgetragen, auf die Oberfläche 10 der photonischen integrierten Schaltung 2, die dem optischen aktiven Bereich 3 entgegengesetzt ist, und/oder auf eine Oberfläche 11 des Wärmeleitbauteils 5, die der photonischen integrierten Schaltung 2 zugewandt ist. Schließlich wurde das Wärmeleitbauteil 5 auf die photonische integrierte Schaltung 2 aufgestapelt, hier unter Zwischenschaltung der Wärmeleitpaste. So kann eine verbesserte Entwärmung der photonischen integrierten Schaltung 2 erfolgen und gleichzeitig bei einfacher Herstellbarkeit die photonische integrierte Schaltung 2 zwischen Substrat 4 und Wärmeleitbauteil 5 geschützt sein.
Weiter ist lateral zum optisch aktiven Bereich 3 ein elektronisches Bauteil 12a angeordnet, hier auf dem Substrat 4, zwischen dem Substrat 4 und dem Wärmeleitbauteil 5. Hier handelt es sich bei dem elektronischen Bauteil 12a beispielhaft um einen elektrischen Widerstand. Das elektronische Bauteil 12a ist mit der photonischen integrierten Schaltung 2 wirkverbunden. Weitere elektronische Bauteile 12b, 12c sind auf der Oberfläche 7 der photonischen integrierten Schaltung 2 angeordnet, die den optisch aktiven Bereich 3 aufweist. Lateral zu dem optisch aktiven Bereich 3 sind hier beispielhaft auf der photonischen integrierten Schaltung 2 zwei CMOS-Bausteine 12b, 12c aufgelötet, die bevorzugte elektronische Bauteile 12a-c sind. Lateral bezieht sich hier auf die Erstreckungsrichtung der photonischen integrierten Schaltung 2 und bedeutet entlang der Erstreckungsrichtung der photonischen integrierten Schaltung 2 versetzt zum optisch aktiven Bereich 3. Die Erstreckungsrichtung ist in diesem Ausführungsbeispiel senkrecht zu einer Stapelrichtung der photonischen integrierten Schaltung 2, des Substrats 4 und des Wärmeleitbauteils 5.
Weiter weist diese erste Ausführungsform eine Montagebasis 13 auf, die eine Basisöffnung 14 aufweist, die mit der optischen Öffnung 6 des Substrats 4 ausgerichtet ist. Das Substrat 4 ist mit der Montagebasis 13 über Lötkugeln 15 verlötet. Das Substrat kann auch in Richtung der Montagebasis entwärmt werden, beispielsweise über die Lötkugeln 15. Es sind diverse Lötkugeln 15 in den Figuren veranschaulicht, die unterschiedliche Größen aufweisen. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist in jeder Figur nur eine einzige Lötkugel 15 mit dem Bezugszeichen 15 gekennzeichnet.
Die photonische integrierte Schaltung 2 sitzt im Ausführungsbeispiel aus Figur 1 also kopfüber (mit den aktiven optischen Strukturen des optisch aktiven Bereichs 3 in Richtung des Substrats 4) auf dem Substrat 4. Die photonische integrierte Schaltung 2 kann dabei wie gezeigt weitere elektronische oder elektro-optische Komponenten 12a-c mitbringen. Vorteilhaft ist hierfür vor allem die gezeigte optische Öffnung 6 im Substrat 4, oder ein transparentes Fenster, das hier nicht gezeigt ist. Sollen solche zusätzlichen Bauteile 12a-c auf der Oberfläche 7 der optischen integrierten Schaltung 2 integriert sein, muss nicht nur ein transparenter Bereich, sondern auch ausreichend Bauraum über der optisch integrierten Schaltung 2, also in Richtung des Substrats 4, vorgehalten werden. Die einfachste Realisierungsmöglichkeit ist hier die optische Öffnung 6 als optisches Loch im Substrat 4. Das Substrat 4 weist an seinen Rändern die Kontaktierung (nicht gezeigt) der photonischen integrierten Schaltung 2 auf, insbesondere im Bereich der Lötkugeln 15, also der mechanischen Verbindung, zwischen dem Substrat 4 und der Oberfläche 7 der photonischen integrierten Schaltung 2. Die Kontaktierung befindet sich genauer gesagt also in einem Überlappbereich des Substrats 4 und der Oberfläche 7, in dem das Substrat 4 zudem mit der Oberfläche 7 verlötet ist.
