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JP2021090052A - モノリシック多焦点光源デバイス - Google Patents

モノリシック多焦点光源デバイス Download PDF

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JP2021090052A
JP2021090052A JP2020193447A JP2020193447A JP2021090052A JP 2021090052 A JP2021090052 A JP 2021090052A JP 2020193447 A JP2020193447 A JP 2020193447A JP 2020193447 A JP2020193447 A JP 2020193447A JP 2021090052 A JP2021090052 A JP 2021090052A
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オガネシアン ベージ
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Abstract

【課題】モバイルデバイス上で使用するための発光デバイスの技術を提供する。【解決手段】光デバイスアセンブリとモノリシックレンズとを含む光源デバイスである。光デバイスアセンブリは、対向する上面および底面、ならびに上面に形成された複数のキャビティを有する第１の基板と、それぞれが複数のキャビティのうちの１つに少なくとも部分的に配置され、それぞれが発光デバイスおよび電気接点を含む複数の光源チップと、それぞれが上面と底面との間に延在し、それぞれが電気接点のうちの１つに電気的に接続されている複数の電極と、を含む。モノリシックレンズは、第１の基板の上面の上に配置され、それぞれが光源チップのうちの１つの上に配置された複数のレンズセグメントを有する単一の基板を含む。【選択図】図１Ｉ

Description

本発明は、モバイルデバイス上で使用するための発光デバイスに関する。
本発明は、超小型光学デバイスおよび超小型光学デバイス用の一体化された光学部品を製造する方法に関する。具体的には、超小型光源デバイスは、携帯電話などの様々な用途で使用されている。しかしながら、超小型光源デバイスの設計および製造は、これらのデバイスに使用される超小型部品の一体化に伴う複雑さが理由で困難である。従来技術の解決策は、コストがかかり、所望のレベルのサイズスケーリングが不可能であり、妥協した性能を示す複雑なマルチレンズ解決策を含む。
本発明は、従来の構造を、より良好な性能を示し、より良好なサイズスケーリングを提供し、製造コストを削減し、現在当技術分野で利用可能なものよりも単純な解決策を提供する新規の構成要素および構成と組み合わせることによってこれらの課題を解決する。
前述の問題点およびニーズは、光デバイスアセンブリおよびモノリシックレンズを含む光源デバイスによって対処される。光デバイスアセンブリは、対向する上面および底面、ならびに上面に形成された複数のキャビティを有する第１の基板と、それぞれが複数のキャビティのうちの１つに少なくとも部分的に配置され、それぞれが発光デバイスおよび電気接点を含む複数の光源チップと、それぞれが上面と底面との間に延在し、それぞれが電気接点のうちの１つに電気的に接続された複数の電極と、を含む。モノリシックレンズは、第１の基板の上面の上に配置され、それぞれが光源チップのうちの１つの上に配置された複数のレンズセグメントを有する単一の基板を含む。
本発明の他の目的および特徴は、本明細書、特許請求の範囲、および添付の図を検討することによって明らかになるであろう。
光デバイスアセンブリを形成するステップを示す側断面図である。 光デバイスアセンブリを形成するステップを示す側断面図である。 光デバイスアセンブリを形成するステップを示す側断面図である。 光デバイスアセンブリを形成するステップを示す側断面図である。 光デバイスアセンブリを形成するステップを示す側断面図である。 光デバイスアセンブリを形成するステップを示す側断面図である。 光デバイスアセンブリを形成するステップを示す側断面図である。 光デバイスアセンブリを形成するステップを示す側断面図である。 光デバイスアセンブリを形成するステップを示す側断面図である。 光デバイスアセンブリの上面図である。 光デバイスアセンブリの底面図である。 レンズアセンブリを形成するステップを示す側断面図である。 レンズアセンブリを形成するステップを示す側断面図である。 レンズアセンブリを形成するステップを示す側断面図である。 レンズアセンブリを形成するステップを示す側断面図である。 レンズアセンブリを形成するステップを示す側断面図である。 レンズアセンブリを形成するステップを示す側断面図である。 レンズアセンブリを形成するステップを示す側断面図である。 レンズアセンブリを形成するステップを示す側断面図である。 レンズアセンブリを形成するステップを示す側断面図である。 レンズアセンブリを形成するステップを示す側断面図である。 レンズアセンブリを形成するステップを示す側断面図である。 レンズアセンブリの側断面図である。 レンズアセンブリの上面図である。 様々なレンズセグメント設計を有するレンズアセンブリの側断面図である。 回折レンズアセンブリを形成するステップを示す側断面図である。 