CN109119886B - 一种全无机vcsel器件及其封装方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种全无机VCSEL器件及其封装方法，全无机VCSEL器件包括基座和VCSEL芯片，在基座上设有碗杯，VCSEL芯片设在碗杯内并与基座电连接，在碗杯上设有密封VCSEL芯片的玻璃盖板，玻璃盖板与碗杯的连接方式一种是通过激光焊接或焊料键合，采用激光焊接的封装方法时，先预焊接，在金属框上用激光焊一个或多个焊点，将玻璃盖板固定在碗杯上，再用激光将金属框与碗杯焊接在一起，通过焊料键合时，先在碗杯表面涂覆焊料，再将玻璃盖板放置在碗杯上，然后将基座置于烤箱或回流炉中进行烘烤固化使玻璃盖板与碗杯紧密相连，用本发明的方法封装VCSEL器件，气密性好、可靠性高。
Description
技术领域
本发明属于半导体激光器的封装领域，具体涉及一种全无机VCSEL器件及其封装方法。
背景技术
随着科技的进步，激光技术得到了长足的发展，激光技术的应用越来越广泛，激光一般可分为固体激光、气体激光和半导体激光等，半导体激光器中以砷化镓半导体材料为基础研制的垂直腔面发射激光器(即VCSEL)作为一种新型激光器，其由于具有体积小、圆形输出光斑、单纵模输出、阈值电流小、价格低廉、易集成为大面积阵列等优点，广泛应用于光通信、光互连、光存储等领域，VCSEL可以用来在光纤网络中高速传输数据，其相比传统电缆系统可以以更快的速度传输更大的数据量，尤其是近年来随着3D传感技术的发展，3D传感技术中关键是3D摄像头，3D摄像头在传统摄像头上主要增加“红外光源+光学组件+红外传感器”等部分，其中最关键的部分是红外光源，主动感知的3D摄像头技术通常使用红外光检测目标，传统3D传感系统一般使用LED作为红外光源，但是由于LED不具有谐振腔，导致光束更加发散，在耦合性方面很差，而VCSEL在精确度、小型化、低功耗、可靠性全方面占优势的情况下，所以现有常见的3D摄像头系统一般都采用VCSEL。
由于VCSEL芯片对环境温度、湿度、有害气体和污染物很敏感，所以VCSEL芯片往往需要高气密性的封装，在申请号为201710672726.3，公布日为2017.12.19的专利文件中公开了一种SMD小型化封装的VCSEL制造工艺，其封装VCSEL芯片的方法是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金属框架上，平行封焊又称平行缝焊，平行封焊属于电阻焊，电极通过电极轮在移动的同时转动，在一定的压力下电极之间断续通电，该文献由于电极与光窗玻璃及光窗玻璃与金属框架之间存在接触电阻，焊接电流将在这两个电阻处产生焦耳热量，使光窗玻璃与金属框架之间局部形成熔融状态，凝固后形成焊点，从而将光窗玻璃与金属框架焊接在一起，由于电极轮在焊接时需要滚动，且电极轮与光窗玻璃之间同样会产生焦耳热量而使电极轮磨损，因此电极轮使用寿命短，需要经常更换，且在电阻焊时电极轮与光窗玻璃以及金属框相接触，从而容易损坏光窗等被焊接部件；另外，由于采用平行封焊，通过玻璃窗与金属框熔接实现连接，从而基板上金属层越宽连接性越牢固，但是基板上金属层越宽，则焊接工艺边较大，相应的玻璃的光窗会变小，出光率减小。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种全无机VCSEL器件及其封装方法，解决VCSEL器件在封装时可靠性不高、会产生易损件的问题，提高VCSEL器件稳定性和可靠性。