Figur 2 zeigt hier als Beispiel eine zweite Ausführungsform der Verpackungsanordnung 1 , in der alle notwendigen elektronischen Bauteile 12a-c, hier beispielhaft integrierte CMOS-Schaltungen 12b, 12c und der Widerstand 12a, auf dem Substrat 4 montiert sind, und zwar lateral bezogen auf die photonische integrierte Schaltung 2. Sowohl die photonische integrierte Schaltung 2 als auch die beiden CMOS-ICs 12b, 12c werden hier über nicht gezeigte Schnittstellen mit deutlich mehr als 1000 I/Os pro Chip angesteuert, was nur noch wenige Substrattypen als tauglich erscheinen lässt. Da alle notwendigen ICs 12b, 12c auf dem Substrat 4 montiert sind, trägt die photonische integrierte Schaltung 2 im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel aus Figur 1 hier keine weiteren elektronischen Bauteile 12a- 12c zusätzlich zum optisch aktiven Bereich 3. Sind, wie hier, die ICs bzw. allgemeiner elektronischen Bauteile 12a-c alle neben der PIC 2 angeordnet, erlaubt dies möglicherweise, die Größe der PIC 2 zu reduzieren.
Eine dritte Ausführungsform der Verpackungsanordnung 1 ist in Figur 3 dargestellt, wobei hier eine Zwischenschicht 16, auch Interposer genannt, zwischen dem Substrat 4 und der PIC 2 angeordnet ist, um die photonische integrierte Schaltung 2 mit dem Substrat 4 mechanisch zu verbinden. Die Zwischenschicht 16 ist aus Glas oder Silizium gefertigt. Die Zwischenschicht 16 ist als ebene Platte ausgeführt. Die Zwischenschicht 16 kann (muss aber nicht) auch einige oder alle der zusätzlichen elektronischen Bauteile 12a-c, insbesondere ICs, Widerstände und Kondensatoren, beherbergen. Die photonische integrierte Schaltung 2 ist auf der Zwischenschicht 16 aufgestapelt und die Zwischenschicht 16 ist auf dem Substrat 4 aufgestapelt. Die Zwischenschicht 16 ist mit dem Substrat 4 verlötet. Die Zwischenschicht 16 ist mit der photonischen integrierten Schaltung 2 verlötet. In der Zwischenschicht 16 ist ein Ausschnitt 17 gebildet, um den optisch aktiven Bereich 3 der photonischen integrierten Schaltung 2 freizulegen. Im Gegensatz zum ersten und zum zweiten Ausführungsbeispiel trägt hier nicht das Substrat 4 den Widerstand als elektronisches Bauteil 12a, sondern die Zwischenschicht 16 trägt das elektronische Bauteil 12a. Das Substrat 4 ist in diesem dritten Ausführungsbeispiel ein organisches Substrat 4. Diese Ausführungsform sieht also organische Substrate 4 zur Stressentkopplung in Richtung Montagebasis 13 und einen Glas- oder Silizium-Interposer 16 zur Bereitstellung der notwendigen I/Os vor. Abgesehen von der Zwischenschicht 16 und davon, dass die Zwischenschicht 16 den Widerstand als elektronisches Bauteil 12a trägt, ist das dritte Ausführungsbeispiel dem ersten Ausführungsbeispiel aus Figur 1 ähnlich, weshalb hier auf Wiederholungen verzichtet wird.
