CN111146690B - 一种激光器模组及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种激光器模组及其制备方法，激光器模组包括：基板，包括多个电接触部；多个激光器芯片，位于所述基板上；散热器，贴合于所述基板的至少一侧。本发明解决了传统模组结构复杂、体积过大，连接电路中电感过大导致电路的响应时间过长的问题，并通过结构改进，满足不同结构、功率的VCSEL芯片一体化集成以满足不同场景应用要求。

Description

一种激光器模组及其制备方法

技术领域

本发明涉及激光器制造领域，特别是涉及一种激光器模组及其制备方法。

背景技术

垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL)是以砷化镓半导体材料为基础研制，有别于LED(发光二极管)和LD(Laser Diode，激光二极管)等其他光源，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从诞生起就作为新一代光存储和光通信应用的核心器件，为互联网的需求和光学存储密度的不断提高提供了一条新途径。在光纤通信方面，目前VCSEL市场空前发展，并已经在北美替代高价位的LD用于千兆、万兆以太数据通信网的建设，导致了高速VCSEL收发模块需求爆炸性地增长。VCSEL在其他方面也有不错的应用前景。采用数千个VCSEL构成的阵列形式的多光束将可能成为取代多边镜扫描的最好方式。相比过去的单个激光管，VCSEL的阵列集成结构可以同时进行多行的扫描。随着VCSEL的研究深入以及应用需求的拓展，VCSEL不仅在手机、消费性电子等领域发挥越来越重要的作用，VCSEL还可以用来进行人脸识别、3D感测、手势侦测和VR(虚拟现实)/AR(增强现实)/MR(混合现实)等。

目前适合于飞行时间法(Time Of Flight，TOF)的模组一般通过在陶瓷基板上封装单颗VCSEL芯片实现，由于TOF应用时加载电流大，易造成短时芯片热量累积，导致器件性能恶化，另外，单颗芯片不利于连续快速扫描，同时也无法满足不同距离条件，选择性采用不同功率的器件以实现系统高效率应用的要求。若采用传统的M*N颗芯片的独立可寻址阵列，则需要M*N路电路引出，这将会造成整个模组体积显著上升，同时，过长的内部走线，也会极大增加电路中的电感，同时增加电路的响应时间，严重影响系统应用。因此，如何实现高功率下TOF可寻址VCSEL阵列设计，一直是该领域亟待解决的技术难题。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种垂直腔面发射激光器模组及其制备方法，用于解决现有技术中激光器模组体积大、内部走线过长导致电路中的电感过大、电路响应时间过长及无法实现系统功率选择性应用等问题。。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种垂直腔面发射激光器模组，所述激光器模组至少包括：

基板，包括多个电接触部；

多个激光器芯片，位于所述基板上，并排列成一阵列，其中第一方向上的多个所述激光器芯片电气连接于至少一所述电接触部，第二方向上的多个所述激光器芯片电气连接于至少一所述电接触部；

散热器，贴合于所述基板的至少一侧。

可选地，所述第一方向与所述第二方向相互垂直。

可选地，所述第一方向上的激光器芯片不少于一行。

可选地，所述第二方向上的激光器芯片不少于一列。

可选地，所述第一方向上的激光器芯片之间通过并联导线连接至各行激光器芯片对应的所述电接触部。

优选地，所述导线可为金线。

可选地，所述多个激光器芯片被配置为矩阵可寻址结构。

优选地，所述激光器芯片为垂直腔面发射激光器芯片。

可选地，所述激光器芯片电连接于所述基板；

可选地，所述激光器芯片通过焊盘固定于所述基板上。

可选地，所述激光器芯片通过焊盘电连接于所述基板。

可选地，所述多个激光器芯片可为不同功率、不同波长及不同结构的激光器芯片。

可选的，所述散热器与基板之间有一层导热硅脂。

本发明还提供一种激光器模组的制备方法，所述激光器模组的制备方法至少包括：

提供一基板；

将多个电接触部设置于所述基板上；

将多个激光器芯片设置于所述基板上，并排列成一阵列，其中第一方向上的多个所述激光器芯片电气连接于至少一所述电接触部，第二方向上的多个所述激光器芯片电气连接于至少一所述电接触部；

