CN112825414A - 一种vcsel激光器件及其制作方法 - Google Patents

Abstract

一种VCSEL激光器件及其制备方法，该激光器件包括基板，还包括上、下表面均为自由曲面的折射式光学中空透镜，其底部直接粘固于基板上。本发明的制备方法采用预制成阵列的光学透镜，将其直接固置于基板上，再将其切割成单个独立功能的单个VCSEL激光器件。不同于现有技术用事先预切割的带有支撑台的基板，将工程扩束器固定在支撑台上，后分离成单个器件，其产品成本昂贵，出光效率较低，而本发明中透镜除了光学作用外还与基板直接粘接保护芯片和导线等，使用这种折射式的光学透镜的VCSEL器件，透光效率高，生产工艺简单，极大提高了生产效率，有效减少了器件封装体积，也降低了封装成本，提升了产品出光效率和器件质量。

Description

一种VCSEL激光器件及其制作方法

技术领域

本发明涉及半导体封装和模组封装技术，具体涉及一种带有光学透镜的VCSEL激光器件及其制备方法。

背景技术

目前，VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，垂直腔面发射激光器)芯片采用工程扩束器(Diffuser，这里’Diffuser’是专业名词)进行扩束，该工程扩束器1001是在平板石英玻璃1004的表面粘接一高分子层1005，利用微折射技术(包含折射和衍射)进行光线扩散，且该工程扩束器1001放置在与基板1002相连的支架(Holder)1003上，如图1所示。因平板玻璃全反射较多，再加上高分子层微结构会造成光损失，工程扩束器1001设置于支架1003上，与Holder粘接面积小，采用UV胶粘接，极容易掉落。实际测试中，VCSEL芯片经工程扩束器扩束后的光学损失较大，所以出光效率比较低。而且高分子层容易高温熔融及脱落或者胶水浸润及污染物填充导致的失效或者工程扩束器直接掉落，极强能量的激光光束直接照射出去，使用时存在人眼安全隐患。现有技术的制备方法也同时存在工序多而复杂，生产效率低、成本高的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种VCSEL激光器件及其制备方法，可以克服现有技术存在的光损失较大、出光效率较低以及扩束器掉落的缺陷，具有整个封装系统简单稳定、应用时更安全、整个光学系统光透过率高、光损小以及制造工序简化成本降低的优点。

本发明上述技术问题这样解决，构造一种VCSEL激光器件，包括绑定有至少一颗VCSEL芯片和半导体元器件的基板，用于将VCSEL芯片、半导体元器件与所述基板电连接的金导线，还包括直接固置于所述基板上的光学透镜，所述光学透镜包含上下两个光学界面，且两个光学界面面型为自由曲面；所述光学透镜底部设有一容纳VCSEL芯片和半导体元器件以及导线的空腔，空腔外侧设有一防止粘接介质溢到VCSEL芯片的台阶，所述光学透镜外侧有部分截面与单个功能VCSEL器件基板的切面平行，所述光学透镜底部设置有直接与基板粘接固定的粘接面。

在本发明上述VCSEL激光器件中，所述光学透镜下部的第一光学界面至少在一个轴向上是向内的凹面，用于将VCSEL芯片发出的光折射到预设角度，所述光学透镜上部的第二光学界面用于对发光和照射光斑进行优化整形。

在本发明上述VCSEL激光器件中，所述光学透镜的光轴与VCSEL芯片的光轴平行，所述VCSEL芯片在所述光学透镜底部第一光学界面下方一定距离处。

在本发明上述VCSEL激光器件中，所述光学透镜采用折射率n＞1.4，且透光率＞80％的透光材质模压或注塑成型，所述透光材质为硅胶、树脂、或模造玻璃中的一种。

在本发明上述VCSEL激光器件中，所述基板为采用固焊功能区域有多导通孔的陶瓷或者塑胶支架，或者采用热固成型的QFN金属引线支架中的一种，所述基板表面外侧四周设置有防溢的台阶，用于平衡粘接介质表面的应力，所述导线4直径为0.8-1.5mil，多导线并联，用于降低键合线的整体电阻值，进而减少整个VCSEL电路的压降。