Figur 4 zeigt eine vierte Ausführungsform der Verpackungsanordnung 1. Figur 4 zeigt ein Beispiel einer Variante auf, in der das Wärmeleitbauteil 5 direkt auf wärmeleitende Anbindungsflächen 18a, b aufgeklebt oder aufgelötet ist. Die Anbindungsflächen 18a, b füllen den Raum 8 teilweise, in dem Bereich zwischen einem Rand des Wärmeleitbauteils 5 und dem Substrat 4, aus und stellen jeweils ein wärmeleitendes Element 9 dar. Bei dieser Variante der PIC- Verpackungsanordnung 1 kann das Wärmeleitbauteil 5 somit direkt Wärme ableiten. Das Substrat 4 ist im vierten Ausführungsbeispiel wieder ein PCB. Wieder ist die photonische integrierte Schaltung 2 zwischen dem Wärmeleitbauteil 5 und dem Substrat 4 angeordnet. Allerdings ist hier die photonische integrierte Schaltung 2 so auf dem Substrat 4 aufgestapelt, dass die Oberfläche 7, die den optisch aktiven Bereich 3 aufweist, vom Substrat 4 abgewandt ist. Eine Hauptstrahlrichtung der photonischen integrierten Schaltung 2 ist nach oben durch das Wärmeleitbauteil 5, in dem in dieser Ausführungsform die optische Öffnung 6 bereitgestellt ist. Man nennt dies auch eine Face-up- Montage. Die Verpackungsanordnung 1 weist die Anbindungsflächen 18a, b als wärmeleitende Elemente 9 in dem Raum 8 zwischen dem Substrat 4 und dem Wärmeleitbauteil 5 auf, die dafür angeordnet sind, Wärme von der photonische integrierten Schaltung 2 zum Wärmeleitbauteil 5 abzuführen. Die beiden Anbindungsflächen 18a, 18b sind nämlich mit einem Wärmespreizer 19, der aus Kupfer hergestellt ist, verbunden, der sich im Wesentlichen entlang der Erstreckungsrichtung durch das Substrat 4 erstreckt und der wiederum mit der photonischen integrierten Schaltung 2 über Anbindungen in die Stapelrichtung in Verbindung steht. Die photonische integrierte Schaltung 2 ist auf dem Substrat 4 aufgelötet und über eine entsprechende Lötschicht 20 mit dem Substrat 4 und dem Wärmespreizer 19 verbunden. Dadurch ist die Verpackungsanordnung 1 dafür eingerichtet, Wärme von der photonischen integrierten Schaltung 2 über den Wärmespreizer 19 des Substrats 4 und danach über die Anbindungsflächen 18a, b an das Wärmeleitbauteil 5 zu leiten und somit die photonische integrierte Schaltung 2 zu entwärmen. Da die Wärmeleitpaste aus den ersten drei Ausführungsbeispielen im vierten Ausführungsbeispiel entfallen kann, bleibt auf der Oberfläche 7, die den optisch aktiven Bereich 3 aufweist, mehr Platz, um elektronische Bauteile 12a-c auf der photonischen integrierten Schaltung 2 lateral zum optisch aktiven Bereich 3 anzuordnen, hier eine Laserquelle 12a und einen CMOS-Chip 12b. Laserstrahlung der Laserquelle 12a kann über den optisch aktiven Bereich 3 durch die optische Öffnung 6 in eine Umwelt der Verpackungsanordnung 1 abgelenkt werden. Die Laserquelle 12a muss daher nicht von der optischen Öffnung 6 freigelegt sein. Der CMOS-Chip 12b ist dafür eingerichtet, die photonische integrierte Schaltung 2 anzusteuern. Die Anbindungsflächen 18a, 18b können eine einzige zusammenhängende, in einer Aufsicht entlang der Stapelrichtung kreisringförmige oder rechteckige Anbindungsfläche bilden. Statt aufgelötet zu sein, kann das Wärmeleitbauteil 5 auch auf entsprechenden Anbindungsflächen 18a, b wärmeleitend aufgeklebt sein. Besonders vorteilhaft ist in dieser vierten Ausführungsform, dass die Montage des Wärmeleitbauteils 5 gleichzeitig wärmeleitende Funktion übernimmt, ohne dass zusätzliche Elemente montiert werden müssen, die in der folgenden Figur 5 in einem fünften Ausführungsbeispiel veranschaulicht sind.
