CN107492786A - 一种smd小型化封装的vcsel制造工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种SMD小型化封装的VCSEL制造工艺，包括:氮化铝底板、可伐合金框架，用定位夹具将框架和底板组合一起；中温700℃氧化气氛下，烧结70分钟，完成SMD腔体的制备；将VCSEL芯片共晶固着在氮化铝底板上，绑线WB工艺将VCSEL芯片和焊盘电极连接，完成VCSEL芯片封装，将光窗玻璃放置在封好VCSEL芯片的SMD腔体上，采用平行封焊的工艺将光窗密封固定在可伐合金框架上，至此，SMD小型化封装的VCSEL激光器制造完成。本发明使激光器体积，长(宽)度，高度(厚度)均小于5毫米，散热性能好，容易贴装于PCB板上，为VCSEL激光器未来在小型化的产品应用中提供一种可能。

Description

一种SMD小型化封装的VCSEL制造工艺
技术领域
本发明属于半导体激光器的封装领域，具体地说是一种SMD小型化封装的VCSEL制造工艺。
背景技术
激光在现代和未来的应用越来越广泛，一般可分为固体激光，气体激光、半导体激光和光纤激光等，而随着世界智能化格局的开启，有一类激光器由于它较低的成本将显示其重要的地位，那就是半导体激光器，由于其性能优越，成本较低，体积很小，波长丰富，在未来的智能化产品中将扮演重要角色，例如光通讯，大数据传输，智能手机，智能家居，无人驾驶(激光雷达)等领域将广泛使用。
由于半导体激光器芯片对环境湿气，有害性气体和污染物的敏感性，所以这种器件往往需要气密性的封装，激光器的PN结温度直接影响其波长，输出功率，峰值带宽等输出特性。因此，其良好散热性也同样重要。
VCSEL激光器(垂直腔面发射激光器)是一种新型的半导体激光器，相对于FP(法布里-帕罗)和DFB(分布反馈)激光器来说，有着很大的差别，主要表现在FP和DFB属于边缘发射激光器，VCSEL是表面发射激光器，所以其封装结构差异很大，通常FP和DFB采用同轴TO56的封装结构，将芯片翻转90度，以使出光方向和Z轴平行。而VCSEL通常采用同轴TO46封装，芯片无需翻转，其出光方向和Z轴平行。
因VCSEL激光器发展历史较短，波长范围较窄(通常在650nm～1000nm)，激光峰值波长范围较宽，因此一般不作为信号的远距离传输，通常采用平窗镀膜管帽作为其光窗。目前的封装结构基本都采用了TO46的封装。这种结构用于通讯和工业应用方面相对成熟，但由于体积较大，宽度，厚度(高度)往往超过了5毫米，因此限制了它在手机，可穿戴设备等终端电子消费产品的应用。
发明内容
所要解决的技术问题：本发明目的是一种SMD表面贴装小型化封装的VCSEL激光器结构，使激光器体积，长(宽)度，高度(厚度)均小于5毫米，散热性能好，容易贴装于PCB板上，为VCSEL激光器未来在小型化的产品应用中提供一种可能。
技术方案:一种SMD小型化封装的VCSEL制造工艺，制造工艺包括:
(1)氮化铝底板：长*宽*厚度：3mm*3mm*0.4mm,正面和背面低温银浆金属化，同时采用通孔填浆的工艺实现内外电路的连通；
(2)可伐合金框架：加工成长*宽*高度*厚度3mm*3mm*2mm*0.4mm,框架底部用中温银浆印刷，用定位夹具将框架和底板组合一起；
(3)将步骤(1)、(2)的部件放进气氛炉中烧结，中温700℃氧化气氛下，烧结70分钟，完成SMD腔体的制备；
(4)将SMD腔体进行镀镍和镀金，备用；
(5)光窗玻璃采用K9光学玻璃，400～1200nm波长透过率92.7％，分切成边长为3毫米的方片，四周印刷低温玻璃浆料，烘干备用；
(6)VCSEL芯片封装：将VCSEL芯片共晶固着在氮化铝底板上，绑线WB工艺将VCSEL芯片和焊盘电极连接，完成VCSEL芯片封装，将光窗玻璃放置在封好VCSEL芯片的SMD腔体上，采用平行封焊的工艺将光窗密封固定在可伐合金框架上，至此，SMD小型化封装的VCSEL激光器制造完成。
(7)测试：SMD小型化封装的VCSEL激光器放置在激光性能测试仪上测试，通过检测光功率，光束质量，信噪比，功率时间曲线的测定，评定其效果。
所述SMD腔体在气氛炉中烧结，预热区氧化气氛RT～100℃10min，升温区氧化气氛100～350℃10min，烧结区氧化气氛350～700℃15min，降温区中性气氛700～350℃15min，冷却区中性气氛350～100℃10min，在50℃中性气氛出炉。
有益效果：
1、本发明采用了优化的SMD表面贴装结构，底板采用高导热材料例如氮化铝陶瓷，框架材料可采用低膨胀系数的金属或陶瓷，例如可伐金属框架或氧化铝陶瓷，通过金属化或玻璃封接的方法把框架和底板结合一体，贴装好激光器芯片后，将金属化或低温玻璃粘结的玻璃光窗通过平行封焊的方式，实现和框架的结合，从而能形成了整体的SMD气密封装的VCSEL激光器结构。
2、本发明中相比于传统的TO46封装，尺寸和结构都作了改变，使得整个激光器的厚度从6.5毫米减薄为3.0毫米，直径从5.2毫米变成长宽3毫米，这样将使得激光器在手机和平板电脑可穿戴设备上的应用成为可能。
3、本发明采用了氮化铝(ALN)材料作为底板，并通过氮化铝通孔填浆和金属化技术，在底板上正面(SMD腔体的底部)腔体底面印刷焊盘和贴芯片的位置，并通过通孔填浆技术实现和底面(SMD腔体的外部)的印刷电极相连，从而实现导电。
4、本发明中由于采用了氮化铝作为VCSEL芯片的固着载体，因此可以省略掉氮化铝热沉，芯片直接通过金锡合金共晶在印有芯片共晶的焊盘上，激光器工作时产生的热量通过氮化铝底版和镀金的金属或陶瓷框架传导并散热，从而确保了PN结温度稳定，对于稍大功率的芯片，同样可以在氮化铝底板上印刷帕尔帖半导体制冷器，确保PN结温度稳定。
5、本发明中由于采用了氮化铝作为底板，因此可以实现整版封装后再独立分片的工艺，大幅度提高封装的效率，降低封装的成本，为实现大批量的生产提供了保障。
附图说明
图1是现有TO46封装的VCSEL激光器示意图。
图2是本发明氮化铝底主视图。
图3是本发明氮化铝底后视图。
图4是本发明SMD小型化封装的VCSEL激光器示意图。
图中：1可伐合金框架、2氮化铝底板、3光窗玻璃、4焊盘、5VCSEL芯片、6通孔、7VCSEL芯片固定位、8SMD腔体、9光窗，10焊盘。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加简洁明了，本发明用以下具体实施例进行说明，但本发明绝非仅限于这些例子。以下所述仅为本发明较好的实施例，仅仅用于描述本发明，不能理解为对本发明的范围的限制。应当指出的是，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
一种SMD小型化封装的VCSEL制造工艺，制造工艺包括:
(1)氮化铝底板：长*宽*厚度：3mm*3mm*0.4mm,正面和背面低温银浆金属化，同时采用通孔填浆的工艺实现内外电路的连通；
(2)可伐合金框架：加工成长*宽*高度*厚度3mm*3mm*2mm*0.4mm,框架底部用中温银浆印刷，用定位夹具将框架和底板组合一起；
(3)将步骤(1)、(2)的部件放进气氛炉中烧结，中温700℃氧化气氛下，烧结70分钟，完成SMD腔体的制备；
(4)将SMD腔体进行镀镍和镀金，备用；
(5)光窗玻璃采用K9光学玻璃，400～1200nm波长透过率92.7％，分切成边长为3毫米的方片，四周印刷低温玻璃浆料，烘干备用；
(6)VCSEL芯片封装：将VCSEL芯片共晶固着在氮化铝底板上，绑线WB工艺将VCSEL芯片和焊盘电极连接，完成VCSEL芯片封装，将光窗玻璃放置在封好VCSEL芯片的SMD腔体上，采用平行封焊的工艺将光窗密封固定在可伐合金框架上，至此，SMD小型化封装的VCSEL激光器制造完成。
所述SMD腔体在气氛炉中烧结，预热区氧化气氛RT～100℃10min，升温区氧化气氛100～350℃10min，烧结区氧化气氛350～700℃15min，降温区中性气氛700～350℃15min，冷却区中性气氛350～100℃10min，在50℃中性气氛出炉。如下表：
测试：SMD小型化封装的VCSEL激光器放置在激光性能测试仪上测试，通过检测光功率，光束质量，信噪比，功率时间曲线的测定，评定其效果。
结论：采用本发明制造的SMD小型化封装的VCSEL激光器和传统TO46封装的VCSEL激光器性能无差异，本小型化方案着实可行。
本发明方案和传统的差异对比。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (2)

