新產(chǎn)品介紹 I ViBO 白皮書(shū)

摘要

新一代產(chǎn)品平臺(tái)ViBO*對(duì)現(xiàn)有VSCEL技術(shù)進(jìn)行革新表牢，相較于與外部光學(xué)器件結(jié)合的標(biāo)準(zhǔn)VCSEL設(shè)備弓慨，它將提供更卓越的性能和體現(xiàn)更大的成本優(yōu)勢(shì)舷翰。

利用半導(dǎo)體蝕刻工藝將透鏡直接做到砷化鎵襯底上，使整個(gè)器件在小型化上取得了突破性的進(jìn)展园凫。圓晶級(jí)的單片集成光學(xué)系統(tǒng)是一個(gè)不可分拆的整體結(jié)構(gòu)砍没，保證了整個(gè)壽命周期的激光安全，并且無(wú)需額外的界面十碗。此外鸥司，ViBO 產(chǎn)品平臺(tái)允許定制照明模式：均勻的泛光照明及點(diǎn)陣照明都可實(shí)現(xiàn)，適用于消費(fèi)類及激光雷達(dá)等汽車應(yīng)用領(lǐng)域汉惫。為了加強(qiáng)照明和傳感方案培愁，它還可在單個(gè)芯片上實(shí)現(xiàn)多個(gè)區(qū)域的可尋址性著摔。

此白皮書(shū)通過(guò)多個(gè)方面來(lái)闡述ViBO—這個(gè)全新的、獨(dú)特的定续、前沿的技術(shù)平臺(tái)及其突出性能谍咆。

*ViBO: 新一代單片式底部發(fā)光集成光學(xué)垂直腔面激光發(fā)射器

VCSEL應(yīng)用現(xiàn)狀

01 

標(biāo)準(zhǔn)VCSEL頂部發(fā)射器: 

VCSEL是三維傳感中紅外照明的理想光源。他們具有穩(wěn)定的窄光譜私股，在-40°C至高達(dá)125°C的工作溫度范圍內(nèi)可快速切換摹察。短脈沖使高分辨率的3D距離圖成為可能。

應(yīng)用范圍:從智能手機(jī)上“user-facing”的攝像頭到手機(jī)倡鲸、平板電腦和機(jī)器人上的“world-facing”系統(tǒng)供嚎，再到汽車和工業(yè)加熱過(guò)程所需的高功率應(yīng)用。

現(xiàn)行方案采用將VCSEL裸芯片與光學(xué)件及安全裝置組合封裝的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用需求峭状。光學(xué)件將VCSEL的真實(shí)光束轉(zhuǎn)換為場(chǎng)景所需的照明模式克滴。正確和恰當(dāng)?shù)慕M裝光學(xué)件是確保人眼安全的必要條件。

這種封裝的體積比原來(lái)的VCSEL芯片大很多优床。外部組件的裝配減弱了晶圓級(jí)生產(chǎn)和測(cè)試的自帶優(yōu)勢(shì)∪芭猓現(xiàn)行的單獨(dú)封裝的VCSEL尚未充分發(fā)揮半導(dǎo)體生產(chǎn)技術(shù)的潛力。

圖1: VCSEL在智能手機(jī)中的應(yīng)用胆敞。

圖2: 現(xiàn)行的VCSEL封裝：與光學(xué)件組裝在一起诸痢。

ViBO的原理02 

面臨的挑戰(zhàn)

目標(biāo)是減少占用空間并獲得非常小巧緊湊的組件，例如：在將它們集成到消費(fèi)設(shè)備中時(shí)霹早，能提供更多的設(shè)計(jì)自由矢锯。此外岔歼，與封裝方案相比秋贤，考慮通過(guò)優(yōu)化VCSEL設(shè)計(jì)來(lái)消除額外的接口。

ViBO的理念
ViBO的理念是將現(xiàn)有的通過(guò)額外封裝獲得的所有功能直接集成到VCSEL芯片中帘既。

ViBO的原理
第一步是翻轉(zhuǎn)光發(fā)射的方向：光不再?gòu)男酒斆姘l(fā)出（原先所有的處理和接觸都發(fā)生在芯片頂面）爬喝，而是通過(guò)基板的底面發(fā)光。現(xiàn)在顷敞，基板的底面不僅僅是一個(gè)結(jié)構(gòu)接口程鸵，它被賦予了更多的價(jià)值：透鏡直接蝕刻在上面，提供光學(xué)功能蒜吱。 這些透鏡為每位光學(xué)設(shè)計(jì)師提供了額外的設(shè)計(jì)自由频僵。半導(dǎo)體材料的高折射率特性（n= 3.5）實(shí)現(xiàn)了較常規(guī)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區(qū)域诚凰。 整個(gè)表面可用于電氣嫌术、熱工和機(jī)械功能，從而優(yōu)化散熱和電氣性能牌借。這些電極觸點(diǎn)可以做得很大度气，從而能夠?qū)⑿酒苯雍附拥骄€路板上割按，或者觸點(diǎn)也可以做成細(xì)長(zhǎng)的銅柱。這樣大量的電觸點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了單獨(dú)的尋址性磷籍，從而實(shí)現(xiàn)了 VCSEL芯片的新功能适荣。

