通快ViBO 白皮书

新产品介绍 I ViBO 白皮书

摘要

新一代产品平台ViBO*对现有VSCEL技术进行革新，相较于与外部光学器件结合的标准VCSEL设备，它将提供更卓越的性能和体现更大的成本优势。

利用半导体蚀刻工艺将透镜直接做到砷化镓衬底上，使整个器件在小型化上取得了突破性的进展。圆晶级的单片集成光学系统是一个不可分拆的整体结构，保证了整个寿命周期的激光安全，并且无需额外的界面。此外，ViBO 产品平台允许定制照明模式：均匀的泛光照明及点阵照明都可实现，适用于消费类及激光雷达等汽车应用领域。为了加强照明和传感方案，它还可在单个芯片上实现多个区域的可寻址性。

此白皮书通过多个方面来阐述ViBO—这个全新的、独特的、前沿的技术平台及其突出性能。

*ViBO: 新一代单片式底部发光集成光学垂直腔面激光发射器

VCSEL应用现状

01 

标准VCSEL顶部发射器: 

VCSEL是三维传感中红外照明的理想光源。他们具有稳定的窄光谱，在-40°C至高达125°C的工作温度范围内可快速切换。短脉冲使高分辨率的3D距离图成为可能。

应用范围:从智能手机上“user-facing”的摄像头到手机、平板电脑和机器人上的“world-facing”系统，再到汽车和工业加热过程所需的高功率应用。

现行方案采用将VCSEL裸芯片与光学件及安全装置组合封装的形式来实现应用需求。光学件将VCSEL的真实光束转换为场景所需的照明模式。正确和恰当的组装光学件是确保人眼安全的必要条件。

这种封装的体积比原来的VCSEL芯片大很多。外部组件的装配减弱了晶圆级生产和测试的自带优势。现行的单独封装的VCSEL尚未充分发挥半导体生产技术的潜力。

图1: VCSEL在智能手机中的应用。

图2: 现行的VCSEL封装：与光学件组装在一起。

ViBO的原理02 

面临的挑战

目标是减少占用空间并获得非常小巧紧凑的组件，例如：在将它们集成到消费设备中时，能提供更多的设计自由。此外，与封装方案相比，考虑通过优化VCSEL设计来消除额外的接口。

ViBO的理念
ViBO的理念是将现有的通过额外封装获得的所有功能直接集成到VCSEL芯片中。

ViBO的原理
第一步是翻转光发射的方向：光不再从芯片顶面发出（原先所有的处理和接触都发生在芯片顶面），而是通过基板的底面发光。现在，基板的底面不仅仅是一个结构接口，它被赋予了更多的价值：透镜直接蚀刻在上面，提供光学功能。 这些透镜为每位光学设计师提供了额外的设计自由。半导体材料的高折射率特性（n= 3.5）实现了较常规塑料或玻璃材料（n=1.5~2）更高的自由度。

芯片的加工表面不再需要保留出光的区域。 整个表面可用于电气、热工和机械功能，从而优化散热和电气性能。这些电极触点可以做得很大，从而能够将芯片直接焊接到线路板上，或者触点也可以做成细长的铜柱。这样大量的电触点实现了单独的寻址性，从而实现了 VCSEL芯片的新功能。

图3: 左: ViBO光学表面; 右: ViBO触点面: 可轻松通过SMD安装到电路板或驱动上。

图4: ViBO原理:芯片底部的VCSEL阵列通过基板发射。基板顶部的透镜用于对光束成型。

ViBO的优势03 

首先，ViBO芯片提供和VCSEL的封装解决方案相同的功能。与此同时，ViBO由于以下独特之处，使它可以彻底革新智能传感系统：

• ViBO所占空间缩小了5到10倍，此外高度也减少了相似的倍数。几毫米厚的封装被只有150微米厚的集成芯片所取代。小型化是智能手机等消费电子产品的关键。因此，使用更小的ViBO组件，使整个传感系统的设计变得更加灵活。

• 由于光学器件是芯片不可拆卸的部分，因此在产品生命周期内确保了固有的人眼安全功能。无需再担心光学元件分层或故障所造成的安全隐患。

• 砷化镓光学器件功能更强大，可实现更高效率的新设计。

• 可实现新功能：因为芯片上有更多的触点，从而实现了区段寻址的可行性。这些触点位于表面下方，因此占用空间很小。

• 因为不需要额外的粘接，免除了粘接失效的问题，所以有更长的产品寿命。

• ViBO芯片的设计与高性能微电子设计非常相似。它可以和CMOS电子设备无缝集成。

图5: 使用ViBO可以实现多样化的照明模式，例如：

1: 泛光

2: 点阵

3: 定制分区

4: 行/列可寻址

ViBO的技术04

ViBO技术基于半导体行业中成熟的量产制造工艺。透镜样式是通过光刻机用灰调印刷技术在wafer上直接定义。这种高精度的工艺使数百万个透镜在晶圆片级别校对成型，而不是在后续的生产步骤中。