为达到上述目的，本发明提供了一种全无机VCSEL器件的封装方法，包括以下步骤：
S1、预处理：包括准备VCSEL芯片、设置有碗杯的基座和设有金属层的碗杯；制作玻璃盖板，将玻璃与金属框通过焊料键合或金属氧化物键合，使玻璃与金属框之间形成匹配封接，玻璃的平面度＜0.1mm；
S2、将VCSEL芯片固定在碗杯内；
S3、在真空或惰性气体或中性液体环境下，将玻璃盖板放置在碗杯上；
S4、激光预焊接，在玻璃盖板的金属框上用激光焊一个或多个预焊点，将玻璃盖板固定在碗杯上。
S5、激光焊接，用激光将玻璃盖板的金属框与碗杯焊接在一起。
以上封装方法，步骤S4中激光预焊接的目的是将玻璃盖板预固定在碗杯上，以免下一步焊接工序时玻璃盖板出现翘曲或开裂；焊接的可靠性好；步骤S5使用激光焊接，激光焊接工序使得玻璃盖板和碗杯形成了一个密闭的腔体，激光焊接工序可在金属框与碗杯之间形成规则的焊点，且相邻的各焊点相互重叠，重叠部分的面积应>0％且<100％的焊点面积，单个焊点的熔池具有一定的重叠，气密性好，从而产品的稳定性和可靠性高；通过激光预焊接和激光再焊接，使得玻璃盖板预先固定在碗杯上，从而激光再焊接时只需很小的焊接区域即可实现玻璃盖板与碗杯的连接，焊接的工艺边较小，相应的光窗会变大，出光率会变大。
进一步的，步骤S4中激光预焊接采用脉冲形式输出的激光，主要的工艺参数为：峰值功率为50～200W；平均功率为3-15W；激光器焦点位置为距离被焊接面±5mm；速度>1mm/s；步骤S5中激光焊接采用脉冲形式输出的激光，主要的工艺参数为：峰值功率为50～200W；平均功率为3-15W；激光器焦点位置为距离被焊接面±5mm；速度>1mm/s；激光焊接采用脉冲形式输出的激光，脉冲形式输出的激光便于点焊，不会形成切割效果；实际焊接时是平均功率在起作用，峰值功率须高于或等于平均功率，过高的峰值功率在成本和有效使用率上造成浪费；平均功率过低时无法实现焊接，平均功率过高则容易形成较深的熔池，熔池深处金属在熔化时产生的气体来不及排出，导致焊接效果不佳；在预焊接过程中，采用激光器焦点与被焊接面距离大于5mm，可以产生大的预焊点实现预固定，而在焊接过程中，激光器焦点与被焊接面距离≤±5mm，从而使得焊接面上的光斑小，有利于形成较小的焊接工艺边，同时一般采用负离焦进行焊接，可形成较好的熔深熔宽比，即较好的焊接效果；焊接过程中，本发明所采用的脉冲形式输出的激光焊接的焊接速度>1mm/s，焊接速度快，生产效率高，也便于控制熔深。
本发明还提供了一种全无机VCSEL器件的封装方法，包括以下步骤：
S1、预处理：包括准备VCSEL芯片、设置有碗杯的基座；预备玻璃盖板，玻璃盖板的平面度＜0.1mm；
S2、将VCSEL芯片固定在碗杯内；
S3、在碗杯表面涂覆焊料，焊料涂覆的厚度为0.02～0.5mm；
S4、在真空或惰性气体环境下，将玻璃盖板放置在碗杯上；
S5、将基座置于烤箱或回流炉中进行烘烤固化使玻璃盖板与碗杯紧密相连。
以上封装方法，步骤S3中在碗杯表面涂覆焊料时，如果焊料太薄工艺上较难实现焊料均匀性，容易形成空洞；如果焊料太厚容易造成溢出；在真空或惰性气体下，将玻璃盖板放置在碗杯上，便于形成玻璃盖板与碗杯密封空间内为真空环境，防止密封空间内存在氧气从而导致密封空间内材料的氧化；步骤S5中通过将基座置于烤箱或回流炉中进行烘烤固化连接玻璃盖板与碗杯的方法简单、高效和可靠，焊料固化时无需额外施加压力；玻璃盖板与碗杯通过焊料键合形成密闭腔体，气密性好，采用此封装方法的VCSEL器件具有气密性好、可靠性高、稳定性好的优点。
