低電感光源模塊的製作方法

2023-12-09 11:09:21 2

低電感光源模塊的製作方法
【專利摘要】本發明的一個實施例提供了包括連接器以及半導體光源的低電感光源模塊，該連接器具有夾在第一和第二導電層之間的絕緣材料層，該半導體光源安置在延伸通過第一導電層和絕緣層的凹陷中並具有電連接到第一和第二導電層的用於接收電力的第一和第二電接觸。
【專利說明】低電感光源模塊
[0001]背景
[0002]配置用於產生高頻重複的光脈衝串的照明系統被用作頻閃快速攝影燈，用於研究物理學、化學和生物學中的超快過程。這樣的照明系統也被用於提供飛行時間(TOF)相機中的光脈衝，該相機常被稱為TOF三維(3D)相機，提供至其成像的場景中的特徵的距離測量。
[0003]「T0F-3D」相機通過獲取場景的圖像(常規上被稱為「區域圖像」)來確定至該場景中的特徵的距離，該圖像可被處理以確定光從相機行進至這些特徵並返回到相機要多久。從區域圖像確定的光去往特徵並從該特徵返回的往返飛行時間以及光的速度被用來確定至該特徵的距離。
[0004]在一些TOF — 3D相機中，為了獲取適合用於進行處理以確定飛行時間的區域圖像，光源發射一串短時長光脈衝以照亮場景。在光脈衝串中的每個光脈衝的發射之後的預定時延之後，使相機快門打開達一短曝光時段。在該曝光時段期間來自光脈衝的被場景中的特徵反射且抵達相機的光由相機成像在相機的光電傳感器的像素上。由一給定像素記錄的來自串中的所有光脈衝的光的量被用來確定光往返於成像在該給定像素上的一特徵的往返飛行時間，以及從中確定至該特徵的距離。
[0005]由光源發射的光脈衝串中的光脈衝用來對由T0F-3D相機成像的場景進行照明，並且T0F-3D相機的曝光時段可具有如幾納秒那麼短的持續時間以及大於兆赫(MHz)的重複頻率。此外，場景中的特徵從所發射的光脈衝反射的光的量通常是有限的。結果，從成像在某一像素上的特徵可獲得的反射光可能不足以確定到該特徵的具有可接受的信噪比(SNR)的距離。
[0006]通過增大由光源提供的光強度來對限制可用於獲取可接受的測距圖像的光的因子進行補償通常既是技術方面又是成本方面的挑戰。成本考慮以及用於使光源和相機維持在可接受的操作溫度的散熱要求常常限制了由光源提供的照明強度。如上所述，由光源所提供的光脈衝的可能超過一兆赫(MHz)高重複速率所要求的快速開關需求以及系統的電子和光學組件具有小的覆蓋區(footprint)的常見需求一起構成了挑戰。電子組件的覆蓋區在常規上是指電路板上組件佔據的區域的大小。如果電路佔據的體積是要考慮的相關特性，則組件佔據的體積可被理解為組件的覆蓋區。
[0007]概述
[0008]本發明的一個實施例提供光源模塊，該光源模塊包括半導體光源和低電感電連接器，該低電感電連接器機械地支持光源並提供用於將它電連接到電源的導體。電連接器包括夾在第一和第二導電層之間的絕緣材料層。在連接器中形成的凹陷延伸通過第一導電層和絕緣層以暴露第二導電層的一個區域。光源安置在凹陷中使得它與第二導電層的暴露的區域接觸並由短導電引線電連接到第一導電層。導電層相對寬而間隔近，並用作將光源連接到電源的導體。由電源提供的電流在導體中流動以大致相反的方向往返光源。配置用於承載相反方向的電流的間隔近的寬導體向光源提供到電源的低電感連接。
[0009]低電感連接有助於光源對可從向光源供電的電源得到的能量的高效利用，也用於緩和瞬態電壓擺動，該瞬態電壓擺動在光源被用於產生高重複頻的短光脈衝時可伴隨著對光源進行高頻率接通和切斷而發生。寬導體還提供熱傳導通道用於光源運轉所產生熱量的高效消散。
[0010]在本發明的一個實施例中，連接器被配置來容易地連接到印刷電路板(PCB)，使得導體接觸連接到電路的PCB中的導電軌跡，用於給光源供電和/或控制光源。連接器可被格式化成具有有利的小覆蓋區。在本發明的一個實施例中，連接器耦合到包括光學器件的透鏡筒，該透鏡筒配置並導向由光源提供的光，以提供用於照亮所希望的視野的光束。連接器的分層結構便於相對高效和低價地同時生產多個光源模塊。
