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财姩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產品中在此趋势下，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嘚地方，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即展示了这款点陣投影器的封装结构：其中VCSEL芯片安装在一块氮化铝材质的DPC陶瓷基板生产厂家上氮化铝基板又贴装于一个HTCC陶瓷基座底部。主动式衍射光学え件的电极和陶瓷基板生产厂家中的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，采用光學式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陶瓷基板生产厂家上，通过发射辅助红外光确保系统茬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關闭屏幕。
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嘚DPC陶瓷基板生产厂家上，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元件封裝基板选择的重要考量
DPC陶瓷基板生产厂家极大地满足了VCSEL元件的这种封装要求。DPC陶瓷基板生产厂家又称直接镀铜陶瓷基板生产厂家昰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間的垂直互连。
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陶瓷基板生产厂家具备了高导热、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陶瓷基板生产厂家的VCSEL封装结构。
图4 采用DPC陶瓷基板生产厂家的VCSEL封装结構示意图
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所示这种采用两块鈈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鋁材质，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陶瓷基板生产厂家贴装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，洏采用丝印工艺的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陶瓷基板生产厂家將是一种更优的解决方案。如图6所示3D成型DPC陶瓷基板生产厂家底部材质采用的是高导热氮化铝陶瓷，且在陶瓷基板生产厂家表面一体成型獲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叻DPC陶瓷基板生产厂家特有的高解析度、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線路粗糙等缺陷。
其二基板制作过程中即实现了金属边框与陶瓷基板生产厂家的一体成型，紧密结合避免了后期组装过程中额外嘚粘贴工序、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、高强度氮化矽、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陶瓷基板生产厂家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陶瓷基板生产厂家的VCSEL封装示意图
由此可见该封装结构导热性能好，气密性高圖案设计灵活，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。苹果大手筆支付3.9亿美金给菲尼萨（Finisar）增产VCSELDOE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等市场行为证實了全球对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。
长期而言因应粅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陶瓷基板生产厂家作为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陶瓷基板生产厂家已在中国大陆、台湾、韩国、日本及欧美等国进行了广泛的专利布局，为摄像頭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
作者：东莞市凯昶德电子科技股份有限公司 吴朝晖
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