回折レンズアセンブリを形成するステップを示す側断面図である。 回折レンズアセンブリを形成するステップを示す側断面図である。 回折レンズアセンブリを形成するステップを示す側断面図である。 回折レンズアセンブリを形成するステップを示す側断面図である。 回折レンズアセンブリを形成するステップを示す側断面図である。 光源デバイスを形成するステップを示す側断面図である。 光源デバイスを形成するステップを示す側断面図である。 異なる厚さを有する光源チップおよび／またはそれらの接着剤層を示す側断面図である。 光源デバイスの第１の代替実施形態の側断面図である。 光源デバイスの第２の代替実施形態の側断面図である。 光源デバイスの第３の代替実施形態の側断面図である。 光源デバイスの第３の代替実施形態の側断面図である。 第３の代替実施形態についてレンズを形成するステップを示す側断面図である。 第３の代替実施形態についてレンズを形成するステップを示す側断面図である。 第３の代替実施形態についてレンズを形成するステップを示す側断面図である。 第３の代替実施形態についてレンズを形成するステップを示す側断面図である。 第３の代替実施形態についてレンズを形成するステップを示す側断面図である。 光源デバイスの第４の代替実施形態の側断面図である。
本発明は、複数の光源チップ用の複数のレンズセグメントを有するモノリシックレンズが単一のパッケージに共に一体化された光源デバイスである。図１Ａ〜図１Ｉは、複数の光源デバイスが取り付けられた基板を形成するステップを示す。本プロセスは、シリコン基板１０を用意することから始まる。シリコンウエハの薄化は、機械的研削、化学機械研磨（ＣＭＰ）、湿式エッチング、大気圧ダウンストリームプラズマ（ＡＤＰ）、乾式化学エッチング（ＤＣＥ）、または前述のプロセスもしくは任意の他の適切なシリコン薄化方法の組み合わせによって基板１０上で実行することができる。本ステップは、好ましくは、シリコン基板１０の厚さを約５０μｍ〜５００μｍの範囲に減少させる。シリコン基板１０の底面１０ｂには、絶縁層１２が形成されている。絶縁層１２の材料は、二酸化ケイ素（以降「酸化物」）または窒化ケイ素（以降「窒化物」）とすることができる。絶縁層１２の厚さは、０．５μｍよりも大きいのが好ましい。絶縁層１２は、化学気相堆積（ＣＶＤ）、プラズマ化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）、スピンおよびスプレーコーティング、またはそれらの組み合わせによって形成することができる。フォトレジスト１４は、基板１０の上面１０ａに形成され、マスクを使用して選択的に照明され、現像され、それによって、フォトレジスト１４の一部が選択的に除去される。フォトレジストの形成、照明、および選択的除去は、層または構造の一部分を選択的に覆い、他の部分を露出させたままにするためのよく知られたフォトリソグラフィマスキング技術である。得られた構造を図１Ａに示す。
次いで、フォトレジスト１４によって露出されたままの基板１０の部分に対して１つまたは複数のシリコンエッチングが実行され、図１Ｂに示すように、基板１０の上面１０ａに（上面１０ａから基板内に延在するが、基板の底面１０ｂには到達しない）キャビティ１６を形成し、（基板１０を完全に貫通して延在する）孔１８を形成する。キャビティ１６および孔１８は、大気圧ダウンストリームプラズマ（ＡＤＰ）、乾式および湿式化学エッチング、またはエッチングプロセスの任意の他の組み合わせを使用して形成することができる。キャビティ１６および孔１８を形成するための単一のマスキングステップが示されているが、複数のマスキングステップを使用して、キャビティ１６および孔１８を別々に形成することができる。孔１８の壁は、好ましくは、基板１０の上面および底面に垂直であるが、そうである必要はない。フォトレジストを除去した後、絶縁層２０が、基板の上面１０ａと、キャビティ１６および孔１８の表面とを含む、基板１０の露出面上に形成される。絶縁層２０は、酸化物、窒化物、ポリマー、ポリイミド、またはこれらの材料の組み合わせで作ることができる。絶縁層２０の厚さは、好ましくは０．５μｍよりも大きく、化学気相堆積（ＣＶＤ）、プラズマ化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）、スピンおよびスプレーコーティング、またはそれらの組み合わせによって形成することができる。次いで、孔１８は、例えば、Ｃｕ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｎｉ、またはそれらの組み合わせなどの導電性材料２２で充填される。導電性材料２２は、金属スパッタリング、めっき、導電性ペーストの充填、またはそれらの組み合わせによって形成することができる。各孔１８内の導電性材料は、基板１０を完全に貫通して延在する導電性電極２２を形成する。得られた構造を図１Ｃに示す。
