本實(shí)用新型涉及電子及光學(xué)元器件制造領(lǐng)域，尤其涉及一種芯片嵌入裝置。

背景技術(shù)：

深度相機(jī)可以獲取目標(biāo)的深度信息借此實(shí)現(xiàn)3D掃描、場(chǎng)景建模、手勢(shì)交互，與目前被廣泛使用的RGB相機(jī)相比，深度相機(jī)正逐步受到各行各業(yè)的重視。例如利用深度相機(jī)與電視、電腦等結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)體感游戲以達(dá)到游戲健身二合一的效果。另外，谷歌的tango項(xiàng)目致力于將深度相機(jī)帶入移動(dòng)設(shè)備，如平板、手機(jī)，以此帶來(lái)完全顛覆的使用體驗(yàn)，比如可以實(shí)現(xiàn)非常真實(shí)的AR游戲體驗(yàn)，可以使用其進(jìn)行室內(nèi)地圖創(chuàng)建、導(dǎo)航等功能。

深度相機(jī)中的核心部件是激光投影模組，隨著應(yīng)用的不斷擴(kuò)展，光學(xué)投影模組將向越來(lái)越小的體積以及越來(lái)越高的性能上不斷進(jìn)化。一般地，光學(xué)投影模組由電路板、光源等部件組成，目前晶圓級(jí)大小的垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)陣列光源使得光學(xué)投影模組的體積可以減小到被嵌入到手機(jī)等微型電子設(shè)備中。一般地，將VSCEL制作在半導(dǎo)體襯底上，并將半導(dǎo)體襯底與柔性電路板(FPC)進(jìn)行連接，為了解決散熱問(wèn)題，還可以引入半導(dǎo)體致冷器(TEC)。TEC可以很好的對(duì)光源發(fā)熱進(jìn)行控制，但由于本身的功耗較高，且占用較大的體積，使得這種形式的光學(xué)投影模組的體積以及功耗仍不理想。

除了深度相機(jī)中的激光投影模組，在其他的芯片與電路板結(jié)合的領(lǐng)域，也同樣面臨著體積與散熱的問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中芯片與電路板結(jié)合時(shí)的體積與散熱的問(wèn)題，提出一種芯片嵌入裝置，能夠同時(shí)兼顧體積與散熱的問(wèn)題。

本實(shí)用新型的芯片嵌入裝置，包括：支撐部件，用來(lái)承載芯片；散熱部件，用來(lái)將芯片產(chǎn)生的熱量散失；控制部件，用來(lái)控制芯片工作；其特征在于，所述控制部件中開(kāi)有孔洞，芯片嵌入到所述孔洞中并與散熱部件接觸連接，此時(shí)散熱部件起到支撐部件的作用，從而來(lái)使裝置實(shí)現(xiàn)體積小和高散熱。

優(yōu)選地，所述散熱部件開(kāi)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，與散熱部件接觸連接。

優(yōu)選地，所述散熱部件與所述控制部件連接，且覆蓋所述控制部件中的孔洞。

優(yōu)選地，所述控制部件為電路板，通過(guò)接入電極給所述芯片供電或控制所述芯片。

優(yōu)選地，所述電路板為柔性電路板、硬質(zhì)電路板以及軟硬結(jié)合電路板的一種或組合。

優(yōu)選地，所述散熱部件還具有導(dǎo)電性能，所述芯片與散熱部件導(dǎo)電導(dǎo)熱連接；所述芯片與所述控制部件導(dǎo)電連接；所述散熱部件與控制部件導(dǎo)電連接。

優(yōu)選地，所述控制部件在孔洞周?chē)O(shè)有多個(gè)焊盤(pán)，利用導(dǎo)電線將所述焊盤(pán)與所述芯片和/或所述散熱部件進(jìn)行連接。

優(yōu)選地，所述芯片的尺寸小于孔洞的尺寸，所述芯片與所述控制部件之間有間隙。

優(yōu)選地，所述芯片位于所述孔洞的中心。

優(yōu)選地，所述芯片包括：半導(dǎo)體襯底；至少一個(gè)VCSEL光源，其以陣列的形式布置在所述半導(dǎo)體襯底上。

優(yōu)選地，所述VCSEL光源陣列包括規(guī)則陣列或不規(guī)則陣列。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的有益效果有：