固定散热器于所述基板上，其中所述散热器贴合于所述基板的至少一侧。

可选地，可使用焊接工艺将多个所述激光器芯片固定于所述基板上。

可选地，可使用焊接工艺将所述电接触部固定于所述基板上。

可选地，所述散热器可使用焊接工艺固定于所述基板上。

本发明还可提供一种三维感测装置。其至少包括：

激光器模组，用于向目标物体发射激光光线，所述激光器模组包括：

基板，所述基板包括多个电接触部；

多个激光器芯片位于所述基板上，其中第一方向的多个所述激光器芯片电气连接至所述电接触部，第二方向的多个所述激光器芯片电气连接至所述电接触部；

散热装置，所述散热装置位于所述基板上，相对于多个所述激光器芯片设置；

图像传感器，其根据接收到的目标物体反射回来的激光光线，测量每个像素点光线从所述激光器芯片到所述目标物体再反射回所述图像传感器的时间；

滤光片，其设置在所述图像传感器上，所述滤光片用于收集反射回的激光光线，且只允许对应波长的激光光线通过。

如上所述，本发明的激光器模组及其制备方法，在激光器芯片的阵列中采用矩阵可寻址结构，M*N个激光芯片只需M+N路电路引出，整体模组结构大大简化，内部走线长度显著降低，高频特性优良，解决了传统激光器模组体积大、过长的内部走线造成的电路中电感的增加以及电路的响应时间过长的问题，兼具理想的发光效率和导热效果，成本低廉、可靠性高，提高了整体的系统性能。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

图1显示为本发明的激光器芯片模组的示意图。

图2显示为本发明的激光器芯片模组的侧面剖视图。

图3显示为本发明的激光器芯片模组的制备方法的流程图。

图4显示为本发明的三维感测装置的示意图。

图5显示为本发明的激光器芯片模组的示意图。

图6显示为本发明的激光器芯片模组的示意图。

图7显示为本发明的基板示意图。

元件标号说明：

1-基板，101-凹部，2-激光器芯片，201-焊盘，3-电接触部，4-导线，5-散热器，6-三维感测装置，10-壳体，20-显示装置，30-飞行时间模组，40-激光器模组，50-图像传感器，60-拍照控制模块，7-寻址装置，70滤光片，8-间隔层。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1至图3，需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

请参阅图1至图2所示，本发明提供一种激光器模组40，其至少包括基板1、激光器芯片2、电接触部3、导线4和散热器5。

请参阅图1至图2所示，图一在本实施例中，基板1可为电路板，其用于控制激光器芯片2发出光线。在其他的一些实施例中，基板1还可以是仅用于起支撑作用的支撑板。对基板1的材料没有限制，例如可以选用陶瓷基板、树脂基板、铜基板中的一种。