接着剤２４の層がキャビティ１６の底面に形成される。次いで、光源チップ２６がキャビティ１６内に配置され、接着剤層２４によって適所に固定される。光源チップ２６は、好ましくは、発光ダイオードＬＥＤなどの発光デバイス２８と、発光デバイス２８に電力を供給するための光源チップ２６の上面の電気接点３０と、を含む発光半導体デバイスである。発光デバイス２８は、光源チップ２６の活性領域と呼ぶこともできる。しかしながら、発光デバイス２８は、垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）などの任意の適切な発光素子とすることができる。絶縁層３２（例えば、好ましくは少なくとも０．５μｍの厚さを有する酸化物、窒化物、ポリマー、ポリイミドなど）が上部基板表面１０ａの上に形成され、フォトリソグラフィマスキングステップを使用してパターニングされ、絶縁層３２の一部が除去されて、図１Ｄ（フォトレジスト除去後）に示すように、電気接点３０および発光デバイス２８ならびに孔１８内の電極２２の上部を露出させる。フォトレジストは、上部基板表面１０ａの上に形成され、フォトリソグラフィマスキングステップを使用してパターニングされ、フォトレジストの一部が除去されて、孔１８内の電極２２の上部を露出させる。図１Ｅ（フォトレジスト除去後）に示すように、導電性材料（例えば、Ｃｕ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｃｒなど）が電極２２の露出した上部に形成されて、導電性ボンドパッド３４を形成する。絶縁層３６（例えば、好ましくは少なくとも０．５μｍの厚さを有する酸化物、窒化物、ポリマー、ポリイミドなど）が底部基板表面１０ｂの上に形成され、フォトリソグラフィマスキングステップを使用してパターニングされ、絶縁層３６の一部が除去されて、孔１８内の電極２２の底部を露出させる。図１Ｆ（フォトレジスト除去後）に示すように、導電性材料（例えば、Ｃｕ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｃｒなど）が電極２２の露出した底部に形成されて、導電性ボンドパッド３５を形成する。ボンドパッド３４および３５の形成は、材料の堆積に続いて、フォトリソグラフィマスキングステップおよびエッチングを使用して堆積材料を選択的に除去することによって実行することができる。
絶縁層３８（例えば、好ましくは少なくとも０．５μｍの厚さを有する酸化物、窒化物、ポリマー、ポリイミドなど）が絶縁層３６上に形成され、次いで、フォトリソグラフィマスキングステップを使用してパターニングされて、ボンドパッド３５およびボンドパッド３５に隣接する絶縁層３６の一部を露出させる。次いで、導電性材料（例えば、Ｃｕ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｃｒなど）が、露出したボンドパッド３５および絶縁層３６の露出した部分上に（例えば、材料堆積および選択的フォトリソグラフィマスキングステップ除去によって）形成されて、図１Ｇ（フォトレジスト除去後）に示すように、再分配リード４０を形成する。絶縁層４２（例えば、好ましくは少なくとも０．５μｍの厚さを有する酸化物、窒化物、ポリマー、ポリイミドなど）が絶縁層３８およびリード４０上に形成され、次いで、フォトリソグラフィマスキングステップを使用してパターニングされて、リード４０の一部を露出させる。図１Ｈ（フォトレジスト除去後）に示すように、はんだボールコネクタ４４がリード４０の露出部分の上に形成される。はんだボールコネクタ４４（一般にボールグリッドアレイＢＧＡとも呼ばれる）は、印刷プロセスまたはボール取り付けプロセスを使用して形成することができ、Ｐｂ、Ｓｎ、ＳｎＣｕ、またははんだ材料の任意の他の組み合わせで形成することができる。はんだボールコネクタ４４は、基板１０を貫いて延在する電極２２のための（ボンドパッド３５およびリード４０を介して）再ルーティングされた接点として機能する。
図１Ｉに示すように、ワイヤ４６が光源の電気接点３０とボンドパッド３４との間に接続される。ワイヤ４６の材料は、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、または任意の他の適切な材料とすることができる。ワイヤ４６は、各光源の電気接点３０から、ワイヤ４６、ボンドパッド３４、電極２２、ボンドパッド３５、リード４０、およびＢＧＡ４４を通る電気経路の一部である。この時点で、構造を個片化（ダイシング）することができ、図１Ｉに示すように、構造は、ダイシングラインＤＬに沿ってダイシングされて、光デバイスアセンブリ４８を形成する。構成要素の基板個片化／ダイシングは、機械的なブレードダイシング装置、レーザ切断、または機械的プロセスとレーザプロセスの任意の他の組み合わせを使用して行うことができる。ダイシングは、結果として得られる光デバイスアセンブリ４８が１つの光源チップ２６のみ、または複数の光源チップ２６を含むように実行することができる。さらに、光デバイスアセンブリ４８上の光源チップ２６の向きは、所望の光出力に応じて変えることができる。例えば、図２は、間隔を開けて三角形の関係で配置された３つの光源チップ２６を含む光デバイスアセンブリ４８の上面図である。光源チップ２６の数および位置は、特定の設計仕様に応じて変えることができる。図３は、図２の光デバイスアセンブリ４８の底面図であり、はんだボールコネクタ４４は、それらが電気的に接続されている電気接点３０よりも均等に間隔を開けた分布で配置されている。
