CN110854669A - 一种to管座封装结构及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光通信器件设计制造技术领域，尤其涉及一种TO管座封装结构及其制造方法。TO管座封装结构，包括TO管座，TO管座包括可伐合金材质的安装座以及设置在安装座上的热沉；安装座上设有多个引线孔，各引线孔内分别设置有引线；安装座上还设置有安装孔，安装孔穿安装座，热沉从安装孔中插入并通过银铜钎焊密封连接。本发明还涉及一种TO管座封装结构制造方法，包括如下步骤：加工安装座1，焊接引线3；加工热沉2等步骤，本发明的TO管座结构，热效率高，寿命长，电光转化效率高，基于本发明的结构及其制造方法，具有定位精度容易保证，且安装效率高等特点，实现简化结构、降低生产难度和成本，提高产品性能的效果。
Description
技术领域
本发明属于光通信器件设计制造技术领域，尤其涉及一种TO管座封装结构及其制造方法。
背景技术
TO封装包含两个元件：管座和管帽。管座确保为封装元件提供电信号，而管帽则保证光学信号的顺利传输。TO管座(又称基座)为安装半导体、激光二极管或简单电路等电子和光学元件提供了机械基础，同时通过引线为封装元件提供电信号。在光电应用中，TO管座可被用于所有传统应用领域(也可用于收发器的发射机端(TOSA)和接收器端(ROSA))，以及高速数据传输、红外线应用等领域。TO管座内部安装的激光器芯片以及各透镜等结构之间具有极高的精度要求，但在实际使用过程中，激光器芯片将会产生大量的热，由于TO管座内各部分材料的热膨胀系数不同，将会导致原有的位置精度无法保持，同时，TO管座内部密封性要求较高，一般采用焊接的方式进行封接处理，但焊接过程中产生的热量也会导致材料不同程度的热变形，因此会导致在不同材料焊接时存在不匹配，焊接工艺要求非常高，上述种种问题导致现有的TO管座产品难以在精度、寿命以及成本之间取得较好的协调，限制了TO管座的技术水平以及应用范围。
发明内容
本发明创造的目的在于，提供一种结构简单，制造成本较低但散热效果好的TO管座封装结构，并提供一种有利于提高TO管制造精度，提高激光器性能的制造方法。
为实现上述目的，本发明创造采用如下技术方案。
一种TO管座封装结构，包括TO管座，TO管座包括可伐合金材质的安装座1以及设置在安装座1上的热沉2；安装座1上设有多个引线孔1a，各引线孔1a内分别设置有引线3；安装座1上还设置有安装孔1c，安装孔1c穿安装座1，热沉2从安装孔1c中插入并通过银铜钎焊密封连接。
对前述TO管座封装结构的进一步改进优化还包括，引线3通过玻璃焊封接在引线孔1a中；引线由可伐合金制作，还包括设置在引线3与安装座1之间的玻璃密封件4，玻璃密封件4是将引线3插入引线孔1a后通过玻璃焊封接形成。
对前述TO管座封装结构的进一步改进优化还包括，热沉2的下端面与安装座1为光滑平面且共面设置。
对前述TO管座封装结构的进一步改进优化还包括，安装座1包括位于上下方的两个平滑的端面，引线孔1a和安装孔1c由垂直于两个端面挖出并贯穿安装座1；
热沉2由安装孔1c上端插入直至热沉2的下端面与安装座1下端大端面齐平；引线3由引线孔1a的下方伸入并从安装座1的上端面伸出以形成接线部3a，热沉2朝向引线3的端面为安装面，安装面上设置有激光器芯片9或激光模组；安装面与安装座1的上端面垂直度0.01mm以内，安装面平面度0.01mm以内。
对前述TO管座封装结构的进一步改进优化还包括，还包括扣设在TO管座上端面的TO管帽5；TO管帽为可伐合金或者不锈钢制作；热沉2为钨铜材料制作；TO管帽5与TO管座1、TO管座1与引线3、TO管座1与热沉2气密连接，气密性＜1×10-9Pa·m3/s。
