CN112202046B - 一种新型to封装结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型TO封装结构，包括TO底座和TO管帽，所述TO底座包括底座本体和绝缘基板，所述底座本体上设有安装通孔，所述绝缘基板固定在底座本体的安装通孔中，并密封底座本体上的安装通孔，激光器芯片贴装在绝缘基板的上表面，激光器芯片对应与绝缘基板上设有的引脚电连接，所述TO管帽固定在TO底座的底座本体上，形成气密结构。本发明使得高速信号在链路上损耗和反射更少，提高信号传输质量，且提高芯片工作寿命，保证贴片精度。

Description

一种新型TO封装结构

技术领域

本发明属于光器件封装技术领域，具体涉及一种新型TO封装结构。

背景技术

蝶形以及TO封装技术，是当今光器件主要的封装技术，运用在光通信、医疗设备、探测设备等多个领域；其中，TO封装技术，也就是TransistorOutline封装技术，由于其制造成本低、可靠性高、封装自动化程度高等优势，成为绝大多事光器件封装厂家核心选择。

传统TO封装结构，如图1所示，管脚5、6贯通管座1，并且从管座1的上下表面突出，其固定方式为利用熔融玻璃烧结在管座1上；带有透镜11的管帽12通过电阻焊焊接在管座1上。传统TO内部封装结构如图2所示，利用共晶焊工艺，将半导体激光器4固定在管座1的上表面凸台基板3上；管脚5、6的突出的部分利用导线8、10电连接于半导体激光器4。带有透镜11的管帽12在管座1的上表面通过电阻焊工艺形成气密结构，使得半导体激光器4、管脚5、6的突出的部分以及导线8、10工作在气密环境中，从而延长光器件工作寿命已经可靠性。

通常，制作管座1的材料为与玻璃热膨胀系数相同的可伐合金，底座1上的凸台2与底座平面通过冲压一体成型；输入信号通过管脚5、6以及引线8、10加载到激光器上，从而驱动激光器4发光，完成电信号向光信号的转换；根据信号完整性理论，管脚5、6以及引线8、10长度越短，其寄生电感越小，阻抗连续性越好，传递到激光器4上的信号越能保证其真实性。但是由于受到传统TO封装工艺的限制，管脚5、6以及引线8、10长度减小到某一临界值后，无法再进一步缩短，所以当信号速率进一步增加时，管脚5、6以及引线8、10带来的寄生效应，严重影响了信号质量，使得传统TO难以实现50G以上信号的传输应用。

且传统TO封装结构还具有如下缺点：

第一，传统TO采用可伐合金作为管座1材料，可伐合金的导热系数较低，不利于芯片散热，影响器件工作性能与芯片使用寿命；

第二，传统TO封装工艺将激光器芯片4共晶焊在热沉3上，热沉3预先共晶在底座1上。热沉的厚度往往由底座厂家设计，不同厂家的激光器芯片厚度不同，所以，使用传统TO底座封装的光器件，不可避免会出现激光器芯片不在底座中心的“偏心”情况；加上热沉厚度、长宽自带20um加工误差，同时基板在焊接到底座上时，也会带来10～20um的贴片误差，从而影响激光器芯片的贴装精度；贴装精度下降，会影响光器件耦合效率、工作距离等关键指标，导致产品成品率低。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中至少一个缺陷，提供了一种新的TO封装结构，使得高速信号在链路上损耗和反射更少，提高信号传输质量，且提高芯片工作寿命，保证贴片精度。

本发明的技术方案是这样实现的：本发明公开了一种新型TO封装结构，包括TO底座和TO管帽，所述TO底座包括底座本体和绝缘基板，所述底座本体上设有安装通孔，所述绝缘基板固定在底座本体的安装通孔中，并密封底座本体上的安装通孔，激光器芯片贴装在绝缘基板的上表面，激光器芯片对应与绝缘基板上设有的引脚电连接，所述TO管帽固定在TO底座的底座本体上。