図４Ａ〜図４Ｋは、上述した光デバイスアセンブリ４８用のモノリシック多焦点レンズを形成するステップを示す。本プロセスは、図４Ａに示すように、完成したレンズの所望の形状のパターンと一致するパターンで成形された上面５２ａを有する第１のマスタモールド５２から始まる。マスタモールド５２は、フォトリソグラフィおよびエッチング技法、または機械的ダイヤモンドツールパターニングを使用して形成することができ、これらは両方とも当技術分野で知られている。金属の層５４が、好ましくは、マスタモールド５２の成形された上面５２ａ上に形成される（その後に形成されるポリマーがマスタモールドの上面５２ａに付着するのを防ぐため）。ポリマー５６の層が金属層５４上に形成され、接着剤層５８がポリマー層５６上に形成される。キャリアモールド６０が接着剤５８によってポリマー層５６に取り付けられる。ポリマー層５６は、好ましくは、樹脂、ポリジメチルシロキサン（ＰＭＤＳ）、シクロオレフィンポリマー（ＣＯＰ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、または任意の他の適切な材料で作られている。接着剤層５８は、好ましくは、光学的に透明なまたはＵＶ硬化性の材料で作られている。キャリアモールド６０は、ソフトモールドまたは金属モールドとすることができる。ポリマー層５６は、図４Ｂに示すように、熱硬化または光硬化によってその設計されたパターンに固定することができる。
図４Ｃに示すように、マスタモールド５２および金属層５４が除去され、上部レンズレプリカアセンブリ６２が残される。下部レンズレプリカアセンブリ６４（レンズの所望の底面の表面曲率と一致する表面曲率を有するポリマー層５６を有する）が上部レンズレプリカアセンブリ６２と同じ方法で形成され、図４Ｄに示されている。ポリマー層６６が、上部および下部レンズレプリカアセンブリ６２／６４の一方に吐出され、次いで、これらのアセンブリは、図４Ｅに示すように、スタンパアセンブリ６８に取り付けられ、それによって、これらのアセンブリは、互いに向き合って位置決めされ、位置合わせされる。ポリマー層６６は、ノズルから吐出され、設計された厚さにスピンさせることができる。ポリマー層６６は、好ましくは、樹脂、ポリジメチルシロキサン（ＰＭＤＳ）、シクロオレフィンポリマー（ＣＯＰ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、またはレンズ材料として適切な任意の他の透明材料である。接触アライナ、近接アライナ、走査投影アライナ、または他の適切な位置合わせ方法を使用して、レプリカアセンブリ６２／６４を互いに位置合わせすることができる。次いで、スタンパアセンブリ６８は、図４Ｆに示すように、ポリマー層６６がアセンブリ６２／６４のポリマー層５６の形状に一致する（および硬化される）ように、所望の圧力および所望の温度でレプリカアセンブリ６２／６４を一緒に押圧する。この押圧プロセスは、単一のステップとして、またはレプリカアセンブリ６２／６４のうちの１つに一度に１つずつ別々に圧力を加える複数のステップで実行することができる。次いで、ポリマー層６６は、図４Ｇに示すように、（所望の上側および下側成形面６６ａ／６６ｂを有する単一の基板として）抽出される。図４Ｈの上面図に示すように、複数のレンズ形状を単一のレンズ基板６６内に形成することができ、この単一のレンズ基板６６は、後でダイシング／個片化されて、複数の個別のレンズを形成し、各個別のレンズは、以下でさらに詳細に説明する複数のレンズセグメント８４を含む。
金属層７０がレンズ基板６６の上面および下面６６ａ／６６ｂの両方に形成され、Ｃｕ、Ｔｉ、およびＡｌのうちの１つまたは複数を含むことができる。次いで、上面６６ａ上の金属層７０をパターニング（例えば、フォトリソグラフィマスキングステップおよび金属エッチング）して、下にあるレンズ基板６６の一部を露出させる開孔７０ａを金属層７０に生成する。次いで、フィルタ材料７２の層がレンズ基板６６の露出部分上に形成される。フィルタ材料は、好ましくは、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ１）、Ｎ−ＢＫ７、またはテルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）などの赤外光をフィルタリングする材料であり、これらは、化学気相堆積（ＣＶＤ）、イオンビーム支援堆積、または任意の他の適切な堆積方法によって形成することができる。得られた構造を図４Ｉに示す（フォトリソグラフィマスキングステップに使用されたフォトレジストを除去した後）。次いで、下面６６ｂ上の金属層７０をパターニング（例えば、フォトリソグラフィマスキングステップおよび金属エッチング）して、下にあるレンズ基板６６を露出させる開孔７０ａを生成する。フォトレジストを除去した後、図４Ｊに示すように、反射防止材料（ＡＲコーティング７４）の層が、金属層７０の開孔部分７０ａのレンズ基板６６の露出部分に直接形成されることを含めて、下面６６ａの上に形成される。２つ以上のレンズが同時に形成されている場合、レンズ基板６６は、例えば、図４Ｊのダイシングライン７６上で、所望のサイズおよび形状にダイシング／個片化することができる。次いで、ダイシング／個片化されたレンズ基板６６は、接着剤８０を使用してレンズホルダ７８に取り付けることができる。レンズホルダ７８は、不透明なシリコンなどの不透明材料で作られるのが好ましい。結果として得られた完成したレンズアセンブリ８２を図４Ｋに示す。
図５Ａおよび図５Ｂは、完成したレンズアセンブリ８２の側面図および上面図である。この非限定的な例では、レンズ基板６６は、単一（連続）であり、３つのレンズセグメント８４を有する。しかしながら、レンズアセンブリ８２内のレンズセグメント８４の数は、変えることができる。レンズアセンブリ８２内のすべてのレンズセグメント８４は、同じ焦点特性（すなわち、焦点距離、光学的集束／分散特性など）を有するように示されている。しかしながら、同じレンズアセンブリ８２内のレンズセグメント間の焦点特性は、変えることができる。例えば、図６は、レンズセグメント８４の形状、したがって焦点特性が互いに異なるレンズ基板６６を示す。各レンズセグメント８４の開孔７０ａは、光がレンズセグメントを通過することを可能にする。
