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通快ViBO 白皮书

国际金属加工网 2021年09月29日

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 )

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