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CN108336040A - 芯片嵌入装置 - Google Patents

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CN108336040A
CN108336040A CN201710044666.0A CN201710044666A CN108336040A CN 108336040 A CN108336040 A CN 108336040A CN 201710044666 A CN201710044666 A CN 201710044666A CN 108336040 A CN108336040 A CN 108336040A
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component
circuit board
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李福茂
黄杰凡
黄源浩
肖振中
刘龙
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Shenzhen Orbbec Co Ltd
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Shenzhen Orbbec Co Ltd
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Abstract

本发明提出一种芯片嵌入装置，包括：支撑部件，用来承载芯片；散热部件，用来将芯片产生的热量散失；控制部件，用来控制芯片工作；所述控制部件中开有孔洞，芯片嵌入到所述孔洞中并与散热部件接触连接，此时散热部件起到支撑部件的作用，从而来使装置实现体积小和高散热。本发明的芯片嵌入装置，可以实现小体积、高散热以及低功耗，从而可以被集成到微型的计算设备中。

Description

芯片嵌入装置
技术领域
本发明涉及电子及光学元器件制造领域，尤其涉及一种芯片嵌入装置。
背景技术
深度相机可以获取目标的深度信息借此实现3D扫描、场景建模、手势交互，与目前被广泛使用的RGB相机相比，深度相机正逐步受到各行各业的重视。例如利用深度相机与电视、电脑等结合可以实现体感游戏以达到游戏健身二合一的效果。另外，谷歌的tango项目致力于将深度相机带入移动设备，如平板、手机，以此带来完全颠覆的使用体验，比如可以实现非常真实的AR游戏体验，可以使用其进行室内地图创建、导航等功能。
深度相机中的核心部件是激光投影模组，随着应用的不断扩展，光学投影模组将向越来越小的体积以及越来越高的性能上不断进化。一般地，光学投影模组由电路板、光源等部件组成，目前晶圆级大小的垂直腔面发射激光器(VCSEL)阵列光源使得光学投影模组的体积可以减小到被嵌入到手机等微型电子设备中。一般地，将VSCEL制作在半导体衬底上，并将半导体衬底与柔性电路板(FPC)进行连接，为了解决散热问题，还可以引入半导体致冷器(TEC)。TEC可以很好的对光源发热进行控制，但由于本身的功耗较高，且占用较大的体积，使得这种形式的光学投影模组的体积以及功耗仍不理想。
除了深度相机中的激光投影模组，在其他的芯片与电路板结合的领域，也同样面临着体积与散热的问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中芯片与电路板结合时的体积与散热的问题，提出一种芯片嵌入装置，能够同时兼顾体积与散热的问题。
本发明的芯片嵌入装置，包括：支撑部件，用来承载芯片；散热部件，用来将芯片产生的热量散失；控制部件，用来控制芯片工作；其特征在于，所述控制部件中开有孔洞，芯片嵌入到所述孔洞中并与散热部件接触连接，此时散热部件起到支撑部件的作用，从而来使装置实现体积小和高散热。
优选地，所述散热部件开有凹槽，所述芯片嵌入到所述控制部件的孔洞中并放置在所述凹槽中，与散热部件接触连接。
优选地，所述散热部件与所述控制部件连接，且覆盖所述控制部件中的孔洞。
优选地，所述控制部件为电路板，通过接入电极给所述芯片供电或控制所述芯片。
优选地，所述电路板为柔性电路板、硬质电路板以及软硬结合电路板的一种或组合。
优选地，所述散热部件还具有导电性能，所述芯片与散热部件导电导热连接；所述芯片与所述控制部件导电连接；所述散热部件与控制部件导电连接。
优选地，所述控制部件在孔洞周围设有多个焊盘，利用导电线将所述焊盘与所述芯片和/或所述散热部件进行连接。
