CN108988120A - 同轴封装的激光器以及光模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开同轴封装的激光器，其包括带有至少两个管脚的底座、激光芯片以及设置于底座表面的半导体制冷器。半导体制冷器表面设有导热基体，导热基体的表面设置激光芯片及第三导电层，激光芯片与第三导电层打线连接。设置于底座表面且位于导热基体两侧的第一基体及第二基体。第一基体的表面设置第一导电层，第一导电层与底座的一个管脚焊接，第一导电层与第三导电层打线连接。第二基体的表面设置第二导电层，第二导电层与底座的另外一个管脚焊接，第二导电层与第三导电层打线连接。本发明还提供一种光模块。这种激光芯片与管脚的电连接方式以及半导体制冷器的配合设置，缩短了整体打线的长度，又解决了高速率激光芯片的散热，利于高速信号的传输。

Description

同轴封装的激光器以及光模块

技术领域

本发明涉及一种高速应用的光学封装器件，尤其涉及一种同轴封装的激光器及光模块。

背景技术

随着社会对数据，图像等信息质量的要求越来越高，对光模块的传输速率要求也越来越高，而光模块中的关键器件就是激光发射组件，为了满足激光发射组件的高传输速率要求，不仅需要激光芯片本身的传输速率要满足高速率应用的要求，同时也必须具有可以支持高速封装的封装技术。目前用于25Gb/s传输速率的激光芯片关键技术已经突破，并已批量化生产，而对于高速器件的封装技术，目前主要是XMD和TO CAN两种封装形式。

为了获得好的传输性能，在10Gb/s以上的激光器组件业内多采用XMD封装形式，主要原因是XMD封装内部采用陶瓷基板可以实现激光器的优良传输，可以控制从激光芯片到管壳的金线长度最短，并可以通过对陶瓷基板与封装管壳的S11，S21参数仿真使激光器经过XMD封装之后的传输性能满足25Gb/s的要求，因此，目前XMD封装形式不仅可以用于10G，25G，还可以用于40G，100G。但是XMD封装的缺点是封装尺寸较大，工艺复杂，而且成本高，不满足小型化尺寸的要求，成本没有竞争优势。

TO CAN封装是目前10Gb/s以下速率产品最成熟最常用的一种封装形式，主要原因是该产品采用小型化的TO56外形，其直径是5.6mm，同时管座材料为金属，并采用玻璃密封，封装设备简单，工艺简单，并有非常成熟的设备用于批量生产，容易实现产业化，同时该封装技术的门槛也相对较低，因此该封装形式一直是光器件封装行业的主流封装形式。

现有技术中，激光芯片(简称LD)的正负极均需要通过金丝与管座的管脚连接，管脚与管座之间通过玻璃密封，并达到管脚与管座绝缘的目的，实现LD+和LD-与外部单独的电气连接。

此种技术对于25Gb/s以下速率的应用十分成熟，但是对于25Gb/s以及更高速率的应用，在行业内还没有批量化的应用经验，主要原因是该封装形式受限于TO管座本身的玻璃封装设计，激光芯片到管座的打线长度较长，使得打线产生的寄生参数过大。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中的25Gb/s以及更高速率的同轴封装激光器的激光芯片到管脚的打线产生的寄生参数过大的技术问题，而提供一种同轴封装的激光器以及光模块。

一种同轴封装的激光器，包括带有管脚的底座、激光芯片以及设置于所述底座表面的半导体制冷器；

所述半导体制冷器表面设有导热基体，所述导热基体的表面设置所述激光芯片及第三导电层，所述激光芯片与所述第三导电层打线连接；

设置于所述底座表面且位于所述导热基体两侧的第一基体及第二基体；

所述第一基体的表面设置第一导电层，所述第一导电层与所述底座的一个管脚焊接，所述第一导电层与所述第三导电层打线连接；

所述第二基体的表面设置第二导电层，所述第二导电层与所述底座的另一个管脚焊接，所述第二导电层与所述第三导电层打线连接。

本发明还提供一种光模块，所述光模块包括如前述的同轴封装的激光器。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

上述的同轴封装的激光器的底座的半导体制冷器的表面设有导热基体，同时于导热基体的两侧设有与导热基体分离的第一基体、第二基体。第一导电层与所述第三导电层打线连接。所述第二导电层与所述第三导电层打线连接。激光芯片产生的热量通过散热基体、半导体制冷器向底座传导，而底座上还具有第一基体及第二基体，散热基体与第一基体、第二基体相互分离，避免了热量从底座、第一基体、第二基体回传到散热基体上，保证激光芯片的散热效果。激光芯片与第三导电层打线连接，第三导电层分别与第一导电层、第二导电层打线连接，第一导电层、第二导电层与管脚焊接，这种激光芯片与管脚的电连接方式以及半导体制冷器的配合设置，与现有技术中激光芯片与管脚直接打线连接相比，缩短了整体打线的长度，又解决了高速率激光芯片的散热，利于高速信号的传输。