本发明还涉及一种TO管座封装结构制造方法，包括如下步骤：
①、加工安装座1，钻出引线孔1a以及安装孔1c，安装座1上端面保留0.05～0.1mm单边余量；焊接引线3；
②、加工热沉2，热沉2朝向引线一侧的芯片安装面保留0.05～0.1mm单边余量；
③、热沉2预镀镍处理，将热沉2插入并焊接在安装孔1c中；
④、精加工安装座1上端面以及芯片安装面上需要和管帽平行缝焊的帽沿区域，确保平面度、垂直度、尺寸精度满足要求。
对前述TO管座封装结构制造方法的进一步改进优化还包括，步骤④中，平面度0.01mm、垂直度0.01mm，尺寸精度0.015mm。
对前述TO管座封装结构制造方法的进一步改进优化还包括，步骤①中加工安装座1具体包括：
1.1在数控铣上下料后，打磨上下大端面；
1.2数控铣加工外形，线切割粗加工安装孔1c，保留加工余量；
1.3用砂纸去除零件毛刺及线割积留，超声波清洗后去油吹干，脱脂后冲洗干净，酒精脱水后吹干；
1.4线切割加工安装孔1c，安装座1上端面保留0.05～0.1mm单边余量；用玻璃砂进行全面喷砂处理。
其有益效果在于：
本发明的TO管座结构，能够将芯片组件上的热量快速传导出来，散热效率高，提高激光芯片输出功率的稳定性，减少输出功率应为工作温度升高导致光功率衰减，本发明的TO管座结构持续老化2000小时，输出功率无衰减现象，并且有效降低封闭的腔体内部的温度，相较于传统的TO管座，电光转化效率提升10～15％。基于本发明的结构及其制造方法，热沉2与安装座的封装靠安装孔定位，定位精度容易保证，且安装效率较高，不需要用额外的工装夹具或者耦合设备来定位，降低生产难度以及成本，同时避免了使用夹具或设备装夹过程中引起的产品表面缺陷以及重复处理等问题，实现了在简化结构、降低生产难度和成本的同时，提高产品性能的效果。
附图说明
图1是TO管座封装结构的结构示意图(局部剖切)；
图2是TO管座封装结构的剖切示意图。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明创造作详细说明。
本发明涉及一种TO管座封装结构，TO管是各类激光器的基础硬件，是保证激光器持续稳定工作，完成各类光电转换的基础。激光器行业常用的几类材料包括下表1中的几种；
表1激光器常用材料性能
通常情况下，TO管座由用于支撑整体结构以及连接引线及其他结构的安装座以及固定设置在安装座上的热沉2构成，安装座用于安装或连接引线以及密封盖等结构，热沉2用于安装激光器芯片9；由表1可知，为提高激光器精度，热沉2一般采用可伐合金、铜以及钨铜材质制作，但可伐合金导热系数较差，不适宜直接安装激光器芯片9，一般采用铜或者钨铜，既具有与激光器芯片9较佳的匹配度，有具有极好的散热能力，安装座则一用可伐合金或者陶瓷材料等。此根据材料特性以及激光器性能需求，市面上主要有表2所示几类产品：
表2现有产品主要结构、材料及其优缺点
现有产品中A类产品虽然具有较好的加工精度，材料选型很难兼顾热导率和热膨胀系数都能满足产品设计要求。如安装座材料选择KOVAR，与引线热膨胀系数能很好的满足要求，但是不能很好的满足激光器芯片散热要求。如安装座材料选择散热极好的无氧铜，能很好的满足散热要求，但是不能较好满足于引线及芯片材料热膨胀系数匹配性。如安装组件选择同时能较好满足散热和热膨胀系数要去的钨铜材料，则由于钨铜材料成本相对较高，零件加工成本高，而且钨铜与管帽可伐材料平行缝焊(电阻焊)性能不佳。