在本发明上述VCSEL激光器件中，所述半导体元器件至少包括以下之一：带控制功能的IC元器件、对光敏感的光敏元器件、对温度敏感的热敏电阻。

按照本发明另一方面提供的一种用于批量制造VCSEL激光器件的中间产品阵列，包括单元组成的阵列，每个单元包括基板、固定在基板上的一个光学透镜、基板上装有发出至少一个光束的VCSEL芯片，其中，光束排布为矩形阵列或随机分布，且光束波长为600-1500nm之间。

按照本发明另一方面提供的一种VCSEL激光器件制备方法，包括以下步骤：

S1)将VCSEL芯片和半导体元器件，成排成列地以发光单元为单位，设置在基板上；

S2)将每个发光单元中的VSCEL芯片和半导体器件与基板通过导线与基板键合；

S3)采用模具注塑或者模压成型，制备与基板发光单元阵列对应的光学透镜500；

S4)在步骤S2完成的半成品基板设置粘接介质；

S5)将步骤S3制备好的光学透镜阵列板与基板压合，通过步骤S4设置的粘接介质将所述光学透镜阵列板固定于基板对应位置上；

S6)以发光单元为单位，对步骤S5形成的光学透镜与基板压合后的半成品，切割成单个独立功能的单个VCSEL激光器件。

在本发明上述制备方法中，在所述步骤S3中，所述光学透镜阵列板由成行成列光学透镜单元组成，每个光学透镜单元包括上下两个光学界面，且两个光学界面面型为自由曲面；所述光学透镜底部设有一容纳VCSEL芯片和半导体元器件以及导线的空腔，空腔外侧设有一防止粘接介质溢到VCSEL芯片的台阶，所述光学透镜外侧有部分截面与单个功能VCSEL器件基板的切面平行，所述光学透镜底部设置有直接与基板粘接固定的粘接面。

在本发明上述制备方法中，所述步骤S3中，所述光学透镜阵列采用折射率n＞1.4，且透光率＞80％的透光材质模压或注塑成型，所述透光材质为硅胶，树脂，或模造玻璃中的一种。

在本发明上述制备方法中，在所述步骤S3中，在相邻的光学透镜单元之间组成的阵列透镜中，在各个光学透镜单元之间预制径向(纵向)切割和轴向(横向)切割线划分，在所述步骤S6中，所述切割沿所述径向切割线或/和轴向切割线进行。

本发明的VCSEL激光器件包括基板，用于将VCSEL芯片、半导体元器件与基板电连接的导线，还包括上、下表面均为自由曲面的折射式光学中空透镜，所述光学中空透镜的底部通过使用UV胶、硅胶、树脂中的一种粘接介质直接设置于基板上。由于可直接采用半导体封装的工艺生产制作，将预制的光学透镜直接固定安置在基板上，封装体积小，工艺简单，生产效率高，极大降低了整个器件的封装成本。不同于现有VCSEL激光器件采用半导体封装与摄像头模组相结合的的封装工艺，现有VCSEL激光器件封装工艺繁琐，生产效率低，成本昂贵。本发明采用的光学透镜代替现有技术的支架以及工程扩束器，成本低。光学透镜外形设计整洁，光滑，便于模具加工及封装工艺批量生产。光学透镜出光效率高于工程扩束器，光损较小，因此整个VCSEL器件效率也会更高。本发明的一种VCSEL激光器件制备方法，由预制成型阵列的光学透镜，将其直接固置于对应阵列的基板上，光学透镜与基板压合后的半成品，采用切割方式，成单个独立功能的单个VCSEL激光器件。不同于现有VCSEL激光器件，使用事先预切割的带有支撑台的基板，将工程扩束器固定在支撑台上，后劈裂分离成单个器件，这种结构的产品成本昂贵，全反射较多，产品出光效率较低，而本发明中透镜除了光学作用外还起到了与基板直接粘接保护芯片的导线的作用，使用这种折射式的光学透镜的VCSEL器件，透光效率高，生产工艺简单，极大提高了生产效率，有效减少了器件封装体积，也降低了封装成本，提升了产品光效和器件质量。

