CN103633552B - 一种贴片式激光器封装结构及其在光电电路中的封装方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种贴片式激光器封装结构，包括半导体激光器管芯和L形热沉；所述L形热沉，包括L形的负极层、L形的绝缘层和L形的正极层，在所述的L形的负极层的内表面设置有L形凹槽，所述的L形的正极层嵌入设置在所述的L形凹槽内，所述L形的负极层和L形的正极层之间设置有L形的绝缘层；所述半导体激光器管芯安装在所述L形的负极层内表面且无L形凹槽的部位。本发明体积小、可靠性高、焊点缺陷率低，且易于实现自动化，提高生产效率，降低成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种贴片式激光器封装结构及其在光电电路中的封装方法，属于半导体激光器的封装技术领域。
背景技术
最近几年来，高功率激光器越来越多地为许多应用而生产，如直接的材料处理、光纤激光和放大器泵浦、自由空间光通讯、印刷和医疗等。这些首要归功于激光器结构设计、半导体材料和可靠的封装技术的发展。特别是，半导体激光器的封装使得激光器件能获得高墙插效率，提高稳定性能并节省使用者的使用成本。关于半导体激光器的封装结构根据半导体激光器的功率大体分为2种：输出功率在1W或1W的半导体激光器多采用TO封装结构，此封装结构适用于大多数半导体激光器使用场合；另一种封装结构是C-mount封装，其优点是高可靠性、高稳定性、高精密机械加工、高热导率材料，且可支持1W-8W大功率半导体激光器，其缺点是没有保护窗口，同时不易定中心。尽管最近几年来封装技术获得了种种进展，但封装、测试及可靠性等依然占据了激光器的大量成本。
针对半导体激光器在现有技术中的应用，对半导体激光器的封装结构也多集中在同轴封装结构，如何将激光器所发出的激光与目标光纤或透镜对齐成为半导体激光器封装时首要考虑的技术问题：
例如中国专利CN102468604公开了一种贴片式固体激光器，所述的贴片式固体激光器，采用平腔结构，以激光器基板作为主承托体，内有相应的凹槽，只需将光学元件调整好位置固定在相应的槽内即可，简化了制造步骤。但该类贴片式固体激光器的体积较大，光学电子元件数量较多，封装工艺复杂、成本较高、光束效果较高，不适于安装在目标光电电路板上作为发散光源使用，因此限制了半导体激光器的应用领域。
传统的半导体激光器的封装结构，以金属封装为主：以金属作为基材，基材的前端粘合以硅化物制成的二次平台，再在二次平台上粘合金属基座，在金属基座上设置有激光晶片，最后以具有窗口的金属盖加以封装。该封装的成本极高，而且在制造过程中，所述基材与接脚的结合处需要以玻璃纤维作为绝缘体，制作成本也极高。为了降低上述半导体激光器的绝缘材料的成本、提高散热效果、增加激光器与光电电路的适配性，中国专利CN2457763公开了一种半导体激光器的封装结构,具有一金属正极导线架,其具有一第一接脚,第一接脚上结合一基座,基座上结合一激光晶片,正极导线架的一侧具有一负极导线架,该负极导线架的后端具有一第二接脚,该负极导线架与正极导线架之间具有一预定间距，且该负极导线架上连接一导线的一端,该导线的另一端则连接至该激光晶片上,正、负极导线架于结合该基座、激光晶片及导线一端的外侧包覆一透明外罩。该封装结构实现了一种激光器平面封装形式，省略掉金属正极和金属负极之间的玻璃体绝缘材料，通过借由金属正极导线架和金属负极导线架之间的预定间距，以达到绝缘的目的；通过多条金属接脚增加散热的途径，但是该专利所述封装结构中增加了半导体激光器芯片的定位，以实现金属正极导线架和金属负极导线架之间产生固定尺寸间隔，此较传统激光器封装增加一道精准度极高的程序，反而不利于该专利的产业化与成本的节约。
