激光雷达的光源模组、激光雷达及制造光源模组的方法与流程

1.本发明大致涉及激光雷达技术领域，尤其涉及一种激光雷达的光源模组，包含该光源模组的激光雷达，以及制造该光源模组的方法。


背景技术：

2.在脉冲激光器中，脉冲宽度主要由激光器驱动回路的寄生电感所限制。目前的激光雷达中，激光器和驱动器芯片并行排列在印制电子线路板(pcb)上，即在pcb的表面上，激光器和驱动器芯片平铺设置，相互之间没有直接的电连接，而是通过激光器连线到pcb的键合点(bonding pad)，驱动器芯片连线到pcb的另一键合点，由pcb引线将两个键合点电连接，从而将激光器的阳极和阴极分别电连接至驱动器芯片上的mosfet和gnd。激光器与驱动器芯片之间包含的多条键合线(bonding wire)和pcb引线，使得驱动回路很长，寄生电感产生途径包括环路电感、互感、过孔，电回路越长，环路电感越大。因而增大了寄生电感，导致激光脉冲加宽。采用gan驱动的激光器，驱动器芯片和激光器之间还连接有gan，电回路进一步加长，电感更大。图1示出了目前的激光雷达中激光器、驱动器芯片、印刷电路板的布置方式。如图1所示，多个激光器102固定在印制电子线路板(pcb)103上，并由印制电子线路板103上的引线104电连接。具体的，多个激光器102和驱动器芯片101平铺(并行排列)在印制电子线路板103上，激光器102连线到印制电子线路板103的键合点(bonding pad)105，驱动器芯片101连线到的另一键合点105，由印制电子线路板103的引线104将两个键合点105电连接，从而将多个激光器102的阳极和阴极分别电连接至驱动器芯片101。驱动器芯片101驱动激光器发光。
3.pcb键合线的电感l1≈1nh/mm，pcb走线的电感l2＝0.002s(2.3lg(2s/w) 0.5)μh(式中s为线长，w为线宽)。可见，现有技术中多个激光器102与驱动器芯片101之间包含的多条键合线106和pcb引线104，使得驱动回路很长，因而增大了寄生电感。对于脉冲半导体激光器，di/dt＝v/l，式中di/dt为驱动电流的上升速率，v为驱动电路工作电压，l为放电回路总电感。驱动电流上升速率越大，激光脉冲上升沿越陡，斜率越大，导通时间越短，相应的脉宽越窄。
4.在激光雷达产品中，由于人眼安全的约束，以及产品总功耗/发热的约束，驱动电路能发出的激光脉冲越窄、峰值功率越高，就会获得越好的测远能力及测距精度。更窄脉宽的激光可以在相同脉冲能量的条件下测距更远，或在相同的测距能力下，使用更少的脉冲能量，易于满足人眼安全的要求。因此，为了减小激光脉冲宽度，必须降低驱动回路电感。
5.当前激光雷达的发展趋势之一是线数越来越高，线性阵列扫描式激光雷达也有这样的趋势。这就意味着激光雷达的收发测量通道数会不断增加，但产品体积并不会有明显的变化，也就是通过不断增加通道密度来增加线数。这对于驱动电路，和发射子系统的集成度提出了挑战。激光器和驱动器芯片并行平铺在pcb上的排布方式所需要的pcb表面面积大，更多通道也就需要更大面积的pcb，发射子系统的体积随之增大，不利于多通道激光雷达的集成。并且，随着收发测量通道数的增加，pcb上的布线更加复杂，寄生元件的影响也进
一步增加。
6.背景技术部分的内容仅仅是公开人所知晓的技术，并不当然代表本领域的现有技术。


技术实现要素：

7.有鉴于现有技术的至少一个缺陷，本发明提供一种可用于激光雷达的光源模组，包括：
8.驱动器芯片；和
9.激光器单元，所述激光器单元堆叠在所述驱动器芯片之上，并且电连接到所述驱动器芯片，从而可由所述驱动器芯片驱动发出激光。
10.根据本发明的一个方面，其中所述驱动器芯片为多通道驱动器芯片，所述激光器单元包括多个激光器构成的阵列。
11.根据本发明的一个方面，其中所述多个激光器共用阴极，所述阴极电连接到所述多通道驱动器芯片的接地端，所述多个激光器的多个阳极分别电连接到所述多通道驱动器芯片的多个键合点。
12.根据本发明的一个方面，所述光源模组还包括多个控制电路，所述多通道驱动器芯片包括控制逻辑单元，所述多个控制电路分别通过开关器件连接到所述多个激光器的多个阳极，所述多通道驱动器芯片的控制逻辑单元电连接至所述多个控制电路，从而通过所述多个控制电路控制所述多个激光器独立发光。