进一步地，所述绝缘基板上固定有功率分光镜和光探测芯片，所述功率分光镜用于将激光器芯片发出的激光按设定比例一部分反射给TO管帽的透镜，另一部分透射给光探测芯片，所述光探测芯片用于将光信号转化为电信号，监控激光器芯片发出光的大小。

所述激光器芯片发出的激光的传输方向与绝缘基板的上表面平行，经功率分光镜反射后的激光的传输方向与绝缘基板的上表面垂直。

进一步地，所述绝缘基板上固定有反射镜，所述反射镜用于将激光器芯片发出的激光反射给TO管帽的透镜。

进一步地，所述激光器芯片发出的激光的传输方向与绝缘基板的上表面平行，经反射镜反射后的激光的传输方向与绝缘基板的上表面垂直。

进一步地，所述绝缘基板上设有引脚通孔，所述引脚通孔内填充有导体，并密封引脚通孔，形成引脚。

进一步地，所述绝缘基板的下表面设有焊料，所述焊料固定在引脚通孔下方，通过焊料将TO底座固定在电路板上，并将引脚通孔内填充的导体与电路板电连接。

进一步地，所述绝缘基板上设有第一镀金层、第二镀金层，分别与激光器芯片的负极、正极电连接，第一镀金层与第二镀金层相互间隔且相互绝缘。

进一步地，激光器芯片共晶焊在绝缘基板的上表面。

进一步地，所述底座本体与绝缘基板焊接在一起，组成新型TO底座。

进一步地，所述底座本体采用金属材料制成；所述绝缘基板采用陶瓷板。陶瓷板采用ALN材料制成。

本发明实施例至少具有如下有益效果：

本发明的TO封装结构在信号传输链路上，采用了“电路板——陶瓷底座——芯片键合金丝——芯片”这种四级结构，相较于传统TO使用的“电路板——可伐底座——底座管脚——管座到热沉连接金丝——热沉——芯片键合金丝——芯片”六级结构，缩短了链路长度，减小了阻抗不连续点数目，使得高速信号在链路上损耗和反射更少，提高信号传输质量。

传统TO采用可伐合金作为管座材料，可伐合金的导热系数较低只有17W/K，不利于芯片散热，影响器件工作性能与芯片使用寿命；而本发明的TO封装结构取消了常规TO器件结构中金属底座，采用陶瓷与金属烧结的方式，做成新型TO底座；采用ALN材料，导热系数达到220W/K，更有利于芯片散热，提高芯片工作寿命。

传统TO封装工艺将激光器芯片共晶焊在热沉上，热沉自身存在加工误差和贴片误差，这个误差会叠加到芯片的贴装误差上；本发明的TO封装结构取消了常规TO器件中芯片贴装在热沉上，而是采用直接将芯片平贴在底座上，消除了上述误差；同时，针对不同厚度的芯片，新型TO设计结构可以通过改变芯片相对于45°功率分光镜的位置，保证贴片精度。

本发明的TO封装器件中，采用光功率分光镜的方式，实现弯折光路；同时，直接监控前光，使得前光监控更加直观，一致性更好。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为传统TO封装结构的示意图；

图2为传统TO封装内部结构示意图；

图3为本发明实施例提供的新型TO封装结构的外形图；

图4为本发明实施例提供的差分驱动实例的内部结构图；

图5为本发明需要保护的差分信号驱动的圆形陶瓷板的示意图；

图6为本发明中替代例中单端驱动实例的内部结构图；

图7为本发明需要保护的单端信号驱动的圆形陶瓷板示意图；

图8为本发明的新型TO封装结构包含电路板部分的链路S21参数。

附图中，001为底座本体，0011为围挡，002为TO管帽，003为透镜，004为焊料球，005为陶瓷板，006为激光器芯片，007为功率分光镜，008为光探测芯片，009为引脚，010为金锡焊料，011为第三镀金层，012为薄膜电阻，013为第一镀金层，014为第二镀金层。