附图说明

图1是现有技术VCSEL激光器件的结构示意图；

图2是按照本发明实施的单个VCSEL激光器件平面示意图；

图3是沿图2中A-A线剖面视图；

图4是按照本发明的单个光学透镜3D结构示意图；

图5是本发明实施例中单个光学透镜X轴向切面示意图；

图6是本发明实施例中单个光学透镜Y轴向切面示意图；

图7是按照本发明实施的单个VCSEL激光器件等轴侧视图；

图8是按照本发明实施例的阵列VSCEL芯片与半导体采用导线与基板键合示意图。

图9是按照本发明实施例的阵列透镜采用注塑模具注塑或模压成型的示意图。

图10是图9中C-C线剖面视图以及局部放大图。

图11是按照本发明方法实施的阵列光学透镜设置于基板上的示意图。

图12是按照本发明方法实施切割成单个独立的功能器件的示意图。

具体实施方式

在图2-图7所示本发明单个VCSEL激光器件实施例中，包括基板1、绑定在基板1上的VCSEL芯片2和半导体元器件3，还包括直接固置于在基板1上的光学透镜5(图7)，基板1上还有用于将VCSEL芯片2、半导体元器件3与基板电连接的导线4，其中，芯片2通过固晶导电胶X1固定在基板2中央，基板2四周设有用于释放粘接介质表面应力和控制透镜与基板粘接高度的的台阶X2(图2-3)。

如图4-图7，光学透镜5不仅让芯片2产生的光较少损失地发散透出的作用，还起到起到保护芯片2、半导体元器件3以及导线4作用。如图4的光学透镜5采用折射率n＞1.4，且透光率＞80％的透光材质利用模具模压或注塑成型，透光材质可以是硅胶、树脂、或模造玻璃中的一种。模压或注塑成型的光学透镜5的上方和下部分别包含上下两个光学界面，且上、下两个光学界面面型均为自由曲面；其中，下部的第一光学界面51至少在一个轴向上是向内的凹面，用于将VCSEL芯片2发出的光折射到预设角度，上部的第二光学界面52用于对发光和照射光斑进行优化整形。如图4-7，光学透镜5底部设有一容纳VCSEL芯片2和半导体元器件3以及导线4的空腔53，空腔53外侧设有一防止粘接介质溢到VCSEL芯片2的台阶54，光学透镜5外侧有部分截面与单个功能VCSEL器件基板的切面平行1，光学透镜5底部设置有直接与基板1粘接固定的粘接面55。此外，光学透镜5有X轴向切割面56和57，Y轴向切割面58、59，将透镜围合成型。光学透镜5通过粘接面55上的UV胶、硅胶、环氧胶直接将光学透镜固置于基板1上。

作为第一光学界面51的第二光学界面52的光轴线，与VCSEL芯片2的发光轴线彼此平行，最好彼此重合。换言之，在本实施例中，光学透镜5底部的第一光学界面51可将VCSEL芯片2发光的光折射到预设的角度，光学透镜5上部的第二光学界面52对出射的光进行优化整形，达到器件最终的光斑均匀性和发光角度效果。

在本发明另一实施例中，图2中半导体元器件3可以是带控制功能的IC元器件，也可是对光敏感的光敏元器件中的一种或两种；集成IC元器件的作用：器件直接集成IC，可直接控制VCSEL芯片的通电情况，提升了控制的响应速度，减小了整个封装的体积；集成光敏元器件的作用：提供安全保护，VCSEL光源发出去的光，经过透镜底部光学界面，大部分光线折射出去，另一部分光线发生反射，这时光敏元器件接收到光信号，VCSEL电路持续通电，当光学透镜掉落，没有光反射到光敏元器件，控制VCSEL电路断开，提供安全保护。

在本发明另一实施例中，基板1为采用固焊功能区域有多导通孔的陶瓷或者塑胶支架，或者采用热固成型的QFN金属引线支架中的一种。将VCSEL芯片和半导体元器件与基板键合连接，采用至少一根导线，导线直径为0.8-1.5mil，用于降低键合线的整体电阻值，进而减少整个VCSEL电路的压降。

在本发明另一实施例中，基板1每个发光单元的四周设有台阶102以平释放粘接介质表面应力和控制透镜与基板粘接高度，如图2-图3。

在本发明另一实施例中，光学透镜5采用折射式的光学透镜，该透镜为中空透镜，透镜下表面和上表面的功能区均为自由曲面，透镜四周有部分截面与单个功能VCSEL器件基板的切面平行，侧壁底部一周通过粘接面55粘接于基板1上，包括两个曲面51和52的透镜底部向中心延伸，专门设有一用以容纳VCSEL芯片2和半导体元器件3以及导线4的防溢台空腔53，且透镜底部中心所设的自由曲面的光学界面51，用于改变VCSEL芯片1发光角度的，该光学界面51设置在VCSEL芯片1的正上方。

