3D传感包解决方案

文/ Lee Chiung, Lu Weilung, Adrian Arcedera

3D传感技术正迅速被各种不断增长的市场所采用。终端产品应用包括智能手机、平板电脑、增强/虚拟现实产品、机器人吸尘器、工业检测机和汽车。如图1所示，Yole Développement预计3D成像和传感市场将从2020年的68亿美元扩大到2026年的150亿美元，复合年增长率(CAGR)为14.5%。

图1:来源:3D成像和传感- 2021年技术和市场趋势，Yole Développement, 2021。

如今的移动市场占据了旗舰智能手机中3D传感的主导出货量，以实现身份验证，提高图像质量，并提供深入的测量功能。汽车应用程序使用手势识别传感器方便和安全，通过车内摄像头监控司机的状态。此外，激光雷达还能探测物体并测量距离，以实现陆地偏离预警、车道保持辅助和自动紧急制动安全功能。

3D传感功能类似人眼。光源，如太阳，照亮一个物体并反射全光谱的光。人眼能捕捉到物体的反射光，但只能捕捉到光谱的有限部分。大脑处理接收到的数据，形成物体相对位置的图像。类似地，典型的3D传感器由用于传输(Tx)的光发射器(激光二极管或红外LED)、用于接收(Rx)反射光(光子)的CMOS图像传感器/单光子雪崩二极管(CIS/SPAD)和用于执行复杂算法来破译接收模式并生成场景深度图像的图像处理IC组成。

三维传感主要有三种方法:立体视觉、结构光和飞行时间(ToF)方法。立体视觉使用两个摄像头通过识别两个图像之间的差异来模拟人眼。它需要更高的系统级计算，同时提供更慢的响应时间和更高的功耗。结构光主要是指模式成像。衍射光学元件(DOE)将特定的图案投射到物体上。为了获得高精度，在装配过程中光源之间的对齐是非常关键的。该技术已广泛应用于物体识别和人脸识别。然而，基于软件和硬件集成的复杂性，只有少数供应商有能力提供这种方法。最后，ToF传感器通过检测击中物体并返回传感器的光信号的相移来测量距离。与其他两种3D传感技术相比，ToF相对便宜，响应时间快，功耗低。

对于特定的应用，根据成本、系统复杂性、精度、功耗、检测范围等因素选择不同的3D方法，如图2所示。然而，技术趋势正逐渐从立体视觉和结构光转向ToF。如前所述，这三种技术的设计挑战是不同的，每种技术都需要不同的包装解决方案。

图2:来源:3D成像和传感- 2021年技术和市场趋势，Yole Développement, 2021。

一般来说，光学传感器封装组件需要更精确的对准，使用特定的光学材料，并需要更高的环境清洁度控制以避免颗粒。对于移动和消费者应用程序，还必须解决成本影响、上市时间和小型化问题。

3D传感组件设计有3个主要挑战:

1. 环境或背景照明噪声:环境光(特别是阳光)可能提供不相关的光子。
2. 来自玻璃盖/塑料的光学串扰:设备的玻璃盖/塑料可能会导致光学串扰(噪声)。这使得传感器接收两个目标——一个来自3D物体，另一个来自覆盖玻璃/塑料。
3. 光学性能和元件精度:这是涉及发射和接收一体化设计的关键项目。它还依赖于包装制造商提供异构集成和精确对齐能力的能力。

今天的主流封装解决方案重用了类似于相机模块的结构，这种结构利用了模块库的功能和设备。然而，为了减少和最小化模块尺寸以适应移动电话和其他小型便携式设备，封装级组装集成迟早是必不可少的。凭借他们的经验成套系统(SiP)模组及微机电系统(微机电系统)传感器封装，外包半导体组装和测试(OSAT)供应商将在这种封装级集成中发挥重要作用。

图3显示了3D传感器集成的一个示例。传感器(接收器)可以与垂直腔面发射激光(VCSEL)驱动器集成在一个模具中，另一个独立的VCSEL模具(发射器)连接到同一衬底上。基片的盖子或支架组件为两个模具创建了两个隔离的隔室，以避免串扰。透镜或滤光片可以附着在盖子上，以提供特定波长或所需的光信号模式方面的指定光学特性。

图3:光学传感器集成减少了组件的数量。

当前的光学传感器芯片设计需要定制的包装解决方案，有组装包装和测试的挑战。对于汽车应用来说，严格的可靠性要求增加了选择合适材料、进行工艺评估、优化工艺参数以及完成可靠性验证测试的开发时间。遵循这一概念，包装解决方案的标准化变得可行，以交付产品以实现可接受的上市时间。无论是模制腔或附加一个盖子，以创建一个腔可以支持OSAT的工具箱和能力。图4提供了两种方法的比较。

图4:两种3D包装技术的比较。

模腔包装采用薄膜辅助成型(FAM)技术。结合特定的光学玻璃作为窗口或过滤器和透明模具附着膜(DAF)来附着传感器模具，占地面积小的紧凑封装以其相对较低的成本可以完美地适应消费者和移动应用。另一方面，对于传感器/接收器模具与透镜/滤光片之间需要特定距离的器件，如结构光传感器的DOE，带盖的腔体封装将是首选解决方案。模制解决方案和盖腔解决方案都可以集成接收机和发射机，为特定的客户设计提供更多的灵活性。

结论

目前有许多针对3D传感器的定制包装解决方案。展望未来，遵循MEMS传感器路径的标准化平台将是首选方法。在装配精度、材料选择、成本控制和可靠性方面满足预期的光学性能都是成功的关键。

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Weilung Lu是Amkor Technology的MEMS和传感器产品高级总监。

Adrian Arcedera是Amkor Technology的MEMS和传感器产品高级副总裁。