CN107800038A - 热膨胀系数匹配的晶体管轮廓标头 - Google Patents

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Abstract

晶体管轮廓(TO)封装可包括TO帽。TO封装可包括TO标头。TO标头可包括第一材料制成的具有第一热膨胀系数(CTE)值的标头杆。TO标头可包括第二材料制成的具有第二CTE值的标头基部。第一材料和第二材料可以是不同的。第一CTE值和第二CTE值可以是不同的。第一CTE值和第二CTE值可以在彼此的阈限百分比内。

Description

热膨胀系数匹配的晶体管轮廓标头
技术领域
本发明涉及一种晶体管轮廓(TO：transistor outline)封装。更特别地，本发明涉及一种用于TO封装的热膨胀系数(CTE：coefficient of thermal expansion)匹配的TO标头。
背景技术
晶体管轮廓(TO)封装包括TO标头和TO帽。光学部件(诸如激光二极管)可机械地联接至TO标头。例如，激光二极管可被包括在附连至TO标头的子安装组件上的芯片中。TO标头可包括标头基部和标头杆。例如，包括激光二极管的子安装组件上的芯片附连至TO标头的标头杆，且标头杆附连至TO标头的标头基部。TO帽可支撑窗或透镜，以允许安装至TO标头的激光二极管光学耦合至在光学纤维或TO封装外侧布置的另一光学部件。TO帽可利用焊接过程固定至TO标头的标头基部，由此提供用于安装至标头杆的光学部件的真空密封，且将透镜或窗与安装至标头杆的光学部件和TO封装的中线对齐。
铜可被选择用于标头杆，以提供用于TO封装的低热阻，由此允许在光学部件(诸如激光二极管)操作期间从TO封装除热。钢可被选择用于标头基部，以允许TO帽焊接至标头基部，以形成真空密封。但是，钢标头基部和铜标头杆之间的不匹配的热膨胀系数(CTE)导致热应力。热应力在TO封装从环境温度变化到操作温度的温度变化时使铜标头杆从TO封装的中线扭曲。因而，可期望的是，散热TO封装包括CTE匹配的标头杆(诸如铜-钨标头杆)和标头基部，以处于在TO封装内的光学部件的操作温度时保持在TO封装内的光学部件与在TO封装之外的对应光学部件的对齐和光学耦合。
发明内容
根据一些可行实施方式，晶体管轮廓(TO)标头可包括铜-钨标头杆，该铜-钨标头杆具有第一热膨胀系数(CTE)值。TO标头可包括标头基部，该标头基部具有与第一CTE值不同的第二CTE值。标头基部可以是与铜-钨标头杆不同的材料。
根据一些可行的实施方式，光学模块可包括激光二极管。光学模块可包括晶体管轮廓(TO)帽。光学模块可包括TO标头。TO标头可包括标头基部，以附连至标头帽。TO标头可包括铜-钨标头杆，以附连至标头基部并安装激光二极管。
根据一些可行的实施方式，晶体管轮廓(TO)封装可包括TO帽。TO封装可包括TO标头。TO标头可包括由第一材料制成的具有第一热膨胀系数(CTE)值的标头杆。TO标头可包括由第二材料制成的具有第二CTE值的标头基部。第一材料和第二材料可以是不同的。第一CTE值和第二CTE值可以是不同的。第一CTE值和第二CTE值可以在彼此的阈限百分比内。
附图说明
图1A和1B是在此所述的示例实施方式的概括图；
图2A和2B是CTE匹配的TO封装的示例实施方式的图示；
图3A和3B是关于在此所述的示例实施方式的有限元分析的图示；和
图4是关于在此所述的示例实施方式的温度诱导的耦合变化的图示。
具体实施方式
示例实施方式的以下详细说明参考了附图。在不同附图中的相同附图标记可识别相同或相似的元件。