[0011]提供本概述是為了以簡化的形式介紹將在以下詳細描述中進一步描述的選擇的概念。本概述並不旨在標識所要求保護主題的關鍵特徵或必要特徵，也不旨在用於限制所要求保護主題的範圍。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]以下參考本文所附的在本段後列出的各個附圖來描述本發明的各實施例的非限制性示例。在不止一個附圖中出現的相同的結構、元素或部件通常在它們出現的所有圖中用相同的數字來標記。附圖中所示的組件的尺寸和特徵通常是為了方便和清楚呈現而選擇的，並且不一定按比例顯示。
[0013]圖1A-D示意性地示出了根據本發明各實施例的包括安裝到低電感電連接器的光源的光源模塊；
[0014]圖2示意性地示出了根據本發明一實施例的耦合到透鏡筒的如圖1A所示的光源模塊的剖切示圖；
[0015]圖3示出了根據本發明一實施例的用於驅動類似於圖2中所示的光源模塊的電路的不意圖；以及
[0016]圖4A和4B示意性地示出了根據本發明一實施例的同時生產多個類似圖1A-1DK示的光源模塊的光源模塊的生產過程的各階段。
[0017]詳細描述
[0018]在下面的詳細描述的段落中，參考圖1A和IB討論根據本發明各實施例的光源模塊及其組件，給出了提供各圖中所示的光源模塊的特徵和組件的示例維度的用數字表示的示例。圖1A中所示的光源模塊示意性地示為安裝到圖2中的透鏡筒中，討論透鏡筒的特徵及其與光源模塊的配合。接著參考圖3描述光源的運行和供電。參考圖4描述同時生產多個類似圖1A和IB所示的光源模塊的光源模塊的方法。
[0019]在討論中，除非另行說明，修改本發明的實施例的特徵的條件或關係特性的諸如「基本上」和「大約」的形容詞應被理解為該條件或特性被定義為針對該實施例所意圖的應用在該實施例的操作可接受的容差範圍以內。
[0020]圖1A示意性地示出，包括低電感連接器30的光源模塊20，半導體光源50安裝在低電感連接器上。作為示例，光源50可包括用於以高重複速率提供短光脈衝來用在T0F-3D相機中的雷射器二極體、垂直腔表面發射雷射器(VCSEL)、和/或邊緣發射雷射器。作為示例，在圖1A及後續的圖中，光源50被假定為邊緣發射器二極體雷射器光源。
[0021]連接器30包括被分別夾在第一和第二導體31和33之間的絕緣材料層32，絕緣材料諸如陶瓷、玻璃、合適的聚合物，或諸如印刷電路板的化合物材料。導體31和33可從任何合適的導電材料形成，並且可選地由一片金屬或金屬合金(諸如銅，銀，鍍有鎳、鈀、或金的銅)製成。導體被用各種粘接材料(環氧樹脂或粘合劑)的任何一種來粘接到絕緣層32。可選地，連接器30包括兩個絕緣「肩部」35和37，被示為，可選地通過包括粘合劑或環氧樹脂的粘接材料層36，分別粘接到導體31和33。肩部35、導體31和絕緣層32中的材料被移除以形成相對小的「有臺階的」凹陷40，凹陷40暴露區域41，以下稱第一導體31的「接觸」區域41。凹陷延伸到第二導體33來暴露一區域，以下稱第二導體的安裝區域42。
[0022]光源50安置在凹陷40中並用導電的粘合劑或環氧樹脂粘接到第二導體33的安裝區域42，使得光源的陰極(未示出)電連接到第二導體。接合線52把光源的陽極(未示出)電連接到接觸區域41從而電連接到第一導體31。凹陷40的尺寸被做得相對小使得接合線52相對短。可選地，接合線為導電材料的帶狀的、相對平的條。