具体实施方式

下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图3至图7，本发明实施例提供了一种新型TO封装结构，包括TO底座和TO管帽002，所述TO底座包括底座本体001和绝缘基板005。优选地，本实施例的绝缘基板采用陶瓷板，底座本体采用金属，在焊接TO帽的时候，可以采用电阻焊的工艺，可以形成气密结构；当然，整个底座可以全部采用陶瓷，TO帽可以用胶水固定到底座上，但是就不能保证是气密结构。当然，本实施例的绝缘基板不仅仅限于陶瓷板。所述底座本体001上设有安装通孔，所述陶瓷板005固定在底座本体001的安装通孔中，并密封底座本体001上的安装通孔，本发明直接采用圆形ALN材料做为TO基材，通过高温烧结的方式将可伐合金烧结在圆形ALN基材上，通过电阻焊将管帽封装在可伐合金上，形成TO气密结构。激光器芯片006贴装在陶瓷板005的上表面，激光器芯片006对应与陶瓷板005上设有的引脚009电连接，所述TO管帽002固定在TO底座的底座本体001上。采用陶瓷板导热系数好，陶瓷材料热膨胀系数和底座本体金属环相似，在高低温下不会因为不同材料的膨胀收缩量不一致造成漏气的情况；且采用陶瓷板方便制作金属通孔连接上下表面，使内外部形成电器连接。

进一步地，所述陶瓷板005上固定有功率分光镜007和光探测芯片008，所述功率分光镜007用于将激光器芯片006发出的激光按设定比例一部分反射给TO管帽002的透镜003，另一部分透射给光探测芯片008，所述光探测芯片008用于将光信号转化为电信号，监控激光器芯片006发出光的大小。

所述激光器芯片006发出的激光的传输方向与陶瓷板005的上表面平行，经功率分光镜007反射后的激光的传输方向与陶瓷板005的上表面垂直。

本发明的功率分光镜007为45°功率分光镜，将激光器芯片006发出的激光按一定比例反射，一定比例透射，通常发射比例为97％，透射比例为3％。

本发明的光探测芯片008将激光器芯片006发出的透过45°功率分光镜007的激光转换为电信号，从而监控激光器芯片006发出光的大小。

在不需要监测光功率的应用下，功率分光镜007可以改为反射镜，将光功率全部反射，具体结构如下：所述陶瓷板005上固定有反射镜，所述反射镜用于将激光器芯片006发出的激光反射给TO管帽002的透镜003。

进一步地，所述激光器芯片006发出的激光的传输方向与陶瓷板005的上表面平行，经反射镜反射后的激光的传输方向与陶瓷板005的上表面垂直。

进一步地，所述陶瓷板005上设有引脚通孔，所述引脚通孔内填充有导体，并密封引脚通孔，形成引脚009。本实施例在圆形陶瓷板005上激光钻孔，孔内填铜镀金后形成引脚，实现陶瓷板上下面的电器连接。当然，密封引脚通孔的可以是导体，但也不仅仅限于导体。

本实施例的陶瓷板005上设有激光器正、负引脚、背光探测器正、负引脚、接地引脚以及几个预留引脚。激光器正、负极分别与陶瓷板005上的激光器正、负引脚电连接。背光探测器正、负极分别通过金丝键合与陶瓷板005上的背光探测器正、负引脚电连接。

所述陶瓷板上设有第一镀金层013、第二镀金层014，分别与激光器芯片的负极、正极电连接，第一镀金层013与第二镀金层014相互间隔且相互绝缘。第一镀金层、第二镀金层用于电器连接与阻抗匹配。阻抗匹配时通过设计镀金层的厚度、宽度、间距等保证射频性能上阻抗一致。

本实施例的陶瓷板005上面设有三块镀金层，镀金层通过电镀工艺置于圆形陶瓷板005上。三块镀金层相互间隔且相互绝缘。激光器负引脚设置在第一镀金层013覆盖的区域，激光器负引脚与第一镀金层013电连接，激光器正引脚设置在第二镀金层014覆盖的区域，激光器正引脚与第二镀金层014电连接，接地引脚设置在第三镀金层011覆盖的区域，接地引脚与第三镀金层011电连接。