図７Ａ〜図７Ｆは、上述したモノリシック多焦点レンズ８２および多光源デバイス基板１０のためのマイクロレンズアレイを形成するステップを示す。本プロセスは、ガラスなどの透明材料で作られた基板９０から始まる。基板は、機械的研削、化学機械研磨（ＣＭＰ）、湿式エッチング、大気圧ダウンストリームプラズマ（ＡＤＰ）、乾式化学エッチング（ＤＣＥ）、またはそれらの組み合わせによって薄化することができる。パターニングされたポリマー９２の層が基板９０の上面に形成される。例えば、ポリマー層９２は、フォトリソグラフィマスキングプロセスを使用してフォトレジストを形成およびパターニングし、フォトレジストによって露出されたままの基板９０の部分にポリマーを形成／硬化することによって形成することができる。得られた構造を図７Ａに示す（フォトレジスト除去後）。リソグラフィ／ポリマープロセスが繰り返されて、図７Ｂに示すように（フォトレジスト除去後）、ポリマー層９２上に第２のパターニングされたポリマー９４の層が形成される。このプロセスは、図７Ｃに示すように、所望の形状（例えば、回折パターン）のポリマーの所望のマイクロレンズ９６が基板９０上に形成されるまで、再び何度も繰り返される。
フォトリソグラフィマスキングプロセスを実行して、マイクロレンズ９６をフォトレジストで覆うが、隣接する基板９０の領域は露出したままにする。金属層９８が基板９０の露出部分上に形成される。フォトレジストを除去した後、図７Ｄに示すように、光学コーティング１００をマイクロレンズ９６上に堆積させることができる。光学コーティング１００は、好ましくは、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ１）、Ｎ−ＢＫ７、テルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）、または任意の他の適切なＩＲフィルタリング材料などの赤外光をフィルタリングする材料である。金属層１０２が基板９０の底面に形成され、金属層１０２がマイクロレンズ９６の下に開孔１０２ａを含むように、フォトリソグラフィマスキングプロセスおよび金属エッチングを使用してパターニングされる。図７Ｅに示すように、任意選択の反射防止コーティング１０４を開孔１０２ａの基板９０の底面に形成することができる。コーティング１０４の材料は、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ１）、または任意の他の適切な反射防止コーティング材料とすることができる。この時点で、図７Ｅの複数の構造が共通の基板９０上に形成される。基板９０は、この時点でダイシングラインＤＬに沿って個片化（ダイシング）されるのが好ましい。図７Ｆに示すように、透明基板１０６が接着剤１０８によって、金属層９８およびマイクロレンズ９６の上に取り付けられる。基板１０６は、プラスチック、ガラス、または任意の他の適切な透明材料とすることができる。マイクロレンズ９６に面する基板１０６の表面は、任意選択の反射防止コーティング１１０を含むことができ、基板１０６の反対側の表面は、任意選択の赤外線フィルタコーティング１１２を含むことができる。基板１０６は、好ましくは、基板１０６がマイクロレンズ９６と干渉しないように、キャビティ１１４を含む。最終的な回折レンズアセンブリ１１６を図７Ｆに示す。
図８Ａに示すように、スペーサ１２０が接着剤１２４を使用して基板１０に取り付けられる。スペーサ１２０は、好ましくは、光を透過せず、低い熱膨張係数（ＣＴＥ）または基板１０のＣＴＥと一致するＣＴＥを有する剛性材料で作られている。スペーサ１２０は、不透明なシリコンまたはガラスであるのが好ましい。しかしながら、スペーサ１２０は、金属で形成することもできる。スペーサ１２０は、フォトリソグラフィマスキングおよびエッチングプロセスを使用して、シリコン基板を貫通する正方形または他の形状の開孔をエッチングすることによって形成することができる。任意選択の光反射コーティング１２２をスペーサ１２０の内部側壁に形成することができる。前述したレンズアセンブリ８２は、各レンズセグメント８４が光源チップ２６のうちの１つの上に配置されて、そこからの光を集束するように、スペーサ１２０上に取り付けられる。第２のスペーサ１２０がレンズアセンブリ８２に取り付けられる。回折レンズアセンブリ１１６が第２のスペーサ１２０に取り付けられる。最終的な光源デバイス１２６を図８Ｂに示す。
