解剖iPhone X 3D感测元件，DPC陶瓷基板前途无限
2018-05-08 19:35:48 来源：微迷 评论：0 点击：
iPhone X红外点阵投影器通过采用VCSEL（垂直腔面发射激光器）二极管配合主动式衍射光学元件和折叠光学元件得以实现。图2即展示了这款点阵投影器的封装结构：其中VCSEL芯片安装在一块氮化铝材质的DPC陶瓷基板上，氮化铝基板又贴装于一个HTCC陶瓷基座底部。
东莞市凯昶德电子科技股份有限公司 吴朝晖
2017年9月苹果公司推出十周年纪念版新机型iPhone X，其搭载的3D感测人脸识别成为业界热捧的智能手机新功能。iPhone X一经推出后，尽管此前多次被曝出销量不佳，但近期苹果发布的2018财年第二季度财报消除了市场疑虑，财报显示共售出5220万部，高于去年同期水平。并且由于iPhone X的成功，苹果预期在2018年将前置3D感测导入iPad及全部新款iPhone产品中。在此趋势下，全球安卓阵营手机厂商必将加快跟进采用3D感测技术，使得3D感测在未来5年内极可能成为智能手机的标配。
iPhone X采用的3D感测核心元件包括点阵投影器、接近传感器和泛光照明器等。如图1所示，iPhone X正面屏幕上方的“刘海”部分，也就是安装3D感测系统与前置相机的地方，由左往右依次是NIR摄像头传感器、接近传感器&泛光照明器、光谱传感器、RGB摄像头以及点阵投影器等。
图1 iPhone X采用的3D感测元件布局图
iPhone X红外点阵投影器通过采用VCSEL（垂直腔面发射激光器）二极管配合主动式衍射光学元件和折叠光学元件得以实现。图2即展示了这款点阵投影器的封装结构：其中VCSEL芯片安装在一块氮化铝材质的DPC陶瓷基板上，氮化铝基板又贴装于一个HTCC陶瓷基座底部。主动式衍射光学元件的电极和陶瓷基板中的IC通过组件侧方的金属连接器相连。系统工作时，由VCSEL芯片发出红外光束，经过折叠光学元件引导至主动式衍射光学元件，再由主动式衍射光学元件将光束分成30000个点光束发射而出。这种非常独特的装配方案获得了最优化的热管理性能，并能为所有的光学元件提供更高的对准精度。
图2 iPhone X红外点阵投影器封装结构图
苹果iPhone X泛光照明器和ToF接近传感器则位于主扬声器上方，采用光学式LGA封装，如图3所示。泛光照明器采用了近红外VCSEL芯片，亦贴装于一块氮化铝材质的DPC陶瓷基板上，通过发射辅助红外光，确保系统在暗光甚至黑暗环境中正常运行。ToF接近传感器则负责探测用户和手机直接的距离，当用户离手机太近，例如当用户在接听电话时，会自动关闭屏幕。
图3 iPhone X泛光照明器及接近传感器封装结构图
通过解剖iPhone X 3D感测核心元件，我们发现其2颗大功率VCSEL芯片均封装在高导热氮化铝材质的DPC陶瓷基板上，以实现机械支撑、垂直电连接（绝缘）、高效散热、辅助发光等功能。
我们认为采用这种独特的封装形式是基于以下两点：其一，3D感测用VCSEL芯片是垂直结构，功率均在1W以上，但光电转化效率只有大约30%，大部分变成了热，需要尽快发散出去；其次，VCSEL芯片功率密度很高，需要考虑芯片和基板热膨胀失配导致的应力问题。因此，实现高效散热、热电分离及热膨胀系数匹配成为VCSEL元件封装基板选择的重要考量。
DPC陶瓷基板极大地满足了VCSEL元件的这种封装要求。DPC陶瓷基板又称直接镀铜陶瓷基板，是一种结合薄膜线路与电镀制程的技术，在薄膜金属化的陶瓷板上采用影像转移方式制作线路，再采用穿孔电镀技术形成高密度双面布线间的垂直互连。由于采用了半导体微加工技术，基板线宽可降低为10~30um，表面平整度高（<0.3um），线路对位精准度高（±1%），再配以高绝缘、高导热的氮化铝陶瓷基体，因此DPC陶瓷基板具备了高导热、高绝缘、高线路精准度、高表面平整度及热膨胀系数与芯片匹配等诸多特性，在高功率VCSEL元件封装中迅速占据了重要地位。图4即展示了采用DPC陶瓷基板的VCSEL封装结构。
