CN106374336B - 一种vcsel激光器管芯封装方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于激光器技术领域。本发明的目的是提供一种便于封装且散热性能好的VCSEL激光器管芯封装方法。采用的技术方案是：一种VCSEL激光器管芯封装方法，所述管芯包括管体，所述管体的一端为封闭端，另一端为开口端；所述管体封闭端的端面上设置射出口，所述射出口内设置凹透镜；所述管体内部设置激光发射组件，所述激光发射组件包括安装罩、外散热板、内散热板和VCSEL芯片阵列；包括以下步骤：a、组装激光发射组件；b、将激光发射组件安装在管体内；c、在管体上安装散热器和防尘滤网；d、在管体上安装凹透镜。本发明能够极大的提高VCSEL激光器的散热效率和封装的速度。

Description

一种VCSEL激光器管芯封装方法

技术领域

本发明属于激光器技术领域，具体涉及一种VCSEL激光器管芯封装方法。

背景技术

在半导体激光器领域，根据发光方向与激光芯片所在外延片平面的关系，激光器可划分为垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，简称VCSEL)与边发射半导体激光器(Edge Emitting Laser Diode)两类。其中，垂直腔面发射激光器的发光方向垂直于外延片方向，从反应区的顶面射出，而边发射半导体激光器的发光方向平行于外延片方向，从反应区的边缘射出。与边发射半导体激光器相比，VCSEL发射的光线更容易汇聚，并且在远场目标物上能量分布均匀，从而实现高功率的发射。现有的半导体激光器考虑到散热的性能，其管芯的壁厚通常较薄，这种结构虽然具有较好的散热性能，但其结构强度不足，无法适应工况较为恶劣的场合。如果通过简单的增加其管芯的壁厚来提高其封装的强度，又将导致管芯的散热不良，严重的影响VCSEL激光器的使用效果，甚至导致安全事故的发生。伴随着发射功率的提高，该问题尤其突出。

现有技术是直接将VCSEL芯片焊接在铜、钨等制成的衬底上，然后再将衬底焊接在陶瓷、金刚石等制成的绝缘导热片上。一方面由于衬底与绝缘导热片为单面接触，导致其散热效率较低；另一方面由于陶瓷与金属焊接较为困难，为保障陶瓷与金属的焊接，需要在陶瓷生产时先掺入金属颗粒进行成型烧结，这也无疑也增加了成本，费时费力。另外，由于现有管芯的结构不合理，导致其封装困难、步骤繁琐、成品率低。

发明内容

本发明的目的是提供一种便于封装且散热性能好的VCSEL激光器管芯封装方法。

为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案是：一种VCSEL激光器管芯封装方法，所述管芯包括管体，所述管体的一端为封闭端，另一端为开口端。所述管体封闭端的端面上设置射出口，所述射出口内设置凹透镜。

所述管体内部设置激光发射组件，所述激光发射组件包括安装罩、外散热板、内散热板和VCSEL芯片阵列。所述管体靠近开口端的内壁上设置一圈环形的抵挡部，所述外散热板与管体的内腔相配合且通过螺栓与抵挡部朝向开口端的一面固接。所述外散热板朝向射出口的一面设置安装罩，所述安装罩呈开口朝向外散热板的方桶状且开口的边沿朝外弯折构成连接部，所述连接部通过螺栓与外散热板固接。

所述安装罩的内部设置与安装罩的内腔相配合的内散热板，所述内散热板与安装罩开口相反的一面设置VCSEL芯片阵列，所述安装罩上与VCSEL芯片阵列相对处设置出光口，所述出光口处设置凸透镜。

所述内散热板由一面的金属散热板和另一面的绝缘散热板组合构成。所述金属散热板与出光口相对，所述绝缘散热板与外散热板相对。所述VCSEL芯片阵列焊接在金属散热板朝向出光口的板面上。