B类产品安装座和热沉为分体式且不贯穿贴装，虽然能较好的满足散热性和热膨胀系数匹配要求，加工成本也不高。由于热沉与安装座贴装会存在误差，且两个零件加工也存在误差，这样单个零件的加工误差和组装误差累计在一起就会导致整个管座精度不高，光路的准直精度也就不高，降低了后续耦合效率。热沉2在密封壳内部，氮化铝陶瓷热沉2与可伐合金安装座之间热量传导效率低(可伐合金热导率低)，导致热量容易集聚在高密封性的壳内，散热性差，器件工作温度上升，容易降低芯片地电光转化效率，降低寿命。
为此本发明提供一种改进的TO管座封装结构，如图1所示，TO管座包括可伐合金材质的安装座1以及设置在安装座1上的热沉2；其中安装座1上设有多个引线孔1a，各引线孔1a内分别设置有引线3；安装座1上还设置有安装孔1c，安装孔1c穿安装座1，热沉2从安装孔1c中插入并通过银铜钎焊密封连接。
与现有产品不同的是，本发明的热沉2不是焊接在安装座的上端面A或者槽中，而是贯穿安装座并与安装座下端平行或伸出，基于此结构，使得热沉2可以直接与外部接触，激光器芯片9上的热量可以直接逸散到外部，避免热量难以在不同材质的热沉2与安装座之间传导以及热量只是逸散到壳体内部，未达到实际散热效果的弊端。
实际效果可参考表3：
表3现有产品与本发明的成本与性能比较
本实施例中，引线3通过玻璃焊封接在引线孔1a中；引线由可伐合金制作，还包括设置在引线3与安装座1之间的玻璃密封件4，玻璃密封件4是将引线3插入引线孔1a后通过玻璃焊封接形成。
基于前述结构，可伐合金的安装座以及引线和玻璃焊料具有良好的匹配性，使得焊接完成后具有极好的密封性，同时对焊接工艺的要求相较于产品A大幅下降，有效降低了制造成本以及材料成本，下端直接与外部气体或冷却介质或结构连接的热沉2能够快速传导热量，保证激光器芯片9始终处于适宜的工作温度，始终具有高光电转化效率，并可以安装更大功率的激光器，进而实现了在有限成本的前提下极大提高激光器的性能和适用范围的目的。
本发明的TO管座结构，能够将芯片组件上的热量快速传导出来，散热效率高，有效降低封闭的腔体内部的温度，相较于传统的TO管座，内部平均温度降低4～6℃，提升了器件的性能稳定性。基于本发明的结构及其制造方法，热沉2与安装座的封装靠安装孔定位，定位精度容易保证，且安装效率较高，不需要用额外的工装夹具或者耦合设备来定位，降低生产难度以及成本，同时避免了使用夹具或设备装夹过程中引起的产品表面缺陷以及重复处理等问题，实现了在简化结构、降低生产难度和成本的同时，提高产品性能的效果。
本实施例中，热沉2的下端面与安装座1为光滑平面且共面设置。安装座1包括位于上下方的两个平滑的端面，引线孔1a和安装孔1c垂直于两个端面挖出并贯穿安装座1；
热沉2由安装孔1c上端插入直至热沉2的下端面与安装座1下端大端面齐平；引线3由引线孔1a的下方伸入并从安装座1的上端面伸出以形成接线部3a，热沉2朝向引线3的端面为安装面，安装面上设置有激光器芯片9或激光模组；安装面与安装座1的上端面垂直度0.01mm以上，安装面平面度0.01mm以上。
在实际使用时，还包括扣设在TO管座上端面的TO管帽5；TO管帽为可伐合金或者不锈钢制作；热沉2为钨铜材料制作；TO管帽5与TO管座1、TO管座1与引线3、TO管座1与热沉2气密连接，气密性＜1×10-9Pa·m3/s。