13.根据本发明的一个方面，其中所述电连接包括用键合线焊接。
14.根据本发明的一个方面，所述光源模组还包括：
15.将电连接的光源模组用封装材料封装。
16.根据本发明的一个方面，其中所述电连接包括将激光器单元和驱动器芯片键合面进行绝缘物预键合和金属键合。
17.根据本发明的一个方面，其中所述激光器单元包括垂直腔面发射型激光器、边发射型激光器中的一种或几种。
18.根据本发明的一个方面，其中所述垂直腔面发射型激光器包括单腔vcsel、多腔vcsel中的一种或几种。
19.本发明还提供一种激光雷达，包括如上所述的光源模组。
20.本发明还提供一种制造光源模组的方法，包括：
21.将激光器单元堆叠在驱动器芯片之上；
22.将所述激光器单元电连接至所述驱动器芯片。
23.根据本发明的一个方面，其中所述驱动器芯片为多通道驱动器芯片，所述激光器单元包括多个激光器构成的阵列，所述将激光器单元电连接至驱动器芯片的步骤包括：
24.将所述多个激光器共用阴极，将所述阴极电连接至所述多通道驱动器芯片的接地端；
25.将所述多个激光器的多个阳极分别电连接至所述多通道驱动器芯片的多个键合点。
26.根据本发明的一个方面，其中所述光源模组包括多个控制电路，所述多通道驱动
器芯片包括控制逻辑单元，所述将激光器单元电连接至驱动器芯片的步骤还包括：
27.将所述多个控制电路分别通过开关器件连接至所述多个激光器的多个阳极；
28.将所述多通道驱动器芯片的控制逻辑单元电连接至所述多个控制电路。
29.根据本发明的一个方面，其中所述电连接包括用键合线焊接。
30.根据本发明的一个方面，所述制造方法还包括：
31.将电连接的光源模组用封装材料封装。
32.根据本发明的一个方面，其中所述电连接包括将激光器单元和驱动器芯片键合面进行绝缘物预键合和金属键合。
33.本发明的优选实施例提供了一种将激光器单元和驱动器芯片堆叠组成的光源模组，包括该光源模组的激光雷达，以及制造该光源模组的方法。本发明提供的光源模组不需要从pcb走线即可实现激光器和驱动器芯片的电连接，降低了驱动电路的寄生电感，从而实现发射极窄激光脉冲，提升了激光雷达产品的测远性能和测距精度、减小了分辨率点频，缓解了人眼安全阈值压力。堆叠设计提高了光源模组的集成度，方便自动装调和生产，能更好地适应多通道、各通道可独立寻址的激光雷达的发展趋势。
附图说明
34.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
35.图1示意性地示出了现有技术中激光器和驱动器芯片并行排列在印制电子线路板组成的光源模组；
36.图2示意性地示出了根据本发明的一个优选实施例将激光器单元堆叠在驱动器芯片之上组成的光源模组；
37.图3示意性地示出了根据本发明的一个优选实施例将激光器单元堆叠在驱动器芯片之上组成的光源模组的顶视图；
38.图4示意性地示出了根据本发明的一个优选实施例将激光器单元堆叠在驱动器芯片之上组成的光源模组的内部电路结构；
39.图5示意性地示出了根据本发明的一个优选实施例将激光器单元通过键合线焊接至驱动器芯片的连接方式；
40.图6示意性地示出了根据本发明的一个优选实施例将激光器单元和驱动器芯片键合面进行绝缘物预键合和金属键合的连接方式；
41.图7示意性地示出了根据本发明的一个优选实施例将激光器单元和驱动器芯片键合面进行绝缘物预键合和金属键合的工艺过程；和
42.图8示出了根据本发明的一个优选实施例制造光源模组的方法。
具体实施方式
43.在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。
44.在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽
度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
45.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语"安装"、"相连"、"连接"应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接:可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