优选地，所述芯片的尺寸小于孔洞的尺寸，所述芯片与所述控制部件之间有间隙。
优选地，所述芯片位于所述孔洞的中心。
优选地，所述芯片包括：半导体衬底；至少一个VCSEL光源，其以阵列的形式布置在所述半导体衬底上。
优选地，所述VCSEL光源阵列包括规则阵列或不规则阵列。
与现有技术相比，本发明的有益效果有：
本发明提芯片嵌入装置，通过在控制部件上开设孔洞，并将芯片嵌入其中，可以充分减小装置的整体体积，同时芯片与散热部件直接接触连接，散热部件同时起到支撑芯片的作用，保证给芯片提供最大限度的散热。与现有技术相比，本发明的芯片嵌入装置可以实现小体积、高散热以及低功耗，从而可以被集成到微型的计算设备中。
附图说明
图1是本发明具体实施方式中的深度相机系统的侧视图。
图2是本发明具体实施方式中的光学投影模组的侧视图。
图3是本发明具体实施方式中的垂直腔面激光发射器的结构示意图。
图4是本发明具体实施方式中的VCSEL芯片正视图。
图5是本发明实施例1的芯片嵌入装置示意图。
图6是本发明实施例2和实施例3的芯片嵌入装置正视图。
图7是本发明实施例4的芯片嵌入装置侧视图。
图8是本发明实施例5的芯片嵌入装置侧视图。
具体实施方式
下面结合附图通过具体实施例对本发明进行详细的介绍，以使更好的理解本发明，但下述实施例并不限制本发明范围。
本发明提出一种散热性能好以及体积小的芯片嵌入装置。在后面的说明中将以深度相机的投影模组为例进行说明，但并不意味着这种方案仅能应用在深度相机中，任何其他装置中凡是直接或间接利用该方案都应被包含在本发明的保护范围中。
深度相机
图1所示的基于结构光的深度相机侧面示意图。深度相机10主要组成部件有激光投影模组13、采集模组14、主板12以及处理器11，在一些深度相机中还配备了RGB相机16。激光投影模组13、采集模组14以及RGB相机16一般被安装在同一个深度相机平面上，且处于同一条基线，每个模组或相机都对应一个进光窗口17。一般地，处理器11被集成在主板12上，而激光投影模组13与采集模型14通过接口15与主板连接，在一种实施例中所述的接口为FPC接口。其中，激光投影模组用于向目标空间中投射经编码的结构光图案，采集模型采集到该结构光图像后通过处理器的处理从而得到目标空间的深度图像。在一个实施例中，结构光图像为红外散斑图案，图案具有颗粒分布相对均匀但具有很高的局部不相关性，这里的局部不相关性指的是图案中各个子区域都具有较高的唯一性。对应的采集模组14为对应的红外相机。
基于时间飞行法原理(TOF)的深度相机的主要组成部分也是投影模组与采集模组，与结构光原理的深度相机不同的是其投影模组用于发射记时的光脉冲，采集模组采集到该光脉冲后就可以得到光在空间中的飞行时间，再利用处理器计算出对应的空间点的距离。
目前单一的深度相机由于体积较大，大都是作为独立的外设，通过USB等数据接口与其他设备如电脑、手机等连接，并将其获取的深度等信息传输给其他设备进行进一步的处理。随着深度相机的应用越来越广泛，将深度相机与其他设备进行集成、整合将会是未来的发展方向。在主板与处理器的集成方面可以将深度相机的主板、处理器与电脑手机等设备的主板、处理器进行整合；在采集模组与激光投影模组的集成方面，目前电脑等大型设备都有相关的方案，然而对于手机等微型设备，只有体积小的激光投影模组才能满足要求，另外由于激光投影的功耗较大、发热较多，因此拥有较高的散热性也非常有必要。本发明的重点将是提出一种拥有高散热性及小体积的可以用在深度相机投影模组中的芯片嵌入装置，但不局限于深度相机。接下来根据本发明的实施例方案对激光投影模组进行详细说明。
激光投影模组
图2是图1中激光投影模组13的一种实施例。该投影模组13包括底座131、光源132、上下镜座133与134、透镜135以及衍射光学元件(DOE)136。光源132发出的光束经透镜135准直后由DOE136向空间中发射，一般地透镜135位于光源132以及衍射光学元件136之间，透镜135与光源132之间的距离最好等于透镜的焦距。在其它实施例中透镜与DOE也可以整合成一个光学元件。上下镜座之间可以通过螺纹连接也可以直接接触连接，前种方式便于调整焦距，而后种方式调节较为麻烦，但是除了可以调节焦距外还可以调节光轴。底座131一方面要求具有足够的硬度来支撑光源，另一方面还需要有较高的散热性。
激光投影模组的体积影响整个深度相机的大小，而其中光源132与底座131的大小则是影响激光投影模组体积的重要因素。在光源的选择中，垂直腔面激光发射器(VCSEL)拥有体积小、光源发射角小、稳定性好等优点可以用来作为投影模组的光源以减小整体的体积。接下来首先对VCSEL及其阵列芯片进行说明，其次对其与底座131的嵌入式装置进行阐述。