激光二极管将激光提供至光学通信发射器或光学通信收发器，以允许光学通信。激光二极管可被包括在子安装组件上的芯片中(a chip on sub-mount assembly)。子安装组件上的芯片可使得激光二极管固定至子安装基板(sub-mount substrate)，或将激光二极管并入在子安装基板中，且可为激光二极管提供热扩散功能。子安装组件上的芯片附连至光学模块，诸如晶体管轮廓(TO)封装。
TO封装可包括TO标头和TO帽。TO标头可包括标头基部和标头杆。子安装组件上的芯片附连至标头杆，以将激光二极管与TO封装中线对齐，且将激光二极管与在TO封装之外的光学通信发射器或光学通信收发器的一个或多个光学部件光学地耦合。由此，可有利的是，确保激光二极管保持与TO封装的中线对齐，且由TO封装提供阈限散热量。
钢可被选择用于标头基部，以确保TO帽可焊接到标头基部，以提供激光二极管的真空密封部，且以将TO帽的窗或透镜与激光二极管对齐。铜可被选择用于标头杆，以确保低热阻，由此提供阈限散热量。但是，铜标头杆相对较软，且从在环境温度时的第一位置扭曲至在激光二极管的操作温度时的第二位置。此外，铜标头杆和钢标头基部之间的不匹配的热膨胀系数(CTE)经由热膨胀或热收缩阻碍对扭曲的补偿，由此使得标头杆和标头基部的CTE匹配是有利的。
在此所述的实施方式可提供用于TO封装的基于铜-钨的标头杆，由此减小温度诱导的耦合变化，而没有对TO封装的电性能产生负面影响。基于减小温度诱导的耦合变化，基于铜-钨的标头杆改进用于光学通信发射器或光学通信收发器的激光二极管的耦合效率，由此改进光学通信系统性能。
图1A和1B是示例实施方式100的概括图。图1A示出包括TO封装的泵浦激光器组件的概括图。如图1A所示，示例实施方式100包括泵浦激光器组件102，泵浦激光器组件102包括纤尾组件(FTA：fiber tail assembly)104、套筒106、壳体108、TO封装的标头基部110、透镜112和TO封装的标头杆114。
泵浦激光器组件102包括激光二极管，该激光二极管发射用于光学通信系统的光学通信发射器或光学通信收发器的激光束。在一些实施方案中，泵浦激光器组件102可在特定的温度范围操作。例如，泵浦激光器组件102可在大约0摄氏度(C)和大约75摄氏度之间的操作温度操作。泵浦激光器组件102包括一组部件，诸如FTA104、套筒106和/或壳体108，以将激光二极管与光学纤维、另外的光学部件等耦合。泵浦激光器组件102安装透镜112，透镜112将在光发射点116处从激光二极管朝向光接收点118发射的激光束聚焦，如参照调用的图120详细示出的。
标头基部110是TO标头的TO标头基部。标头基部110可以附连到标头杆114。标头杆114是TO标头的TO标头杆。激光二极管安装到标头杆114上。标头基部110可附连至TO帽，其可提供安装到标头杆114的激光二极管的真空密封部。标头基部110和标头杆114定位为将激光二极管与泵浦激光器组件102的中线122对齐，以确保激光二极管光学地耦合至光学纤维、另外的光学部件等。
泵浦激光器组件102与激光二极管的特定耦合效率相关联，这可以是取决于温度的。关于耦合效率的温度诱导的耦合变化(TCC)确定为：
TCCTcase＝(PTcase/Pref)–1；
其中，TCCTcase是泵浦激光器组件102在操作温度时的温度诱导的耦合变化，PTcase是泵浦激光器组件102在操作温度的输出功率，Pref是泵浦激光器组件102在参考温度或环境温度(例如，25摄氏度)时的输出功率。基于温度变化，激光发射点116的位置(例如，安装有激光二极管的标头杆114的位置)由于热扭曲而被改变。