本實(shí)用新型提芯片嵌入裝置，通過(guò)在控制部件上開(kāi)設(shè)孔洞，并將芯片嵌入其中，可以充分減小裝置的整體體積，同時(shí)芯片與散熱部件直接接觸連接，散熱部件同時(shí)起到支撐芯片的作用，保證給芯片提供最大限度的散熱。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的芯片嵌入裝置可以實(shí)現(xiàn)小體積、高散熱以及低功耗，從而可以被集成到微型的計(jì)算設(shè)備中。

附圖說(shuō)明

圖1是本實(shí)用新型具體實(shí)施方式中的深度相機(jī)系統(tǒng)的側(cè)視圖。

圖2是本實(shí)用新型具體實(shí)施方式中的光學(xué)投影模組的側(cè)視圖。

圖3是本實(shí)用新型具體實(shí)施方式中的垂直腔面激光發(fā)射器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是本實(shí)用新型具體實(shí)施方式中的VCSEL芯片正視圖。

圖5是本實(shí)用新型實(shí)施例1的芯片嵌入裝置示意圖。

圖6是本實(shí)用新型實(shí)施例2和實(shí)施例3的芯片嵌入裝置正視圖。

圖7是本實(shí)用新型實(shí)施例4的芯片嵌入裝置側(cè)視圖。

圖8是本實(shí)用新型實(shí)施例5的芯片嵌入裝置側(cè)視圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖通過(guò)具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)的介紹，以使更好的理解本實(shí)用新型，但下述實(shí)施例并不限制本實(shí)用新型范圍。

本實(shí)用新型提出一種散熱性能好以及體積小的芯片嵌入裝置。在后面的說(shuō)明中將以深度相機(jī)的投影模組為例進(jìn)行說(shuō)明，但并不意味著這種方案僅能應(yīng)用在深度相機(jī)中，任何其他裝置中凡是直接或間接利用該方案都應(yīng)被包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍中。

深度相機(jī)

圖1所示的基于結(jié)構(gòu)光的深度相機(jī)側(cè)面示意圖。深度相機(jī)10主要組成部件有激光投影模組13、采集模組14、主板12以及處理器11，在一些深度相機(jī)中還配備了RGB相機(jī)16。激光投影模組13、采集模組14以及RGB相機(jī)16一般被安裝在同一個(gè)深度相機(jī)平面上，且處于同一條基線，每個(gè)模組或相機(jī)都對(duì)應(yīng)一個(gè)進(jìn)光窗口17。一般地，處理器11被集成在主板12上，而激光投影模組13與采集模型14通過(guò)接口15與主板連接，在一種實(shí)施例中所述的接口為FPC接口。其中，激光投影模組用于向目標(biāo)空間中投射經(jīng)編碼的結(jié)構(gòu)光圖案，采集模型采集到該結(jié)構(gòu)光圖像后通過(guò)處理器的處理從而得到目標(biāo)空間的深度圖像。在一個(gè)實(shí)施例中，結(jié)構(gòu)光圖像為紅外散斑圖案，圖案具有顆粒分布相對(duì)均勻但具有很高的局部不相關(guān)性，這里的局部不相關(guān)性指的是圖案中各個(gè)子區(qū)域都具有較高的唯一性。對(duì)應(yīng)的采集模組14為對(duì)應(yīng)的紅外相機(jī)。

基于時(shí)間飛行法原理(TOF)的深度相機(jī)的主要組成部分也是投影模組與采集模組，與結(jié)構(gòu)光原理的深度相機(jī)不同的是其投影模組用于發(fā)射記時(shí)的光脈沖，采集模組采集到該光脈沖后就可以得到光在空間中的飛行時(shí)間，再利用處理器計(jì)算出對(duì)應(yīng)的空間點(diǎn)的距離。