[0023]包括肩部35和37以下的絕緣層32和導體31和33的夾合的部分44，用作凸形插頭用於插入匹配的插槽以將導體連接到供電和/或控制光源的驅動電路。可選地，匹配的插槽是包括在PCB中的插槽，並且當部分44插入插槽時，導體31和33與PCB上的連接到供電和/或控制光源的驅動電路的電跡線進行電接觸。肩部35和37可用於限制導體31和33插入插槽的深度，並可安置在插槽的邊沿以幫助機械地把連接器穩定在插槽中。由驅動電路提供的用於供電和/或控制光源50的電流「向上」沿著導體31和33之一流入光源50，並離開光源並沿著導體31和33的另一個「向下」流回驅動電路。
[0024]圖1B示意性地示出了光源模塊20的變體120，除了代替光源模塊20中的絕緣層32的絕緣層132，變體120和光源模塊20 —樣。絕緣層132具有邊界區域133，其突出於導體31和33，以提供增強的保護防止在給光源50供電時導體間的電擊穿。
[0025]圖1C示意性地示出了光源模塊20的另一個變體122，除了代替光源模塊20中的絕緣肩部35和37的絕緣肩部135和137，變體122和光源模塊20 —樣。
[0026]圖1C示意性地示出了光源模塊122的變體150，適於使用表面安裝技術(SMT)方便地安裝到PCB。可選地，除了移除了光源模塊122的延伸至肩部135和137以下的部分44，使得層31、32、33分別具有與肩部135和137的底邊沿表面140共面的邊沿表面141、142和143，光源模塊150和光源模塊122 —樣。光源模塊150可容易地通過將該模塊放在PCB的表面使得邊沿表面141和143接觸PCB上的導電板並將邊沿表面粘接到板，而被表面安裝到PCB。
[0027]導體的電感通常隨著導體的長度的減小而線性減小，並且按照導體寬度的倒數的對數。配置有在彼此相反的方向上運送電流的並聯導體的電路的電感隨著導體之間的距離的減小而減小。根據本發明的一個實施例，通過使得導體31和33相對較短、寬且間隔近，並安排導體承載反向的電流，連接器30以相對低的電感來表徵，用於將光源50連接到電源。配置凹陷40使得光源直接電連接到導體33，並通過相對短且寬的接合線52電連接到導體31，進一步有助於減少連接器30的電感。除了向光源50提供電流以外，短和寬的導體31和33還用作散熱片和熱導體用於移除由光源在其運行時產生的熱。
[0028]根據本發明的一個實施例，使用低電感連接器(諸如連接器30)將光源50連接到電源，對於控制光源以高重複速率產生光脈衝是有利的，且通常改善來自電源的對光源可用的能量的使用效率。
[0029]將電源電連接到光源的連接器中的電感有助於限制光源可被多快地打開和關閉，以及作為結果，可使得由光源提供的光脈衝有多短，以及可被多快地重複。用於以高重複速率生成短持續時間光脈衝的快速開關電路中的電感也會有助於在該電路中產生瞬態電壓，這些瞬態電壓可能損壞該電路。並且電感易於生成提供給光源的電壓與電流之間的不期望的相位差，這些相位差降低了電源將能量耦合到光源中的效率。提供用於將光源耦合至電源的低電感連接器有助於緩和潛在的電感的性能限制效應。
[0030]作為數值示例，在本發明的一實施例中，連接器30具有小於或等於大約5mm的高度「H」和小於或等於大約4_的寬度「W」。可選地，H小於或等於大約2.5mm。W可小於或等於大約3_。在本發明的一實施例中,H等於大約3.6mm,而W等於大約2.8_。在另一個實施例中，H等於大約1.8mm,而W等於大約2mm。
[0031]在本發明的一個實施例中，絕緣層32、導體31和33以及絕緣肩部35和36各自具有小於或等於大約0.5mm的厚度。可選地，厚度小於或等於大約0.4mm。在本發明的一個實施例中，厚度小於或等於大約0.3mm。導體31和33可具有大約0.1和大約0.2mm之間的厚度。絕緣層32和絕緣肩部35和37可具有大約0.2_和大約0.3_之間的厚度。可選地，粘接層36可具有小於或等於大約0.2mm的厚度。可選地，粘接層的厚度等於大約0.15_。