46.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之"上"或之"下"可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征"之上"、"上方"和"上面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征"之下"、"下方"和"下面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
47.下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
48.以下结合附图对本发明的实施例进行说明，应当理解，此处所描述的实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
49.在激光雷达的电路系统中，芯片连接印制电子线路板，印制电子线路板(pcb)布线产生的主要寄生元件包括：寄生电阻、寄生电容和寄生电感。例如：pcb的寄生电阻由元件之间的走线形成；电路板上的走线、焊盘和平行走线会产生寄生电容；寄生电感的产生途径包括环路电感、互感和过孔。当将电路原理图转化为实际的pcb时，所有这些寄生元件都可能对电路的有效性产生干扰。
50.根据本发明的一个优选实施例，如图2所示，本发明提供一种可用于激光雷达的光源模组20，包括驱动器芯片21和激光器单元22。激光器单元22堆叠在驱动器芯片21之上，并且电连接到驱动器芯片21，从而可由驱动器芯片21驱动发出激光。
51.图3示出了光源模组20的顶视局部放大图，激光器单元22包括多个阵列排布的激光器，激光器排布方式可以根据光束形状和功率的需要进行设计，图3中只示出了部分激光器。激光器单元22堆叠在驱动器芯片21之上，激光器单元22的键合点222与驱动器芯片21的键合点211电连接，可以通过多种方式实现：例如：(1)激光器单元22通过键合线焊接到驱动器芯片21上(如下文参考图5详细描述的)；(2)激光器单元22和驱动器芯片21通过键合面进
行绝缘物预键合和金属键合的方式实现电连接(如下文参考图6详细描述的)。在第(1)种连接方式下，激光器单元22与驱动器芯片21的键合点211相互错位，从而便于通过键合线焊接在一起，并且激光器单元22中每个激光器的出光面221与激光器单元22的键合点222在同一侧上。在第(2)种连接方式下，激光器单元22例如位于驱动器芯片21的键合点211的上方，二者重合，并且激光器单元22中每个激光器的出光面221与激光器单元22的键合点222在相反一侧上。
52.在图2和图3所示的实施例中，本发明采用将激光器单元22堆叠在驱动器芯片21之上的层叠结构，沿着垂直于驱动器芯片21表面的平面剖切，可见激光产生部分直接安装在控制芯片的上表面，驱动器芯片21的下表面与pcb电连接。因而激光器单元22不与pcb接触，而是直接与驱动器芯片21上表面连接，因此激光器单元22和驱动器芯片21可以直接采用合适的封装工艺电连接，而无需通过pcb(可参考图5和图6)，既减少了pcb走线产生的寄生电感，减小了pcb尺寸，有利于发射子系统的集成和小型化。
53.根据本发明的一个优选实施例，光源模组20包括多通道驱动器芯片21和多个激光器构成的激光器阵列。如图3所示，激光器单元22包括多个激光器子单元，例如图3中所示的激光器子单元22-1、22-2、
…
、22-n，每个激光器子单元可以作为一个发射通道的光源使用，包括多个激光器构成的阵列，即、多腔vcsel。与此相对应的驱动器芯片21同样包括多个控制通道，控制通道的数目可可对应于激光器子单元的数目，从而每个激光器子单元与驱动器芯片21的一个控制通道构成一个发射通道，每个通道可以单独地控制。
54.根据本发明的一个优选实施例，光源模组20包括多通道驱动器芯片21和多个激光器构成的激光器阵列。激光器单元22包括多个激光器，每个激光器可以作为一个发光通道的光源使用，即、单腔vcsel。与此对应的，驱动器芯片21同样包括多个控制通道，控制通道的数目对应于激光器的数目，从而每个激光器与驱动器芯片21的一个控制通道构成一个发射通道。