目前單一的深度相機(jī)由于體積較大，大都是作為獨(dú)立的外設(shè)，通過(guò)USB等數(shù)據(jù)接口與其他設(shè)備如電腦、手機(jī)等連接，并將其獲取的深度等信息傳輸給其他設(shè)備進(jìn)行進(jìn)一步的處理。隨著深度相機(jī)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，將深度相機(jī)與其他設(shè)備進(jìn)行集成、整合將會(huì)是未來(lái)的發(fā)展方向。在主板與處理器的集成方面可以將深度相機(jī)的主板、處理器與電腦手機(jī)等設(shè)備的主板、處理器進(jìn)行整合；在采集模組與激光投影模組的集成方面，目前電腦等大型設(shè)備都有相關(guān)的方案，然而對(duì)于手機(jī)等微型設(shè)備，只有體積小的激光投影模組才能滿足要求，另外由于激光投影的功耗較大、發(fā)熱較多，因此擁有較高的散熱性也非常有必要。本實(shí)用新型的重點(diǎn)將是提出一種擁有高散熱性及小體積的可以用在深度相機(jī)投影模組中的芯片嵌入裝置，但不局限于深度相機(jī)。接下來(lái)根據(jù)本實(shí)用新型的實(shí)施例方案對(duì)激光投影模組進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

激光投影模組

圖2是圖1中激光投影模組13的一種實(shí)施例。該投影模組13包括底座131、光源132、上下鏡座133與134、透鏡135以及衍射光學(xué)元件(DOE)136。光源132發(fā)出的光束經(jīng)透鏡135準(zhǔn)直后由DOE136向空間中發(fā)射，一般地透鏡135位于光源132以及衍射光學(xué)元件136之間，透鏡135與光源132之間的距離最好等于透鏡的焦距。在其它實(shí)施例中透鏡與DOE也可以整合成一個(gè)光學(xué)元件。上下鏡座之間可以通過(guò)螺紋連接也可以直接接觸連接，前種方式便于調(diào)整焦距，而后種方式調(diào)節(jié)較為麻煩，但是除了可以調(diào)節(jié)焦距外還可以調(diào)節(jié)光軸。底座131一方面要求具有足夠的硬度來(lái)支撐光源，另一方面還需要有較高的散熱性。

激光投影模組的體積影響整個(gè)深度相機(jī)的大小，而其中光源132與底座131的大小則是影響激光投影模組體積的重要因素。在光源的選擇中，垂直腔面激光發(fā)射器(VCSEL)擁有體積小、光源發(fā)射角小、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)可以用來(lái)作為投影模組的光源以減小整體的體積。接下來(lái)首先對(duì)VCSEL及其陣列芯片進(jìn)行說(shuō)明，其次對(duì)其與底座131的嵌入式裝置進(jìn)行闡述。

VCSEL陣列

圖3是單個(gè)VCSEL的結(jié)構(gòu)示意圖。在圖3中，301為單個(gè)VCSEL，一般地，VCSEL的有源層305在中間，與有源層連接的是限制層306，限制層的作用是用來(lái)控制光場(chǎng)和電流以實(shí)現(xiàn)對(duì)激光形狀等的控制，有源層兩端還有P型與N型的半導(dǎo)體反射鏡304與307，反射鏡307的另一側(cè)是頂部電極308(P極、正極)，反射鏡304的一側(cè)分別是半導(dǎo)體襯底303以及底部電極302(N極、負(fù)極)。

圖4所示的是VCSEL陣列示意圖。當(dāng)單個(gè)VCSEL光源的功率等達(dá)不到應(yīng)用要求時(shí)，通過(guò)將多個(gè)VCSEL403以陣列的形式布置在同一個(gè)半導(dǎo)體襯底402上可以提高光源功率，另外在同一個(gè)半導(dǎo)體襯底上同時(shí)制造多個(gè)VCSEL光源也可以大幅提高制造效率。VCSEL陣列芯片401目前可以達(dá)到晶圓級(jí)的尺度，即可以在1mm²的芯片上布置成百上千個(gè)VCSEL光源。對(duì)光源的控制可以有不同的模式，芯片上所有的VCSEL光源被同步控制打開(kāi)與關(guān)閉，或者，芯片上的VCSEL被獨(dú)立或分組控制以產(chǎn)生不同的光照密度。在一些實(shí)施例中，采用第一種模式，即芯片上所有的VCSEL光源被同步控制打開(kāi)與關(guān)閉。在另一些實(shí)施例中，可以采用第二種模式，即芯片上的VCSEL被獨(dú)立或分組控制以產(chǎn)生不同的光照密度。