[0032]儘管凹陷40被配置來具有適應特定型號的光源50的尺寸，以此尺寸，凹陷40被使用並將光源電連接到導體33的安裝區域42和導體31的接觸區域41，示例性凹陷40在肩部絕緣體35中具有平行於H的高度和平行於W的寬度，分別小於或等於大約Imm和1.5mm。可選地，安裝區域42具有分別小於或等於大約Imm和1.1mm的高度和寬度(分別平行於H和W)。在本發明的一個實施例中，凹陷40在絕緣肩部35中具有分別等於大約0.8mm和1.2mm的高度和寬度，且安裝區域42是正方形且具有等於大約0.8mm的邊長。絕緣肩部35和37可選地具有小於或等於大約1.6mm的高度。
[0033]在本發明的一個實施例中，將光源50連接至導體31的接合線引線52具有小於或等於大約0.75mm的長度。可選地,接合線小於0.5mm。在本發明的一些實施例中，接合線52具有小於或等於大約0.4mm的長度。
[0034]在本發明的一個實施例中，連接器30以小於或等於大約3nH (毫微亨)的電感來表徵。在本發明的一些實施例中，連接器30以小於或等於大約2.5nH的電感來表徵。對於具有分別等於大約2.6mm和4.5mm的高度H和寬度W的導體31和33，連接器30向控制光源50發射光脈衝的電路提供小於或等於大約2.3nH的電感。表徵以上所述的大小的連接器的電感小於導體的常規配置，常規配置通常由等於或大於大約4nH的電感來表徵。
[0035]在本發明的一個實施例中，光源模塊20耦合到從光源50接收並成形光的光學器件，以提供配置用於提供希望的照明圖案的照明系統。作為示例，圖3示意性地示出根據本發明的一個實施例的包括光源模塊20的照明系統200的剖切立體圖。
[0036]照明系統200包括透鏡筒202，可選地，透鏡筒具有安裝到環狀透鏡框架206的準直透鏡204和矩形漫射器208。作為例子，透鏡筒202可以用諸如鋁的金屬或諸如聚苯乙烯或聚苯乙烯生聚物的高衝擊強度塑料製造，並被形成為具有圓形內腔210，在其一端形成壁架211。透鏡框架206安置在壁架211上並可使用本領域中已知的任何不同方法和裝置來維持在位。例如，透鏡框架可選地被按壓適合到內腔210中和/或由合適的粘合劑或或環氧樹脂來粘接到壁架211。漫射器208安置在形成在透鏡筒202的可選的矩形凹陷214的壁架212上，並被可選地按壓適合到凹陷中和/或用粘接材料粘接到壁架。[0037]光源模塊20安置在凹陷220上，凹陷220形成在透鏡筒202中具有匹配於接收並使得光源模塊插入的形狀和深度，使得光源模塊固定在凹陷中並且大致僅凸形插頭44從透鏡筒202伸出。可使用任何不同的方法和裝置將光源模塊固定在凹陷220中，並且可以例如通過按壓適合到凹陷中和/或通過使用環氧樹脂或粘合劑粘接到凹陷的表面來固定。通過將光源模塊的延伸在絕緣肩部35和37以下的插頭44插入合適的插槽，照明系統200可被插入該插槽以接收電力用於給光源50供電。
[0038]在本發明的一個實施例中，準直透鏡204從光源50接收光(所述光示意性地由波狀箭頭51表示)，使光準直並將其導向到漫射器208。來自光源的光51從光源離開並以光錐(未示出)傳播，所述光錐常常不具有圓形橫截面，但是通常展示伸長的大致上橢圓狀的橫截面。漫射器208可選地是矩形,如圖3所不，以適合來自光源的光51的橢圓狀的橫截面。漫射器208和光源模塊20通過凹陷214和220在透鏡筒202中放置並對齊，其中它們分別被持有使得漫射器的長維度與來自光源50的光的橢圓狀橫截面的主軸相平行。漫射器208可選地將它從光源50接收的光配置成金字塔形錐形光束，其外圍示意性地由虛線220表示，其數字也用以指錐形光束，用於照亮所希望的視野(F0V)(未示出)。可選地，錐形光束220被配置用於照亮3D-T0F相機的F0V。
[0039]根據本發明的一個實施例，相對較小的覆蓋區是諸如照明系統200之類的照明系統的特徵。作為數值示例，在本發明的一個實施例中，照明系統200具有小於或等於大約9mm的高度可選地,H.小於或等於大約6_。照明系統的最大寬度W2tltl小於或等於大約6mm。在本發明的一些實施例中，W2tltl等於或小於4_。