在该情况下，利用匹配热膨胀系数(CTE)的设计导致激光二极管在泵浦激光器组件102的操作温度时从中线122的减小的热扭曲，由此对于泵浦激光器组件102导致相对于另外的设计的减小的TCC。例如，标头基部110可由钢制造，以允许TO帽焊接到标头基部110，且标头杆114可由铜(Cu)-钨(W)基材料制造，诸如CuW50材料、CuW60材料、CuW70材料等。在该例子中，CTE匹配可在阈限百分比内，诸如在大约25％内、在大约20％内、在大约15％内、在大约10％内等。进一步地，铜-钨基材料确保用于激光二极管的阈限散热量，由此相对于另外的材料减小激光二极管的过热的可能性。
如图1B所示，在泵浦激光器组件102的操作期间，激光束经由透镜112从在光发射点116处的激光二极管(LD)126朝向光接收点118和朝向FTA104而被导向。激光二极管126可布置为沿光轴远离透镜112一距离，该距离例如大约为1.00毫米(mm)。透镜112可与沿光轴的例如大约为1.00mm的长度相关联。透镜112可布置为沿光轴远离光接收点118例如大约2.18mm。
还如图1B所示，图表140示出基于另一泵浦激光器的二极管的偏置(芯片XY)的、该另一泵浦激光器的光学性能的例子。例如，关于导致该另一泵浦激光器的激光二极管沿X轴线的移位的热扭曲，0.0005mm的扭曲导致耦合效率的5％的减小(CE降)。类似地，关于导致该另一泵浦激光器的激光二极管沿Y轴线的移位的热扭曲，0.0005mm的扭曲导致耦合效率的10％的减小。相应地，关于该另一泵浦激光，沿泵浦激光器组件102的X轴线的热扭曲、以及更特别地沿泵浦激光器组件102的Y轴线的热扭曲的减小导致泵浦激光器组件102的改进的耦合效率(即，减小的耦合效率降低)。
在另一例子中，类似的CTE匹配的TO封装可改进非光纤耦合的激光封装的性能，诸如光发射次模块(TOSA：transmit optical sub-assembly)封装等。
如上所述，图1A和1B仅作为例子提供。其他例子是可行的，且可与关于图1A和1B所述的不同。
图2A和2B是示例实施方式200的图示。图2A和2B是CTE匹配的TO封装的例子。
如图2A中所示，TO封装包括TO标头202和TO帽204。TO帽204可附连至TO标头202，以提供用于安装至TO标头202的激光二极管的真空密封部。TO标头202和TO帽204可利用铜-钨基材料(诸如CuW50等)、钢基材料、铜-钨基材料和钢基材料的组合等制造。在另一个例子中，TO标头202和TO帽204可利用铜-钼基材料(CuMo60)制造。在一些实施方式中，制造TO标头202和TO帽204的材料可被选择为以允许TO帽204附连至TO标头202，诸如通过焊接工艺。TO帽204可包括开口，该开口可安装透镜、玻璃、滤波器等，以允许安装至TO标头202的激光二极管光学地耦合至另一光学部件、光学纤维等。
如图2B所示，TO标头202包括标头基部210、标头杆212和子安装组件上的芯片214。当TO帽204要附连至TO标头202时，标头基部210可接收TO帽204。例如，TO帽204可被焊接至标头基部210。标头杆212可提供用于子安装组件上的芯片214的机械支撑和散热。例如，子安装组件上的芯片214可附连至标头杆212。
标头基部210和标头杆212可利用以下材料制造：铜-钨基材料制造，诸如CuW50；铜-钼基材料，诸如CuMo60；等。以此方式，标头基部210和标头杆212可以是CTE匹配的，以减小标头基部210的热扭曲和/或允许对标头杆212的热扭曲的补偿。在一些实施方案中，当被附连至标头杆212时，子安装组件上的芯片214可与TO封装的中线对齐。TO封装的中线是TO封装的输出光轴。另外或替换地，子安装组件上的芯片214可在自TO封装的中线的阈限偏置量内与TO封装的中线对齐，从而在TO封装的操作温度时，标头杆212的扭曲和标头基部210的热膨胀或压缩导致子安装组件上的芯片214和其激光二极管与TO封装的中线对齐。基于标头杆212和标头基部210的CTE匹配，子安装组件上的芯片214在参考温度时的对齐可被选择为使得：标头杆212的扭曲通过标头基部210的热膨胀或收缩得以补偿。以此方式，CTE匹配的封装可用于确保，在激光二极管的操作期间，激光二极管与TO封装的中线对齐，由此相对于非CTE匹配的TO封装改进耦合效率。