优选地，基板1可为氮化铝附铜复合散热基板及高导热的材料。

优选地，请参阅图6，基板1可为高温共烧陶瓷(HTCC)工艺制备的一面附带间隔层8的氮化铝基板，其中间隔层8可用于支撑光学元件。

请参阅图1至图2所示，在本实施例中，电接触部3可包括金、铝、镍、铜和/或其他导电材料。

请参阅图1至图2所示，在本实施例中，多个电接触部3位于所述基板1上，部分电接触部3平行于第一方向的多个激光器芯片2设置，具体设置在基板1边缘。

请参阅图1至图2所示，在本实施例中，多个电接触部3位于所述基板1上，部分电接触部3平行于第二方向的多个激光器芯片2设置，具体设置在基板1边缘。

请参阅图1至图2所示，在其他的一些实施例中，所述电接触部3的个数不少于阵列的行数及列数之和。

请参阅图1至图2所示，在本实施例中，多个激光器芯片2设置在基板1上，多个激光器芯片2可以包括垂直腔面发射激光器芯片2(例如顶部发射垂直腔面激光器芯片或底部发射垂直腔面激光器芯片)，发光二极管，垂直发射激光器芯片等，多个激光器芯片2以特定样式排列，例如为排列成一阵列，所述阵列可为M*N阵列(M与N代表任意数字)，其中M与N为不/相同数字，如图1所示，在某一实施例中，例如为3乘3矩阵样式，在一些实施方式中，多个激光器芯片2可以近距离隔开，以用于更好的样式分辨率(例如分开10-30微米)，所述电接触部3则可以分布在激光器芯片2排布的阵列外侧，值得注意的是，多个激光器芯片2的排布不局限于阵列排布，还可为平行四边形、格栅样式或蜂窝样式。更多的，在一些实施方式中，多个激光器芯片2的排布还可为非均匀的样式排布。

请参阅图1至图2所示，在本实施例中，多个激光器芯片2的非发光面连接于基板1，且所述激光器芯片2上还可设有导线4，所述激光器芯片2通过所述导线4与基板1电气连接，激光器芯片2可用于发射光线。在本实施例中，激光器芯片2例如可为垂直腔面发射激光器芯片2，激光器芯片2可用于发射激光，激光可以具备均匀的光斑图案。另外，激光器芯片2发射的激光强度也不能超过预定的安全阈值。

请参阅图1至图2所示，在本实施例中，位于第一方向上的各列多个激光器芯片2电气连接于至少一电接触部3，电接触部3可设置在位于第一方向上的多个激光器芯片2的两端或一端，电接触部3可为激光器模组40的相应激光器芯片2分别供电。例如，提供到具体电接触部3的电流可以为相应第一方向上的激光器芯片2供电，在一些实施方式中，每一个电接触部3可以电气连接相应电气连接的激光器芯片2，而不对激光器模组40的另一电气连接的激光器芯片2供电。换句话说，每一个激光器芯片2和激光器模组40中的其他激光器芯片2电绝缘且可以经由相应电接触部3及导线互连实现矩阵可寻址。

请参阅图1至图2及图7所示，在本实施例中，位于第二方向上的多个激光器芯片2电气连接于至少一电接触部3，具体的，位于同一方向上的各行激光器芯片2之间通过至少一根导线4连接，在一些实施方式中，导线4优选为金线，激光器模组40通过导线4连接实现激光器芯片2的正极电感注入，其中上述的导线4并联连接可以实现更大的电流输入，同时又可以降低引线电感，位于同一方向上的各行激光器芯片2之间连接也可在基板1内部布线实现连接，例如如图7所示，基板表面有多个凹部101，即可在基板1内部布线后将多个激光器芯片2嵌入其中，从而实现多个激光器芯片2与电接触部3的电气接触。多个电接触部3可设置在位于第二方向上的串联激光器芯片2的两端或一端，电接触部3可为激光器模组40的相应激光器芯片2分别供电。例如，提供到具体电接触部3的电流可以为相应第二方向上的激光器芯片2供电，在一些实施方式中，每一个电接触部3可以电连接相应的激光器芯片2，而不对激光器模组40的另一串联激光器芯片2供电。换句话说，每一个激光器芯片2和激光器模组40中的其他激光器芯片2电绝缘且可以经由相应电接触部3及导线互连实现矩阵可寻址。

请参阅图5，在本实施例中，一种激光器模组40还可包括一寻址装置7，寻址装置7包括第一方向上的平行的、共面的导线。该寻址装置7还可包括第二方向上的平行的、共面的导线，其中第二方向上导线相对于第一方向上导线被隔开。此外，第二方向上导线的平面平行于第一方向上导线的平面。此外第二方向上导线的控制线垂直于第一方向上导线的控制线。则可通过控制不同行列的电连通就可以控制激光器模组40上不同位置，不同数量的激光器芯片点亮，实现整体模组高速率大功率扫描。

