全文解析iPhone 14 Pro的接近传感器

苹果公司在2022年9月的年度发布会上承诺，iPhone 14将配备“重新设计的接近传感器”，可以探测显示屏后面的光线，以节省额外空间。事实上，我们最初的拆解分析显示，苹果决定改变他们对接近传感器的方法。  

iPhone显示屏的正面已经从手机顶部的传统缺口(用于红外(IR)设备中的自拍相机)演变为一个pill或“动态岛(dynamic island)”区域(动态指的是随着岛功能的变化，黑色椭圆形的大小和形状发生变化；图1显示了处于静止状态的island/pill 。这是island的最小尺寸)。

图1：苹果iPhone 14 Pro显示屏正面，活动显示屏下方的接近传感器位置显示。提取的传感器的方向被保留。TechInsights, 2022年。

在图1中，显示了接近传感器相对于island的位置，位于有源显示器下方，IR 投影仪正下方。右侧是提取的接近传感器，显示了一个发射窗口和一个更大的检测窗口。

打开传感器的盖子，可以看到三个主要功能器件以及安装在两个独立基板上的无源元件，如图 2 所示。请注意，覆盖控制 IC 的金属盖已被移除，露出 IC。

图2:iPhone 14 Pro 接近传感器指示发射设备、探测器和控制IC。TechInsights, 2022。

参考图2，光学元件似乎是一个基本的光电二极管探测器和一个边缘安装的激光二极管。激光二极管的边缘安装在一个大的黑色段塞上，大概用作散热器。控制IC有封装标记Y81/529IL/EDQCR，激光二极管有裸片标记Y2/13/32。

图3:存储的控制IC，显示的是Analog Devices芯片，裸片标记为W30A。TechInsights, 2022年。

深入挖掘，控制IC的一个仓库如图3所示。裸片标记为ADI/21/W30A和Analog Devices标志。通过Analog Devices的目录搜索这些封装和裸片标记并不能提供任何进一步的信息。布局表明大型驱动电路与控制数字电路一起出现，可能用于飞行时间测量。在裸片上有36个键合垫(所有线键合)，而控制器包有30个(5 × 6)球键合。

这与之前的iPhone接近传感器有很大不同。TechInsights拆解数据库显示，苹果一直在用意法半导体(STMicroelectronics)的设备制造接近传感器。目前还没有迹象表明iPhone 14的传感器采用的是意法半导体。从表1可以看出，至少从iPhone XS Max开始，这个位置就一直被意法半导体占据着。之前的ST接近传感器使用直接安装在包含单光子雪崩二极管(SPAD)探测器的硅芯片上的GaAs/AlGaAs垂直腔面发射激光器(VCSELs)(参见封装报告PKG-2106-801对这种类型传感器的详细分析)。新的传感器有一个更简单的边缘安装激光二极管和简单的光电探测器。

表1:iPhone世代中的接近传感器。TechInsights, 2022年。

TechInsights对激光二极管进行了进一步的分析，以确定激光器的尺寸和材料。

边缘发射激光二极管垂直安装在一个插头上，以引导光线穿过手机的显示屏。单个金球键连接到与p+阳极接触的金色接触垫。阴极连接在器件的背面。激光二极管测量270 μ m宽，腔长430 μ m。裸片高度为~81µm;这种厚度需要在晶片减薄和棒材切割过程中小心处理。

激光二极管的顶部视图包括大型非电连接衬垫，有助于保护激光脊在晶圆减薄、棒材切割和facet涂层的最后阶段免受处理损伤，以及作为任何机器视觉测试和组装系统的基准。在激光二极管的表面上，可以观察到一些表面涂层的过度喷涂，形成颜色边缘。这种过度喷涂是为了确保小面得到充分的涂层和保护。所述发射边缘的小面涂层被设计为部分发射光，而反射边缘被调整为最大限度的反射光学。沿着裸片切割通道进行裸片隔离，以分离设备。

图4:激光二极管脊的反射边缘，EDS位置指示。TechInsights, 2022年。

激光器的后侧面如图4所示。激光脊宽4.0µm，高2.2µm。乍一看，这似乎是一个法布里-珀罗增益导向脊波导激光结构。这种应用的性能要求不需要复杂的结构来实现窄线宽或高速调制。金属化从小面向后设置，这将有助于保持高产量的棒材切割，因为任何由于金属悬垂的危险都被消除了。通过高产量保持低成本可能是这类组件的重要设计驱动力。

对材料进行SEM-EDS(扫描电子显微镜-能量色散x射线能谱)分析，确认材料体系。结果汇总见表2。p接触金属化分为两个阶段。有一个3微米金层顶部，并从第一金属化堆栈轻微嵌入。我们期望与p++脊盖半导体层接触的典型接触金属堆叠是Ti/Pt/Au，以提供良好的合金欧姆接触，同时保持一个屏障，以防止Au进入半导体层的可靠性危险。

金触点(图4，点1)通过一个蚀刻的p触点连接到p+阳极，通过开口到脊(没有显示，因为这个横截面视图没有通过接触区域)。facet涂层(Spot 2，表面)使用含钽、硅和氧的薄膜来反射激光。山脊本身(点2，大块)含有铟、磷和砷。在山脊的那个位置没有检测到镓，但山脊下面的层确实含有镓。基材(斑点3)是磷化铟。

当苹果将显示缺口区域缩小到pill时，接近传感器被放置在活动显示屏下。如果要让光通过OLED显示屏传输，就需要从905纳米波长转换到更长1xxx纳米。在iPhone 14中，从GaAs VCSEL器件到具有InGaAsP四元活性区域的磷化铟激光器的转变实现了这一点。简单的脊状激光结构使该装置的成本较低。光电二极管探测器也使用磷化铟。

新的iPhone 14近距离传感器引发了许多问题。新设备似乎更简单。成本是主要因素吗?性能优越吗?整个传感器模块是Analog Devices公司生产的吗?使用的是什么波长的光?是否修改了接近传感器上方的显示(例如，降低像素间距)以允许发光和检测?这些问题还需要更进一步的探讨。 

编辑：黄飞