CN112952546A - 一种可控温的薄型vcsel激光器封装结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可控温的薄型VCSEL激光器封装结构，包括热端陶瓷基板、形成在热端陶瓷基板上表面的封装腔侧壁和实现对封装腔侧壁封盖的匀光片，所形成的封装腔内设有VCSEL芯片、测温元件、光电反馈元件、冷端陶瓷基板和热电材料组件，冷端陶瓷基板与热端陶瓷基板相对设置，且热电材料组件设于冷端陶瓷基板与热端陶瓷基板之间用于实现定向热传导，VSCEL芯片、光电反馈元件和测温元件设于所述冷端陶瓷基板上表面。本发明的封装材料结构体积小、能实现超薄化，且可实现实时与精准，快速控温，且相比于现有的VSCEL封装结构，还可减少热沉和工序，提高组装的可靠性和封装结构的良率。
Description
技术领域
本发明属于半导体光器件封装领域，具体涉及一种可控温的薄型VCSEL激光器封装结构。
背景技术
VCSEL对温度非常敏感，超过0.1℃的温度波动就足以导致激光波长漂移，从而影响光输出功率及转换效率。
现有技术中，有些在VCSEL芯片下方放置散热基板进行散热，在VCSEL下方设置较大面积的散热基板进行散热，并且通过散热基板形状的优化，可增加芯片引线，电流分布均匀度较好。但是此散热方案属于被动散热，通过热沉来吸收VCSEL工作时产生的热量，无法对工作温度进行能的精准控制，再者选用热沉的尺寸也无法做到很小，否则实现不了控温的作用，因而对整体封装或应用微型化是非常不利的。
另一种是在VCSEL下方设置小型热沉，通过热电制冷器对热沉进行控温，从而间接实现对VCSEL的温度控制。这种方案的结构沿垂直方向高度过大，无法适用于一些要求厚度超薄的产品运用，且VCSEL、热沉和热电制冷器多个部件堆叠，组装工艺复杂，具有一定的不良率，同时部件相互之间采用导热胶黏合，导热率受到一定影响。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种可控温的薄型VCSEL激光器封装结构。
为实现以上目标，本发明采用如下的技术方案：
一种可控温的薄型VCSEL激光器封装结构，包括热端陶瓷基板、形成在所述热端陶瓷基板上表面的封装腔侧壁和实现对所述封装腔侧壁封盖的匀光片，所形成的封装腔内设有VCSEL芯片、测温元件、光电反馈元件、冷端陶瓷基板和热电材料组件，所述冷端陶瓷基板与热端陶瓷基板相对设置，且所述热电材料组件设于所述冷端陶瓷基板与热端陶瓷基板之间用于实现定向热传导，所述VSCEL芯片、光电反馈元件和测温元件设于所述冷端陶瓷基板上表面。
优选地，所述热端陶瓷基板下表面设有为VSCEL芯片、光电反馈元件、测温元件和热电材料组件供电的焊接焊盘。
优选地，所述冷端陶瓷基板与热端陶瓷基板相对的表面上均设有焊接焊盘，所述热电材料组件的一端焊接于所述冷端陶瓷基板的焊接焊盘，另一端焊接于热端陶瓷基板的焊接焊盘。
优选地，所述封装腔内的热端陶瓷基板表面设有邦定焊盘,且所述VSCEL芯片、光电反馈元件和测温元件均与所述热端陶瓷基板表面的邦定焊盘实现电连接。
优选地，所述冷端陶瓷基板的上表面设有焊接焊盘，所述VCSEL芯片、光电反馈元件和测温元件焊接于所述焊接焊盘上。
优选地，所述冷端陶瓷基板、冷端陶瓷基板上的焊接焊盘、热电材料组件、热端陶瓷基板上的焊接焊盘和热端陶瓷基板组成热电制冷器。
优选地，热端陶瓷基板的下表面设置金属化散热焊盘；所述热端陶瓷基板下表面的焊接焊盘分散于所述金属化散热焊盘周围。
优选地，所述热端陶瓷基板下表面的焊接焊盘与所述热端陶瓷基板上表面的邦定焊盘对应电连接；
所述热端陶瓷基板下表面的焊接焊盘与所述热电材料组件电连接。
优选地，所述热电材料组件包括一对或多对热电材料颗粒；一对热电材料颗粒通过焊接焊盘连接组成一个热电偶；
每一对热电材料颗粒的上端对应焊接于冷端陶瓷基板下表面的一片金属化焊接焊盘，每一对热电材料颗粒的下端对应焊接于热端陶瓷基板上表面的一片金属化焊接焊盘。
优选地，热端陶瓷基板下表面的焊接焊盘与所述热端陶瓷基板上的热电材料组件通过热端陶瓷基板上的金属化过孔电连接；
