【導讀】2017年9月蘋果公司推出十周年紀念版新機型iPhone X，其搭載的3D感測人臉識別成為業界熱捧的智能手機新功能。iPhone X一經推出后，盡管此前多次被曝出銷量不佳，但近期蘋果發布的2018財年第二季度財報消除了市場疑慮，財報顯示共售出5220萬部，高于去年同期水平。
并且由于iPhone X的成功，蘋果預期在2018年將前置3D感測導入iPad及全部新款iPhone產品中。在此趨勢下，全球安卓陣營手機廠商必將加快跟進采用3D感測技術，使得3D感測在未來5年內極可能成為智能手機的標配。
iPhone X采用的3D感測核心元件包括點陣投影器、接近傳感器和泛光照明器等。如圖1所示，iPhone X正面屏幕上方的“劉海”部分，也就是安裝3D感測系統與前置相機的地方，由左往右依次是NIR攝像頭傳感器、接近傳感器&泛光照明器、光譜傳感器、RGB攝像頭以及點陣投影器等。
圖1 iPhone X采用的3D感測元件布局圖
iPhone X紅外點陣投影器通過采用VCSEL（垂直腔面發射激光器）二極管配合主動式衍射光學元件和折疊光學元件得以實現。圖2即展示了這款點陣投影器的封裝結構：其中VCSEL芯片安裝在一塊氮化鋁材質的DPC陶瓷基板上，氮化鋁基板又貼裝于一個HTCC陶瓷基座底部。主動式衍射光學元件的電極和陶瓷基板中的IC通過組件側方的金屬連接器相連。系統工作時，由VCSEL芯片發出紅外光束，經過折疊光學元件引導至主動式衍射光學元件，再由主動式衍射光學元件將光束分成30000個點光束發射而出。這種非常獨特的裝配方案獲得了最優化的熱管理性能，并能為所有的光學元件提供更高的對準精度。
圖2 iPhone X紅外點陣投影器封裝結構圖
蘋果iPhone X泛光照明器和ToF接近傳感器則位于主揚聲器上方，采用光學式LGA封裝，如圖3所示。泛光照明器采用了近紅外VCSEL芯片，亦貼裝于一塊氮化鋁材質的DPC陶瓷基板上，通過發射輔助紅外光，確保系統在暗光甚至黑暗環境中正常運行。ToF接近傳感器則負責探測用戶和手機直接的距離，當用戶離手機太近，例如當用戶在接聽電話時，會自動關閉屏幕。
圖3 iPhone X泛光照明器及接近傳感器封裝結構圖
通過解剖iPhone X 3D感測核心元件，我們發現其2顆大功率VCSEL芯片均封裝在高導熱氮化鋁材質的DPC陶瓷基板上，以實現機械支撐、垂直電連接（絕緣）、高效散熱、輔助發光等功能。
我們認為采用這種獨特的封裝形式是基于以下兩點：其一，3D感測用VCSEL芯片是垂直結構，功率均在1W以上，但光電轉化效率只有大約30%，大部分變成了熱，需要盡快發散出去；其次，VCSEL芯片功率密度很高，需要考慮芯片和基板熱膨脹失配導致的應力問題。因此，實現高效散熱、熱電分離及熱膨脹系數匹配成為VCSEL元件封裝基板選擇的重要考量。
DPC陶瓷基板極大地滿足了VCSEL元件的這種封裝要求。DPC陶瓷基板又稱直接鍍銅陶瓷基板，是一種結合薄膜線路與電鍍制程的技術，在薄膜金屬化的陶瓷板上采用影像轉移方式制作線路，再采用穿孔電鍍技術形成高密度雙面布線間的垂直互連。由于采用了半導體微加工技術，基板線寬可降低為10~30um，表面平整度高（<0.3um），線路對位精準度高（±1%），再配以高絕緣、高導熱的氮化鋁陶瓷基體，因此DPC陶瓷基板具備了高導熱、高絕緣、高線路精準度、高表面平整度及熱膨脹系數與芯片匹配等諸多特性，在高功率VCSEL元件封裝中迅速占據了重要地位。圖4即展示了采用DPC陶瓷基板的VCSEL封裝結構。
圖4 采用DPC陶瓷基板的VCSEL封裝結構示意圖