本发明还涉及一种TO管座封装结构制造方法，在TO管座加工制造过程中，热沉2、引线均是通过焊接的方式连接固定在安装座1上，由于安装座1以及热沉2尺寸较小，一方面焊接工艺复杂，另一方面，热沉2上的激光器芯片9安装面以及安装座端面之间的垂直度、位置精度的要求非常高，激光器芯片安装面B与透镜中心位置精度越高，激光准直效果越好，整个光器件性能及可靠性越好。一般情况下，加工精度要求：安装面B面的位置相对于安装座中心尺寸精度0.015mm,安装座端面A与安装面B的垂直度0.01mm，安装面B的平面度0.01mm，但焊接过程引起的变形极容易导致原有尺寸的变动，同时焊接过程中残留在安装座或者热沉2表面的焊渣不便于清理，焊接后清理还会引起原有设计尺寸的变动，导致TO管座的产品性能难以保证，同时传统TO管及其制造工艺在将热沉2固定焊接在安装座上的时候，需要利用各类定位夹具保证其高精度，需要额外的各类设备，夹具设备妨碍操作，提高了制造工艺难度，还会在热沉2以及安装座表面留下痕迹甚至破坏，影响激光器产品质量和外观，导致后续还需要额外的程序进行处理，增加了大量工作内容。
为此本发明结合前述TO管结构，提供一种简单方便的制造方法，具体包括如下步骤：
①、加工安装座1，CNC车削加工安装座外形及端面、引线孔1a，慢走丝线割安装孔1c，安装座1上端面保留0.05～0.1mm单边余量；玻璃封焊引线3；
本发明的制造方法中，与传统工艺不同的是，安装座以及热沉2并非在前期一次成型后完成焊接，由于本发明的TO管中设置有安装孔，安装孔在制造过程中作为热沉2与安装座之间固定安装的定位基准，一方面省去了原有制造方法中额外的定位夹具等，另一方面使得再制造时能够根据安装孔与安装座以及热沉2之间的尺寸和位置，通过留余量的方式实现先粗定位焊接，后精加工至安装尺寸的效果，安装座上端面保留余量的另一个重要目的是在后期焊接完毕后，通过消除余量直至达到设计尺寸的同时一次性完全清除表面焊渣以及加工缺陷；而传统工艺中先加工端面后焊接工艺会在安装面残留焊渣，影响激光器性能和外观，且非常难以清理；
②、加工热沉2，热沉2朝向引线一侧的芯片安装面B保留0.05～0.1mm单边余量；
③、热沉2预镀镍处理，将热沉2插入并焊接在安装孔1c中；
在传统工艺中，热沉是焊接在安装座上端面，容易发生晃动，位置不便于确定，因此需要定位装置等结构来保证位置参数，本发明中通过保留足够余量，因此对夹具或定位模具等辅助设备的需求大幅下降；焊接工艺：AgCu28钎焊，焊接温度800～820℃，保温3分钟。气密性＜1×10-9Pa·m3/s；
④、精加工安装座1上端面以及芯片安装面上需要和管帽平行缝焊的帽沿区域，确保平面度、垂直度、尺寸精度满足要求；
⑤、精加工后的组件进行喷砂、超声波清洗；
⑥、管座镀镍3～8μm、镀金1.5～2μm。
步骤④中在焊接完成后，各安装面以及定位面均保留有足够余量，同时余量位置还用来同步清理焊渣等缺陷，相对于传统的先加工后焊接或者利用工具定位焊接等方式效率更高，同时焊渣等缺陷的处理效果更好；
在具体实施过程中，步骤④中，要保证平面度0.01mm、垂直度0.01mm，尺寸精度0.015mm。
本发明进一步提供其中安装座的制造方法，步骤①中加工安装座1具体包括：
1.1、在CNC车床上加工TO管座安装座外形和上下两个端面，安装座1上端面保留0.05～0.1mm单边余量(留给后续钎焊封装后CNC精加工)；
1.2、CNC加工或者慢走丝线切割加工安装孔1c；
1.3、超声波清洗、吹干；
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明创造的技术方案，而非对本发明创造保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明创造作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明创造的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明创造技术方案的实质和范围。