In Figur 5 ist eine fünfte Ausführungsform der Verpackungsanordnung 1 gezeigt. Hier ist das Wärmeleitbauteil 5 im Gegensatz zu Figur 4 nicht mittels der Anbindungsflächen 18a, b am Substrat 4 angelötet. Stattdessen sind auf den Anbindungsflächen 18a, b zwei wärmeleitfähige Federelemente 21a, b bereitgestellt, die sich in dem Raum 8 zwischen dem Substrat 4 und dem Wärmeleitbauteil 5 erstrecken und dafür angeordnet sind, Wärme vom Substrat 4 auf das Wärmeleitbauteil 5 zu leiten. Die Federelemente 21 a, 21 b sind auf den Anbindungsflächen 18a, b angelötet. Die Anbindungsflächen 18a, b sind wie bereits in Figur 4 wieder mit dem Wärmespreizer 19 des Substrats 4 verbunden. Ein erstes Federelement 21a ist hier im Querschnitt S-förmig ausgebildet. Ein zweites Federelement 21b ist hier im Querschnitt kreisringförmig ausgebildet, genauer gesagt omega-förmig. Beide Federelemente 21a, b sind aus Federstahl gebildet. So kann ein festes Anliegen der Federelemente 21a, b am Wärmeleitbauteil 5 sichergestellt sein. Ein Anlöten der Federelemente 21a, b am Wärmeleitbauteil 5 ist nicht vorgesehen, was die Herstellung vereinfacht. Für die übrigen Merkmale wird auf die Beschreibung von Figur 4 verwiesen. Die Entwärmungsoptionen sind in der Ausführungsform nach Figur 5 also in Form der Federelemente 21a, b dargestellt, die den Wärmespreizer 19 des Substrats 4 mit dem Wärmeleitbauteil 5 verbinden.
Figur 6 zeigt schließlich eine sechste Ausführungsform der Verpackungsanordnung 1. Sie entspricht in vielerlei Hinsicht der fünften Ausführungsform. Wie schon in allen vorherigen anhand der Figuren veranschaulichten Ausführungsbeispielen ist die photonische integrierte Schaltung 2 zwischen dem Wärmeleitbauteil 5 und dem Substrat 4 angeordnet. Allerdings sind hier die Federelemente 21a, b weggelassen und funktional ersetzt durch eine Wärmeleitpaste als wärmeleitendes Element 9, das den Raum 8 zwischen Wärmeleitbauteil 5 und Substrat 4 teilweise ausfüllt, allerdings mit Ausnahme eines Volumens 22 zwischen der optischen Öffnung 6 des Wärmeleitbauteils 5 und dem aktivem optischen Bereich 3 der photonischen integrierten Schaltung 2. Um sicherzustellen, dass dieses Volumen 22 von Wärmeleitpaste frei bleibt, ist in dem Raum 8 ein Dichtelement 23 bereitgestellt, um den optisch aktiven Bereich 3 vor der Wärmeleitpaste zu schützen. Hier ist das Dichtelement 23 ringförmig zwischen der photonischen integrierten Schaltung 2 und dem Wärmeleitbauteil 5 angeordnet, sodass der optisch aktive Bereich 3 seitlich von dem Dichtelement 23 umschlossen ist. Das Volumen 22 wird so bezogen auf den übrigen Raum 8 fluiddicht abgedichtet. Das Dichtelement 23 ist beispielhaft aus Gummi gefertigt.
