DE19933472A1 - Netzwerk zur Signalverarbeitung, insbesondere zur Bilddatenverarbeitung, und Bildaufnahmesystem - Google Patents

Netzwerk zur Signalverarbeitung, insbesondere zur Bilddatenverarbeitung, und Bildaufnahmesystem

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DE19933472A1
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Helmut Riedel
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Airbus Defence and Space GmbH
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DaimlerChrysler AG
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144Devices controlled by radiation
    • H01L27/146Imager structures
    • H01L27/14601Structural or functional details thereof

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Abstract

Eine Vorrichtung mit einem Netzwerk zur Signalverarbeitung bzw. zur Bilddatenverarbeitung umfaßt eine Vielzahl von Chips (1), die jeweils eine Netzstruktur haben und auf einem Trägersubstrat (2) angeordnet sind. Durch eine Vielzahl von elektrischen Verbindungen in dem Trägersubstrat (2) sind die Chips untereinander vernetzt. Das Trägersubstrat (2) ist aus monokristallinem Silizium gefertigt und beinhalt ein Leiterbahnnetz bzw. eine Feinstleiter-Verdrahtung zur Vernetzung der Knoten der Netzstruktur der darüberliegenden Chips, die Bildaufnahmeelemente enthalten.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Netzwerk zur Signalverarbeitung, insbesondere zur Bilddatenverarbeitung, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, sowie ein Bildaufnahmesystem.
Signalverarbeitende Netzwerke werden insbesondere bei der Bilddatenverarbeitung eingesetzt. Dabei werden für die Informationsverarbeitung analoge Schaltungen an jedem Bildpunkt verwendet. Die Patentschrift US 4,786,818 zeigt einen Sensor- und Analogprozessor zur Bilddatenverarbeitung mit einem Netzwerk zur Verarbeitung von Bilddaten, die durch Bildaufnahmeelemente erhalten werden. Jedem Knoten eines Netzes von Analogschaltungen ist ein Pixel oder Bildpunkt zugeordnet.
Obwohl derartige Netzwerke zur Signalverarbeitung und Bilddatenverarbeitung immer größere Verwendung finden, wie beispielsweise in der Konsumgüterelektronik oder anderen technischen Bereichen, in denen vorwiegend Sensordaten verarbeitet werden, sind die bekannten Netzwerke doch mit einigen Nachteilen verbunden. Da an jedem Bildpunkt analoge Schaltungen für die Informationsverarbeitung verwendet werden, benötigen die Analogschaltungen eine erhebliche Fläche auf den hergestellten Siliziumchips. Bei einem Bildaufnahmesystem mit einer großen Anzahl von Bildpunkten führt dies zu sehr großen Chipabmessungen, was mit sehr hohen Kosten verbunden ist und eine wirtschaftliche Massenproduktion bzw. Serienfertigung solcher analoger Netzwerke entgegensteht. Große Felder oder Bildfelder mit einer hohen Anzahl von Bildpunkten bzw. Pixeln können kaum bearbeitet werden. Ebenso ist die Anzahl der Netzknoten beschränkt.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Netzwerk zur Signalverarbeitung, insbesondere zur Bilddatenverarbeitung zu schaffen, das kompakt gestaltet ist, eine hohe Anzahl von Netzknoten ermöglicht, kostengünstig herstellbar ist und zur Bearbeitung großer Felder oder Bildfelder mit einer hohen Anzahl von Signal- bzw. Bildpunkten geeignet ist. Weiterhin soll ein Bildaufnehmer angegeben werden, der diese Anforderungen ebenfalls erfüllt.
Diese Aufgabe wird gelöst durch das Netzwerk zur Signalverarbeitung gemäß Patentanspruch 1 und das Bildaufnahmesystem gemäß Patentanspruch 13. Weitere vorteilhafte Merkmale, Aspekte und Details der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.
Das erfindungsgemäße Netzwerk zur Signalverarbeitung und insbesondere zur Bilddatenverarbeitung umfaßt einen Chip, der eine Netzstruktur mit Schaltungen zur Signalverarbeitung aufweist, wobei eine Vielzahl von Chips mit jeweils einer Netzstruktur auf einem Trägersubstrat angeordnet sind, und wobei die Chips durch eine Vielzahl von elektrischen Verbindungen in dem Trägersubstrat untereinander vernetzt sind. Dadurch können große Signal- oder Bildfelder bearbeitet werden, wobei eine hohe Knotenzahl in der Netzstruktur erreicht wird und eine kostengünstige Herstellung ermöglicht wird.
Vorzugsweise ist das Trägersubstrat eine einkristalline Siliziumschicht mit einem Leiterbahnnetz oder einer Feinstleiter-Verdrahtung. Dies ermöglicht eine einfache Herstellung und gute Leitungseigenschaften.
Bevorzugt sind die Chips über eine Vielzahl von elektrischen Durchkontaktierungen mit den elektrischen Verbindungen des Trägersubstrats verbunden. Auch können die Chips mehrschichtig aus dünnen Chiplagen aufgebaut sein. Vorzugsweise haben die Chips eine Dicke von weniger als 100 µm, bevorzugt weniger als 20 µm, und insbesondere bevorzugt eine Dicke im Bereich von 10 µm oder weniger. Insbesondere können die Chips kachelartig angeordnet sein.
Vorzugsweise umfaßt das Netzwerk photoempfindliche Elemente, die jeweils einem Netzknoten zur Signalverarbeitung zugeordnet sind.