所述管体的开口端设置防尘滤网，所述防尘滤网与外散热板之间构成散热器安装腔。

所述管芯在封装时包括以下步骤：

a、组装激光发射组件：先将VCSEL芯片阵列焊接在金属散热板上，然后将金属散热板装入安装罩内，在装入的过程中安装罩开口朝上且VCSEL芯片阵列对准出光口；接着将绝缘散热板也装入安装罩内；然后将外散热板盖在安装罩的开口上调整好位置后，用螺栓将安装罩与外散热板固定；将凸透镜安装在出光口处；

b、将激光发射组件安装在管体内：将激光发射组件从管体的开口端装入管体内部，装入的过程中外散热板设置有安装罩的一面朝向射出口，到位后利用螺栓将外散热板与抵挡部固定；

c、在管体上安装散热器和防尘滤网：在散热器安装腔内安装散热器，散热器采用散热风扇，散热风扇的出风口面向外散热板的板面，散热风扇安装完成后将防尘滤网固定在管体的开口端；

d、在管体上安装凹透镜：在射出口内安装凹透镜，确保VCSEL芯片阵列发出的光经凸透镜折射后能完全落在凹透镜上。

优选的，在步骤a中，所述金属散热板和绝缘散热板在装入安装罩前其表面的平整度通过打磨进行调整。

优选的，所述金属散热板和绝缘散热板相对的板面分别设置第一阶梯台和第二阶梯台，所述第一阶梯台的尺寸与第二阶梯台的尺寸相配合。所述第一阶梯台朝向第二阶梯台的一面均匀设置多根杆体，所述杆体沿金属散热板的长度方向延伸。所述第二阶梯台上对应设置多个与杆体相配合的杆孔，所述杆体插入杆孔内。

在步骤a中，将VCSEL芯片阵列焊接在金属散热板上后，先将金属散热板和绝缘散热板组合构成内散热板，再将内散热板整体装入安装罩内。

优选的，所述射出口呈由外段、中段和内段构成的由外至内依次变小的阶梯孔状，所述凹透镜包括镜体和镜框，所述镜框位于射出口中段的阶梯面上。所述射出口外段的阶梯面上设置压板，所述压板上与镜体相对的位置设置通孔，所述压板的边缘通过螺栓与管体固接。所述镜框通过压板压紧。

在步骤d中，在射出口内安装凹透镜时先将凹透镜的镜框放置在射出口中段的阶梯面上，然后将压板放置在射出口外段的阶梯面上使通孔对准凹透镜的镜体，最后利用螺栓将压板固定。

优选的，所述外散热板朝向安装罩的板面上设置与安装罩的连接部相配合的凹槽，所述连接部位于凹槽内。

在步骤a中，在用安装罩盖住外散热板的开口时是直接将凹槽卡合在安装罩的连接部上实现定位。

优选的，所述安装罩朝向射出口的表面设置与凸透镜的表面相配合的锥面，所述凸透镜的边沿通过密封胶与锥面粘接。

在步骤a中，安装凸透镜时，先将凸透镜放置在锥面上，然后再向锥面与凸透镜之间的缝隙内填充密封胶。

优选的，所述杆体呈圆形或方形。

优选的，所述绝缘导热板和安装罩采用绝缘导热材料制成，所述绝缘导热材料由如下重量份组成：碳化硅65份、二氧化硅15份、氧化铝5份、硅酸铝2份、膨润土10份、平坦助剂5份、增稠剂3份、水10份。

本发明的有益效果集中体现在，能够极大的提高VCSEL激光器的散热效率和封装的速度。具体来说，本发明在装配时，首先进行激光发射组件的组装，取一个金属散热板，先将VCSEL芯片阵列焊接在金属散热板上，此时由于金属散热板还未装配在安装罩内非常便于操作。然后将金属散热板装入安装罩内，在装入的过程中安装罩开口朝上且VCSEL芯片阵列对准出光口；接着将绝缘散热板也装入安装罩内；然后将外散热板盖在安装罩的开口上调整好位置后，用螺栓将安装罩与外散热板固定；将凸透镜安装在出光口处；接着，将激光发射组件整体安装在抵挡部上，然后在散热器安装腔内安装散热器并在管体的开口端安装防尘滤网。最后在射出口内安装凹透镜即可。本发明由于各部件间的安装非常方便，因此能大大的提高封装的速度。同时，由于金属散热板、绝缘散热板和外散热板直接通过安装罩压紧，三者之间实现无缝隙接触，避免了金属散热板和绝缘散热板焊接造成的孔隙，使得散热的性能得到极大的提升，也无需使用导热胶，降低了成本，且方便检修、更换零部件及各零部件的回收再利用。另外，利用凸透镜先对激光进行汇聚，然后再利用凹透镜对汇聚后的激光进行整形，使激光平行、密集的射出，不仅提高了激光的发射功率，同时提高了激光的可控性。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1中A部放大图；