如上所述，图2A和2B仅作为例子提供。其他例子是可行的，且可与关于图2A和2B所述的不同。
图3A和3B是关于在此所述的示例实施方式的有限元分析300/300’的图示。图3A和3B分别示出非CTE匹配的TO标头和CTE匹配的TO标头的有限元分析的例子。
如图3A所示，非CTE匹配的TO标头包括标头基部302、标头杆304以及激光二极管和子安装组件上的芯片306。在该情况下，标头基部302由具有第一CTE值的钢基材料制造，标头杆304由具有第二CTE值的铜基材料制造。由于第一CTE值和第二CTE值之间的差，在激光二极管和子安装组件上的芯片306的操作温度时，标头杆304热变形(如所示)，导致激光二极管和子安装组件上的芯片306从非CTE匹配的TO标头的中线308偏离。因此，耦合效率减小，导致包括非CTE匹配的TO标头的光学通信发射器或光学通信收发器的劣化的性能。
如图3B所示，CTE匹配的TO标头包括标头基部322、标头杆324以及激光二极管和子安装组件上的芯片326。在该情况下，标头基部322利用钢基材料制造，且标头杆324利用铜钨基材料(例如，CuW50、CuW70)制造，导致标头基部322和标头杆324之间的CTE匹配。CuW50可被选择用于标头杆324，以实现与标头基部322的钢匹配的阈限CTE，且以实现TO标头的相对低的热阻，这可允许芯片的阈限水平和/或封装可靠性。在该情况下，CuW50可与260W/m-C的热导率值相关联，由此实现相对低的热阻且允许CTE匹配。
作为CTE匹配的结果，在操作温度时，标头杆324相对于标头杆304以减小的量热变形，如所示。因此，相对于激光二极管和子安装组件上的芯片306从中线308的偏离，激光二极管和子安装组件上的芯片326以减小的量从中线328偏离。基于激光二极管和子安装组件上的芯片326从中线328减小的偏离，对于包括CTE匹配的TO标头的光学通信发射器或光学通信收发器改进了耦合效率(即，耦合效率的降低被减小)。
如上所述，图3A和3B仅作为例子提供。其他例子是可行的，且可与关于图3A和3B所述的不同。
图4是对于一组标头杆材料确定温度诱导的耦合变化(TCC)的示例结果的图示。如图4所示，相对于25摄氏度的参考温度或环境温度，确定了在75摄氏度的操作温度时的温度诱导耦合变化的概率图400。如通过附图标记402示出，第一标头杆由铜(Cu)基材料制造。如通过附图标记404示出，第二标头杆由铜-钨(CuW50)基材料制造。假定每个标头杆附连至钢标头基部。在该情况下，如概率图400所示，相对于附连至CuW50杆404的激光二极管，铜杆402的使用导致附连至铜杆402的激光二极管的更大的温度诱导耦合变化。以此方式，相对于非CTE匹配的标头杆，使用CuW50或另一类似的CTE匹配的材料用于标头杆改进了安装到CTE匹配的标头杆的激光二极管的光学性能。
如上所述，图4仅作为例子提供。其他例子是可行的，且可与关于图4所述的不同。
以此方式，在TO封装中CTE匹配的标头杆——诸如铜-钨(例如，CuW50、CuW60、CuW70等)标头杆——相对于非CTE匹配的标头杆导致安装至CTE匹配的标头杆的激光二极管的改进的光学性能，而没有降低标头杆的散热功能性。
前述披露内容提供了阐释和说明，但不意图是排他的或将实施方式限制到所披露的准确形式。改变和变体根据上述披露是可行的，或可从实施方式的实践获得。