Vorzugsweise sind die Chips auf dem Trägersubstrat zu einem Hypernetz vernetzt, bei dem die Netzknoten eines Chips mit den Netzknoten weiterer Chips verbunden sind. Durch die Gestaltung eines Hypernetzes ergibt sich eine besonders hohe Knotenzahl mit einer schnellen, parallelen Signalverarbeitung.
Insbesondere kann das Netzwerk mit Techniken der vertikalen Systemintegration gefertigt sein. Es kann z. B. als Drei- oder Mehrschichtsystem ausgestaltet sein, bei dem mehrere Bauelementschichten mit Netzstrukturen übereinander bzw. parallel zueinander angeordnet sind, wobei die Netzknoten über mehrere Schichte miteinander verbunden sind. Bevorzugt sind die Netzstrukturen in einer oder mehreren Bauelementschichten angeordnet, die gedünnt ausgebildet sind, während das Trägersubstrat z. B. in der Standarddicke eines Siliziumchips ausgeführt ist.
Vorzugsweise sind in mehreren übereinander liegenden bzw. parallel zueinander liegenden Bauelementschichten Netzstrukturen für unterschiedliche Bildverarbeitungsfunktionen, wie beispielsweise Kontrast-Adaption, Kantenbildung, Schwerpunkt-Findung und/oder Korrekturfunktionen ausgebildet.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Bildaufnahmesystem geschaffen, das Bildaufnahmeelemente und ein erfindungsgemäßes Netzwerk zur Signalverarbeitung umfaßt.
Nachfolgend wird die Erfindung beispielhaft beschrieben, wobei
Fig. 1 eine dreidimensionale Ansicht eines Bauelements mit einem Netzwerk zur Signalverarbeitung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
Das Bauelement gemäß Fig. 1 umfaßt sechs dünne Einzelchips 1, die auf einem Trägersubstrat 2 angeordnet sind. Jedes Chip 1 ist durch eine Vielzahl von elektrischen Verbindungen in Form von Durchkontaktierungen mit einer Verdrahtung des Trägersubstrats 2 verbunden. Die Verdrahtung des Trägersubstrats 2 ist in Feinstleitertechnologie ausgeführt.
Die gleichartigen Chips 1 weisen eine regelmäßige interne Netzstruktur zur Signalverarbeitung auf und bilden ein Netzwerk. Durch die Anordnung der Chips 1 auf dem Trägersubstrat 2 und durch die Vielzahl von elektrischen Verbindungen sind die Chips untereinander zu einem Hypernetz vernetzt, wodurch eine hohe Knotenzahl erreicht wird.
Die elektrischen Durchkontaktierungen verbinden die Knoten der Netzstrukturen der einzelnen Chips mit Hilfe der Verdrahtung des Trägersubstrats 2 untereinander. Die Verdrahtung des Trägersubstrats stellt mit Hilfe einer Vielzahl von Verbindungen zwischen den einzelnen benachbarten Chips eine Erweiterung des Netzwerks ohne Störung der Netzwerkarchitektur sicher. Der Aufbau entspricht einem typischen Multichip-Modul, wobei er jedoch wesentlich mehr Verbindungen zwischen den einzelnen Chips 1 enthält als bei den bekannten Bauelementen. Das hier gezeigte Bauelement bzw. Netzwerk zur Signalverarbeitung ist von daher ein Multichip-Modul mit einem äußerst hohen Vernetzungsgrad.
Das Trägersubstrat 2 ist als einkristalline Siliziumschicht ausgebildet und bildet ein Verdrahtungsmedium für die darauf angeordneten Siliziumchips. Die feinst ausgebildeten Leiterbahnen in dem Trägersubstrat 2 bilden ein Leiterbahnnetz, das mit Hilfe der elektrischen Durchkontaktierungen die sehr dünn ausgebildeten Chips vernetzt. Bei der Herstellung wird hierfür die Technologie der vertikalen Systemintegration verwendet, wie sie z. B. in der Druckschrift DE 44 33 845 A1 beschrieben ist.
In der hier dargestellten bevorzugten Ausführungsform sind die Einzelchips 1 kachelartig auf einer Oberfläche des Trägersubstrats 1 angeordnet. Es sind aber auch andere Anordnungen von Chips auf dem Verdrahtungsmedium zur Erschaffung eines Hypernetzwerkes möglich.
Das System kann auch als Dreischichtsystem oder allgemein als Mehrschichtsystem aufgebaut sein, mit einer Vielzahl von Bauelementschichten, die Verdrahtungen oder Schaltungen zur Signalverarbeitung enthalten. In derartigen Aufbauten sind dann die oberen Schichten gedünnt, während die untere Schicht als Trägersubstrat in der Standarddicke eines Siliziumchips, z. B. im Bereich von ca. 10 µm, ausgebildet ist. In diesem Fall verbinden die elektrischen Durchkontaktierungen die Knoten der Netze über mehrere Bauelementschichten.
Die Chips 1 auf dem Trägersubstrat 2 weisen in der bevorzugten Ausführungsform photoelektrische bzw. photoempfindliche Elemente auf, deren Signale in dem Netzwerk verarbeitet werden. Dabei können mehrere Netzstrukturen übereinanderliegend bzw. parallel zueinander in verschiedenen Bauelementschichten ausgebildet sein, wobei in jeder Netzstruktur eine bestimmte Bildverarbeitungsfunktion wie beispielsweise Kontrast- Adaption, Kantenbildung, Schwerpunkt-Findung und/oder Korrekturfunktionen erfolgen. Mit den photoelektrischen Elementen an der Oberfläche der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung bildet diese ein Bildaufnahmesystem, das ein signalverarbeitendes Netzwerk mit hohem Vernetzungsgrad bzw. hoher Knotenzahl umfaßt.