Das Wärmeleitbauteil 5 weist ein Befüllungsloch 24 auf, das dafür bereitgestellt ist, dort hindurch die Wärmeleitpaste in den Raum 8 einzufüllen. Das Wärmebauteil 5 weist auch ein Entlüftungsloch 25 auf, das dafür bereitgestellt ist, Luft aus dem Raum 8 entweichen zu lassen, wenn Wärmeleitpaste in den Raum 8 eingefüllt wird. So kann der gesamte Raum 8, mit Ausnahme des Volumens 22, mit Wärmeleitpaste gefüllt werden, ohne dass Luft im Raum 8 verbleibt. Das Befüllungsloch 24 und das Entlüftungsloch 25 müssen zusätzlich zur optischen Öffnung 6 bereitgestellt sein, da die optische Öffnung 6 mit dem Volumen 22 in Kommunikation steht und das Volumen 22 gegenüber dem mit Wärmeleitpaste zu befüllenden Raum 8 fluiddicht abgedichtet ist. Als wärmeleitendes Element 9 ist also in dieser Ausführungsform die Wärmeleitpaste bereitgestellt, um die photonische integrierte Schaltung 2 thermisch mit dem Wärmeleitbauteil 5 zu koppeln. Die Wärmeleitpaste bewirkt, dass Wärme von der photonische integrierten Schaltung 2 nicht nur direkt über die Wärmeleitpaste auf das Wärmeleitbauteil 5, sondern auch über den Wärmespreizer 19 und dann die Anbindungsflächen 18a, b auf den Wärmespreizer 19 ableitbar ist. So kann die Abwärme der photonische integrierten Schaltung 2 sowohl zunächst über das Substrat 4 als auch direkt über das Wärmeleitbauteil 5 abfließen. Auch etwaige elektronische Bauteile 12a-c auf dem Substrat 4, die in Figur 6 nicht gezeigt sind, können auf diese Weise ebenfalls entwärmt werden. Die Wärmeleitpaste besteht hier beispielhaft aus thermisch aushärtendem, pastösem Material. Bezüglich weiterer Merkmale dieses Ausführungsbeispiels wird auf die Beschreibung der Figuren 4 und 5 verwiesen, soweit sich diese Merkmale ähneln.
Die Verpackungsanordnung 1 aus den Ausführungsformen der Figuren 1 bis 6 ist Teil eines LiDAR-Systems, das hier nicht weiter veranschaulicht ist. Die Verpackungsanordnung 1 ist betriebsfähig mit dem LiDAR-System verbunden. Die Verpackungsanordnung 1 kann insbesondere auf einer Fensterscheibe, vorzugsweise eines Kraftfahrzeugs, befestigt sein. Die photonische integrierte Schaltung 2 ist dafür eingerichtet, den Laserstrahl des LiDAR-Systems, von der Lichtquelle auf der photonischen integrierten Schaltung 2 kommend, zum Abtasten der Umwelt mittels des optisch aktiven Bereichs 3 in die Umwelt abzulenken. Beispielsweise kann die Verpackungsanordnung 1 mittels einer drahtlosen Datenverbindung, die durch die PIC 2 bereitgestellt ist, oder einer verdrahteten Verbindung mit dem LiDAR-System betriebsfähig verbunden sein.
Es ist zu verstehen, dass alle in der Beschreibung, den Figuren und den beigefügten Ansprüchen offenbarten Merkmale der Verpackungsanordnung 1 in beliebiger Kombination miteinander zu neuen Ausführungsformen, die vom Umfang der Ansprüche erfasst werden, kombiniert werden können, sofern solche Kombinationen aus Konstruktionsgründen nicht ausgeschlossen sind. Insbesondere können die Merkmale der sechs Ausführungsbeispiele, die anhand der Figuren beschrieben sind, untereinander zu neuen Ausführungsformen kombiniert werden, die ebenfalls in den Umfang der Ansprüche fallen. Dies gilt insbesondere, aber nicht ausschließlich, für die Merkmale der ersten, zweiten und dritten Ausführungsbeispiele, die mit den Merkmalen der vierten, fünften und sechsten Ausführungsbeispiele beliebig kombiniert werden können. Das heißt unter anderem, dass die vorgeschlagenen Entwärmungsoptionen, die jeweils in den vierten, fünften und sechsten Ausführungsbeispielen vorgesehen sind, um Wärme von der photonischen integrierten Schaltung 2 zum Wärmeleitbauteil 5 abzuführen, auch in den ersten, zweiten und dritten Ausführungsformen eingesetzt werden können, und umgekehrt. Entwärmungsoptionen für die Kopfüber-Anordnung der PIC 2, wie in den Figuren 1 bis 3 veranschaulicht, können also grundsätzlich genauso für die Face- up- Montage verwendet werden, die in den Figuren 4 bis 6 gezeigt ist, und umgekehrt.