光源デバイス１２６は、光源およびそれらのそれぞれの光学要素を独自のやり方で一体化し、多くの利点を提供する。デバイス１２６は、とりわけ、光源チップ２６、レンズセグメント８４、およびマイクロレンズ９６を保護する、コンパクトで密閉されたエンクロージャアセンブリを提供する。光源デバイス１２６は、モノリシックレンズを利用し、その構成要素を非常に正確なやり方で薄いパッケージに一体化し、しかもコストを削減する。光源チップ２６への電気的接続は、基板１０を貫いてその底面にルーティングされ、そこではんだボールコネクタ４４に再ルーティングされる。各レンズセグメント８４は、光源チップ２６のうちの１つの上に配置され、かつ正確に位置合わせされる。キャビティ１６は、ｘおよびｙ（横方向）方向とｚ（深さ）方向の両方で光源チップ２６の高精度の位置決めを提供する。各光源チップ２６とそのレンズセグメント８４との間の光焦点距離は、所望の光出力を生成するために（例えば、スペーサ１２０によって）正確に制御することができ、変えることができる。例えば、光源チップ２６の厚さおよび／または接着剤２４の厚さを変えることができ、その結果、光源チップ２６とそれらの対応するレンズセグメント８４との間の距離を、同じ光源デバイス１２６内で変えることができ、全体として、光源デバイス１２６から所望の全光出力特性を生成する。例えば、２つの光源チップが異なる厚さを有し、下の接着剤２４も同様である図９を参照されたい。代替としてまたは加えて、同じデバイス１２６内のレンズセグメント８４の焦点特性は、所望の光出力を提供するために変えることができる。これは、各光源チップ２６およびそのレンズセグメント８４が、他の光源チップおよびレンズセグメントとは異なる光出力を生成することができ、それによって、合成された光出力が、単一の光源では達成することができない独自に設計された全体的な光出力を生成することができることを意味する。例えば、１つの光源チップ２６およびそのレンズセグメント８４は、デバイス１２６により近い領域の均一な照明を最大化するように構成することができ、一方、１つまたは複数の光源チップ２６およびそれらのレンズセグメント８４は、デバイス１２６からより遠く離れた領域の均一な照明を最大化するように構成することができる。別の例として、異なる光源チップ２６およびレンズセグメント８４は、デバイス１２６に対して異なる空間領域を照明するように構成することができる。
不透明な材料のスペーサ１２０を形成すること、および／または反射コーティング１２２を含むことは、外部からのすべての光を遮断し、デバイス１２６からのすべての光漏れを防ぎ、したがって、光効率を改善する。反射防止コーティングは、光損失を減らし、効率を高める。光学コーティング７２および１００を使用して、赤外光などの、デバイス１２６の光出力から不要な波長を遮断することができる。マイクロレンズ９６の回折光学パターンは、必要に応じて、均一または不均一な光分布のための出力の所望の回折を提供する。マイクロレンズ９６を照明するために、均一なまたは変化する焦点特性を有するレンズセグメント８４を使用する異なる光源チップ２６からの光は、任意の所望の光出力パターンを提供するための多用途性を提供する。基板９０の表面にリソグラフィプロセスを介して光学的に透明なポリマー材料を使用してマイクロレンズ９６を形成することは（基板の表面に回折パターンをエッチングする従来の技法とは対照的に）、コストを削減し、一貫性、信頼性、および所望の性能を達成する能力を向上させる。さらに、回折パターンマイクロレンズアレイの焦点距離およびレンズ直径などのパラメータは、柔軟性があり、ソフトウェアによって直接調整可能である。
光源デバイス１２６は、多くの用途にとって理想的である。例えば、携帯電話のロックを解除するために使用される顔認識は、本発明から大いに恩恵を受けるであろう。１つの課題は、ユーザによって携帯電話の持ち方が異なる場合に、ユーザの顔の詳細をキャプチャするために、携帯電話のカメラの前の３次元空間でユーザの顔をどのように照明するのが最善であるかということである。本発明は、異なる光源チップとレンズセグメントの組み合わせを使用して、その３次元空間の異なる領域を照明する。具体的には、１つの光源チップおよびそのレンズセグメントは、カメラに近い領域を最もよく照らすように構成することができ、別の光源チップおよびそのレンズセグメントは、カメラから遠い領域を最もよく照らすように構成することができる等である。任意の数の光源チップとレンズセグメントの組み合わせを使用して、３次元空間の異なる領域をターゲットにすることができる。別の理想的な用途は、３次元空間の異なる領域が、３次元空間の粒子を光学的に検出することができるように、異なる光源チップとレンズセグメントの組み合わせによって照明される粒子検出であってもよい。他の用途には、２次元もしくは３次元空間の精密かつ正確な照明が必要とされる自動車、家庭、テレビ、または任意の他の用途が含まれてもよい。
複数の別個の光源デバイス１２６を同じ用途デバイス（すなわち、携帯電話、カメラ、自動車、家電製品、テレビなど）に含めることができ、任意の所与の単一の用途デバイス内の様々な光源デバイス１２６は、サイズ、デザイン、および／または機能性の点で同じであるか、または互いに異なってもよい。例えば、可視領域で動作する光源デバイス１２６および非可視スペクトルで動作する光源デバイス１２６を同じ用途デバイスに含めることができる。加えてまたは代替として、単一の光源デバイス１２６に、サイズ、設計、および機能性が異なる光源チップ２６を含めることができる。例えば、単一の光源デバイス１２６に、可視光を生成する第１の光源チップ２６と、不可視光（例えば、ＵＶまたはＩＲ）を生成する第２の光源チップ２６と、を含めることができる。
図１０は、光源チップ２６の電気接点３０が、ワイヤ４６の代わりに導電性トレース１３０によって基板１０の導電性電極２２に電気的に接続されている第１の代替実施形態を示す。導電性トレース１３０は、基板１０上に導電性材料の層を形成およびパターニングすることによって形成することができる。
図１１は、フィルタ層７２およびＡ／Ｒコーティング層７４が最初にレンズ基板６６上に形成され、続いて金属層７０が形成される第２の代替実施形態を示す。次いで、金属層７０にマスキング／エッチングプロセスが施されて、下にあるフィルタ層７２およびＡ／Ｒコーティング層７４を露出させるための開孔７０ａを生成する。次いで、得られた構造は、層７２／７４上に配置された金属層７０を有する。