Claims (12)

1. Vorrichtung mit einem Netzwerk zur Signalverarbeitung, insbesondere zur Bilddatenverarbeitung, bei der ein Chip (1) eine Netzstruktur mit Schaltungen zur Signalverarbeitung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Chips (1) mit jeweils einer Netzstruktur auf einem Trägersubstrat (2) angeordnet sind, wobei die Chips (1) durch eine Vielzahl von elektrischen Verbindungen in dem Trägersubstrat untereinander vernetzt sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägersubstrat eine einkristalline Siliziumschicht mit einem Leiterbahnnetz und/oder einer Feinstleiter- Verdrahtung ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Chips über eine Vielzahl von elektrischen Durchkontaktierungen mit den elektrischen Verbindungen des Trägersubstrats (2) verbunden sind.
4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Chips (1) mehrschichtig aus dünnen Chiplagen aufgebaut sind.
5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Chips von weniger als 100 µm, bevorzugt weniger als 20 µm, und insbesondere bevorzugt im Bereich von ca. 10 µm oder weniger aufweisen.
6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Chips kachelartig angeordnet sind.
7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch photoempfindliche Elemente, die jeweils einem Netzknoten zur Signalverarbeitung zugeordnet sind.
8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Chips (1) auf dem Trägersubstrat (2) zu einem Hypernetz vernetzt sind, bei dem die Netzknoten eines Chips mit dem Netzknoten weiterer Chips verbunden sind.
9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit Techniken der vertikalen Systemintegration gefertigt ist.
10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Drei- oder Mehrschicht-System ausgestaltet ist, bei dem mehrere Bauelementschichten mit Netzstrukturen übereinander angeordnet sind, wobei die Netzknoten über mehrere Schichten miteinander verbunden sind.
11. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Netzstrukturen in eine oder mehreren Bauelementschichten angeordnet sind, die gedünnt ausgebildet sind, und daß das Trägersubstrat in Standarddicke eines Siliziumchips ausgeführt ist.
12. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in mehreren übereinanderliegenden Bauelementschichten Netzstrukturen für unterschiedliche Bildverarbeitungsfunktionen wie beispielsweise Kontrast-Adaption, Kantenbildung, Schwerpunkt-Findung und/oder Korrekturfunktionen ausgebildet sind.
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