为了使同轴半导体激光器能够直接在光电电路板封装使用，中国专利CN1996686公开了一种适用于光电电路板的适配器。根据本发明的适配器用来将一封装引脚输出布局构造适配至一印刷电路板上的所期望的引脚输出布局构造。所述适配器包括一与所述封装引脚输出布局构造电耦合的引脚输入布局构造。所述适配器进一步包括一在几何结构上与所期望的引脚输出布局相同的适配器引脚输出布局构造及一柔性电路，所述柔性电路提供复数个用于将所述引脚输入布局构造与所述适配器引脚输出布局构造相连接的电路径。在各实施例中，所述适配器进一步包括一用于以单一扁平形式将所述适配器引脚输出布局与所述柔性电路固定在一起的壳式包装。该发明实现了在现有光电电路板设计上直接以同轴激光器封装来替换蝶形激光器封装，但由于该发明需单独设计柔性电路，且需经过一系列的复杂壳式包装过程，制造过程繁琐，不易实现产业化。
中国专利CN1874089公开了一种半导体激光器同轴器件的L型支架封装。是利用L型支架对半导体激光器与光纤进行固定连接的同轴封装器件。半导体激光器同轴器件的L型支架封装，包括：管壳，该管壳为一圆形壳体；管座固定在管壳的一端；L支架固定在管壳内的管座的一面；带有半导体激光器的硅热沉固定在管座的一面；管座引脚插置在管座上；用互连金丝连接半导体激光器、背光探测器和管座引脚。该专利通过一L型支架来实现提高耦合效率，封装步骤复杂，该专利所用L型支架是侧视为L形，底面为U形的金属支架，目的使激光器与光纤实现同轴封装，与本发明中所述L型支架构造及目的有本质区别：该专利中的L型支架的作用是为所述激光器和光纤提供同一水平安装平台，确保激光器与所述光纤对齐，但整个封装结构的管脚还是同向输出，并不利于整个激光器安装在光电电路板上，而且散热面较小，散热效果不佳。
目前贴片式封装方式具有体积小、散射角大、发光均匀性好、可靠性高等优点,因此该封装方式多应用于对发光二极管封装，所做出来的产品质量好、一致性好，非常适合大规模生产。发光颜色包括白光在内的各种颜色,因此被广泛应用在各种电子产品上。然而低成本、大规模地利用贴片式封装半导体激光器却鲜有报道。
发明内容
针对以上的技术不足，本发明提供一种贴片式激光器封装结构。
本发明还提供一种上述贴片式激光器在光电电路中的封装方法。
本发明的技术方案如下：
一种贴片式激光器封装结构，包括半导体激光器管芯和L形热沉；所述L形热沉，包括L形的负极层、L形的绝缘层和L形的正极层，在所述的L形的负极层的内表面设置有L形凹槽，所述的L形的正极层嵌入设置在所述的L形凹槽内，所述L形的负极层和L形的正极层之间设置有L形的绝缘层；所述半导体激光器管芯安装在所述L形的负极层内表面且无L形凹槽的部位。
根据本发明优选的，所述L形的负极层的材质为金属、复合金属或单晶硅。所述的复合金属是指两种及以上不同种类的金属用物理方法合成具有多相结构的金属材料或者是两种及以上金属成分按比例调和所形成金属材料。
根据本发明优选的，所述L形的正极层的材质为金属、复合金属或单晶硅。
根据本发明优选的，所述L形的绝缘层的材质为玻璃纤维、陶瓷、氧化铝、氧化锆、二氧化硅、氮化硅、硅脂或绝缘导热胶。
所述的硅脂为DX-9041导热硅脂，俗名又叫散热膏,是以特种硅油做基础油,新型金属氧化物做填料,配以多种功能添加剂,经特定的工艺加工而成的膏状物。颜色因材料不同而具有不同的外观。其具有良好的导热、耐温、绝缘性能，是耐热器件理想的介质材料，而且性能稳定，在使用中不会产生腐蚀气体，不会对所接触的金属产生影响。
所述绝缘导热胶是一类单组份室温硫化的硅酮胶粘剂，具有使用方便、粘接强度高、固化后呈弹性体、抗冲击、震动等特点，同时固化物还具有良好的导热、散热功能及优异的耐高低温性能和电气性能。
一种上述贴片式激光器的在光电电路中的封装方法，包括步骤如下：
（1）将L形热沉的L形负极层的水平面利用印刷电路板粘合剂封装在光电电路板的负极上；
（2）在激光器芯片的P电极上进行金丝键合至L形正极层的垂直面；
（3）在L形正极层的水平面进行金丝键合，将金丝键合至光电电路板的正极上，完成所述贴片式半导体激光器在光电电路中的封装应用。
本发明的优势在于：
（1）本发明所述贴片式半导体激光器的原料成本低廉、封装成本大大降低，无需精密的电路封装要求即可实现半导体激光器在光电电路板中的封装，易于工厂化批量生产。
（2）利用本发明所述的激光器封装结构，所述激光器的散热效率增加了20%以上，大大延长了半导体激光器作为电路原件使用时的寿命：使用寿命增加了15%左右。
（3）本发明利于将边缘发光式激光器应用于光电电路中获得较大散光角，将激光器的应用拓宽至照明、采光等技术领域。