図１２Ａは、レンズアセンブリ８２がポリマーレンズ基板６６に埋め込まれたガラス基板１３２を含むことを除いて、図１０に示されるものと同じである第３の代替実施形態を示す。図１３Ａ〜図１３Ｅは、ガラス−ポリマーハイブリッドを形成するステップを示しており、図４Ｃ〜図４Ｄの上部および底部のレンズレプリカアセンブリ６２、６４から始まる。図１３Ａに示すように、ガラス基板１３２がキャリア１３４上に配置され、ポリマー６６をガラス基板１３２上に堆積させる。次いで、図１３Ｂに示すように、ポリマー６６の上面がアセンブリ６２のポリマー層５６の形状に一致する（そして硬化される）ように、スタンパアセンブリ１３６がレプリカアセンブリ６２を所望の圧力および温度でポリマー６６上に押し下げる。キャリア１３４およびレプリカアセンブリ６２が除去され、ポリマー６６およびガラス基板１３２のエッジを支持するキャリア１３８と置き換えられる。図１３Ｃに示すように、ポリマー６６をガラス基板１３２の反対側に堆積させる。次いで、図１３Ｄに示すように、ポリマー６６の上面がアセンブリ６４のポリマー層５６の形状に一致する（そして硬化される）ように、スタンパアセンブリ１３６がレプリカアセンブリ６４を所望の圧力および温度でポリマー６６上に押し下げる。次いで、図１３Ｅに示すように、ガラス基板１３２が内部に埋め込まれたポリマー基板６６が（所望の上側および下側成形面６６ａ／６６ｂを有するレンズ基板として）抽出される。ガラス基板１３２は、レンズアセンブリ８２に追加の剛性を提供し、ポリマー層が形成される剛性基板を提供することによって製造をより容易にすることができる。さらに、開孔７０ａを画定する金属層７０を、図１２Ｂに示すように、前述したようなポリマー層６６上ではなく、ガラス基板１３２上に形成することができる。ガラス基板１３２上にも反射防止コーティングを形成することができる。
図１４は、はんだボールコネクタ４４の代わりに導電性ランド１４０が再分配リード４０上に形成されていることを除いて、図８Ｂに示されるものと同じである第４の代替実施形態を示す。導電性ランド１４０は、再分配リード４０上に導電性材料の層として形成される。はんだボールコネクタ４４の代わりに導電性ランド１４０を使用することの利点は、ランド１４０がはんだボールコネクタよりも薄いことである。
本発明は、上記で説明され、本明細書に例示された実施形態に限定されず、任意の請求項の範囲内に入るすべての変形形態を包含することを理解されたい。例えば、本明細書における本発明への言及は、任意の請求項または請求項の用語の範囲を限定することを意図するものではなく、代わりに、請求項のうちの１つまたは複数によってカバーされ得る１つまたは複数の特徴に単に言及しているにすぎない。上述した材料、プロセス、および数値例は、単なる例示であり、特許請求の範囲を限定すると見なされるべきではない。さらに、特許請求の範囲および明細書から明らかなように、すべての方法ステップが、図示または特許請求される正確な順序で実行される必要はなく、むしろ本発明の光源デバイスの適切な形成を可能にする任意の順序で実行される必要がある。材料の単一の層は、そのようなまたは類似の材料の複数の層として形成することができ、逆もまた同様である。最後に、本明細書で使用される「形成する」および「形成された」という用語は、材料の堆積、材料の成長、または開示もしくは請求される材料を提供する際の任意の他の技法を含むものとする。
本明細書で使用されるように、「の上に（ｏｖｅｒ）」および「上に（ｏｎ）」という用語は両方とも、「直接上に」（中間材料、要素またはそれらの間に配置された空間がない）および「間接的に上に」（中間材料、要素またはそれらの間に配置された空間がある）を包括的に含むことに留意されたい。同様に、「隣接する」という用語は、「直接隣接する」（中間材料、要素、または空間が間に配置されていない）および「間接的に隣接する」（中間材料、要素、または空間が間に配置されている）を含み、「取り付けられた」は、「直接取り付けられた」（中間材料、要素、または空間が間に配置されていない）および「間接的に取り付けられた」（中間材料、要素、または空間が間に配置されている）を含み、「電気的に結合された」は、「直接電気的に結合された」（要素を一緒に電気的に接続する中間材料または要素が間にない）および「間接的に電気的に結合された」（要素を一緒に電気的に接続する中間材料または要素が間にある）を含む。例えば、「基板の上」に要素を形成することは、中間材料／要素が間にない状態で基板上に直接要素を形成すること、ならびに１つまたは複数の中間材料／要素が間にある状態で基板上に間接的に要素を形成することを含むことができる。
１０ 基板
１０ａ 上面
１０ｂ 底面
１２ 絶縁層
１４ フォトレジスト
１６ キャビティ
１８ 孔
２０ 絶縁層
２２ 電極
２４ 接着剤
２６ 光源チップ
２８ 発光デバイス
３０ 電気接点
３２ 絶縁層
３４ ボンドパッド
３５ ボンドパッド
３６ 絶縁層
３８ 絶縁層
４０ リード
４２ 絶縁層
４４ はんだボールコネクタ
４６ ワイヤ
４８ 光デバイスアセンブリ
５２ マスタモールド
５２ａ 上面
５４ 金属層
５６ ポリマー層
５８ 接着剤
６０ キャリアモールド
６２ レンズレプリカアセンブリ
６４ レンズレプリカアセンブリ
６６ ポリマー層またはレンズ基板