VCSEL阵列
图3是单个VCSEL的结构示意图。在图3中，301为单个VCSEL，一般地，VCSEL的有源层305在中间，与有源层连接的是限制层306，限制层的作用是用来控制光场和电流以实现对激光形状等的控制，有源层两端还有P型与N型的半导体反射镜304与307，反射镜307的另一侧是顶部电极308(P极、正极)，反射镜304的一侧分别是半导体衬底303以及底部电极302(N极、负极)。
图4所示的是VCSEL阵列示意图。当单个VCSEL光源的功率等达不到应用要求时，通过将多个VCSEL403以阵列的形式布置在同一个半导体衬底402上可以提高光源功率，另外在同一个半导体衬底上同时制造多个VCSEL光源也可以大幅提高制造效率。VCSEL阵列芯片401目前可以达到晶圆级的尺度，即可以在1mm2的芯片上布置成百上千个VCSEL光源。对光源的控制可以有不同的模式，芯片上所有的VCSEL光源被同步控制打开与关闭，或者，芯片上的VCSEL被独立或分组控制以产生不同的光照密度。在一些实施例中，采用第一种模式，即芯片上所有的VCSEL光源被同步控制打开与关闭。在另一些实施例中，可以采用第二种模式，即芯片上的VCSEL被独立或分组控制以产生不同的光照密度。
VCSEL403的形式及排列按照具体的应用需求可以有多种，比如均匀规则地排列或者以一定的不相关图案进行不规则排列。单个VCSEL的形状、面积也可以不相同。形式上的不规则化会带来制造效率的降低。在一些实施例中，VCSEL403均匀规则地排列在半导体衬底402上，在另一些实施例中，按照具体的应用需求，VCSEL403以一定的不相关图案不规则排列在半导体衬底402上。
在一些实施例中，VCSEL芯片按特殊的用途也可以进行封装，类似于电脑的CPU等芯片，将正负极通过连接到引脚在同一侧与外界连接。针对本发明所述的深度相机实施例而言，由于要求体积小，因而较佳的处理方式是直接将未封装的VCSEL半导体切片芯片置于底座131上。一般地，芯片的底部负极连接，顶部正极连接。在以下说明中将以VCSEL切片芯片为例进行说明，但应理解的是封装芯片也包含在本发明的保护范围内。
芯片嵌入装置
芯片都需要有承载和连接机构，以保证芯片的正常功能。例如电脑CPU有为其独立设计的卡套式连接与固定机构；对于一些发热量不大的专用芯片，会直接通过引脚与主板进行直接相连；而对于本发明所述的芯片，一般具有较高的发热量，且需要有稳固的固定装置。VCSEL阵列芯片由于是用来发射光束，需要较大的功率，发热量较大，另外还需要被集成到体积较小的微型设备中，散热问题需要解决；另一方面，对于深度相机而言，激光投影模组的相对位置要求非常稳固，以确保有稳定、精确的深度图像输出。因此，VCSEL阵列芯片的承载与连接机构就要求既拥有小的体积以便于集成，又需要有较好的散热性能以及稳固的连接。
本发明的芯片嵌入装置，包括支撑部件，用来承载芯片；散热部件，用来将芯片产生的热量散失；控制部件，用来控制芯片工作，图2中的底座131即是用于承载及连接VCSEL阵列芯片，在在下述实施例中，底座131被设置成如图5-8所示的芯片嵌入装置501。在下述实施例1-5中，芯片具体为VCSEL芯片506；控制部件具体的为电路板503，通过其接口504接入电极以供电或控制VCSEL芯片506；支撑部件和散热部件具体为同一个部件，即基底502。下面结合附图通过具体的实施例对本发明的芯片嵌入装置进行详细的介绍，以使更好的理解本发明，但下述实施例并不限制本发明范围。
实施例1
在本实施例中，底座131被设置成如图5所示的芯片嵌入装置501。在本实施例中，芯片具体为VCSEL芯片506；控制部件具体的为电路板503，通过其接口504接入电极以供电或控制VCSEL芯片506；支撑部件和散热部件具体为同一个部件，即基底502，用于放置并承载芯片，并且与芯片连接起到散热和/或电极连接的作用，常用的材料为铜镀金、陶瓷等等。该装置可以方便地与其他控制单元如主板进行连接，且可以稳定地支撑芯片。
在本实施例中，为了减小整体的体积，采取的是在电路板503中间增加孔洞的形式，基底502与电路板503胶接，并且覆盖了孔洞(一般地，孔洞中心与电路板502中间重合)，然后将芯片置于孔洞中且与基底连接。这种设置的好处在于可以同时兼顾电路板与芯片之间的连接以及整体厚度的控制。
实施例2