圖3: 左: ViBO光學(xué)表面; 右: ViBO觸點(diǎn)面: 可輕松通過(guò)SMD安裝到電路板或驅(qū)動(dòng)上。

圖4: ViBO原理:芯片底部的VCSEL陣列通過(guò)基板發(fā)射院领〕诿基板頂部的透鏡用于對(duì)光束成型。

ViBO的優(yōu)勢(shì)03 

首先比然，ViBO芯片提供和VCSEL的封裝解決方案相同的功能汪诉。與此同時(shí)，ViBO由于以下獨(dú)特之處谈秫，使它可以徹底革新智能傳感系統(tǒng)：

• ViBO所占空間縮小了5到10倍扒寄，此外高度也減少了相似的倍數(shù)。幾毫米厚的封裝被只有150微米厚的集成芯片所取代私免。小型化是智能手機(jī)等消費(fèi)電子產(chǎn)品的關(guān)鍵木冈。因此，使用更小的ViBO組件檀抡，使整個(gè)傳感系統(tǒng)的設(shè)計(jì)變得更加靈活演易。

• 由于光學(xué)器件是芯片不可拆卸的部分，因此在產(chǎn)品生命周期內(nèi)確保了固有的人眼安全功能园溃。無(wú)需再擔(dān)心光學(xué)元件分層或故障所造成的安全隱患坝偶。

• 砷化鎵光學(xué)器件功能更強(qiáng)大，可實(shí)現(xiàn)更高效率的新設(shè)計(jì)冲雾。

• 可實(shí)現(xiàn)新功能：因?yàn)樾酒嫌懈嗟挠|點(diǎn)醉檐，從而實(shí)現(xiàn)了區(qū)段尋址的可行性。這些觸點(diǎn)位于表面下方奥怪，因此占用空間很小勿镇。

• 因?yàn)椴恍枰~外的粘接，免除了粘接失效的問(wèn)題盘瞧，所以有更長(zhǎng)的產(chǎn)品壽命蚂兴。

• ViBO芯片的設(shè)計(jì)與高性能微電子設(shè)計(jì)非常相似。它可以和CMOS電子設(shè)備無(wú)縫集成膘掰。

圖5: 使用ViBO可以實(shí)現(xiàn)多樣化的照明模式章姓，例如：

1: 泛光

2: 點(diǎn)陣

3: 定制分區(qū)

4: 行/列可尋址

ViBO的技術(shù)04

ViBO技術(shù)基于半導(dǎo)體行業(yè)中成熟的量產(chǎn)制造工藝。透鏡樣式是通過(guò)光刻機(jī)用灰調(diào)印刷技術(shù)在wafer上直接定義识埋。這種高精度的工藝使數(shù)百萬(wàn)個(gè)透鏡在晶圓片級(jí)別校對(duì)成型凡伊，而不是在后續(xù)的生產(chǎn)步驟中。

圖6展示了一個(gè)規(guī)則的，應(yīng)用于均勻照明場(chǎng)景的透鏡式樣視場(chǎng)窗声。無(wú)需更多的光學(xué)元件相恃。視場(chǎng)角可以很窄，例如20x20°或角度大于>100°笨觅。此種場(chǎng)強(qiáng)分布可以通過(guò)定制透鏡形狀來(lái)實(shí)現(xiàn)拦耐。 例如：更多的光可以引導(dǎo)照射到邊緣暗角。

銅柱焊接在半導(dǎo)體行業(yè)中很常見(jiàn)见剩，例如：微處理器的密集連接杀糯。ViBO就是使用類似的方法，如圖7所示苍苞。在銅柱的頂部有一個(gè)預(yù)制焊料點(diǎn)固翰，有助于在陶瓷或硅基座或者直接驅(qū)動(dòng)芯片上組裝芯片。細(xì)間距模式支持很多可尋址區(qū)域的設(shè)計(jì)耕粪≈闻瑁基于蝕刻工藝，銅柱的形狀可以根據(jù)特定需求進(jìn)行調(diào)整妨宙。

芯片上的區(qū)域可以單獨(dú)尋址矫摸。圖8顯示了芯片在制程中的電子顯微鏡圖片。許多單獨(dú)的VCSEL被分組到一個(gè)區(qū)域以提供所需的功率伐歇。從理論上講烧锋，甚至單顆VCSEL也可以被尋址，盡管觸點(diǎn)的數(shù)量可能不切實(shí)際。