VCSEL403的形式及排列按照具體的應(yīng)用需求可以有多種，比如均勻規(guī)則地排列或者以一定的不相關(guān)圖案進(jìn)行不規(guī)則排列。單個(gè)VCSEL的形狀、面積也可以不相同。形式上的不規(guī)則化會(huì)帶來(lái)制造效率的降低。在一些實(shí)施例中，VCSEL403均勻規(guī)則地排列在半導(dǎo)體襯底402上，在另一些實(shí)施例中，按照具體的應(yīng)用需求，VCSEL403以一定的不相關(guān)圖案不規(guī)則排列在半導(dǎo)體襯底402上。

在一些實(shí)施例中，VCSEL芯片按特殊的用途也可以進(jìn)行封裝，類(lèi)似于電腦的CPU等芯片，將正負(fù)極通過(guò)連接到引腳在同一側(cè)與外界連接。針對(duì)本實(shí)用新型所述的深度相機(jī)實(shí)施例而言，由于要求體積小，因而較佳的處理方式是直接將未封裝的VCSEL半導(dǎo)體切片芯片置于底座131上。一般地，芯片的底部負(fù)極連接，頂部正極連接。在以下說(shuō)明中將以VCSEL切片芯片為例進(jìn)行說(shuō)明，但應(yīng)理解的是封裝芯片也包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍內(nèi)。

芯片嵌入裝置

芯片都需要有承載和連接機(jī)構(gòu)，以保證芯片的正常功能。例如電腦CPU有為其獨(dú)立設(shè)計(jì)的卡套式連接與固定機(jī)構(gòu)；對(duì)于一些發(fā)熱量不大的專(zhuān)用芯片，會(huì)直接通過(guò)引腳與主板進(jìn)行直接相連；而對(duì)于本實(shí)用新型所述的芯片，一般具有較高的發(fā)熱量，且需要有穩(wěn)固的固定裝置。VCSEL陣列芯片由于是用來(lái)發(fā)射光束，需要較大的功率，發(fā)熱量較大，另外還需要被集成到體積較小的微型設(shè)備中，散熱問(wèn)題需要解決；另一方面，對(duì)于深度相機(jī)而言，激光投影模組的相對(duì)位置要求非常穩(wěn)固，以確保有穩(wěn)定、精確的深度圖像輸出。因此，VCSEL陣列芯片的承載與連接機(jī)構(gòu)就要求既擁有小的體積以便于集成，又需要有較好的散熱性能以及穩(wěn)固的連接。

本實(shí)用新型的芯片嵌入裝置，包括支撐部件，用來(lái)承載芯片；散熱部件，用來(lái)將芯片產(chǎn)生的熱量散失；控制部件，用來(lái)控制芯片工作，圖2中的底座131即是用于承載及連接VCSEL陣列芯片，在在下述實(shí)施例中，底座131被設(shè)置成如圖5-8所示的芯片嵌入裝置501。在下述實(shí)施例1-5中，芯片具體為VCSEL芯片506；控制部件具體的為電路板503，通過(guò)其接口504接入電極以供電或控制VCSEL芯片506；支撐部件和散熱部件具體為同一個(gè)部件，即基底502。下面結(jié)合附圖通過(guò)具體的實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型的芯片嵌入裝置進(jìn)行詳細(xì)的介紹，以使更好的理解本實(shí)用新型，但下述實(shí)施例并不限制本實(shí)用新型范圍。

實(shí)施例1

在本實(shí)施例中，底座131被設(shè)置成如圖5所示的芯片嵌入裝置501。在本實(shí)施例中，芯片具體為VCSEL芯片506；控制部件具體的為電路板503，通過(guò)其接口504接入電極以供電或控制VCSEL芯片506；支撐部件和散熱部件具體為同一個(gè)部件，即基底502，用于放置并承載芯片，并且與芯片連接起到散熱和/或電極連接的作用，常用的材料為銅鍍金、陶瓷等等。該裝置可以方便地與其他控制單元如主板進(jìn)行連接，且可以穩(wěn)定地支撐芯片。

在本實(shí)施例中，為了減小整體的體積，采取的是在電路板503中間增加孔洞的形式，基底502與電路板503膠接，并且覆蓋了孔洞(一般地，孔洞中心與電路板502中間重合)，然后將芯片置于孔洞中且與基底連接。這種設(shè)置的好處在于可以同時(shí)兼顧電路板與芯片之間的連接以及整體厚度的控制。