进一步的，步骤S1中预备的玻璃盖板为设有金属层的玻璃盖板，在步骤S5之前还包括激光预焊接步骤，激光预焊接步骤：在玻璃盖板上用激光焊接一个或多个点，将玻璃盖板固定在碗杯上，激光焊预焊接采用脉冲形式输出的激光，主要的工艺参数为：峰值功率为50～200W；平均功率为3-15W；激光器焦点位置为距离被焊接面±5mm。在玻璃盖板上设置金属层后，可以通过激光焊将玻璃盖板预固定在碗杯上，防止在将基座置于烤箱或回流炉中烘烤固化时玻璃盖板处于无限制的状态而在碗杯上发生位移进而影响玻璃盖板可靠地固定在碗杯上。
进一步的，步骤S1中预备的玻璃盖板位设有金属框的玻璃盖板，在步骤S5之前还包括激光焊预焊接步骤，激光预焊接步骤包括：在玻璃盖板上用激光焊接一个或多个预焊点，将玻璃盖板固定在碗杯上，激光焊预焊接采用脉冲形式输出的激光，主要的工艺参数为：峰值功率为50～200W；平均功率为3-15W；激光器焦点位置为距离被焊接面±5mm。通过在玻璃的边缘设置金属框形成玻璃盖板，金属框与碗杯通过激光焊接实现预固定，防止在将基座置于烤箱或回流炉中烘烤固化时玻璃盖板处于无限制的状态而在碗杯上发生位移进而影响玻璃盖板固定在碗杯上，同时金属框能确保激光预焊接的足够厚度，防止由于玻璃盖板上金属层太薄从而导致焊接不牢固的问题发生。
进一步的，步骤S5中烤箱或回流炉的升温速率控制在1～20℃/S；降温速率控制在1～5℃/S；烤箱或回流炉内基座的峰值温度≤340℃。如果升温太快容易造成玻璃、碗杯和焊料三者间的拉扯力过大，导致玻璃破裂；同样，降温不可过快，降温过快也容易导致玻璃破裂；芯片的耐温一般低于320℃，所以烤箱或回流炉内基座的峰值温度≤340℃。
本发明又提供一种全无机VCSEL器件，包括基座和VCSEL芯片，在基座上设有碗杯，碗杯顶面设有金属层，VCSEL芯片设在碗杯内并与基座电连接，在碗杯上设有密封VCSEL芯片的玻璃盖板，玻璃盖板包括玻璃和金属框，玻璃的平面度＜0.1mm，玻璃与金属框之间通过焊料键合或金属氧化物键合结合在一起，金属框与碗杯上金属层之间通过激光焊焊接在一起。
以上设置，玻璃的平面度越小，对射出的激光角度的影响越小，且VCSEL芯片发出的激光被反射和折射掉的越少，激光的损耗越小；金属框与碗杯之间通过激光焊焊接在一起，激光焊接通过多个焊点相连，焊缝牢固，且焊接形成的区域小激光焊接的工艺边小，能缩小VCSEL器件的体积，推动VCSEL器件往微型化方向发展；激光焊接焊缝牢固，气密性更好，可靠性高、稳定性好；而使用激光焊接不需要使用电极轮这样的易损件，不需要定期更换电极轮，能降低生产成本和提高生产效率，全无机VCSEL器件不使用有机材料，防止了有机材料由于耐热性、气密性和可靠性等性能不佳而使VCSEL器件不适于在高温高湿等恶劣环境下工作的缺点。采用激光焊接工艺封装的VCSEL器件具有可靠性高、气密性高的优点，适合在各种环境下使用。
进一步的，玻璃盖板与金属框之间热膨胀系数之间的差值小于10％，由于玻璃盖板与金属框之间的热膨胀系数之间的差值小于10％，能防止由于玻璃盖板与金属框之间的热膨胀系数相差过大导致金属框受热膨胀导致玻璃盖板损坏。