图6展示了一个规则的，应用于均匀照明场景的透镜式样视场。无需更多的光学元件。视场角可以很窄，例如20x20°或角度大于>100°。此种场强分布可以通过定制透镜形状来实现。 例如：更多的光可以引导照射到边缘暗角。

铜柱焊接在半导体行业中很常见，例如：微处理器的密集连接。ViBO就是使用类似的方法，如图7所示。在铜柱的顶部有一个预制焊料点，有助于在陶瓷或硅基座或者直接驱动芯片上组装芯片。细间距模式支持很多可寻址区域的设计。基于蚀刻工艺，铜柱的形状可以根据特定需求进行调整。

芯片上的区域可以单独寻址。图8显示了芯片在制程中的电子显微镜图片。许多单独的VCSEL被分组到一个区域以提供所需的功率。从理论上讲，甚至单颗VCSEL也可以被寻址，尽管触点的数量可能不切实际。

VCSEL和触点的布局是独立的并且可以重叠。这为定制提供了更多自由，例如：隔行寻址方案。对于电子设计人员来说，VCSEL芯片和驱动可以都采用共阳极或共阴极的设计方案。这有助于减小驱动器尺寸和功耗。特别是在高电流短脉冲应用中，驱动器在尺寸、成本以及热量方面占据了预算的很大部分。

倒装芯片的背靠背驱动器使两者之间有最短的通路。这对于降低系统阻抗和实现最短的上升和下降时间至关重要。

图6: 电子显微镜照片：蚀刻到砷化镓中的透镜。

图7: 紧挨着VCSELs，带有焊料凸点的大铜柱。

图8: 具有可单独寻址区域的 VCSEL 芯片制程中(不是最终芯片)。

ViBO的应用案例05

带有单独光学件的VCSEL被安装在陶瓷壳体中（见图 2），用于照亮智能手机中3D摄像头的视野。必须通过“扩散片”（又称匀光片 ）将光束向边缘扩散。扩散片须符合激光安全Class 1的要求。

ViBO不仅取代了整个封装，而且还可以更好地将光场整形，例如：可以提升边角的辐照水平以及减少外部光线（参见技术背景部分）。

图 9 显示了一个典型的分布，其透过率比使用单独扩散片时的透过率要高得多。ViBO提供固有的激光安全性。区别于独立光学件的单体，激光安全性不会遗失或降级。由于砷化镓透镜的高折射率，即使被液体或胶水润湿也不会破坏其效果。

均匀的场景照明很棒，但有时物体移动只发生在中心。在这种情况下，ViBO支持对VCSEL芯片的各个区域进行寻址，从而照亮场景中的特定区域且关闭不需要的区域（图10）。ViBO不仅在光学上更高效，而且有助于节省电池电量并维持整个系统低温。

可分区寻址的ViBO还可以替代汽车LiDAR （自动驾驶汽车顶部的巨大圆顶）中使用的机械光束扫描仪。图 11 解释了原理并展示了一个ViBO演示芯片。ViBO是全固态的，无需移动任何部件。它更紧凑，更可靠。更大的激光雷达系统可能包含多个ViBO芯片，以提高其功率和分辨率。

图9: 智能手机应用程序中典型视场的光分布。视场内光透过率88%。

图10: 只点亮需求区域的可寻址模式。

图11: 由可寻址线扫模式做成的扫描线系统。电子显微镜图片显示了芯片接触面的细节。

结论

ViBO 简化了VCSEL的使用方式。借助新的产品平台，3D 传感系统可以更安全、更紧凑、更具成本效益。

ViBO 将取代组装的VCSEL模块，并将扩展更多 VCSEL的应用范围。

平面集成、使用光刻方法以及细间距连接器使VCSEL制程更接近于主流的硅半导体制程。

ViBO 专注光源输出，硅材料助力传感和驱动，这些发展推动了智能手机和汽车应用中VCSEL的增长。

（通快光电器件部 ）

声明：本网站所收集的部分公开资料来源于互联网，转载的目的在于传递更多信息及用于网络分享，并不代表本站赞同其观点和对其真实性负责，也不构成任何其他建议。本站部分作品是由网友自主投稿和发布、编辑整理上传，对此类作品本站仅提供交流平台，不为其版权负责。如果您发现网站上所用视频、图片、文字如涉及作品版权问题，请第一时间告知，我们将根据您提供的证明材料确认版权并按国家标准支付稿酬或立即删除内容，以保证您的权益！联系电话：010-58612588 或 Email:editor@mmsonline.com.cn。