请参阅图1至图2所示，在本实施例中，散热器5贴合于所述基板1的至少一侧，散热器5可为已知高导热材料，例如为铜、银、铝、钢。散热器5可为任意形状，例如为长方体、插齿形状、梳状。在其他一些实施例中，散热器5与基板1的接触面采用焊接方式或者导热硅脂粘接方式连接，使得基板1上的热量更有效的传导到散热器5上，再经散热器5散发到周围空气中去，提高了基板1的散热能力，进而提高了整体装置的安全性能。

请参阅图1至图3所示，在本实施例中，本发明还提供一种激光器模组40的制备方法，其至少包括以下步骤：

S1：提供一基板1；

S2：将多个电接触部3设置于所述基板1上；

S3：将多个激光器芯片2设置于所述基板1上，并排列成一数组，其中第一方向上的多个所述激光器芯片2电气连接于至少一所述电接触部3，第二方向上的多个所述激光器芯片2电气连接于至少一所述电接触部3；

S4：固定散热器5于所述基板1上，其中所述散热器5设置于所述基板1的至少一侧。

以下结合图示，对激光器模组40的制备方法做更详细的说明。

请一并参阅图1至图3，在本实施例中，在步骤S1中，首先提供一基板1，在本实施例中，基板1可为电路板，其用于控制激光器芯片2发出光线。在其他的一些实施例中，基板1还可以是仅用于起支撑作用的支撑板。对基板1的材料没有限制，例如可以选用陶瓷基板、树脂基板、铜基板中的一种。

优选地，基板1还可为氮化铝附铜复合散热基板1及高导热的材料。

优选地，基板1还可为高温共烧陶瓷(HTCC)工艺制备的一面附带把手的氮化铝基板1。

请一并参阅图1至图3，在步骤S2中，将多个电接触部3设置于所述基板1上，电接触部3可包括金、铝、镍、铜和/或其他导电材料，具体的，多个电接触部3位于所述基板1上，其中部分电接触部3平行于第一方向的多个激光器芯片2设置，具体设置在基板1边缘。一些实施例中，多个电接触部3位于所述基板1上，其中部分电接触部3平行于第二方向的多个激光器芯片2设置，具体设置在基板1边缘。在一些实施例中，所述电接触部3的个数不少于阵列的行数及列数之和。

请一并参阅图1至图3，在步骤S2中，多个电接触部3可通过电镀或丝网印刷方式设置至基板1，在一些实施例中，每个电接触部3可以与激光器模组40的高度大致相同，另外，每个电接触部3可与相对应的激光器芯片2电气连接。

请一并参阅图1至图3，在步骤S3中，将多个激光器芯片2固定于所述基板1上，所述多个激光器芯片2的非发光面连接于基板1，且所述激光器芯片2上还可设有导线4，通过所述导线4与基板1电气连接，激光器芯片2可用于发射光线。在本实施例中，激光器芯片2例如可为垂直腔面发射激光器芯片2，激光器芯片2可用于发射激光，激光可以具备均匀的光斑图案。另外，激光器芯片2发射的激光强度也不能超过预定的安全阈值。其中，所述多个激光器芯片2可为不同功率、不同波长及不同结构的激光器芯片2。

请一并参阅图1至图3，在步骤S3中，本实施例中可使用焊盘201将多个激光器芯片2固定于基板1上，焊盘201中间采用填孔工艺实现焊盘201与激光器芯片2的电气连接。在其他一些实施例中，也可采用先将激光器芯片2固定在基板1上，进行烘烤后再引线键合将激光器芯片2固定于基板1上，具体方法例如可采用热压焊接、超声波焊接或热超声焊接中的任意一种，然后再经过等离子体清洗，可选地，离子体清洗后激光器芯片2与基板1进行注塑封装，通过注塑的过程获得封装体，注塑后进过烘烤使封装体固化。可选地，在已固化的封装体表面例如通过纳米压印的方式获得光扩散结构，即获得本实施例的激光器模组40。