本发明再提供一种全无机VCSEL器件，包括基座和VCSEL芯片，在基座上设有碗杯，VCSEL芯片设在碗杯内并与基座电连接，在碗杯上设有密封VCSEL芯片的玻璃盖板，玻璃盖板的平面度＜0.1mm，玻璃盖板与碗杯之间通过焊料键合。玻璃的平面度越好，对射出的激光角度的影响越小，且VCSEL芯片发出的激光被反射和折射掉的越少，激光的损耗越小；玻璃与碗杯之间采用焊料熔接，防止了有机焊料由于耐热性、气密性和可靠性等性能不佳而使VCSEL器件不适于在高温高湿等恶劣环境下工作的缺点；以上设置简单、高效、可靠，焊料固化时无需额外施加压力。玻璃盖板与碗杯通过焊料键合形成密闭腔体，气密性好。采用此结构的VCSEL器件具有气密性好、可靠性高的优点。
进一步的，玻璃盖板、焊料与碗杯上表面材料之间热膨胀系数之间的差值小于10％，这样能防止由于碗杯上金属层受热膨胀导致玻璃盖板损坏情况的发生。
附图说明
图1为本发明实施例1中一种全无机VCSEL器件采用平面硬质玻璃的结构示意图。
图2为本发明实施例1中一种全无机VCSEL器件采用玻璃透镜的结构示意图。
图3为本发明实施例2中一种全无机VCSEL器件采用平面硬质玻璃的结构示意图。
图4为本发明实施例2中一种全无机VCSEL器件采用玻璃透镜的结构示意图。
图5为本发明实施例3中一种全无机VCSEL器件采用平面硬质玻璃的结构示意图。
图6为本发明实施例3中一种全无机VCSEL器件采用玻璃透镜的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对发明做进一步详细说明。
实施例1
如图1和图2所示，一种全无机VCSEL器件，包括基座1a，在基座1a上开设凹槽形成碗杯2a或在基座1a上设置的围坝形成碗杯2a，在碗杯2a内设置VCSEL芯片3a，VCSEL芯片3a与基座1a电连接。
将玻璃4a和金属框5a通过焊料键合或金属氧化物键合方式结合在一起形成玻璃盖板，其中焊料键合即在玻璃4a和金属框5a之间采用焊料熔接，金属氧化物键合即将玻璃4a上金属材料与金属框5a的金属材料进行熔接；玻璃4a为平面硬质玻璃或玻璃透镜，玻璃4a的平面度＜0.1mm，在真空或惰性气体或中性液体环境下，惰性气体可以是氮气等，中性液体为PH值接近7的液体；将玻璃盖板放置在碗杯2a上，然后将金属框5a与碗杯2a通过激光焊焊接在一起。
玻璃4a的平面度越好，对射出的激光角度的影响越小，且VCSEL芯片3a发出的激光被反射和折射掉的越少，激光的损耗越小；玻璃4a对红外波段光的透过率>90％为佳，透过率越高，出光量越多；且玻璃4a与金属框5a之间的热膨胀系数之间的差值<10％，匹配封接才可靠。
在激光焊接工艺中，激光是打在金属框5a上，两者的热导率和比热容不同，当金属框5受激光焊接的瞬间热冲击时，金属框5a受热膨胀，且热量传导至玻璃4a，三者间的热膨胀系数差别越小，相互拉扯力越小，玻璃4a越不容易破裂；在使用时，热膨胀系数差别越小，在温度变化时，三种材料的内应力更小，从而三者之间的拉扯力越小，越不容易出现结合失效，可靠度更高；玻璃4a的外形尺寸应小于或等于碗杯2a的外形尺寸。
为了将VCSEL芯片3a发出的光均匀化分布，在玻璃4a的底面上设置光扩散层，或在VCSEL芯片3a与玻璃4a之间设置光扩散片6a，光扩散片6a固定在碗杯上，图1示意出设置有光扩散片的结构。
本实施例中，金属层为铝、铜、金、银、铁或它们的合金或可伐合金；所述的金属框为铝、铜、金、银、铁或它们的合金或可伐合金。
全无机VCSEL器件不使用有机材料，防止了有机材料由于耐热性、气密性和可靠性等性能不佳而使VCSEL器件不适于在高温高湿等恶劣环境下工作的缺点；采用激光焊接工艺封装的VCSEL器件具有可靠性高、气密性高的优点，适合在各种环境下使用。
实施例2