尽管特征的特定组合在权利要求中陈述和/或在说明书中披露，这些组合不意图限制可行的实施方式的披露。实际上，这些特征的许多可没有在权利要求中陈述和/或在说明书中披露的方式组合。尽管以下列出的每个从属权利要求可直接从属于仅一个权利要求，可行实施方式的披露包括与权利要求书中的每个其他权利要求组合的每个从属权利要求。
在此使用的元件、动作、指示不应视为关键或基本的，除非明确地这样描述。并且，如在此使用的，冠词“一(a、an)”意图包括一个或多个物件，且可与“一个或多个”可互换。此外，如在此所用的，术语“组”意图包括一个或多个物件(比如，相关物件、不相关物件、相关物件和不相关物件的组合等)，且可与“一个或多个”可互换。在意图为仅一个物件的情况下，术语“一个”或类似的语言被使用。并且，如在此使用的，术语“具有(has、have、having等)”意图是开放式术语。此外，短语“基于”意图是指“至少部分地基于”，除非以其他方式明确指出。

Claims (20)

1.一种晶体管轮廓(TO)标头，包括：
铜-钨标头杆，其具有第一热膨胀系数(CTE)值；和
标头基部，其具有与第一CTE值不同的第二CTE值，
所述标头基部是与所述铜-钨标头杆不同的材料。
2.如权利要求1所述的TO标头，其中，TO标头联接至TO帽，以形成TO封装。
3.如权利要求1所述的TO标头，其中，第一CTE值在第二CTE值的阈限百分比内。
4.如权利要求1所述的TO标头，其中，所述标头基部是钢标头基部。
5.如权利要求1所述的TO标头，其中，所述铜-钨标头杆在TO标头的操作温度时与TO标头的输出光轴对齐。
6.如权利要求5所述的TO标头，其中，所述铜-钨标头杆与输出光轴在阈限量内对齐。
7.如权利要求5所述的TO标头，其中，所述铜-钨标头杆接收子安装组件上的芯片，使得激光二极管与TO标头的输出光轴对齐。
8.一种光学模块，包括：
激光二极管；
晶体管轮廓(TO)帽；和
TO标头，
所述TO标头包括：
附连至TO帽的标头基部，和
铜-钨标头杆，以附连至标头基部并安装激光二极管。
9.如权利要求8所述的光学模块，其中，铜-钨标头杆在参考温度时从光学模块的中线偏移，使得在光学模块的操作温度时，铜-钨标头杆与光学模块的中线对齐。
10.如权利要求9所述的光学模块，其中，操作温度在大约0摄氏度和大约75摄氏度之间。
11.如权利要求9所述的光学模块，其中，参考温度为大约25摄氏度。
12.如权利要求8所述的光学模块，其中，TO帽焊接至标头基部。
13.如权利要求8所述的光学模块，其中，标头基部是钢。
14.如权利要求8所述的光学模块，其中，铜-钨标头杆包括以下中的至少一个：
CuW50材料，
CuW60材料，或
CuW70材料。
15.一种晶体管轮廓(TO)封装，包括：
TO帽；和
TO标头，包括：
由第一材料制成的具有第一热膨胀系数(CTE)值的标头杆，和
由第二材料制成的具有第二CTE值的标头基部，
第一材料和第二材料是不同的，
第一CTE值和第二CTE值是不同的，
第一CTE值和第二CTE值在彼此的阈限百分比内。
16.如权利要求15所述的TO封装，其中，阈限百分比为大约20％。
17.如权利要求15所述的TO封装，其中，第一材料包括以下中的至少一个：
铜-钨基材料，或
铜-钼基材料。
18.如权利要求15所述的TO封装，其中，标头杆用于接收光学部件。
19.如权利要求18所述的TO封装，其中，所述光学部件是激光二极管。
20.如权利要求18所述的TO封装，其中，TO帽包括透镜，以将光学部件光学地耦合至光学纤维。
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