附图说明

图1为本发明的现有技术的同轴封装的激光器的结构示意图。

图2为本发明实施例所述的同轴封装的激光器的结构示意图。

图3为本发明实施例所述的同轴封装的激光器的正面示意图。

图4为本发明实施例所述的同轴封装的激光器的俯视图。

具体实施方式

为了进一步说明本发明的原理和结构，现结合附图对本发明的优选实施例进行详细说明。

请参阅图1，现有封装中，激光芯片1直接设在过渡热沉5上。激光芯片1的正负极均需要通过打线3与管座的管脚3连接，管脚3与管座4之间通过玻璃密封，并达到管脚3与管座4绝缘的目的，实现激光芯片正极和激光芯片负极与外部单独的电气连接。

而高速器件中，激光芯片发热量大，过渡热沉散热不能满足激光芯片的散热，导致激光芯片上热量集中，过高的温度影响激光芯片的使用寿命和工作的稳定性。同时激光芯片与管座的打线长度对高速器件的性能也至关重要。因为打线在高频特性上可以等效于一个同时具有电阻和电感特性的元件，而打线的长度越长，寄生电感越大，同时在生产中打线长度以及弧度的不可控因素较多，导致器件封装时难以准确预估打线实际等效的电阻电感效应，器件性能不可控，同时电阻和电感的引入会对器件的高频特性造成影响，不利于高频传输。因此在高速器件封装中，希望打线的长度尽量短，线弧高度尽量低，打线数量要求尽量多，目的是为了减少寄生参数，提高器件的性能。

本技术方案中，加强激光芯片的散热，减短激光芯片与管脚之间打线的长度来减少寄生参数，提高器件的性能，具体如下。

一种同轴TO封装的激光器包括带有管脚的底座、激光芯片以及设置于所述底座表面的半导体制冷器。

半导体制冷器表面设有导热基体，导热基体的表面设置激光芯片及第三导电层，激光芯片与第三导电层打线连接。

设置于底座表面且位于导热基体两侧的第一基体及第二基体。

第一基体的表面设置第一导电层，第一导电层与底座的第一管脚焊接，第一导电层与第三导电层打线连接。

第二基体的表面设置第二导电层，第二导电层与底座的第二管脚焊接，第二导电层与第三导电层打线连接。

上述同轴TO封装的激光器的底座的半导体制冷器的表面设有导热基体，同时，于导热基体的两侧设有与导热基体分离的第一基体、第二基体。第一导电层与所述第三导电层打线连接。所述第二导电层与所述第三导电层打线连接。激光芯片产生的热量通过散热基体、半导体制冷器向底座传导，而底座上还具有第一基体及第二基体，散热基体与第一基体、第二基体相互分离，避免了热量从底座、第一基体、第二基体回传到散热基体上，保证激光芯片的散热效果。激光芯片与第三导电层打线连接，第三导电层分别与第一导电层、第二导电层打线连接，第一导电层、第二导电层与管脚焊接，这种激光芯片与管脚的电连接方式以及半导体制冷器的配合设置，与现有技术中激光芯片与管脚直接打线连接相比，缩短了整体打线的长度，又解决了高速率激光芯片的散热，利于高速信号的传输。

较佳的，请参阅图2，同轴TO封装的激光器10包括带有至少两根管脚40的TO管座20、激光芯片30、第一基体512、、第二基体532、导热基体552以及半导体制冷器80。

激光芯片30的正极引脚、负极引脚分别与一个管脚40对应。在此，与激光芯片30的正极引脚对应的管脚定义为第一管脚42，与激光芯片30的负极引脚对应的管脚定义为第二管脚44，以方便进行说明。

第一基体512设于管座20上。第一基体512位于激光芯片30的正极引脚与第一管脚42之间，第一基体512的第一表面上形成的第一导电层514。

第二基体532设于管座20上，第二基体532位于激光芯片30的负极引脚与第二管脚44之间，第二基体532的第一表面上形成的第二导电层534。

导热基体552设于半导体制冷器80表面。导热基体552的第一表面上形成第三导电层。具体实施过程中，第三导电层是分为相互独立的正极导电层554与负极导电层556以便于与激光芯片30电连接。激光芯片30设于正极导电层554或者负极导电层556。当激光芯片设于正极导电层554时(参阅图3)，则激光芯片30的负极引脚与负极导电层556用多根键合导线连接，且激光芯片30得设于正极、负极导电层556的交界处，以保证负极引脚与负极导电层556间的键合导线较短。