如图3和图4所示，一种全无机VCSEL器件，包括基座1b，在基座1b上开设凹槽形成碗杯2b或在基座1b上设置围坝碗杯2b，在碗杯2b内设置VCSEL芯片3b，VCSEL芯片3b与基座1b电连接。
玻璃盖板4b为整块玻璃结构、设有金属层的玻璃盖板或设有金属框的玻璃盖板，玻璃盖板的平面度＜0.1mm，玻璃盖板4b中玻璃为平面硬质玻璃或玻璃透镜，在真空或惰性气体下，惰性气体可以是氮气等；将玻璃盖板4b放置在碗杯2b上，然后将玻璃盖板4b与碗杯2b通过焊料键合，焊料为金属焊料、金属和无机物混合焊料或烧结银胶。玻璃盖板4b的平面度越好，对射出的激光角度的影响越小，且VCSEL芯片3b发出的激光被反射和折射掉的越少，激光的损耗越小；玻璃盖板4b对红外波段光的透过率>90％为佳。玻璃盖板4b、焊料与碗杯2b的热膨胀系数之间的差值小于10％，由于玻璃、焊料和碗杯之间热膨胀系数差别不大，实现玻璃盖板4b、焊料、碗杯2b三者之间的热膨胀系数匹配，防止碗杯受热膨胀损坏玻璃。
为了将VCSEL芯片3b发出的光均匀化分布，在玻璃盖板4b的底面上设置光扩散层，或在VCSEL芯片3b与玻璃盖板4b之间设置光扩散片(图中未示意出来)，光扩散片固定在碗杯上。
全无机VCSEL器件不使用有机材料，防止了有机材料由于耐热性、气密性和可靠性等性能不佳而使VCSEL器件不适于在高温高湿等恶劣环境下工作的缺点；通过将基座1b置于烤箱或回流炉中进行烘烤固化连接玻璃4b与碗杯2b的方法简单、高效和可靠，焊料固化时无需额外施加压力；玻璃4b与碗杯2b通过焊料键合形成密闭腔体，气密性好。采用此结构的VCSEL器件具有气密性好、可靠性高的优点。
实施例3
如图5和图6所示，一种全无机VCSEL器件，包括基座1b，在基座1b上开设凹槽形成碗杯2b或在基座1b上设置围坝碗杯2b，在碗杯2b内设置VCSEL芯片3b，VCSEL芯片3b与基座1b电连接。
玻璃盖板4b为设有金属层的玻璃盖板或设有金属框的玻璃盖板，玻璃盖板的平面度＜0.1mm，玻璃盖板4b中玻璃为平面硬质玻璃或玻璃透镜，本实施例是设有金属框的玻璃盖板，设有金属层的玻璃盖板为在玻璃盖板底面上设有金属层，具体可以通过电镀方式形成金属层，在真空或惰性气体下，惰性气体可以是氮气等；将玻璃盖板4b放置在碗杯2b上，然后玻璃盖板4b上通过激光焊形成一个以上预焊点，然后将玻璃盖板4b与碗杯2b通过焊料键合，焊料为金属焊料、金属和无机物混合焊料或烧结银胶。通过在玻璃盖板4b上先通过激光焊形成预焊点，从而能有效地防止玻璃盖板4b在碗杯2b上飘移，使得玻璃盖板4b可靠地固定在碗杯2b上，玻璃盖板4b的平面度越好，对射出的激光角度的影响越小，且VCSEL芯片3b发出的激光被反射和折射掉的越少，激光的损耗越小；玻璃盖板4b对红外波段光的透过率>90％为佳。玻璃盖板4b、焊料与碗杯2b的热膨胀系数之间的差值小于10％，由于玻璃、焊料和碗杯之间热膨胀系数差别不大，实现玻璃盖板4b、焊料、碗杯2b三者之间的热膨胀系数匹配，防止碗杯受热膨胀损坏玻璃。
为了将VCSEL芯片3b发出的光均匀化分布，在玻璃盖板4b的底面上设置光扩散层，或在VCSEL芯片3b与玻璃盖板4b之间设置光扩散片6a，光扩散片固定在碗杯上。
全无机VCSEL器件不使用有机材料，防止了有机材料由于耐热性、气密性和可靠性等性能不佳而使VCSEL器件不适于在高温高湿等恶劣环境下工作的缺点；通过将基座1b置于烤箱或回流炉中进行烘烤固化连接玻璃4b与碗杯2b的方法简单、高效和可靠，焊料固化时无需额外施加压力；玻璃4b与碗杯2b通过焊料键合形成密闭腔体，气密性好。采用此结构的VCSEL器件具有气密性好、可靠性高的优点。