VCSEL和觸點(diǎn)的布局是獨(dú)立的并且可以重疊。這為定制提供了更多自由烧啊，例如：隔行尋址方案。對(duì)于電子設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)安影，VCSEL芯片和驅(qū)動(dòng)可以都采用共陽(yáng)極或共陰極的設(shè)計(jì)方案。這有助于減小驅(qū)動(dòng)器尺寸和功耗洁糟。特別是在高電流短脈沖應(yīng)用中岸裙，驅(qū)動(dòng)器在尺寸猖败、成本以及熱量方面占據(jù)了預(yù)算的很大部分速缆。

倒裝芯片的背靠背驅(qū)動(dòng)器使兩者之間有最短的通路。這對(duì)于降低系統(tǒng)阻抗和實(shí)現(xiàn)最短的上升和下降時(shí)間至關(guān)重要恩闻。

圖6: 電子顯微鏡照片：蝕刻到砷化鎵中的透鏡艺糜。

圖7: 緊挨著VCSELs，帶有焊料凸點(diǎn)的大銅柱幢尚。

圖8: 具有可單獨(dú)尋址區(qū)域的 VCSEL 芯片制程中(不是最終芯片)破停。

ViBO的應(yīng)用案例05

帶有單獨(dú)光學(xué)件的VCSEL被安裝在陶瓷殼體中（見(jiàn)圖 2），用于照亮智能手機(jī)中3D攝像頭的視野。必須通過(guò)“擴(kuò)散片”（又稱勻光片 ）將光束向邊緣擴(kuò)散真慢。擴(kuò)散片須符合激光安全Class 1的要求毅臊。

ViBO不僅取代了整個(gè)封裝，而且還可以更好地將光場(chǎng)整形黑界，例如：可以提升邊角的輻照水平以及減少外部光線（參見(jiàn)技術(shù)背景部分）管嬉。

圖 9 顯示了一個(gè)典型的分布，其透過(guò)率比使用單獨(dú)擴(kuò)散片時(shí)的透過(guò)率要高得多朗鸠。ViBO提供固有的激光安全性蚯撩。區(qū)別于獨(dú)立光學(xué)件的單體，激光安全性不會(huì)遺失或降級(jí)抵刺。由于砷化鎵透鏡的高折射率饲悟，即使被液體或膠水潤(rùn)濕也不會(huì)破壞其效果。

均勻的場(chǎng)景照明很棒衫喜，但有時(shí)物體移動(dòng)只發(fā)生在中心根朱。在這種情況下，ViBO支持對(duì)VCSEL芯片的各個(gè)區(qū)域進(jìn)行尋址可丝，從而照亮場(chǎng)景中的特定區(qū)域且關(guān)閉不需要的區(qū)域（圖10）雾鸠。ViBO不僅在光學(xué)上更高效，而且有助于節(jié)省電池電量并維持整個(gè)系統(tǒng)低溫捎滴。

可分區(qū)尋址的ViBO還可以替代汽車LiDAR （自動(dòng)駕駛汽車頂部的巨大圓頂）中使用的機(jī)械光束掃描儀纪娄。圖 11 解釋了原理并展示了一個(gè)ViBO演示芯片。ViBO是全固態(tài)的悉契，無(wú)需移動(dòng)任何部件启毁。它更緊湊，更可靠憔辞。更大的激光雷達(dá)系統(tǒng)可能包含多個(gè)ViBO芯片页衙，以提高其功率和分辨率。

圖9: 智能手機(jī)應(yīng)用程序中典型視場(chǎng)的光分布阴绢。視場(chǎng)內(nèi)光透過(guò)率88%店乐。

圖10: 只點(diǎn)亮需求區(qū)域的可尋址模式。

圖11: 由可尋址線掃模式做成的掃描線系統(tǒng)呻袭。電子顯微鏡圖片顯示了芯片接觸面的細(xì)節(jié)眨八。

結(jié)論

ViBO 簡(jiǎn)化了VCSEL的使用方式。借助新的產(chǎn)品平臺(tái)左电，3D 傳感系統(tǒng)可以更安全廉侧、更緊湊、更具成本效益篓足。

ViBO 將取代組裝的VCSEL模塊段誊，并將擴(kuò)展更多 VCSEL的應(yīng)用范圍。

平面集成、使用光刻方法以及細(xì)間距連接器使VCSEL制程更接近于主流的硅半導(dǎo)體制程连舍。

ViBO 專注光源輸出没陡，硅材料助力傳感和驅(qū)動(dòng)，這些發(fā)展推動(dòng)了智能手機(jī)和汽車應(yīng)用中VCSEL的增長(zhǎng)审亿。

（通快光電器件部 ）

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