优选地，激光器通过焊料010共晶焊在第一镀金层013上，激光器的负极在激光器的背面，所以共晶焊后就完成了激光器负极和第一镀金层013电连接；激光器的正极在激光器的正面，激光器的正极通过金丝与第二镀金层014电连接。

进一步地，所述陶瓷板005的下表面设有焊料球004，所述焊料球004固定在引脚通孔下方，隔着焊料球004，将整个TO装置电气地并且机械地接合于光模块的印刷电路板或者柔性电路板等，通过电路板上的电路输出信号给激光器芯片006，驱动激光器芯片006发光，完成电信号向光信号的转换。本实施例的焊料球004材质是SnAgCu等低温焊料。

进一步地，激光器芯片006共晶焊在陶瓷板005的上表面。

进一步地，所述陶瓷板005为圆形。且陶瓷板005采用ALN材料制成，导热系数高于200W/K。当然陶瓷板005的材料还可以是AL2O3，或者其他陶瓷材料。

陶瓷板005上面电镀金锡焊料010，利用共晶焊工艺固定激光器芯片006，如图5所示。

底座本体001的安装通孔为圆形，且安装通孔位于底座本体001的中心。底座本体001的上表面绕安装通孔一圈设有围挡0011。底座本体001和陶瓷板005也是通过焊料连接在一起的，设置围挡0011可以防止焊料爬到围挡0011外的底座本体001上。

进一步地，所述底座本体001采用金属材料制成。

本实施例的底座本体001为可伐金属环，表面镀镍镀金，使用高温焊料烧结工艺，与圆形陶瓷板005焊接在一起，组成新型TO底座。当然，底座本体001的材料还可以由冷轧钢、镍铁合金等金属代替。

本发明的TO管帽002为金属管帽，管帽的金属部件与玻璃透镜003压铸在一起组成金属管帽，与底座一起保证TO气密性。玻璃透镜003熔融后与金属管帽压铸在一起，组成TO的管帽。本发明玻璃透镜003部分还可以由玻璃片、蓝宝石等材料代替。

激光器芯片006为激光器(TO核心部件)，实现电光转换，激光器可以采用DFB芯片，也可以更换为EML(电吸收调制激光器)芯片，或者其他激光器芯片；新型EML(电吸收调制激光器)TO组件结构如图6所示。圆形陶瓷板005如图7所示，图7中是阈值薄膜电阻012。这个电阻12与激光器EA并联，通过这种方式把激光器的输入阻抗控制在设定值(50欧姆)附近。

本发明的新型TO器件光路设计如下：

激光器芯片006发出发散光,方向与圆形陶瓷板005上表面平行，经过45°功率分光镜007分光，大部分激光能量反射后，改变90°方向，与圆形陶瓷板005上表面垂直，但仍然为分散光，经过玻璃透镜003汇聚到光纤中；小部分激光能量经过45°功率分光镜007分光可透射，不改变传播方向，到达光探测芯片008，转换为电信号，从而监控激光器芯片006发出光的大小；