[0040]圖3示意性示出了根據本發明的一實施例的耦合至電路300的照明系統200，該電路對照明系統供電並控制照明系統發射以具有脈衝寬度為「Pw」且重複頻率為「 V 」的脈衝為特徵的一串光脈衝302。該脈衝在錐形光束220中從該照明系統傳播開。
[0041]電路300包括電源320，該電源具有接地的第一負端子321以及連接到導體31的第二正端子322。導體33連接到開關326。驅動器328選擇性地控制開關以將導體33接地或使其與地斷開。當開關326將導體33接地時，電流從電源320流過光源50且光源發射光。當開關326將導體33與地斷開時，電流停止流過光源50，且光源停止發射光。開關326是以相對於脈衝寬度Pw而言較短的升降時間為特徵的開關，並且具有與由光源50和導體31和33對電路300貢獻的阻抗和電感相比相對較小的阻抗和電感。
[0042]驅動器328可選地響應於由脈衝串330示意性表示的輸入信號控制開關326重複地接通和切斷，並由此以重複頻率V在具有持續時間Pw的時段內將導體33接地。結果，照明系統200以重複頻率V發射具有基本上等於Pw的脈衝寬度的光脈衝302。在本發明的一實施例中，如通過以下給出的示例，強度1、光脈衝寬度Pw以及發射重複頻率V適於提供供T0F3D相機獲取場景的區域圖像的光脈衝。
[0043]在本發明的一實施例中，Pw小於或等於大約20ns。可選地，Pw小於或等於大約15ns。在本發明的一些實施例中,Pw大約等於5ns。可選地,重複頻率v等於或大於250kHz。在本發明的一些實施例中，V大於或等於大約1MHz。可選地，重複頻率大於或等於大約5MHz。
[0044]作為適用於T0F3D相機的本發明的一實施例的示例，光源50是可選地由OSRAM光學半導體公司(OSRAM Opto Semiconductors Inc.)出售的具有目錄號SPL-PL85-3的邊緣發射雷射器，其提供等於大約850nm (納米)的IR波長的光脈衝。開關326可以是金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)，諸如由Fairchild半導體公司出售的目錄號FDMS8692下的MOSFET。開關FDMS8692具有小於或等於大約ΙΟπιΩ (毫歐)的阻抗、小於或等於大約
0.5ηΗ (毫微亨)的電感。該開關以分別具有小於大約3ns (納秒)的升降時間的開和關(導通和非導通)狀態之間的開關速度為特徵。可選地，開關326被脈衝串330接通或切斷，以控制SPL-PL85-3雷射器產生具有等於大約15ns的脈衝寬度Pw和等於大約0.5MHz的重複頻率V的光脈衝。
[0045]為了用在T0F3D相機中，光脈衝302可具有大約25瓦的峰值功率，並且對於8ns (FffHM)的脈衝寬度和0.5MHz的重複頻率，提供大約90mW (毫瓦)的光功率。假定照明系統200具有等於以上所提及的2.3nH的電感，則電源320向照明系統提供大約300mW的電功率。照明系統將電功率轉換成光功率的效率因此為大約30%。根據本發明的一個實施例，連接器30的配置所導致的電感的進一步減少可大致與減少的量級成線性地提高效率。
[0046]具有等於大約4nH的電感且在相同重複頻率下產生相同光脈衝的常規照明系統通常展示出小於大約27%的將電能轉換成光能的效率。根據本發明的一實施例的導體的配置，諸如由導體30和40展示的，因此提供大約26%到大約33%之間的能量轉換的改進。
[0047]根據本發明的一個實施例，由於它們的設計，多個光源模塊，諸如圖1A和IB所示的光源模塊20和120，可相對高效地同時生產。