图3为图1中B部放大图；

图4为安装罩的结构示意图；

图5为金属散热板和绝缘散热板的结构示意图。

具体实施方式

结合图1-5所示的一种VCSEL激光器管芯封装方法，所述管芯包括管体1，所述管体1的一端为封闭端，另一端为开口端,如图1中所示，所述管体1的上端为封闭端，下端为开口端。所述管体1封闭端的端面上设置射出口2，所述射出口2内设置凹透镜3。

所述管体1内部设置激光发射组件，所述激光发射组件包括安装罩4、外散热板5、内散热板和VCSEL芯片阵列6。本发明外散热板5与管体1之间的连接关系如下：所述管体1靠近开口端的内壁上设置一圈环形的抵挡部7，所述的抵挡部7为管体1内壁上向管体1内突出的凸棱，该凸棱整体呈环形，当管体1为方管时，凸棱呈方环状，当管体1为圆管时，凸棱呈圆环状，抵挡部7既可以是与管体1一体成型，也可以是通过焊接、螺栓连接等方式固定在管体1内壁上。所述外散热板5与管体1的内腔相配合且通过螺栓与抵挡部7朝向开口端的一面固接，在图1中也就是外散热板5的形状与管体1一致，尺寸与管体1内腔的尺寸相当。所述外散热板5朝向射出口2的一面设置安装罩4，结合图1和4所示，也就是外散热板5朝上的一面设置安装罩4，所述安装罩4呈开口朝向外散热板5的方桶状，安装罩4开口的边沿朝外弯折构成连接部8，所述连接部8通过螺栓与外散热板5固接。

所述安装罩4的内部设置与安装罩4的内腔相配合的内散热板，也就是内散热板的形状与安装罩4的内腔一致，尺寸也与其一致，安装罩4可以紧密的罩住内散热板，所述内散热板与安装罩4开口相反的一面设置VCSEL芯片阵列6，结合图1和2所示，也就是内散热板朝上的一面设置VCSEL芯片阵列6。所述安装罩4上与VCSEL芯片阵列6相对处设置出光口9，所述出光口9处设置凸透镜10。本发明的内散热板由一面的金属散热板11和另一面的绝缘散热板12组合构成。所述金属散热板11与出光口9相对，所述绝缘散热板12与外散热板5相对，在图1中也就是金属散热板11在上，绝缘散热板12在下。所述VCSEL芯片阵列6焊接在金属散热板11朝向出光口9的板面上。所述管体1的开口端设置防尘滤网，所述防尘滤网与外散热板5之间构成散热器安装腔，所述散热器安装腔用于安装散热器，如：一个散热风扇、或多个散热风扇。

所述管芯在封装时包括以下步骤：

a、组装激光发射组件：先将VCSEL芯片阵列6焊接在金属散热板11上，然后将金属散热板11装入安装罩4内，在装入的过程中安装罩4开口朝上且VCSEL芯片阵列6对准出光口9。接着将绝缘散热板12也装入安装罩4内。然后将外散热板5盖在安装罩4的开口上调整好位置后，用螺栓将安装罩4与外散热板5固定。将凸透镜10安装在出光口9处。

b、将激光发射组件安装在管体1内：将激光发射组件从管体1的开口端装入管体1内部，装入的过程中外散热板5设置有安装罩4的一面朝向射出口2，到位后利用螺栓将外散热板5与抵挡部7固定。

c、在管体1上安装散热器和防尘滤网：在散热器安装腔内安装散热器，散热器采用散热风扇，散热风扇的出风口面向外散热板5的板面，散热风扇安装完成后将防尘滤网19固定在管体1的开口端。