本发明的新型TO器件组装方式如下：

步骤1：将不带有金锡焊料010的圆形陶瓷板005与可伐金属环使用高温烧结工艺(通常使用银铜焊料)，焊接在一起，组成新型TO底座，称为组件一；

步骤2：将金锡焊料010，预置在组件1的圆形陶瓷板005上，称为组件二；本发明的陶瓷板005经过打孔、填铜、镀金、预制焊料等工艺后形成。

步骤3：将激光器芯片006，利用共晶焊工艺焊接在组件二上预置金锡焊料010处，称为组件三；

步骤4：将光探测芯片008使用银胶固晶固定在新型TO底座上，称为组件四；

步骤5：完成激光器芯片006、光探测芯片008金丝键合工序，实现激光器芯片006、光探测芯片008与圆形陶瓷板005电器连接，称为组件五；

步骤6：将45°功率分光镜007，使用银胶固晶在新型TO底座上,称为组件六；

步骤7：使用电阻焊封帽工艺，将金属管帽封焊到组件六上，完成新型TO制作；当然，也可以使用胶粘工艺实现金属管帽封焊与组件六的固定。

组件组装完毕。

本发明的TO封装结构在信号传输链路上，采用了“电路板——陶瓷板——芯片键合金丝——芯片”这种四级结构，相较于传统TO使用的“电路板——可伐底座——底座管脚——管座到热沉连接金丝——热沉——芯片键合金丝——芯片”六级结构，缩短了链路长度，减小了阻抗不连续点数目，使得高速信号在链路上损耗和反射更少，提高信号传输质量；新型TO包含电路板部分的链路S21参数如图8所示，链路1dB带宽达到42G。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种新型TO封装结构，包括TO底座和TO 管帽，其特征在于：所述TO底座包括底座本体和绝缘基板，所述底座本体上设有安装通孔，底座本体的上表面绕安装通孔一圈设有围挡，所述绝缘基板固定在底座本体的安装通孔中，并密封底座本体上的安装通孔，所述绝缘基板采用陶瓷板，所述底座本体采用金属材料制成，使用高温焊料烧结工艺，将绝缘基板与底座本体固定在一起组成TO底座，将TO 管帽封装在底座本体上，形成TO气密结构，激光器芯片共晶焊在绝缘基板的上表面，激光器芯片对应与绝缘基板上设有的引脚电连接；所述绝缘基板上设有引脚通孔，所述引脚通孔内填充有导体，并密封引脚通孔，形成引脚，所述绝缘基板的下表面设有焊料，所述焊料固定在引脚通孔下方，通过焊料将TO底座固定在电路板上，并将引脚通孔内填充的导体与电路板电连接；

TO管帽的金属部件与透镜压铸在一起，组成TO管帽，TO管帽与TO底座一起保证TO气密性；

所述绝缘基板上设有第一镀金层、第二镀金层，分别与激光器芯片的负极、正极电连接，第一镀金层与第二镀金层相互间隔且相互绝缘，第一镀金层、第二镀金层用于电器连接与阻抗匹配，阻抗匹配时通过设计镀金层的厚度、宽度、间距保证射频性能上阻抗一致，激光器 EA与绝缘基板上设置的薄膜电阻并联，把激光器的输入阻抗控制在设定值；

所述绝缘基板的上表面上固定有功率分光镜和光探测芯片，所述功率分光镜用于将激光器芯片发出的激光按设定比例一部分反射给TO 管帽的透镜，另一部分透射给光探测芯片，所述光探测芯片用于将光信号转化为电信号，监控激光器芯片发出光的大小；

所述激光器芯片发出的激光的传输方向与绝缘基板的上表面平行，经功率分光镜反射后的激光的传输方向与绝缘基板的上表面垂直；

在不需要监测光功率的应用下，功率分光镜改为反射镜，所述绝缘基板的上表面上固定有反射镜，所述反射镜用于将激光器芯片发出的激光反射给TO 管帽的透镜；所述激光器芯片发出的激光的传输方向与绝缘基板的上表面平行，经反射镜反射后的激光的传输方向与绝缘基板的上表面垂直；

新型TO封装结构组装方式如下：

步骤1：将不带有金锡焊料（010）的圆形陶瓷板（005）与可伐金属环使用高温烧结工艺，焊接在一起，组成TO底座，称为组件一；

步骤2：将金锡焊料（010）预置在组件一的圆形陶瓷板（005）上，称为组件二；圆形陶瓷板（005）经过打孔、填铜、镀金、预制焊料工艺后形成；

步骤3：将激光器芯片（006）利用共晶焊工艺焊接在组件二上预置的金锡焊料（010）处，称为组件三；

步骤4：将光探测芯片（008）使用银胶固晶固定在TO底座上，称为组件四；

步骤5：完成激光器芯片（006）、光探测芯片（008）金丝键合工序，实现激光器芯片（006）、光探测芯片（008）与圆形陶瓷板（005）电器连接，称为组件五；

步骤6：将45°功率分光镜（007）使用银胶固晶固定在TO底座上,称为组件六；

步骤7：使用电阻焊封帽工艺将TO 管帽封焊到组件六上，完成新型TO封装结构制作；或者使用胶粘工艺实现TO 管帽与组件六的固定。

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