请一并参阅图1至图3，具体的，多个激光器芯片2在本实施例中，按一定规律排列，例如为排列成一阵列，所述阵列可为M*N阵列(M与N代表任意数字)，可选地，多个电接触部3在所述阵列外围对应排列，其中M与N为不/相同数字，如图1所示，在某一实施例中，例如为3乘3矩阵样式,在一些实施方式中，多个激光器芯片2可以近距离隔开，以用于更好的样式分辨率(例如分开10-30微米)。值得注意的是，多个激光器芯片2的排布不局限于阵列排布，还可为平行四边形、格栅样式或蜂窝样式。更多的，在一些实施方式中，多个激光器芯片2的排布还可为非均匀的样式排布。在一些实施方式中，为了形成激光器模组40，还可以在基板表层上形成各种外延层，例如，基板1表层可以包括砷化镓(GaAs)，在一些实施方式中，沟槽可以刻蚀到激光器芯片2的层中。例如，沟槽可以让多个激光器芯片2中位于第一方向或第二方向上串联的激光器芯片2之间彼此电绝缘。

请一并参阅图1至图3，在步骤S4中，固定散热器5于所述基板1上，散热器5可为已知高导热材料，例如为铜、银、铝、钢。散热器5可为任意形状，例如为长方体、插齿形状、梳状。在其他一些实施例中，散热器5与基板1的接触面上通过焊接方式或者导热硅脂粘接方式连接，使得基板1上的热量更有效的传导到散热器5上，再经散热器5散发到周围空气中去，提高了基板1的散热能力，进而提高了整体装置的安全性能。散热器5可使用导热胶粘接于基板1上，具体可固定于相对于激光器芯片2的一面。

请参阅图4所示，本发明还提供一种三维感测装置6，其包括：壳体10、显示装置20、飞行时间模组30，所述三维感测装置6可以为但不限于为手机、平板电脑、智能手表等电子装置。

请参阅图4所示，三维感测装置6可以包括壳体10以及设置于壳体10上的显示装置20，本实施例中，显示装置20通常包括显示面板以及盖板，也可包括用于响应对显示面板进行触控操作的电路等。显示面板可以为一个液晶显示面板，在一些实施例中，显示面板可以同时为触摸显示屏。

请参阅图4所示，三维感测装置6还可以包括飞行时间模组30，飞行时间模组30设置于壳体10内，并用于发射以及接收能够穿过显示装置20的光线，以根据光线发射和接收的时间差或相位差获取目标物体的距离。在本实施例中，飞行时间模组30例如可以为飞行摄像模组，其通过发射光线并接收被目标物体反射的光线，获取目标物体与三维感测装置6之间的距离，从而获取具有目标物体的景深信息的图像。相应地，显示装置20可以设置有对应于飞行时间模组30的透光区域，透光区域用于允许飞行时间模组30发射或者接收光线。

请参阅图4所示，飞行时间模组30可以包括激光器模组40、图像传感器50和拍照控制模块60，当激光器模组40启动时，拍照控制模块60控制图像传感器50采集与目标物体对应的光学图像，该光学图像是基于激光器模组40发出的光线经过目标物体的表面反射至图像传感器50所形成的图像。进一步地，图像传感器50可以为具有互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor,CMOS)传感器，拍照控制模块60包括模拟前端(Analog Front End,AFE)和脉冲发生器，该脉冲发生器发送相应的时序控制激光器模组40和图像传感器50，且激光器模组40和图像传感器50的时序同步，激光器模组40发出的光线射出后，遇到不同距离的目标物体，光线被反射到图像传感器50的时间不同，飞行时间模组30的拍照控制模块60能够通过时间或者信号相位差，计算出目标物体表面到图像传感器50的距离。