在本实施例中的芯片嵌入装置501，如图6所示，电路板503为柔性电路板(FPC)，基底502为铜镀金材料，VCSEL芯片位于孔洞中心，且通过导电银浆与基底502连接，基底502与电路板503胶接。在FPC的孔洞周围布置了一些焊盘505，焊盘505通过线路与接口504连接。在图6中，正极焊盘通过金线507与VCSEL芯片顶端电极506连接，负极焊盘通过金线508直接与基底502连接，由于基底与芯片的底部电极通过导电银浆相连，因而也就实现了焊盘与底部电极的间接连接。另外，由于VCSEL芯片与基底502连接，且基底具有很好的导热性，因此VCSEL芯片的散热问题也得到了解决。
实施例3
在本实施例中，电路板503与基底502之间通过物理连接，比如螺栓等。若利用胶水连接，优点在于不占用空间，操作便捷，但缺点是由于胶水的电阻较大，因而不利于散热，会增加功耗。具体的连接方式在此不做限定。
实施例4
在本实施例中，电路板503为印制电路板(PCB)与柔性电路板(FPC)的结合，即软硬结合电路板，与FPC相比，PCB硬度高，承载性能较好，但是连接则较为困难。因此，在本实施例中，采用了二者结合的方式，即接口所在部位用FPC，而在与基底连接的部位采用软硬结合板。在其他实施例中，电路板503可以全部采用印制电路板(PCB)。
电路板与芯片及基底的连接，更清晰地可见图7。在图7中，电路板503通过金线507和508分别与芯片506以及基底502连接。一般地，电路板的孔洞尺寸应大于芯片506的尺寸，一方面便于安装以及为金线508与基底502的连接留出操作空隙，另一方面进一步提高了基底502的散热性能。孔洞的形状一般为圆形或方形，在此不做限定。
在其他实施例中，连接用的金线也可以为其他任何可以实现导电连接的材料。
实施例5
在本实施例中，为了进一步地减小体积，可以在基底上为芯片开凹槽，如图8所示,这种方式可以进一步减小整体的厚度。需要注意的是，当基底本身厚度就较薄时不建议开凹槽，以避免当芯片发热时会导致基底材料的变形。
在其他实施例中，基底也可以是其他导热材料，比如陶瓷。此时，VCSEL芯片与基底仅导热连接，与电路板的正、负极导电连接，连接方式可以采取任何其他可以实现导电连接的方式，在此不做限定。
在其他实施例中，基底也可以被设计成适合散热的形状，比如增加扇叶等方式以增加散热面积等。在与手机等设备进行集成过程中也可以将基底与其他散热材料进行连接以提升散热性能。
本发明提芯片嵌入装置，通过在控制部件上开设孔洞，并将芯片嵌入其中，可以充分减小装置的整体体积，同时芯片与散热部件直接接触连接，散热部件同时起到支撑芯片的作用，保证给芯片提供最大限度的散热。与现有技术相比，本发明的芯片嵌入装置可以实现小体积、高散热以及低功耗，从而可以被集成到微型的计算设备中。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种芯片嵌入装置，包括：支撑部件，用来承载芯片；散热部件，用来将芯片产生的热量散失；控制部件，用来控制芯片工作；其特征在于，所述控制部件中开有孔洞，芯片嵌入到所述孔洞中并与散热部件接触连接，此时散热部件起到支撑部件的作用，从而来使装置实现体积小和高散热。
2.根据权利要求1所述的芯片嵌入装置，其特征在于，所述散热部件开有凹槽，所述芯片嵌入到所述控制部件的孔洞中并放置在所述凹槽中，与散热部件接触连接。
3.根据权利要求1所述的芯片嵌入装置，其特征在于，所述散热部件与所述控制部件连接，且覆盖所述控制部件中的孔洞。
4.根据权利要求1所述的芯片嵌入装置，其特征在于，所述控制部件为电路板，通过接入电极给所述芯片供电或控制所述芯片。
5.根据权利要求4所述的芯片嵌入装置，其特征在于，所述电路板为柔性电路板、硬质电路板以及软硬结合电路板的一种或组合。
6.根据权利要求1-5任一所述的芯片嵌入装置，其特征在于，所述散热部件还具有导电性能，所述芯片与散热部件导电导热连接；
所述芯片与所述控制部件导电连接；
所述散热部件与控制部件导电连接。
7.根据权利要求6所述的芯片嵌入装置，其特征在于，所述控制部件在孔洞周围设有多个焊盘，利用导电线将所述焊盘与所述芯片和/或所述散热部件进行连接。
8.根据权利要求7所述的芯片嵌入装置，其特征在于，所述芯片的尺寸小于孔洞的尺寸，所述芯片与所述控制部件之间有间隙。
9.根据权利要求7或8所述的芯片嵌入装置，其特征在于，所述芯片位于所述孔洞的中心。
10.根据权利要求1所述的芯片嵌入装置，其特征在于，所述芯片包括：
半导体衬底；
至少一个VCSEL光源，其以阵列的形式布置在所述半导体衬底上。
11.根据权利要求10所述的芯片嵌入装置，其特征在于，所述VCSEL光源阵列包括规则阵列或不规则阵列。
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