d、在管体1上安装凹透镜3：在射出口2内安装凹透镜3，确保VCSEL芯片阵列6发出的光经凸透镜10折射后能完全落在凹透镜3上。

本发明由于各部件间可独立、分步进行装配，安装非常方便，因此能大大的提高封装的速度。同时，由于金属散热板11、绝缘散热板12和外散热板5直接通过安装罩4压紧，三者之间实现无缝隙接触，避免了金属散热板11和绝缘散热板12焊接造成的孔隙，使得散热的性能得到极大的提升，也无需使用导热胶，降低了成本，且方便检修、更换零部件及各零部件的回收再利用。为了进一步提高热传递的性能，更好的做法是，所述金属散热板11和绝缘散热板12在装入安装罩4前其表面的平整度通过打磨进行调整。另外，利用凸透镜10先对激光进行汇聚，然后再利用凹透镜3对汇聚后的激光进行整形，使激光平行、密集的射出，不仅提高了激光的发射功率，同时提高了激光的可控性。

为了进一步提高本发明的性能，如图5所示，所述金属散热板11和绝缘散热板12相对的板面分别设置第一阶梯台13和第二阶梯台14，所述第一阶梯台13的尺寸与第二阶梯台14的尺寸相配合，也就是第一阶梯台13和第二阶梯台14在金属散热板11和绝缘散热板12贴合时也完全贴合，二者之间不留缝隙。所述第一阶梯台13朝向第二阶梯台14的一面均匀设置多根杆体15，所述杆体15沿金属散热板11的长度方向延伸。所述第二阶梯台14上对应设置多个与杆体15相配合的杆孔16，所述杆体15插入杆孔16内。所述杆体8呈圆形或方形，杆孔16与杆体15相配合，当杆体15呈圆形时，金属散热板11与绝缘散热板12之间的散热面积更大，当杆体15呈方形时，金属散热板11与绝缘散热板12之间的连接限位更加的稳定。将VCSEL芯片阵列6焊接在金属散热板11上后，先将金属散热板11和绝缘散热板12组合构成内散热板，再将内散热板整体装入安装罩4内。这样一来，由于第一阶梯面13和第二阶梯面14的存在，使得金属散热板11和绝缘散热板12的换热面积更大，便于金属散热板11上的热量快速转移。杆体15和杆孔16的设置一方面进一步增大了换热面积，另一方面也使得金属散热板11和绝缘散热板12之间的连接更加的稳定。

为了便于凹透镜3的安装，更好的做法是，所述射出口2呈由外段、中段和内段构成的由外至内依次变小的阶梯孔状，所述凹透镜3包括镜体和镜框，所述镜框位于射出口2中段的阶梯面上。所述射出口2外段的阶梯面上设置压板17，所述压板17上与镜体相对的位置设置通孔，所述压板17的边缘通过螺栓与管体1固接。所述镜框通过压板17压紧。在射出口2内安装凹透镜3时先将凹透镜3的镜框放置在射出口2中段的阶梯面上，然后将压板17放置在射出口2外段的阶梯面上使通孔对准凹透镜3的镜体，最后利用螺栓将压板17固定。

进一步，结合图1、3和5，所示为了更好的对安装罩4在外散热板5上进行限位，同时为了提高封装的速度，更好的做法还可以是所述外散热板5朝向安装罩4的板面上设置与安装罩4的连接部8相配合的凹槽，所述连接部8位于凹槽内。这样一来，在用安装罩4盖住外散热板5的开口时是直接将凹槽卡合在安装罩4的连接部8上实现定位，再上紧螺栓即可。这样不仅提高了封装速度和定位的准确性，同时还可通过螺栓拧紧来适应不同厚度的内散热板，通用性更强。

另外，本发明的凸透镜10的安装可采用凹透镜3的安装方式，也就是出光口也设置呈阶梯状，将凸透镜10的镜框设置在出光口内的阶梯面上再通过压板压紧。为了避免VCSEL芯片阵列6发出的光逃逸，凸透镜10与VCSEL芯片阵列6之间的距离不宜过大，也就是说此时凸透镜10往往不适宜设置镜框，而是只有镜体，因此，更好的做法是，结合图1、2和4所示，所述安装罩4朝向射出口2的表面设置与凸透镜10的表面相配合的锥面18，所述凸透镜10的边沿通过密封胶与锥面18粘接。安装凸透镜10时，先将凸透镜10放置在锥面上，然后再向锥面与凸透镜10之间的缝隙内填充密封胶。