55.图4示意性地示出了根据本发明的一个优选实施例的光源模组20的内部电路结构。激光器单元22为多个激光器构成的阵列，驱动器芯片21为多通道驱动器芯片，即驱动器芯片21可用于驱动激光器单元22上的多个激光器。激光器子单元22-1、22-2、
…
、22-n分别为多个激光器构成的阵列，激光器子单元中的多个激光器可以同时发光，作为一个光源使用。激光器子单元22-1、22-2、
…
、22-n直接堆叠在多通道驱动器芯片21上，多个激光器共阴极连接在一起，阴极电连接到多通道驱动器芯片21的接地端215，多个激光器的多个阳极分别电连接到多通道驱动器芯片21的多个激光器开关器件214。
56.根据本发明的一个优选实施例，如图4所示，光源模组20还包括多个控制电路212，多通道驱动器芯片21包括还控制逻辑单元213，多个控制电路212分别通过单独的开关器件214连接到多个激光器22-n的阳极205，多通道驱动器芯片21的控制逻辑单元213电连接至多个控制电路212，从而通过多个控制电路212控制多个激光器22-n独立发光。
57.所述激光器可采用边发射型激光器(eel)或者垂直腔面发射型激光器(vcsel)。由于边发射型激光器的通道间距高(常见的通道间距为1mm)，集成度低，而垂直腔面发射型激光器(vcsel)的阵列通道间距可达100至200μm，可以获得较高的集成度，因此，优选地，光源模组20的激光器阵列采用vcsel阵列，例如为单线阵列。
58.控制电路212和开关器件214可以通过半导体工艺而集成在驱动器芯片21上，优选
地，开关器件214为pmos管。
59.如图4所示，根据本发明的一个优选实施例，多个激光器(例如vcsel)组成的阵列直接堆叠在多通道驱动器芯片(driver asic)21上，多个激光器(vcsel)共用阴极，阴极可嵌入多通道驱动器芯片(driver asic)21，电连接到多通道驱动器芯片(driver asic)21上的接地端(gnd)215。每个激光器(vcsel)22-1
……
22-n的阳极分别用引线连接至多通道驱动器芯片(driver asic)21上的键合点211。激光器(vcsel)组成的阵列和多通道驱动器芯片(driver asic)21直接堆叠设计，激光器阵列和驱动器芯片的电连接无需从pcb走线，缩短了激光器阵列和多通道驱动器芯片之间的电回路，降低了寄生电感。
60.当采用pmos管作为开关器件214时，每个通道的激光器的阳极电连接至pmos管214的漏极，pmos管214的基极连接控制电路(ctl)212，每路控制电路212分别连接至多通道驱动器芯片21上的控制逻辑单元213。控制逻辑单元213可控制每个pmos管214独立导通，使每个激光器的通道可独立发光。光源模组20的多个发射通道可以同时发光，也可以不同时发光，每一个通道独立可控。
61.图5示出了根据本发明一个优选实施例的激光器与驱动器芯片的连接结构。如图5所示，光源模组20的激光器单元22通过键合线焊接到驱动器芯片21上。如图所示，将驱动器芯片21贴在封装基板(引线框架，图未示)上，激光器单元22的键合点222通过键合线焊接到驱动器芯片21的键合点211上。之后用封装材料封装形成封装层24，封装层24的厚度在0.02-5mm之间，封装层24环绕驱动器芯片21与激光器单元22组成的整体结构，并在与激光器单元22各激光器相对应的出光位置设置通孔241，其中填充透光材料，作为激光器出射窗，供激光束l出射。透光材料应选择不影响光束出射的材料，如baf2。在这种封装方式下，激光器单元22的出光面与激光器单元22的键合点222在同一侧上，均位于图5中激光器单元22的上表面。封装基板通过bga(球栅阵列)与pcb25电连接。
62.根据本发明的一个优选实施例，如图5所示，将驱动器芯片(driver asic)21用胶水贴在封装基板上，激光器(vcsel)组成的阵列的键合点222用键合线焊接至驱动器芯片(driver asic)21的键合点211上。然后用封装材料封装，获得激光器(vcsel) 驱动器芯片(driver asic)的封装模组。封装层24上与激光器(vcsel)相对应的出光位置设置通孔241，填充透光材料，供激光束出射。封装基板通过bga(球栅阵列)与印制电子线路板25电连接。