实施例4
如图1和图2所示，本发明提供了一种全无机VCSEL器件的封装方法，包括以下步骤：
S1、预处理：包括准备VCSEL芯片3a、设置有碗杯2a的基座1a和设有金属层的碗杯2a，设有金属层的碗杯2a可以是通过碗杯2a上通过物理方法蒸镀金属层，在电化学法制备厚金属层最后形成金属层，也可以是将碗杯2a由金属材料制成，从而碗杯2a上具有金属层；制作玻璃盖板，将玻璃4a与金属框5a通过焊料键合或金属氧化物键合，使玻璃4a与金属框5a之间形成匹配封接，玻璃4a的平面度＜0.1mm；
S2、将VCSEL芯片3a固定在碗杯2a内；
S3、在真空或惰性气体或中性液体环境下，真空环境即进行抽真空处理，惰性气体可以是氮气等，中性液体为PH值接近7的液体；将玻璃盖板放置在碗杯2a上；
S4、激光预焊接，在玻璃盖板的金属框5a上用激光焊一个或多个预焊点，预焊点在玻璃周边均匀分布，并相对于玻璃盖板51对称分布，将玻璃盖板固定在碗杯2a上。激光预焊接采用脉冲形式输出的激光，主要的工艺参数为：峰值功率为50～200W；平均功率为3-15W；激光器焦点位置为距离被焊接面±5mm；速度>1mm/s；
S5、激光焊接，用激光将玻璃盖板的金属框5a与碗杯2a焊接在一起。激光焊接采用脉冲形式输出的激光，主要的工艺参数为：峰值功率为50～200W；平均功率为3-15W；激光器焦点位置为距离被焊接面±5mm；速度>1mm/s。
本实施例中，金属层为铝、铜、金、银、铁或它们的合金或可伐合金；所述的金属框为铝、铜、金、银、铁或它们的合金或可伐合金。
本实施例的封装方法，步骤S4中激光预焊接的目的是将玻璃盖板预固定在碗杯2a上，以免下一步焊接工序时玻璃盖板出现翘曲或开裂；焊接的可靠性好；步骤S5使用激光焊接，激光焊接工序使得玻璃盖板和碗杯2a形成了一个密闭的腔体，激光焊接工序可在金属框5a与碗杯2a之间形成规则的焊点，且相邻的各焊点相互重叠，重叠部分的面积应>0％且<100％的焊点面积单个焊点的熔池具有一定的重叠，气密性好，从而产品的稳定性和可靠性高；通过激光预焊接和激光再焊接，使得玻璃盖板预先固定在碗杯2a上，从而激光再焊接时只需很小的焊接区域即可实现玻璃盖板与碗杯2a的连接，焊接的工艺边较小，相应的光窗会变大，出光率会变大。
实施例5
如图3和图4所示，本发明又提供了一种全无机VCSEL器件的封装方法，包括以下步骤：
S1、预处理：包括准备VCSEL芯片3b、设置有碗杯2b的基座1b；预备玻璃盖板4b，玻璃盖板4b为整块玻璃结构、设有金属层的玻璃盖板或设有金属框的玻璃盖板，其中玻璃盖板的平面度＜0.1mm，玻璃盖板中玻璃为平面硬质玻璃或玻璃透镜；
S2、将VCSEL芯片3b固定在碗杯2b内；
S3、在碗杯2b表面涂覆焊料，焊料涂覆的厚度为0.02～0.5mm；
S4、在真空或惰性气体环境下，真空环境即进行抽真空处理，惰性气体可以是氮气等，将玻璃盖板4b放置在碗杯2b上；
S5、将基座1b置于烤箱或回流炉中进行烘烤固化使玻璃盖板与碗杯2b紧密相连。烤箱或回流炉的升温速率控制在1～20℃/S；降温速率控制在1～5℃/S；烤箱或回流炉内基座的峰值温度≤340℃。