请一并参阅图1至图4所示，图像传感器50根据接收到的目标物体反射回来的激光光线，测量每个像素点光线从所述激光器芯片2到所述目标物体再反射回所述图像传感器50的时间。滤光片70设置在所述图像传感器50上，所述滤光片70用于收集反射回的激光光线，且只允许对应波长的激光光线通过。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种激光器模组，其特征在于，其包括：

基板，所述基板包括多个电接触部，所述电接触部位于所述基板的边缘上；

阵列分布的多个激光器芯片位于所述基板上，其中第一方向的多个所述激光器芯片电气连接至所述电接触部，第二方向的多个所述激光器芯片电气连接至所述电接触部，所述电接触部的个数大于等于阵列的行数及列数之和且小于等于阵列的行数及列数之和的两倍；

散热装置，所述散热装置位于所述基板上，相对于多个所述激光器芯片设置；

其中，所述基板上包括多个凹部，所述激光器芯片设置在所述凹部内；

其中，所述第一方向上的激光器芯片之间通过并联导线连接至各行激光器芯片对应的所述电接触部；

其中，所述基板的顶部包括间隔层，所述间隔层用于支撑光学元件。

2.根据权利要求1所述的一种激光器模组，其特征在于，所述第一方向垂直于所述第二方向。

3.根据权利要求1所述的一种激光器模组，其特征在于，所述第一方向上的激光器芯片不少于一行。

4.根据权利要求1所述的一种激光器模组，其特征在于，所述第二方向上的激光器芯片不少于一列。

5.根据权利要求1所述的一种激光器模组，其特征在于，所述多个激光器芯片被配置为矩阵可寻址结构。

6.根据权利要求1所述的一种激光器模组，其特征在于，所述多个激光器芯片为不同或相同芯片的组合。

7.一种激光器模组的制备方法，其特征在于，其包括：

提供一基板；

将多个电接触部设置于所述基板上，所述电接触部位于所述基板的边缘上；

将阵列分布的多个激光器芯片设置于所述基板上，并排列成一阵列，其中第一方向上的多个所述激光器芯片电气连接于至少一所述电接触部，第二方向上的多个所述激光器芯片电气连接于至少一所述电接触部，所述电接触部的个数大于等于阵列的行数及列数之和且小于等于阵列的行数及列数之和的两倍；

固定散热器于所述基板上，其中所述散热器贴合于所述基板的至少一侧；

其中，所述第一方向上的激光器芯片之间通过并联导线连接至各行激光器芯片对应的所述电接触部；

其中，所述基板的顶部包括间隔层，所述间隔层用于支撑光学元件。

8.根据权利要求7所述的一种激光器模组的制备方法，其特征在于，所述激光器芯片通过焊盘固定于所述基板上。

9.一种三维感测装置，用于向目标物体发射激光光线，激光器模组包括：

基板，所述基板包括多个电接触部，所述电接触部位于所述基板的边缘上；

阵列分布的多个激光器芯片位于所述基板上，其中第一方向的多个所述激光器芯片电气连接至所述电接触部，第二方向的多个所述激光器芯片电气连接至所述电接触部，所述电接触部的个数大于等于阵列的行数及列数之和且小于等于阵列的行数及列数之和两倍；

散热装置，所述散热装置位于所述基板上，相对于多个所述激光器芯片设置；

图像传感器，其根据接收到的目标物体反射回来的激光光线，测量每个像素点光线从所述激光器芯片到所述目标物体再反射回所述图像传感器的时间；

滤光片，其设置在所述图像传感器上，所述滤光片用于收集反射回的激光光线，且只允许对应波长的激光光线通过；

其中，所述第一方向上的激光器芯片之间通过并联导线连接至各行激光器芯片对应的所述电接触部；

其中，所述基板的顶部包括间隔层，所述间隔层用于支撑光学元件。

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