（4）本发明中所述的贴片式半导体激光器整体呈L形，且所述L形热沉采用2层相互绝缘的重叠极片，打破常规理念，将激光器热沉的散热面做到最大化，正极层和负极层均具有散热功能，有效避免了激光器因为散热不佳而产生的损坏率。
（5）本发明所述激光器呈稳定的直角L形结构，增加了贴片式激光器的封装稳定性。
（6）本发明中单个半导体激光器采用金属键合数量最少，大大提高激光器的使用稳定性，减少用户的使用成本。
（7）本发明正极层和负极层采用嵌入式绝缘安装，使本发明的绝缘性能最优。
附图说明
图1是本发明所述L形热沉的结构示意图；
图2是本发明所述贴片式半导体激光器封装后的结构示意图。
在图1-2中，1、L形的负极层；1-1、L形负极层的垂直面；1-2、L形负极层的水平面；2、L形绝缘层；3、L形的正极层；3-1、L形正极层的垂直面；3-2、L形正极层的水平面；4、激光器芯片P电极与L形正极层的垂直面之间的键合金丝；5、L形正极层的水平面与光电电路的正极之间的键合金丝；6、半导体激光器管芯；6-1、半导体激光器管芯的P电极。
具体实施方式
下面结合具体的实施例和说明书附图对本发明做详细的说明，但不限于此。
实施例1、
一种贴片式激光器封装结构，包括半导体激光器管芯6和L形热沉；所述L形热沉，包括L形的负极层1、L形的绝缘层2和L形的正极层3，在所述的L形的负极层1的内表面设置有L形凹槽，所述的L形的正极层3嵌入设置在所述的L形凹槽内，所述L形的负极层1和L形的正极层3之间设置有L形的绝缘层2；所述半导体激光器管芯6安装在所述L形的负极层1内表面且无L形凹槽的部位。
所述L形的负极层的材质为铜。
所述L形的正极层的材质为铜。
所述L形的绝缘层的材质为玻璃纤维。
实施例2、
如实施例1所述的一种贴片式激光器封装结构，其区别在于，所述L形的负极层1的材质为单晶硅。所述L形的正极层3的材质为单晶硅。
所述L形的绝缘层2的材质为硅脂。所述的硅脂为DX-9041导热硅脂，俗名又叫散热膏，其具有良好的导热、耐温、绝缘性能，是耐热器件理想的介质材料，而且性能稳定，在使用中不会产生腐蚀气体，不会对所接触的金属产生影响。
实施例3、
如实施例1所述的一种贴片式激光器封装结构，其区别在于，所述L形的绝缘层的材质为绝缘导热胶，所述绝缘导热胶是一类单组份室温硫化的硅酮胶粘剂，具有使用方便、粘接强度高、固化后呈弹性体、抗冲击、震动等特点，同时固化物还具有良好的导热、散热功能及优异的耐高低温性能和电气性能。
实施例4、
一种如实施例1所述贴片式激光器的在光电电路中的封装方法，包括步骤如下：
（1）将L形热沉的L形负极层的水平面1-2利用印刷电路板粘合剂封装在光电电路板的负极上；
（2）在激光器芯片的P电极6-1上进行金丝4键合至L形正极层的垂直面3-1；
（3）在L形正极层的水平面3-2进行金丝键合，将金丝5键合至光电电路板的正极上，完成所述贴片式半导体激光器在光电电路中的封装应用。
Claims (3)
1.一种贴片式激光器封装结构，其特征在于，该封装结构包括半导体激光器管芯和L形热沉；所述L形热沉，包括L形的负极层、L形的绝缘层和L形的正极层，在所述的L形的负极层的内表面设置有L形凹槽，所述的L形的正极层嵌入设置在所述的L形凹槽内，所述L形的负极层和L形的正极层之间设置有L形的绝缘层；所述半导体激光器管芯安装在所述L形的负极层内表面且无L形凹槽的部位；
所述L形的负极层的材质为金属、复合金属或单晶硅；所述L形的正极层的材质为金属、复合金属或单晶硅。
2.根据权利要求1所述的一种贴片式激光器封装结构，其特征在于，所述L形的绝缘层的材质为玻璃纤维、陶瓷、氧化铝、氧化锆、二氧化硅、氮化硅、硅脂或绝缘导热胶。
3.一种如权利要求1所述贴片式激光器封装结构在光电电路中的封装方法，其特征在于，该方法包括步骤如下：
(1)将L形热沉的L形负极层的水平面利用印刷电路板粘合剂封装在光电电路板的负极上；
(2)在激光器芯片的P电极上进行金丝键合至L形正极层的垂直面；
(3)在L形正极层的水平面进行金丝键合，将金丝键合至光电电路板的正极上，完成所述贴片式半导体激光器在光电电路中的封装应用。
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