第一导电层514与对应的管脚40、正极导电层554均紧邻，第一导电层514与对应的管脚40导电焊料粘接，所述第一导电层514与正极导电层554打线连接；第二导电层534与对应的管脚40、负极导电层556均紧邻，第二导电层534与对应的管脚40导电焊料粘接，所述第二导电层534与负极导电层556打线连接。

上述较佳的方案中，半导体制冷器80直接设在导热基体552的下方。同轴TO封装的激光器10的激光芯片30的正、负极引脚与管座20的第一管脚42、第二管脚44之间分别设置第一基体512、第二基体532。第一导电层512与激光芯片30和第一管脚42紧邻、第二导电层532与激光芯片30和第二管脚44紧邻。如此，第一基体512、第二基体532、导热基体552的紧凑结构使得激光芯片30与管座20之间影响寄生参数的打线仅剩下激光芯片30与第一、第二导电层514、第二导电层534之间的电连接所用的打线，大大减小由长打线引起的电阻和电感等寄生参数。同时，激光芯片30的热量直接从导热基体传递至半导体制冷器、至底座，位于底座上相互分离的第一基体、第二基体阻隔热量在此返回导热基体传给激光芯片。总体来说，第一基体、第二基体、导热基体、半导体制冷器的相互之间的配合设置即解决激光芯片的散热问题同时又减小了激光芯片与管脚间打线的长度，满足高频信号传输。

本实施例中，第一基体512、第二基体532、导热基体552均为陶瓷基体。在陶瓷基体的表面牢固地粘附一层金属薄膜，使之实现陶瓷和金属间的焊接，可选的有钼锰法、镀金法、镀铜法、镀锡法、镀镍法、LAP法(激光后金属镀)等多种陶瓷金属化工艺。本实施例中，在陶瓷基体的表面镀金，借用金良好的导电性能，以保证传输信号的质量。在其他的实施例中，也可以采用镀其他的金属如镍、锡、铜等等。

另外，请结合图3，第一导电层514、第二导电层534、正极导电层554和负极导电层556设计必须满足差分信号传输设计，以保证传输信号的质量。因此，为满足差分信号传输设计于第一导电层514形成第一导电图形514、第二导电层534形成第二导电图形、正极导电层554形成正极导电图形、以及负极导电层556形成负极导电图形。更佳的，第一导电图形、第二导电图形相对于激光芯片对称。第一导电图形、第二导电图形、正极导电图形以及负极导电图形的形状、大小、材料根据产品的参数具体设定。

第一导电层与第三导电层的用多根金线连接，第二导电层与第三导电层用多根金线连接。本实施例中，激光芯片30的正极导电层554与第一导电层514用键合金线连接，激光芯片30的负极导电层556与第二导电层534用多根金线键合连接，多根金线能够减少寄生电感，同时借金线良好的导电性能，保证激光芯片30与第一导电层514、第二导电层534间的导电性。

第一导电层514形成于第一基体512的同侧，也就是第一导电层514分布于第一基体512的一个表面。第二导电层534形成于第二基体532的同侧，也就是第二导电层534分布于第二基体532的一个表面。在本实施例中，激光芯片为边发光，为使激光芯片的出光方向垂直于底座的表面。第一导电层514位于第一基体512的侧面。第二导电层534位于第二基体532的侧面。

另外，在其他实施例中，激光芯片为面发光时，激光芯片位于导热基体的上表面，第三导电层也设于导热基体的上表面，那么第一导电层、第二导电层不仅仅形成于第一基体、第二基体的上表面，第一导电层也覆盖于靠近第一管脚的侧面以使得与对应管脚之间的导电焊料的填充最短最稳定。第二导电层也覆盖于靠近第二管脚的侧面以使得与对应管脚之间的导电焊料的填充最短最稳定。

第一导电层、第二导电层与第三导电层齐平。在本实施例中，第一基体512、第二基体532、导热基体552设有第一、第二、正、负极导电层514、534、554、556的表面位于同一平面内。当三者大致位于同一平面内时，则第一导电层514与正极导电层554、第二导电层534与负极导电层556之间的键合导线的弧度较小或者说基本无弧度，降低键合打线的键合难度，提高工艺的可靠性和可操作性。

第一导电层514、第二导电层534靠近管脚40。第一导电层514、第二导电层534与对应的管脚40之间用导电焊料或者导电浆料粘接。以导线焊料或者导电浆料的填充来替换打线，直接避免因打线所产生寄生参数。第三金属化陶瓷550的正、负极导电层556与激光芯片之间为导电焊料或者导电浆料粘接。信号传输经由激光芯片的正极引脚至第一导电层514、第一管脚42传出。