本实施例的封装方法，步骤S3中在碗杯2b表面涂覆焊料时，如果焊料太薄工艺上较难实现焊料均匀性，容易形成空洞；如果焊料太厚容易造成溢出，本实施例中焊料选用金属焊料、金属无机物混合焊料或烧结银胶；在真空或惰性气体下，将玻璃盖板放置在碗杯上，便于形成玻璃盖板与碗杯密封空间内为真空环境，防止密封空间内存在氧气从而导致密封空间内材料的氧化；步骤S5中通过将基座置于烤箱或回流炉中进行烘烤固化连接玻璃盖板与碗杯2b的方法简单、高效和可靠，焊料固化时无需额外施加压力；玻璃盖板与碗杯2b通过焊料键合形成密闭腔体，气密性好，采用此封装方法的VCSEL器件具有气密性好、可靠性高、稳定性好的优点。
实施例6
如图5和图6所示，本发明还提供了一种全无机VCSEL器件的封装方法，包括以下步骤：
S1、预处理：包括准备VCSEL芯片3b、设置有碗杯2b的基座1b；预备玻璃盖板4b，本实施例中，玻璃盖板4b为设置了金属层的玻璃盖板或设置了金属框的玻璃盖板(图中金属层和金属框未示意出来)，玻璃盖板4b的平面度＜0.1mm；
S2、将VCSEL芯片3b固定在碗杯2b内；
S3、在碗杯2b表面涂覆焊料，焊料涂覆的厚度为0.02～0.5mm；
S4、在真空或惰性气体环境下，真空环境即进行抽真空处理，惰性气体可以是氮气等，将玻璃盖板4b放置在碗杯2b上；
S4.1、激光预焊接，在玻璃盖板4b上用激光焊一个或多个预焊点，预焊点在玻璃盖板4b周边均匀分布，并相对于玻璃盖板4b对称分布，将玻璃盖板4b固定在碗杯2b上。激光预焊接采用脉冲形式输出的激光，主要的工艺参数为：峰值功率为50～200W；平均功率为3-15W；激光器焦点位置为距离被焊接面±5mm；
S5、将基座1b置于烤箱或回流炉中进行烘烤固化使玻璃盖板4b与碗杯2b紧密相连。烤箱或回流炉的升温速率控制在1～20℃/S；降温速率控制在1～5℃/S；烤箱或回流炉内基座的峰值温度≤340℃。
本实施例的封装方法，步骤S3中在碗杯2b表面涂覆焊料时，如果焊料太薄工艺上较难实现焊料均匀性，容易形成空洞；如果焊料太厚容易造成溢出，本实施例中焊料选用金属焊料、金属和无机物混合焊料或烧结银胶；在真空或惰性气体下，将玻璃盖板4b放置在碗杯上，便于使玻璃盖板4b与碗杯2b的密封空间形成真空环境，防止密封空间内存在氧气从而导致密封空间内材料的氧化；步骤S4.1中通过激光预焊接，将玻璃盖板4b预固定在碗杯2b上，防止在将基座1b置于烤箱或回流炉中烘烤固化时玻璃盖板4b处于无限制的状态而玻璃盖板在碗杯上发生飘移进而影响玻璃盖板可靠地固定在碗杯上；步骤S5中通过将基座置于烤箱或回流炉中进行烘烤固化连接玻璃盖板4b与碗杯2b的方法简单、高效和可靠，焊料固化时无需额外施加压力；玻璃盖板4b与碗杯2b通过焊料键合形成密闭腔体，气密性好，采用此封装方法能简化生产工艺，节约生产成本，提高生产效率，采用此封装方法生产的VCSEL器件具有气密性好、可靠性高、稳定性好的优点。
Claims (9)
1.一种全无机VCSEL器件的封装方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、预处理：包括准备VCSEL芯片、设置有碗杯的基座和设有金属层碗杯；制作玻璃盖板，将玻璃与金属框通过焊料键合或金属氧化物键合，使玻璃与金属框之间形成匹配连接，玻璃的平面度＜0.1mm；
S2、将VCSEL芯片固定在碗杯内；
S3、在真空或惰性气体或中性液体环境下，将玻璃盖板放置在碗杯上；
S4、激光焊预焊接，在玻璃盖板的金属框上用激光焊一个或多个预焊点，将玻璃盖板固定在碗杯上；激光预焊接采用脉冲形式输出的激光，工艺参数为：峰值功率为50~200W；平均功率为3-15W；激光器焦点位置距离被焊接面±5mm；速度＞1mm/s；