所述热端陶瓷基板下表面的焊接焊盘通过热端陶瓷基板上的金属化过孔与热端陶瓷基板上表面的邦定焊盘电连接。
优选地，所述封装腔为真空腔体。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明的VSCEL封装结构有利于实现结构封装的小型化及超薄化，封装总体高度可以控制在2mm以内，由于封装元件直接焊接在热电制冷器的冷端陶瓷基板外侧面，VCSEL和热电材料之间只隔了一层冷端陶瓷，VCSEL工作时生成的热量很容易被热电材料快速吸收并转移，且温度元件能为热电制冷器的制冷提供温度反馈。
2、本发明通过测温元件及热电制冷器的闭环温度控制，可实腔体温度的实时检测与精准，快速控制。
3、相比于现有的VSCEL封装结构，本发明可以减少VSCEL与热电制冷器之间的热沉，省略一道焊接工序，还可以提高组装的可靠性和封装结构的良率。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明的VCSEL激光器封装结构的爆炸示意图。
图2为本发明的VCSEL激光器封装结构的剖面示意图。
图3为本发明的VCSEL激光器封装结构的冷端陶瓷基板仰视示意图。
图4为本发明的VCSEL激光器封装结构的热端陶瓷基板俯视示意图。
图5为本发明的VCSEL激光器封装结构的热端陶瓷基板仰视示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。此外，本领域技术人员根据本文件的描述，可以对本文件中实施例中以及不同实施例中的特征进行相应组合。
本发明实施例如下，请参见图1-5所示，提供一种可控温的薄型VCSEL激光器封装结构，包括热端陶瓷基板8、形成在所述热端陶瓷基板8上表面的封装腔侧壁7和实现对所述封装腔侧壁7封盖的匀光片1，三者共同构成密闭的封装腔，所形成的封装腔内设有封装元件VCSEL芯片3、测温元件2和光电反馈元件4，还设有冷端陶瓷基板5和热电材料组件，所述冷端陶瓷基板5与热端陶瓷基板8相对设置；且所述热电材料组件设于所述冷端陶瓷基板5与热端陶瓷基板8之间用于实现定向热传导；所述VSCEL芯片3、光电反馈元件4和测温元件2设于所述冷端陶瓷基板5上表面。其中所述VSECL芯片4、冷端陶瓷基板5、热电材料组件和热端陶瓷基板8形成热传导路径。
本方案中，可以通过在热端陶瓷基板8的上表面堆叠材料形成封装腔侧壁7，可以通过常规的金属生长工艺或烧结工艺等形成。通过在作为腔体内底面的热端陶瓷基板8上表面做金属化图案，形成腔体内的焊接焊盘H和邦定焊盘B，金属化图案可以采用常规的PVD溅镀或蒸镀等工艺来实现。本方案中，测温元件2可精确感知腔体内的温度，为热电制冷器控温提供有效的反馈信号。通过对封装腔的腔体内部抽真空，可以为热电制冷器以及VCSEL的工作提供隔热更好的空间环境。具体地，在真空烤箱中将匀光片1与封装腔侧壁7焊接封盖，由于在真空环境进行，因此获得的封装腔腔内是真空的。
本方案中，封装腔的高度应略高于VCSEL芯片3，光电反馈元件4和测温元件2这些封装元件的最高水平高度与冷端陶瓷基板5、冷端陶瓷基板5上表面的焊盘、相对的两个焊接焊盘H和热电材料组件（热电材料颗粒6）的总高度，总体厚度可控制在3mm以内，能够满足超薄要求。
所述热端陶瓷基板8下表面设有为VSCEL芯片3、光电反馈元件4、测温元件2和热电材料组件供电的多个尺寸较小焊接焊盘H。
所述冷端陶瓷基板5与热端陶瓷基板8相对的表面上均设有焊接焊盘H，所述热电材料组件的上端焊接于所述冷端陶瓷基板5的焊接焊盘H，下端焊接于热端陶瓷基板8的焊接焊盘H。热端陶瓷基板8表面的焊接焊盘H也是通过在作为腔体内底面的热端陶瓷基板8上表面做金属化图案实现。
所述封装腔内的热端陶瓷基板8上表面设有邦定焊盘B，且所述VSCEL芯片3、光电反馈元件4和测温元件2均通过邦定线与所述热端陶瓷基板8上表面的邦定焊盘B实现电连接。具体地，每个封装元件的输出端和输入端通过独立的邦定线对应邦定于热端陶瓷基板8上表面的一对或多对邦定焊盘B上。本实施例中，热端陶瓷基板8上共设置8个邦定焊盘，由于VSCEL芯片3电流较大，因此其输出端采用了邦定线邦定于两个邦定焊盘B上，输入端也采用了邦定线邦定于两个邦定焊盘B上，而其他封装元件的输入端和输出端均通过邦定线各邦定于一个邦定焊盘B上，事实上，邦定焊盘的数量以及与封装元件的数量不限于本实施例。该邦定焊盘B通过在作为腔体内底面的热端陶瓷基板8上表面做金属化图案实现。