图4 采用DPC陶瓷基板的VCSEL封装结构示意图
进一步解剖iPhone X红外点阵投影器，发现安装VCSEL芯片的氮化铝基板与HTCC陶瓷基座是采用有机粘结物进行贴合，如图5所示。这种采用两块不同材质陶瓷元件进行粘合的方式，初衷是方便进行光学对准，但显然增大了点阵投影器的组装难度和可靠性（硅胶长期受热下的老化），笔者认为这恰好验证了HTCC陶瓷封装方案带来的局限性：该方案是权衡了高导热及低成本要求后的无奈之举。因为HTCC陶瓷基座如采用氮化铝材质，则成本极高，且工艺不成熟，如采用氧化铝材质，则导热能力又达不到要求，故而选择了将氮化铝底板与HTCC基座粘贴在一起的权衡方案。
图5 采用DPC陶瓷基板贴装HTCC陶瓷基座的VCSEL封装图
此外，大功率VCSEL芯片必会采用共晶工艺，以实现与底部基板的高可靠连接，而采用丝印工艺的HTCC陶瓷基座线路解析度及表面平整度显然达不到共晶工艺要求。因此，笔者认为，当前iPhone X红外点阵投影器中VCSEL元件选用的封装基座方案仍然有很大的改善空间。
鉴于这种潜在的问题，东莞凯昶德电子科技股份有限公司（凯昶德）开发的3D成型DPC陶瓷基板将是一种更优的解决方案。如图6所示，3D成型DPC陶瓷基板底部材质采用的是高导热氮化铝陶瓷，且在陶瓷基板表面一体成型获得金属边框，形成陶瓷-金属3D密封结构。相比于iPhone X采用的氮化铝陶瓷与HTCC基座贴装的方案，其优点在于：
其一，基板底部线路层仍然保留了DPC陶瓷基板特有的高解析度、高平整度及高可靠垂直互联等技术优势，适用于垂直共晶焊接，消除了LTCC/HTCC等厚膜基板尺寸精度不高，线路粗糙等缺陷；
其二，基板制作过程中即实现了金属边框与陶瓷基板的一体成型，紧密结合，避免了后期组装过程中额外的粘贴工序、配位精度等问题，以及胶水老化带来的可靠性问题；
其三，基体材质可以根据封装需要，在高导热氮化铝、高强度氮化硅、高纯氧化铝等不同陶瓷材质中任意选择，充分实现了热电分离结构；
其四，制作工艺与现有DPC陶瓷基板方案大致相同，产品开发周期短，一致性好，成本低。
图6 采用3D成型DPC陶瓷基板的VCSEL封装示意图
由此可见，该封装结构导热性能好，气密性高，图案设计灵活，金属边框采用模块化制造，利于大规模生产，尤其是成本低，新产品开发周期短，为高功率VCSEL器件的高可靠封装提供了更完善的解决方案。
作为全球手机当之无愧的龙头，苹果率先在其智能手机上大规模采用3D感测技术，彻底激活3D感测消费类市场。苹果大手笔支付3.9亿美金给菲尼萨（Finisar）增产VCSEL，DOE光学元件供应商艾迈斯半导体（AMS）2017业绩、股票的双逆袭，欧司朗（Osram）全资收购美国VCSEL制造商Vixar等市场行为证实了全球对3D感测VCSEL市场前景的高度认可。
据悉，除了前置3D感测，苹果后续机型有望增加后置3D感测技术，这意味着VCSEL 3D传感器市场需求将成倍增加。由于后置VCSEL 3D传感器比前端3D传感器需要更高功率，以便达到更远投射距离，必将带来更大的散热及成本挑战。长期而言，因应物联网及云端运算等应用发展趋势，VCSEL 3D感测市场成长潜力庞大，尤其是应用于AR、汽车夜视、自动驾驶、工业视觉等领域将更趋广泛。
在此背景下，凯昶德DPC陶瓷基板作为3D感测VCSEL元件高散热、高可靠、低成本封装的极佳解决方案，必将受益于3D感测市场爆发带来的红利，迎来极佳市场机遇期。此外，凯昶德3D成型DPC陶瓷基板已在中国大陆、台湾、韩国、日本及欧美等国进行了广泛的专利布局，为摄像头模组厂商避开相关专利纠纷，实现3D感测元件高精准度、高性价比，提供了有力保障。
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