Claims

- 25 - Ansprüche
1. Verpackungsanordnung (1) für eine photonische integrierte Schaltung (2), umfassend:
- die photonische integrierte Schaltung (2), die einen optisch aktiven Bereich (3) aufweist,
- ein Substrat (4), das die photonische integrierte Schaltung (2) (2) trägt, und
- ein passives Wärmeleitbauteil (5), das die Verpackungsanordnung (1) abschließt und die photonische integrierte Schaltung (2) bedeckt, wobei das Substrat (4), die photonische integrierte Schaltung (2) und das Wärmeleitbauteil (5) in einer gestapelten Konfiguration angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die photonische integrierte Schaltung (2) zwischen dem Wärmeleitbauteil (5) und dem Substrat (4) angeordnet ist.
2. Verpackungsanordnung (1) nach Anspruch 1 , wobei die photonische integrierte Schaltung (2) kopfüber auf dem Substrat (4) aufgestapelt ist, sodass der optisch aktive Bereich (3) der photonischen integrierten Schaltung (2) einer optischen Öffnung (6) des Substrats (4) zugewandt ist.
3. Verpackungsanordnung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei zwischen dem Substrat (4) und der photonischen integrierten Schaltung (2) eine oder mehrere Zwischenschichten (16) angeordnet sind, um die photonische integrierte Schaltung (2) mit dem Substrat (4) mechanisch zu verbinden.
4. Verpackungsanordnung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Verpackungsanordnung (1) ein oder mehrere wärmeleitende Elemente (9) in einem Raum (8) zwischen dem Substrat (4) und dem Wärmeleitbauteil (5) aufweist, die dafür angeordnet sind, Wärme von der photonische integrierten Schaltung (2) zum Wärmeleitbauteil (5) abzuführen. Verpackungsanordnung (1) nach Anspruch 4, wobei als wärmeleitendes Element (9) eine Wärmeleitpaste bereitgestellt ist, um die photonische integrierte Schaltung (2) thermisch mit dem Wärmeleitbauteil (5) zu koppeln. Verpackungsanordnung (1) nach Anspruch 5, wobei das Wärmeleitbauteil (5) ein Befüllungsloch (24) aufweist, das dafür bereitgestellt ist, dort hindurch die Wärmeleitpaste in den Raum (8) einzufüllen. Verpackungsanordnung (1) nach Anspruch 6, wobei in dem Raum (8) ein Dichtelement (23) bereitgestellt ist, um den optisch aktiven Bereich (3) vor der Wärmeleitpaste zu schützen. Verpackungsanordnung (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei als wärmeleitendes Element (9) eine oder mehrere wärmeleitfähige Federelemente (21a, b) bereitgestellt sind, die sich in dem Raum (8) zwischen dem Substrat (4) und dem Wärmeleitbauteil (5) erstrecken und dafür angeordnet sind, Wärme vom Substrat (4) auf das Wärmeleitbauteil (5) zu leiten. Verpackungsanordnung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei lateral zum optisch aktiven Bereich (3) ein oder mehrere elektronische Bauteile (12a-c) zwischen dem Substrat (4) und dem Wärmeleitbauteil (5) angeordnet sind. LiDAR-System mit einer Verpackungsanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Verpackungsanordnung (1) betriebsfähig mit dem LiDAR-System verbunden ist.
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