實(shí)施例2

在本實(shí)施例中的芯片嵌入裝置501，如圖6所示，電路板503為柔性電路板(FPC)，基底502為銅鍍金材料，VCSEL芯片位于孔洞中心，且通過(guò)導(dǎo)電銀漿與基底502連接，基底502與電路板503膠接。在FPC的孔洞周?chē)贾昧艘恍┖副P(pán)505，焊盤(pán)505通過(guò)線路與接口504連接。在圖6中，正極焊盤(pán)通過(guò)金線507與VCSEL芯片頂端電極506連接，負(fù)極焊盤(pán)通過(guò)金線508直接與基底502連接，由于基底與芯片的底部電極通過(guò)導(dǎo)電銀漿相連，因而也就實(shí)現(xiàn)了焊盤(pán)與底部電極的間接連接。另外，由于VCSEL芯片與基底502連接，且基底具有很好的導(dǎo)熱性，因此VCSEL芯片的散熱問(wèn)題也得到了解決。

實(shí)施例3

在本實(shí)施例中，電路板503與基底502之間通過(guò)物理連接，比如螺栓等。若利用膠水連接，優(yōu)點(diǎn)在于不占用空間，操作便捷，但缺點(diǎn)是由于膠水的電阻較大，因而不利于散熱，會(huì)增加功耗。具體的連接方式在此不做限定。

實(shí)施例4

在本實(shí)施例中，電路板503為印制電路板(PCB)與柔性電路板(FPC)的結(jié)合，即軟硬結(jié)合電路板，與FPC相比，PCB硬度高，承載性能較好，但是連接則較為困難。因此，在本實(shí)施例中，采用了二者結(jié)合的方式，即接口所在部位用FPC，而在與基底連接的部位采用軟硬結(jié)合板。在其他實(shí)施例中，電路板503可以全部采用印制電路板(PCB)。

電路板與芯片及基底的連接，更清晰地可見(jiàn)圖7。在圖7中，電路板503通過(guò)金線507和508分別與芯片506以及基底502連接。一般地，電路板的孔洞尺寸應(yīng)大于芯片506的尺寸，一方面便于安裝以及為金線508與基底502的連接留出操作空隙，另一方面進(jìn)一步提高了基底502的散熱性能?？锥吹男螤钜话銥閳A形或方形，在此不做限定。

在其他實(shí)施例中，連接用的金線也可以為其他任何可以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電連接的材料。

實(shí)施例5

在本實(shí)施例中，為了進(jìn)一步地減小體積，可以在基底上為芯片開(kāi)凹槽，如圖8所示,這種方式可以進(jìn)一步減小整體的厚度。需要注意的是，當(dāng)基底本身厚度就較薄時(shí)不建議開(kāi)凹槽，以避免當(dāng)芯片發(fā)熱時(shí)會(huì)導(dǎo)致基底材料的變形。

在其他實(shí)施例中，基底也可以是其他導(dǎo)熱材料，比如陶瓷。此時(shí)，VCSEL芯片與基底僅導(dǎo)熱連接，與電路板的正、負(fù)極導(dǎo)電連接，連接方式可以采取任何其他可以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電連接的方式，在此不做限定。

在其他實(shí)施例中，基底也可以被設(shè)計(jì)成適合散熱的形狀，比如增加扇葉等方式以增加散熱面積等。在與手機(jī)等設(shè)備進(jìn)行集成過(guò)程中也可以將基底與其他散熱材料進(jìn)行連接以提升散熱性能。

本實(shí)用新型提芯片嵌入裝置，通過(guò)在控制部件上開(kāi)設(shè)孔洞，并將芯片嵌入其中，可以充分減小裝置的整體體積，同時(shí)芯片與散熱部件直接接觸連接，散熱部件同時(shí)起到支撐芯片的作用，保證給芯片提供最大限度的散熱。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的芯片嵌入裝置可以實(shí)現(xiàn)小體積、高散熱以及低功耗，從而可以被集成到微型的計(jì)算設(shè)備中。

以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實(shí)施方式對(duì)本實(shí)用新型所作的進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，不能認(rèn)定本實(shí)用新型的具體實(shí)施只局限于這些說(shuō)明。對(duì)于本實(shí)用新型所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本實(shí)用新型構(gòu)思的前提下，還可以做出若干等同替代或明顯變型，而且性能或用途相同，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本實(shí)用新型技術(shù)方案的保護(hù)范圍。