更好的做法是，所述绝缘导热板12和安装罩4采用绝缘导热材料制成，所述绝缘导热材料由如下重量份组成：碳化硅65份、二氧化硅15份、氧化铝5份、硅酸铝2份、膨润土10份、平坦助剂5份、增稠剂3份、水10份。

所述绝缘导热材料按如下加工方法制成：

(1)采用溶胶-凝胶法分别将碳化硅和二氧化硅制备成无机纳米材料；

(2)将分散机转速调至300r/m-400r/m，先缓慢加入步骤(1)中制备的碳化硅和二氧化硅无机纳米材料，再缓慢加入氧化铝、硅酸铝、膨润土，然后加入水，最后加入平坦助剂、增稠剂，将分散机转速调至600r/m-800r/m搅拌5分钟，得到配好的浆料；

(3)将步骤(2)中调配好的浆料，注入事先设定好的模槽中，静置5min以后，使其完全披覆并流平，用辅助工具抹去多余的浆料，待其表面完全流平光洁；

(4)将步骤(3)中流平光洁的浆料置于350℃-400℃的烤箱内低温烘烤20min即得绝缘导热材料。

分别将本发明所述的绝缘导热材料和常规的导热绝缘材料一制成的绝缘导热板12和安装罩4装配成管芯，在工作状态下测试金属散热板11温度、外散热板5温度及环境温度，所得结果如下表所示：

根据上表可以看出，本发明所述的绝缘导热材料其导热性能优异，用其制作的绝缘导热板12和安装罩4可大大的提高VCSEL芯片阵列6的散热速度，今儿提高了激光器的使用寿命。

Claims (8)

1.一种VCSEL激光器管芯封装方法，其特征在于：所述管芯包括管体(1)，所述管体(1)的一端为封闭端，另一端为开口端；所述管体(1)封闭端的端面上设置射出口(2)，所述射出口(2)内设置凹透镜(3)；

所述管体(1)内部设置激光发射组件，所述激光发射组件包括安装罩(4)、外散热板(5)、内散热板和VCSEL芯片阵列(6)；所述管体(1)靠近开口端的内壁上设置一圈环形的抵挡部(7)，所述外散热板(5)与管体(1)的内腔相配合且通过螺栓与抵挡部(7)朝向开口端的一面固接；所述外散热板(5)朝向射出口(2)的一面设置安装罩(4)，所述安装罩(4)呈开口朝向外散热板(5)的方桶状且开口的边沿朝外弯折构成连接部(8)，所述连接部(8)通过螺栓与外散热板(5)固接；

所述安装罩(4)的内部设置与安装罩(4)的内腔相配合的内散热板，所述内散热板与安装罩(4)开口相反的一面设置VCSEL芯片阵列(6)，所述安装罩(4)上与VCSEL芯片阵列(6)相对处设置出光口(9)，所述出光口(9)处设置凸透镜(10)；所述内散热板由一面的金属散热板(11)和另一面的绝缘散热板(12)组合构成；所述金属散热板(11)与出光口(9)相对，所述绝缘散热板(12)与外散热板(5)相对；所述VCSEL芯片阵列(6)焊接在金属散热板(11)朝向出光口(9)的板面上；

所述管体(1)的开口端设置防尘滤网(19)，所述防尘滤网(19)与外散热板(5)之间构成散热器安装腔；

所述管芯在封装时包括以下步骤：

a、组装激光发射组件：先将VCSEL芯片阵列(6)焊接在金属散热板(11)上，然后将金属散热板(11)装入安装罩(4)内，在装入的过程中安装罩(4)开口朝上且VCSEL芯片阵列(6)对准出光口(9)；接着将绝缘散热板(12)也装入安装罩(4)内；然后将外散热板(5)盖在安装罩(4)的开口上调整好位置后，用螺栓将安装罩(4)与外散热板(5)固定；将凸透镜(10)安装在出光口(9)处；