進一步解剖iPhone X紅外點陣投影器，發現安裝VCSEL芯片的氮化鋁基板與HTCC陶瓷基座是采用有機粘結物進行貼合，如圖5所示。這種采用兩塊不同材質陶瓷元件進行粘合的方式，初衷是方便進行光學對準，但顯然增大了點陣投影器的組裝難度和可靠性（硅膠長期受熱下的老化），筆者認為這恰好驗證了HTCC陶瓷封裝方案帶來的局限性：該方案是權衡了高導熱及低成本要求后的無奈之舉。因為HTCC陶瓷基座如采用氮化鋁材質，則成本極高，且工藝不成熟，如采用氧化鋁材質，則導熱能力又達不到要求，故而選擇了將氮化鋁底板與HTCC基座粘貼在一起的權衡方案。
圖5 采用DPC陶瓷基板貼裝HTCC陶瓷基座的VCSEL封裝圖
此外，大功率VCSEL芯片必會采用共晶工藝，以實現與底部基板的高可靠連接，而采用絲印工藝的HTCC陶瓷基座線路解析度及表面平整度顯然達不到共晶工藝要求。因此，筆者認為，當前iPhone X紅外點陣投影器中VCSEL元件選用的封裝基座方案仍然有很大的改善空間。
鑒于這種潛在的問題，東莞凱昶德電子科技股份有限公司（凱昶德）開發的3D成型DPC陶瓷基板將是一種更優的解決方案。如圖6所示，3D成型DPC陶瓷基板底部材質采用的是高導熱氮化鋁陶瓷，且在陶瓷基板表面一體成型獲得金屬邊框，形成陶瓷-金屬3D密封結構。相比于iPhone X采用的氮化鋁陶瓷與HTCC基座貼裝的方案，其優點在于：
其一，基板底部線路層仍然保留了DPC陶瓷基板特有的高解析度、高平整度及高可靠垂直互聯等技術優勢，適用于垂直共晶焊接，消除了LTCC/HTCC等厚膜基板尺寸精度不高，線路粗糙等缺陷；
其二，基板制作過程中即實現了金屬邊框與陶瓷基板的一體成型，緊密結合，避免了后期組裝過程中額外的粘貼工序、配位精度等問題，以及膠水老化帶來的可靠性問題；
其三，基體材質可以根據封裝需要，在高導熱氮化鋁、高強度氮化硅、高純氧化鋁等不同陶瓷材質中任意選擇，充分實現了熱電分離結構；
其四，制作工藝與現有DPC陶瓷基板方案大致相同，產品開發周期短，一致性好，成本低。
圖6 采用3D成型DPC陶瓷基板的VCSEL封裝示意圖
由此可見，該封裝結構導熱性能好，氣密性高，圖案設計靈活，金屬邊框采用模塊化制造，利于大規模生產，尤其是成本低，新產品開發周期短，為高功率VCSEL器件的高可靠封裝提供了更完善的解決方案。
作為全球手機當之無愧的龍頭，蘋果率先在其智能手機上大規模采用3D感測技術，徹底激活3D感測消費類市場。蘋果大手筆支付3.9億美金給菲尼薩（Finisar）增產VCSEL，DOE光學元件供應商艾邁斯半導體（AMS）2017業績、股票的雙逆襲，歐司朗（Osram）全資收購美國VCSEL制造商Vixar等市場行為證實了全球對3D感測VCSEL市場前景的高度認可。
據悉，除了前置3D感測，蘋果后續機型有望增加后置3D感測技術，這意味著VCSEL 3D傳感器市場需求將成倍增加。由于后置VCSEL 3D傳感器比前端3D傳感器需要更高功率，以便達到更遠投射距離，必將帶來更大的散熱及成本挑戰。長期而言，因應物聯網及云端運算等應用發展趨勢，VCSEL 3D感測市場成長潛力龐大，尤其是應用于AR、汽車夜視、自動駕駛、工業視覺等領域將更趨廣泛。
在此背景下，凱昶德DPC陶瓷基板作為3D感測VCSEL元件高散熱、高可靠、低成本封裝的極佳解決方案，必將受益于3D感測市場爆發帶來的紅利，迎來極佳市場機遇期。此外，凱昶德3D成型DPC陶瓷基板已在中國大陸、臺灣、韓國、日本及歐美等國進行了廣泛的專利布局，為攝像頭模組廠商避開相關專利糾紛，實現3D感測元件高精準度、高性價比，提供了有力保障。
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