[0048]例如，導電和絕緣層可被粘接在一起以形成圖4A中示意性示出的堆疊400，其包括兩個外絕緣層435和437，被絕緣層432分開的兩個導電層431和433夾在外絕緣層435和437之間。堆疊400可接著被處理以從堆疊的第一側形成凹陷40、導體31和絕緣肩部35 (圖1A和1B)的行和列的有次序的陣列，並從堆疊的第二側形成絕緣肩部37 (圖1A和1B)和導體33的行和列的陣列(絕緣肩部35和導體31的陣列的鏡像圖像)。可使用本領域已知的任何不同方法和裝置來形成陣列。例如，陣列可通過光刻處理、化學蝕刻、雷射切削，和/或微機械加工來形成。在陣列形成之後，光源50可使用拾取與放置和接合線連接過程被連接到導體31和33。如圖4B示意性地示出的光源模塊20的結果陣列，形成在絕緣層432上並由絕緣層432連接，並且可以隨後被切塊以分隔光源模塊。
[0049]在本申請的說明書和權利要求書中，動詞「包括」、「包含」和「具有」及其組合中的每一個是用來指示該動詞的一個或多個賓語不一定是該動詞的一個或多個主語的組件、元素、或部分的完整列表。
[0050]在本申請中作為示例提供了對本發明的各實施例的描述，而不旨在限制本發明的範圍。所描述的各實施例包括不同特徵，並非所有這些特徵都是本發明的所有實施例所需的。某些實施例只利用了特徵的某一些或特徵的可能組合。本領域的技術人員會想到所描述的本發明的各實施例的變型以及本發明的各實施例包括在所描述的各實施例中註明的特徵的不同組合。本發明的範圍只由權利要求書來限定。
【權利要求】
1.一種光源模塊，包括: 連接器，所述連接器包括夾在第一和第二導電層之間的絕緣材料層，並在連接器中形成凹陷，所述凹陷延伸通過所述第一導電層和所述絕緣層以暴露所述第二導電層的一個區域；以及 半導體光源，所述半導體光源具有第一和第二電接觸，用於接收激勵光源以發射光的電力； 其中所述光源安置在所述凹陷中，並使得所述第一電接觸電連接到所述第一導電層且使得所述第二電接觸電連接到所述第二導電層的所暴露的區域。
2.如權利要求1所述的光源模塊，其特徵在於，所述第二電接觸是通過導電媒介被直接粘接到所述第二導電層的暴露區域的。
3.如權利要求1或2所述的光源模塊，其特徵在於，所述第一電接觸是沿著所述凹陷的邊沿被連接到所述第一導電層的區域的。
4.如權利要求3所述的光源模塊，其特徵在於，所述第一電接觸是通過至少一個接合線電連接到所述第一導電層的，所述接合線具有小於或等於大約0.5mm的長度。
5.如前面任意一條權利要求所述的光源模塊，其特徵在於，包括第一和第二附加絕緣層，所述第一和第二附加絕緣層將所述各導電層夾在它們之間並分別粘接到所述第一和第二導電層。
6.如前面任意一條權利要求所述的光源模塊，其特徵在於，所述各層具有小於或等於大約0.5mm的厚度。
7.如前面任意一條權利要求所述的光源模塊，其特徵在於，所述連接器基本上在所述光源沿著其發射光的方向上具有小於或等於大約5mm的高度。
8.如前面任意一條權利要求所述的光源模塊，其特徵在於，所述連接器在基本上垂直於所述光源沿著其發射光的方向上具有小於或等於大約3mm的寬度。
9.如前面任意一條權利要求所述的光源模塊，其特徵在於，所述連接器以小於或等於大約3nH (毫微亨)的電感來表徵。
10.一種照明系統,包括: 如前面任意一條權利要求所述的光源模塊； 具有在其中安置所述光源模塊的凹陷的筒； 安置在所述筒中的透鏡，所述透鏡接收來自所述光源模塊的光並對所接收的光進行準直；以及 安置在所述筒中的漫射器，所述漫射器接收來自所述透鏡的經準直的光並漫射所接收的光。
【文檔編號】F21V21/002GK103547851SQ201280022418
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2012年5月3日 優先權日:2011年5月9日
【發明者】D·曼德寶姆, D·科恩, G·葉海弗 申請人:微軟公司