S5、激光焊焊接，用激光将玻璃盖板的金属框与碗杯上金属层焊接在一起形成一个密闭的腔体；相邻的各焊点相互重叠，重叠部分的面积＞0%且＜100%；激光焊接采用脉冲形式输出的激光，工艺参数为：峰值功率为50~200W；平均功率为3-15W；激光器焦点位置距离被焊接面±5mm；速度＞1mm/s。
2.一种全无机VCSEL器件的封装方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、预处理：包括准备VCSEL芯片、设置有碗杯的基座；预备玻璃盖板，玻璃盖板的平面度＜0.1mm；
S2、将VCSEL芯片固定在碗杯内；
S3、在碗杯表面涂覆焊料，焊料涂覆的厚度为0.02~0.5mm；
S4、在真空或惰性气体环境下，将玻璃盖板放置在碗杯上；
S5、将基座置于烤箱或回流炉中进行烘烤固化使玻璃盖板与碗杯紧密相连；玻璃盖板与碗杯通过焊料键合形成密闭腔体；在步骤S5之前还包括激光预焊接步骤，激光预焊接步骤包括：在玻璃盖板上用激光焊接一个或多个预焊点。
3.根据权利要求2中所述的一种全无机VCSEL器件的封装方法，其特征在于：步骤S1中预备的玻璃盖板为设有金属层的玻璃盖板，将玻璃盖板固定在碗杯上，激光焊预焊接采用脉冲形式输出的激光，主要的工艺参数为：峰值功率为50~200W；平均功率为3-15W；激光器焦点位置为距离被焊接面±5mm。
4.根据权利要求2中所述的一种全无机VCSEL器件的封装方法，其特征在于：步骤S1中预备的玻璃盖板为设有金属框的玻璃盖板，将玻璃盖板固定在碗杯上，激光焊预焊接采用脉冲形式输出的激光，主要的工艺参数为：峰值功率为50~200W；平均功率为3-15W；激光器焦点位置为距离被焊接面±5mm。
5.根据权利要求2中所述的一种全无机VCSEL器件的封装方法，其特征在于：步骤S5中烤箱或回流炉的升温速率控制在1~20℃/S；降温速率控制在1~5℃/S；烤箱或回流炉内基座的峰值温度≤340℃。
6.一种全无机VCSEL器件，包括基座和VCSEL芯片，其特征在于：在基座上设有碗杯，碗杯顶面设有金属层，VCSEL芯片设在碗杯内并与基座电连接，在碗杯上设有密封VCSEL芯片的玻璃盖板，玻璃盖板包括玻璃和金属框，玻璃的平面度＜0.1mm，玻璃与金属框之间通过焊料键合或金属氧化物键合方式结合在一起，金属框与碗杯上金属层之间通过激光焊焊接在一起形成一个密闭的腔体；激光焊接形成预焊点，预焊点在玻璃周边均匀分布，并相对于玻璃盖板对称分布；相邻的各焊点相互重叠，重叠部分的面积＞0%且＜100%。
7.根据权利要求6所述的一种全无机VCSEL器件，其特征在于：所述玻璃盖板与金属框之间热膨胀系数之间的差值小于10%。
8.一种全无机VCSEL器件，包括基座和VCSEL芯片，其特征在于：在基座上设有碗杯，VCSEL芯片设在碗杯内并与基座电连接，在碗杯上设有密封VCSEL芯片的玻璃盖板，玻璃盖板的平面度＜0.1mm，玻璃盖板与碗杯之间通过焊料键合形成密闭腔体；玻璃盖板与碗杯之间通过激光预焊接。
9.根据权利要求8所述的一种全无机VCSEL器件，其特征在于：所述玻璃盖板、焊料与碗杯上表面材料之间热膨胀系数之间的差值小于10%。
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| GR01 | Patent grant | ||
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