实施本发明上述实施例中的VCSEL激光器件，光学透镜采用折射式的透光胶模压或注塑成型，VCSEL激光光束经过折射式透镜后，光束被整形到预设的光斑和角度效果，不同于现有产品VCSEL激光器件光学器件中Diffuser整形光束方案。结构更简单，光效更高，成本更低。

如图8，按照本发明提供的VCSEL激光器件的制备方法，先是将VCSEL芯片2和半导体元器件3设置于基板1上，通过导线4将基板与VCSEL芯片和半导体元器件连接导通，将模压或者注塑好的的折射式双自由曲面光学透镜通过压合，如图9-10，一体粘接于基板上，如图11，后采用切割将其分离成单个功能的元器件，如图12。由于模压或者注塑成型的阵列透镜采用压合将其固定于基板上，光学透镜底部直接与基板粘接，不同于现有封装技术。

现有VCSEL封装技术是单个石英玻璃的工程扩束器放置于带有多层台阶的金属或塑料Holder的基板上，生产效率低。在本发明中，整体热压的阵列透镜和基板，采用一次或多次切割成单个器件，比起现有VCSEL封装技术采用劈裂或者激光切割将其分离成单个器件，克服了其效率较低且工艺成本较高的缺点。

在按照本发明提供的VCSEL激光器件的制备方法实施例中，包含以下步骤：

1)将VCSEL芯片2和半导体元器件3，成排成列地以发光单元为单位，设置在基板1上，即通过邦定设备，将VCSEL芯片和与之配合的半导体元器件，以发光单元为单元邦定固定到基板上，如图8所示；此处，使用的邦定材料可以是银胶，锡膏，助焊剂，热压共晶焊料中的一种或多种；每个发光单元采用的VCSEL芯片为至少有1个光束的芯片，其光束的排布为阵列矩形或者随机分布；

2)将每个发光单元中的VSCEL芯片和半导体器件与基板通过导线与基板键合，图4示出将VCSEL芯片2和半导体元器件3设置于基板1上的情形；VCSEL芯片2与基板1键合，至少使用一跟导线键合，所使用的键合线4直径为0.8-1.5mil，使用多键线的好处是可降低键合线的整体电阻值，进而可减少整个VCSEL电路的电压。

3)采用模具注塑或者模压成型，制备与基板发光单元阵列对应的光学透镜500；图9-10示出了模具注塑或模压成型的光学透镜的结构情况，图中可见，每个单元包括第一自由曲面51和第二自由曲面52以及与基板的粘接面55。第一自由曲面52用于将VCSEL芯片2发出的光折射到预设的角度，第二自由曲面52用于对出射的光进行优化整形。

4)在步骤S2完成的半成品基板设置粘接介质，粘接介质可以是UV胶，硅胶，环氧胶；

5)将步骤S3制备好的光学透镜阵列板与基板压合，通过步骤S4设置的粘接介质将所述光学透镜阵列板50固定于基板1对应位置上，如图11所示，有多个单元，每个单元由基板和光学透镜组成；

6)以发光单元为单位，对步骤S5形成的光学透镜与基板压合后的半成品，沿着分割各个单元的彼此平行的轴线分割线560和径向分割线550，切割成独立功能的单个VCSEL激光器件。如图12所示。

在本发明方法另一实施例中，所述光学透镜阵列板由成行成列光学透镜单元组成，每个光学透镜单元包括下、上两个光学界面(51、52)，且两个光学界面(51、52)的面型为自由曲面；光学透镜5底部设有一容纳VCSEL芯片2和半导体元器件3以及导线4的空腔53，空腔53外侧设有一防止粘接介质溢到VCSEL芯片2的台阶54，所述光学透镜5外侧有部分截面与单个功能VCSEL器件基板的切面平行1，光学透镜5底部设置有直接与基板1粘接固定的粘接面55。