６６ａ 上面
６６ｂ 下面
６８ スタンパアセンブリ
７０ 金属層
７０ａ 開孔
７２ 光学コーティング
７４ ＡＲコーティング
７６ ダイシングライン
７８ レンズホルダ
８０ 接着剤
８２ レンズアセンブリ
８４ レンズセグメント
９０ 基板
９２ ポリマー
９４ ポリマー
９６ マイクロレンズ
９８ 金属層
１００ 光学コーティング
１０２ 金属層
１０２ａ 開孔
１０４ 反射防止コーティング
１０６ 基板
１０８ 接着剤
１１０ 反射防止コーティング
１１２ 赤外線フィルタコーティング
１１４ キャビティ
１１６ 回折レンズアセンブリ
１２０ スペーサ
１２２ 光反射コーティング
１２４ 接着剤
１２６ 光源デバイス
１３０ 導電性トレース
１３２ ガラス基板
１３４ キャリア
１３６ スタンパアセンブリ
１３８ キャリア
１４０ ランド

Claims (20)

  1. 光デバイスアセンブリ及びモノリシックレンズを備える光源デバイスであって、
    前記光デバイスアセンブリは、
    対向する上面および底面、ならびに前記上面に形成された複数のキャビティを有する第１の基板と、
    それぞれが前記複数のキャビティのうちの１つに少なくとも部分的に配置され、それぞれが発光デバイスおよび電気接点を含む複数の光源チップと、
    それぞれが前記上面と前記底面との間に延在し、それぞれが前記電気接点のうちの１つに電気的に接続されている複数の電極とを含み、
    前記モノリシックレンズは、前記第１の基板の前記上面の上に配置され、
    前記モノリシックレンズは、それぞれが前記光源チップのうちの１つの上に配置された複数のレンズセグメントを有する単一の基板を含む、光源デバイス。
  2. 前記第１の基板が、シリコンで形成されている、請求項１に記載の光源デバイス。
  3. 前記単一の基板が、ポリマーで形成されている、請求項１に記載の光源デバイス。
  4. 前記電極のそれぞれが、ワイヤによって前記電気接点のうちの１つに電気的に接続されている、請求項１に記載の光源デバイス。
  5. 前記電極のそれぞれが、前記上面に形成された導電性トレースによって前記電気接点のうちの１つに電気的に接続されている、請求項１に記載の光源デバイス。
  6. それぞれが前記底面の上に配置され、前記電極のうちの１つに電気的に接続されている複数のはんだボールコネクタ
    をさらに備える、請求項１に記載の光源デバイス。
  7. それぞれが前記底面の上に配置され、前記電極のうちの１つに電気的に接続されている複数の導電性ランド
    をさらに備える、請求項１に記載の光源デバイス。
  8. 前記単一の基板が、対向する上面および下面を含み、
    前記複数のレンズセグメントの前記上面の少なくとも一部が、赤外光を選択的にフィルタリングする材料の層を含み、
    前記複数のレンズセグメントの前記下面の少なくとも一部が、材料の反射防止層を含む、
    請求項１に記載の光源デバイス。
  9. 前記単一の基板が、対向する上面および下面を含み、前記光源デバイスが、
    前記上面に配置され、それぞれが前記レンズセグメントのうちの１つに配置された開孔を内部に含む第１の金属層と、
    前記下面に配置され、それぞれが前記レンズセグメントのうちの１つに配置された開孔を内部に含む第２の金属層と
    をさらに備える、請求項１に記載の光源デバイス。
  10. 前記単一の基板が、対向する上面および下面を含み、前記光源デバイスが、
    前記上面と前記下面との間の前記単一の基板に配置されたガラス基板
    をさらに備える、請求項１に記載の光源デバイス。
  11. 前記レンズセグメントのうちの１つが、前記レンズセグメントのうちの別の１つとは異なる集光特性を提供するように成形されている、請求項１に記載の光源デバイス。
  12. 前記モノリシックレンズの上に配置された光回折レンズ
    をさらに備える、請求項１に記載の光源デバイス。
  13. 前記光回折レンズが、前記モノリシックレンズを通過する前記発光デバイスからの光を回折するように配置された複数のマイクロレンズを含む、請求項１２に記載の光源デバイス。
  14. 前記光源チップのうちの１つの前記発光デバイスのうちの１つが、前記光源チップのうちの別の１つの前記発光デバイスのうちの別の１つよりもモノリシックレンズの近くに配置されている、請求項１に記載の光源デバイス。
  15. 前記複数のキャビティのそれぞれが、前記キャビティの底面と前記キャビティ内に少なくとも部分的に配置された前記光源チップとの間に配置された接着剤の層を含む、請求項１に記載の光源デバイス。
  16. 前記キャビティのうちの１つの接着剤の前記層が、前記キャビティのうちの別の１つの接着剤の前記層よりも厚い、請求項１５に記載の光源デバイス。
  17. 前記第１の基板と前記モノリシックレンズとの間に配置された剛性材料のスペーサ
    をさらに備える、請求項１に記載の光源デバイス。
  18. 前記スペーサが、反射コーティングを有する側壁を含む、請求項１７に記載の光源デバイス。
  19. 前記光回折レンズと前記モノリシックレンズとの間に配置された剛性材料のスペーサ
    をさらに備える、請求項１２に記載の光源デバイス。
  20. 前記スペーサが、反射コーティングを有する側壁を含む、請求項１９に記載の光源デバイス。
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