1.一种SMD小型化封装的VCSEL制造工艺，其特征在于制造工艺包括:
(1)氮化铝底板：长*宽*厚度：3mm*3mm*0.4mm,正面和背面低温银浆金属化，同时采用通孔填浆的工艺实现内外电路的连通；
(2)可伐合金框架：加工成长*宽*高度*厚度3mm*3mm*2mm*0.4mm,框架底部用中温银浆印刷，用定位夹具将框架和底板组合一起；
(3)将步骤(1)、(2)的部件放进气氛炉中烧结，中温700℃氧化气氛下，烧结70分钟，完成SMD腔体的制备；
(4)将SMD腔体进行镀镍和镀金，备用；
(5)光窗玻璃采用K9光学玻璃，400～1200nm波长透过率92.7％，分切成边长为3毫米的方片，四周印刷低温玻璃浆料，烘干备用；
(6)VCSEL芯片封装：将VCSEL芯片共晶固着在氮化铝底板上，绑线WB工艺将VCSEL芯片和焊盘电极连接，完成VCSEL芯片封装，将光窗玻璃放置在封好VCSEL芯片的SMD腔体上，采用平行封焊的工艺将光窗密封固定在可伐合金框架上，至此，SMD小型化封装的VCSEL激光器制造完成。
(7)测试：SMD小型化封装的VCSEL激光器放置在激光性能测试仪上测试，通过检测光功率，光束质量，信噪比，功率时间曲线的测定，评定其效果。
2.根据权利要求1所述的一种SMD小型化封装的VCSEL制造工艺,其特征在于：所述SMD腔体在气氛炉中烧结，预热区氧化气氛RT～100℃10min，升温区氧化气氛100～350℃10min，烧结区氧化气氛350～700℃15min，降温区中性气氛700～350℃15min，冷却区中性气氛350～100℃10min，在50℃中性气氛出炉。
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