请继续参阅图2，具体在本实施例中，第一基体512、第二基体532、导热基体552均呈长方体状，同时，第一基体512、第二基体532、导热基体552均是较长的边与管座20垂直固定连接，也就是使第一基体512、第二基体532、导热基体552直立设置。第一基体512、第二基体532分别位于导热基体552的左右两侧，对应的两个管脚40分别位于第一、第二基体设有第一、第二导电层514、534的第一表面的正前方，同时第一管脚42、第二管脚44与第一、第二导电层534之间的缝隙足够小，以使得导电焊料或者浆料填充后，充分满足管脚与第一、第二导电层电连接的稳定性。直立设置结构使得整体结构的内部空间紧凑，也充分保证激光芯片30与管脚40之间连接的打线最短。

在其他的实施例中，第一基体512的与第一表面相背的第二表面设有第一过渡热沉62。第二基体532的与第一表面相背的第二表面设有第二过渡热沉64。第二表面均远离管脚40。即第一过渡热沉62、第二过渡热沉64与第一管脚42、第二管脚44分别位于第一基体512、第二基体532的两侧。导热基体552与第一表面相背的第二表面设有第三过渡热沉66。第三过渡热沉66也位于半导体制冷器80的上表面。第一过渡热沉、第二过渡热沉、第三过渡热沉的设置一方面吸收第一基体、第二基体、导热基体的散热，另一方面也对第一基体、第二基体、导热基体起到支撑加强的作用。

请参阅图2和图4，本实施例中，管座20为金属的圆柱形的柱状体，从管座20伸出六个管脚40。激光芯片30位于管座20的中部。由于底座表面放置体积较大的TEC，而体积较TEC小的激光芯片位于TEC上方，所以管脚40在半导体制冷器80的周围环绕排列，为TEC留出放置空间。TEC的存在同样使得管脚与激光芯片的距离较长。管座20与管脚40之间采用玻璃密封封装，玻璃密封封装可以提高封装器件的合格率和可靠性。其中的两个管脚40分别与第一导电层、第二导电层之间用导电焊料或导电浆料填充连接。

同轴TO封装的激光器10还包括有设于半导体制冷器80上的背光监控二极管70。背光监控二极管70通过另外的两个管脚40与外部电连接。

本实施例还提供一种光模块，光模块包括如前述的同轴TO封装的激光器。

以上仅为本发明的较佳可行实施例，并非限制本发明的保护范围，凡运用本发明说明书及附图内容所作出的等效结构变化，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种同轴封装的激光器，其特征在于，包括

带有至少两个管脚的底座、激光芯片以及设置于所述底座表面的半导体制冷器；

所述半导体制冷器表面设有导热基体，所述导热基体的表面设置所述激光芯片及第三导电层，所述激光芯片与所述第三导电层打线连接；

设置于所述底座表面且位于所述导热基体两侧的第一基体及第二基体；

所述第一基体的表面设置第一导电层，所述第一导电层与所述底座的一个管脚焊接，所述第一导电层与所述第三导电层打线连接；

所述第二基体的表面设置第二导电层，所述第二导电层与所述底座的另外一个管脚焊接，所述第二导电层与所述第三导电层打线连接。

2.如权利要求1所述的同轴封装的激光器，其特征在于，所述第一导电层与所述第三导电层用多根金线连接，第二导电层与所述第三导电层用多根金线连接。

3.如权利要求1所述的同轴封装的激光器，其特征在于，所述第一导电层位于第一基体的同一侧，所述第二导电层位于第二基体的同一侧。

4.如权利要求3所述的同轴封装的激光器，其特征在于，所述第一导电层、第二导电层以及第三导电层齐平。

5.如权利要求1所述的同轴封装的激光器，其特征在于，所述第一导电层、第二导电层形成的导电图形相对于所述激光芯片对称。

6.如权利要求1所述的同轴封装的激光器，其特征在于，所述第一基体的背面设有第一过渡热沉，所述第一过渡热沉与所述第一基体导电层相背；所述第二基体的的背面设有第二过渡热沉，所述第二过渡热沉与所述第二基体导电层相背；所述导热基体的背面设有第三过渡热沉，所述第三过渡热沉与所述导线层相背。

7.如权利要求1所述的同轴封装的激光器，其特征在于，所述至少两个以上管脚绕所述半导体制冷器环绕分布。

8.如权利要求1所述的同轴封装的激光器，其特征在于，所述激光芯片的出光方向与所述底座表面垂直。

9.如权利要求1-8所述的同轴封装的激光器，其特征在于，所述第一基体、第二基体为陶瓷基体。

10.一种光模块，其特征在于，包括如权利要求9所述的同轴封装的激光器。