在本发明方法的另一实施例中，在步骤S3中，在相邻的光学透镜单元之间组成的阵列板中，在各个光学透镜单元之间预制径向(纵向)切割曲面和轴向(横向)切割曲面所划分，两个径向相邻的光学透镜单元的径向切割曲面之间有径向切割面中心线，两个轴向相邻的光学透镜单元的横向切割曲面之间有轴向切割曲面中心线。如图7所示。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种VCSEL激光器件，包括绑定有至少一颗VCSEL芯片和半导体元器件的基板(1)，用于将VCSEL芯片(2)、半导体元器件(3)与所述基板(1)电连接的导线(4)，其特征在于，还包括直接固置于所述基板(1)上的光学透镜(5)，所述光学透镜(5)包含上下两个光学界面(51、52)，且两个光学界面(51、52)面型为自由曲面；所述光学透镜(5)底部设有一容纳VCSEL芯片(2)和半导体元器件(3)以及导线(4)的空腔(53)，所述光学透镜(5)底部设置有直接与基板(1)粘接固定的粘接面(55)。

2.根据权利要求1所述VCSEL激光器件，其特征在于，所述光学透镜(5)下部的第一光学界面(51)至少在一个轴向上是向内的凹面，用于将VCSEL芯片(2)发出的光折射到预设角度，所述光学透镜上部的第二光学界面(52)用于对发光角度和照射光斑进行优化整形。

3.根据权利要求1所述VCSEL激光器件，其特征在于，所述光学透镜(5)的光轴与VCSEL芯片(2)的光轴平行，所述VCSEL芯片(2)在所述光学透镜(5)底部第一光学界面(51)下方一定距离处。

4.根据权利要求1所述VCSEL激光器件，其特征在于，所述光学透镜(5)采用折射率n＞1.4，且透光率＞80％的透光材质模压或注塑成型，所述透光材质为硅胶、树脂、或模造玻璃中的一种或多种的组合。

5.根据权利要求1所述VCSEL激光器件，其特征在于，所述基板(1)为采用固焊功能区域有多导通孔的陶瓷或者塑胶支架，或者采用热固成型的QFN金属引线支架中的一种，所述基板(1)表面外侧四周设置有防溢的台阶(102)，用于平衡粘接介质表面的应力。

6.根据权利要求1所述VCSEL激光器件，其特征在于，所述半导体元器件(2)至少包括以下之一：带控制功能的IC元器件、对光敏感的光敏元器件、对温度敏感的热敏电阻。

7.一种用于批量制造如权利要求1所述VCSEL激光器件的中间产品阵列，其特征在于，包括单元组成的阵列，每个单元包括基板(1)、固定在基板上的一个光学透镜(5)、基板上装有发出至少一个光束的VCSEL芯片(2)，光束波长为600-1500nm。

8.一种VCSEL激光器件制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1)将VCSEL芯片和半导体元器件，成排成列地以发光单元为单位，设置基板上；

S2)将每个发光单元中的VSCEL芯片和半导体器件与基板通过导线与基板键合；

S3)采用模具注塑或者模压成型，制备与基板发光单元阵列对应的光学透镜500；

S4)在步骤S2完成的半成品基板(1)设置粘接介质；

S5)将步骤S3制备好的光学透镜阵列板与基板压合，通过步骤S4设置的粘接介质将所述光学透镜阵列板固定于基板对应位置上；

S6)以发光单元为单位，对步骤S5形成的光学透镜与基板压合后的半成品，切割成单个独立功能的单个VCSEL激光器件。

9.根据权利要求8所述制备方法，其特征在于，在所述步骤S3中，所述光学透镜阵列板由成行成列光学透镜单元组成，每个光学透镜单元包括上下两个光学界面(51、52)，且两个光学界面(51、52)面型为自由曲面；所述光学透镜(5)底部设有一容纳VCSEL芯片(2)和半导体元器件(3)以及导线(4)的空腔(53)，空腔(53)外侧设有一防止粘接介质溢到VCSEL芯片(2)的台阶(54)，所述光学透镜(5)外侧有部分截面与单个功能VCSEL器件基板的切面平行(1)，所述光学透镜(5)底部设置有直接与基板(1)粘接固定的粘接面(55)。

10.根据权利要求8所述VCSEL激光器件制备方法，其特征在于，在所述步骤S3中，在相邻的光学透镜单元之间组成的阵列透镜中，在各个光学透镜单元之间预制径向切割线和轴向切割线所划分，在所述步骤S6中，所述切割沿所述径向切割线或/和轴向切割线进行。

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