Claims (9)
1.一种TO管座封装结构，包括TO管座，其特征在于，所述TO管座包括可伐合金材质的安装座(1)以及设置在安装座(1)上的热沉(2)；
安装座(1)上设有多个引线孔(1a)，各引线孔(1a)内分别设置有引线(3)；
安装座(1)上还设置有安装孔(1c)，安装孔(1c)穿安装座(1)，所述热沉(2)从安装孔(1c)中插入并通过银铜钎焊密封连接。
2.根据权利要求1所述一种TO管座封装结构，其特征在于，所述引线(3)通过玻璃焊封接在引线孔(1a)中；所述引线由可伐合金制作，还包括设置在引线(3)与安装座(1)之间的玻璃密封件(4)。
3.根据权利要求1所述一种TO管座封装结构，其特征在于，所述热沉(2)的下端面与安装座(1)底面为光滑平面且共面设置。
4.根据权利要求1所述一种TO管座封装结构，其特征在于，所述安装座(1)上下端面为光滑平面，引线孔(1a)和安装孔(1c)垂直于两个上下端面挖出并贯穿安装座(1)；
热沉(2)设置于安装孔(1c)中，热沉(2)与安装座(1)的下端面；引线(3)由引线孔(1a)的下方伸入并从安装座(1)的上端面伸出以形成接线部(3a)，所述热沉(2)朝向引线(3)的端面为安装面，安装面上设置有激光芯片或激光模组；安装面与安装座1的上端面垂直度0.01mm以内，安装面平面度0.01mm以内。
5.根据权利要求1所述一种TO管座封装结构，其特征在于，还包括扣设在TO管座上端面的TO管帽(5)；TO管帽为可伐合金或者不锈钢制作；热沉(2)为钨铜材料制作；TO管帽(5)与TO管座(1)、TO管座(1)与引线(3)、TO管座(1)与热沉(2)气密连接，气密性＜1×10-9Pa·m3/s。
6.一种TO管座封装结构制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
①、加工安装座1，CNC车削加工安装座外形及端面、引线孔1a，慢走丝线割安装孔1c，安装座1上端面保留0.05～0.1mm单边余量；玻璃封焊引线3；
②、加工热沉2，热沉2朝向引线一侧的芯片安装面B保留0.05～0.1mm单边余量；
③、热沉2预镀镍处理，将热沉2插入并焊接在安装孔1c中；
④、精加工安装座1上端面以及芯片安装面上需要和管帽平行缝焊的帽沿区域，确保平面度、垂直度、尺寸精度满足要求；
⑤、精加工后的组件进行喷砂、超声波清洗；
⑥、管座镀镍3～8μm、镀金1.5～2μm。
7.根据权利要求6所述TO管座封装结构制造方法，其特征在于，所述步骤④中，平面度0.01mm、垂直度0.01mm，尺寸精度0.015mm。
8.根据权利要求6所述TO管座封装结构制造方法，其特征在于，所述步骤③中，焊接工艺：AgCu28钎焊，焊接温度800～820℃，保温3分钟，气密性＜1×10-9Pa·m3/s。
9.根据权利要求6所述TO管座封装结构制造方法，其特征在于，所述步骤①中加工安装座(1)具体包括：
1.1在数控铣上下料后，打磨上下大端面；
1.2数控铣加工外形，线切割粗加工安装孔(1c)，保留加工余量；
1.3用砂纸去除零件毛刺及线割积留，超声波清洗后去油吹干，脱脂后冲洗干净，酒精脱水后吹干；
1.4线切割加工安装孔1c，安装座1上端面保留0.05～0.1mm单边余量；用玻璃砂进行全面喷砂处理。
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