63.图6示出了根据本发明另一个优选实施例的激光器与驱动器芯片的连接结构。如图6所示，激光器为背面发光vcsel，即从n型谐振腔(dbr)出光。激光器单元22中各激光器的阳极cu电极和驱动器芯片21的键合点通过混合键合的方式实现电连接。在这种封装方式下，激光器单元22的出光面221在n型dbr表面，激光器单元22的键合点222为激光器阳极cu电极，与vcsel激光器的p型衬底连接。
64.根据本发明的一个优选实施例，如图6所示，光源模组20的多个激光器组成的阵列和驱动器芯片21通过键合面进行绝缘物预键合和金属键合的方式实现电连接，即采用混合键合(hybrid bonding)的方式进行封装。如图7所示，以vcsel激光器与driver asic为例，典型的工艺例如：在铜后道工艺中完成常规的金属互联层工艺，最终停在最上一层铜互联层的化学机械抛光制程(cu cmp)，暴露出铜和介质层，然后通过等离子体表面激活技术将表面介质激活，当vcsel的键合面与driver asic的键合面相互接触时，vcsel和asic的表面介质在常温下就会发生较强的物理键合，接着通过进一步高温退火工艺将cu-cu电极键合
在一起并形成电连接，cu互连线连接asic下层电路，从而获得金属和介质的共同键合。
65.另外，虽然图6中未示出，本领域技术人员容易理解，驱动器芯片21可以直接通过bga与印制电子线路板电连接，此处不再赘述。
66.根据本发明的一个优选实施例，光源模组20中的激光器单元22包括垂直腔面发射型激光器、边发射型激光器中的一种或几种，优选为垂直腔面发射型激光器vcsel。根据本发明的一个优选实施例，激光器单元22包括单腔vcsel、多腔vcsel中的一种或几种。
67.根据本发明的一个优选实施例，本发明还提供一种激光雷达，包括如上所述的光源模组20作为发射单元。当激光雷达需要发射激光束以进行探测时，多通道驱动器芯片21的控制逻辑单元213可以按照一定的时序驱动激光器进行发光。
68.如图8所示，根据本发明的一个优选实施例，本发明还提供一种制造光源模组的方法80，包括：
69.在步骤s81中，将激光器单元堆叠在驱动器芯片之上；
70.在步骤s82中，将激光器单元电连接至驱动器芯片。
71.根据本发明的一个优选实施例，所述驱动器芯片为多通道驱动器芯片，所述激光器单元包括多个激光器构成的阵列，所述将激光器单元电连接至驱动器芯片(步骤s82)包括：
72.在步骤s821中，将多个激光器共用阴极，将阴极电连接至多通道驱动器芯片的接地端；
73.在步骤s822中，将多个激光器的多个阳极分别电连接至多通道驱动器芯片的多个键合点。
74.根据本发明的一个优选实施例，所述光源模组包括与激光器个数相对应的多个控制电路，所述多通道驱动器芯片包括控制逻辑单元，所述将激光器单元电连接至驱动器芯片(步骤s82)还包括：
75.在步骤s823中，将每个激光器分别通过一个开关器件电连接至一个相应的控制电路；
76.在步骤s824中，将每个控制电路分别电连接至多通道驱动器芯片的控制逻辑单元。
77.根据本发明的一个优选实施例，在制造光源模组的方法80中，将激光器单元电连接至所述驱动器芯片(步骤s82)的实现方式包括：
78.(1)激光器单元通过键合线焊接到驱动器芯片上。
79.在这种连接方式下，激光器单元的出光面与激光器单元的键合点在同一侧上。实现电连接后还需将光源模组用封装材料进行封装。
80.(2)激光器单元和驱动器芯片通过键合面进行绝缘物预键合和金属键合的方式实现电连接。
81.在这种连接方式下，激光器单元的出光面与激光器单元的键合点在相反一侧上。
82.本发明的优选实施例提供了一种将激光器单元和驱动器芯片堆叠组成的光源模组，包括该光源模组的激光雷达，以及制造该光源模组的方法。本发明提供的光源模组消除或者减少了从pcb走线的需求，降低了驱动电路的寄生电感，从而实现发射极窄激光脉冲，提升了激光雷达产品的测远性能和测距精度、减小了分辨率点频，缓解了人眼安全阈值压
力。堆叠设计提高了光源模组的集成度，方便自动装调和生产，为生产多通道、各通道可独立寻址的激光雷达提供可能。
83.最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。