b、将激光发射组件安装在管体(1)内：将激光发射组件从管体(1)的开口端装入管体(1)内部，装入的过程中外散热板(5)设置有安装罩(4)的一面朝向射出口(2)，到位后利用螺栓将外散热板(5)与抵挡部(7)固定；

c、在管体(1)上安装散热器和防尘滤网：在散热器安装腔内安装散热器，散热器采用散热风扇，散热风扇的出风口面向外散热板(5)的板面，散热风扇安装完成后将防尘滤网(19)固定在管体(1)的开口端；

d、在管体(1)上安装凹透镜(3)：在射出口(2)内安装凹透镜(3)，确保VCSEL芯片阵列(6)发出的光经凸透镜(10)折射后能完全落在凹透镜(3)上。

2.根据权利要求1所述的VCSEL激光器管芯封装方法，其特征在于：在步骤a中，所述金属散热板(11)和绝缘散热板(12)在装入安装罩(4)前其表面的平整度通过打磨进行调整。

3.根据权利要求1所述的VCSEL激光器管芯封装方法，其特征在于：所述金属散热板(11)和绝缘散热板(12)相对的板面分别设置第一阶梯台(13)和第二阶梯台(14)，所述第一阶梯台(13)的尺寸与第二阶梯台(14)的尺寸相配合；所述第一阶梯台(13)朝向第二阶梯台(14)的一面均匀设置多根杆体(15)，所述杆体(15)沿金属散热板(11)的长度方向延伸；所述第二阶梯台(14)上对应设置多个与杆体(15)相配合的杆孔(16)，所述杆体(15)插入杆孔(16)内；

在步骤a中，将VCSEL芯片阵列(6)焊接在金属散热板(11)上后，先将金属散热板(11)和绝缘散热板(12)组合构成内散热板，再将内散热板整体装入安装罩(4)内。

4.根据权利要求1所述的VCSEL激光器管芯封装方法，其特征在于：所述射出口(2)呈由外段、中段和内段构成的由外至内依次变小的阶梯孔状，所述凹透镜(3)包括镜体和镜框，所述镜框位于射出口(2)中段的阶梯面上；所述射出口(2)外段的阶梯面上设置压板(17)，所述压板(17)上与镜体相对的位置设置通孔，所述压板(17)的边缘通过螺栓与管体(1)固接；所述镜框通过压板(17)压紧；

在步骤d中，在射出口(2)内安装凹透镜(3)时先将凹透镜(3)的镜框放置在射出口(2)中段的阶梯面上，然后将压板(17)放置在射出口(2)外段的阶梯面上使通孔对准凹透镜(3)的镜体，最后利用螺栓将压板(17)固定。

5.根据权利要求1所述的VCSEL激光器管芯封装方法，其特征在于：所述外散热板(5)朝向安装罩(4)的板面上设置与安装罩(4)的连接部(8)相配合的凹槽，所述连接部(8)位于凹槽内；

在步骤a中，在用安装罩(4)盖住外散热板(5)的开口时是直接将凹槽卡合在安装罩(4)的连接部(8)上实现定位。

6.根据权利要求1所述的VCSEL激光器管芯封装方法，其特征在于：所述安装罩(4)朝向射出口(2)的表面设置与凸透镜(10)的表面相配合的锥面(18)，所述凸透镜(10)的边沿通过密封胶与锥面(18)粘接；

在步骤a中，安装凸透镜(10)时，先将凸透镜(10)放置在锥面上(18)，然后再向锥面(18)与凸透镜(10)之间的缝隙内填充密封胶。

7.根据权利要求3所述的VCSEL激光器管芯封装方法，其特征在于：所述杆体(15)呈圆形或方形。

8.根据权利要求3所述的VCSEL激光器管芯封装方法，其特征在于：所述绝缘导热板(12)和安装罩(4)采用绝缘导热材料制成，所述绝缘导热材料由如下重量份组成：碳化硅65份、二氧化硅15份、氧化铝5份、硅酸铝2份、膨润土10份、平坦助剂5份、增稠剂3份、水10份。

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