本实施例中，封装腔体内，所述热端陶瓷基板8上的邦定焊盘B位于所述热端陶瓷基板8上的焊接焊盘H的周围。
所述冷端陶瓷基板5的上表面设有焊接焊盘H，所述VCSEL芯片3、光电反馈元件4和测温元件2焊接于所述焊接焊盘H上；通过在所述冷端陶瓷基板5上表面做表面金属化图案形成所述三个焊接焊盘H，分别用于焊接VCSEL芯片3、光电反馈元件4、测温元件2这些封装元件，所述VCSEL芯片3、光电反馈元件4和测温元件2均通过邦定线分别与所述热端陶瓷基板8上的各邦定焊盘B电气连接。邦定焊盘B下方的热端陶瓷基板8设有金属化过孔K，通过金属化过孔K连接到热端陶瓷基板8底面的焊接焊盘H上。
所述冷端陶瓷基板5、冷端陶瓷基板5上的焊接焊盘H、热端陶瓷基板8上的焊接焊盘H、热端陶瓷基板8和热电材料组件组成热电制冷器。
热端陶瓷基板8的下表面中间设置大面积的金属化散热焊盘S，所述多个焊接焊盘分散设于所述金属化散热焊盘S周围，所述多个焊接焊盘H分别通过热电陶瓷基板8上的金属化过孔K与所述热端陶瓷基板8上表面的各邦定焊盘电连接，通过热端陶瓷基板8上的金属化过孔K与热电材料组件电连接。
所述热电材料组件包括一对或多对热电材料颗粒6；一对热电材料颗粒6通过焊接焊盘H连接组成一个热电偶；每一对热电材料颗粒6的上端对应焊接于冷端陶瓷基板5下表面的一片金属化焊接焊盘H，每一对热电材料颗粒6的下端对应焊接于热端陶瓷基板8上表面的一片金属化焊接焊盘H；优选的，各热电偶呈电串联，热电偶的数量及方位排布数据热电制冷器的设计细节，可以采用本领域现有常规的方式，数量视制冷功率的设计需求而定，排布只要能够实现各热电偶电串联的方式即可，为了一种举例，热端陶瓷基板8上的金属化焊接焊盘H与冷端陶瓷基板5上的金属化焊接焊盘H进行错开设置，即对于下端焊接于热端陶瓷基板8上表面同一金属化焊接焊盘H上的一对热电材料颗粒6而言，这一对热电材料颗粒6的上端分别焊接于冷端陶瓷基板5不同的金属化焊接焊盘H上，以达到错开的目的，来实现各热电偶之间的串联。作为可选的错开方式，例如可以是热端陶瓷基板8上的用于焊接两个热电金属颗粒6的金属化焊接焊盘H与冷端陶瓷基板5上的用于焊接两个热电金属颗粒6的金属化焊接焊盘H在水平方向的布置呈垂直角度设置。
因此，热电制冷器的组成部分包括热端陶瓷基板8、冷端陶瓷基板5，热电材料颗粒6，以及陶瓷基板相对面上用于焊接热电材料颗粒的各焊接焊盘H，热电制冷器通过两个焊接焊盘H与热端陶瓷基板8下表面上的焊接焊盘H进行电连接，具体的，可以是热电制冷器上相互串联的热电材料颗粒6串上的第一个热电材料颗粒6和最后一个热电材料颗粒6对应的两个焊接焊盘H通过热端陶瓷基板8上的金属化过孔K与热端陶瓷基板8下表面上的焊接焊盘H进行电连接。因此，所述热电致冷器的供电接口位于所述封装腔体内。
所述封装腔为真空腔体，真空环境为热电制冷器以及VCSEL芯片3的工作提供隔热良好的空间环境。
在热端陶瓷基板8的下表面中间设置的金属化散热焊盘S只用于焊接在PCB或散热器上用于热传递。在应用时，将此VCSEL封装结构贴焊在PCB上，PCB上另外设置VCSEL驱动电路和热电制冷器驱动电路。VCSEL驱动电路根据封装中光电反馈元件4检测的VCSEL芯片3光强度信号，调制VCSEL芯片3的工作电流，使VCSEL芯片3工作在目标光强度的状态；VCSEL芯片3在工作时会产生热量，热电制冷器驱动电路通过测温元件检测到的温度信号，调制热电制冷器的工作电流，产生制冷作用，将VCSEL芯片3传到到冷端陶瓷基板5上的热量转移到热端陶瓷基板8上，再通过热端陶瓷基板8底面的散热焊盘S，将热量传递给PCB或散热器并逸散出去。最终通过热电制冷器的工作，将VCSEL芯片3稳定在一个较低的工作温度。
因此，本发明中，根据位于腔体的测温元件2检测腔体内温度，控制热电制冷器的工作电流实现稳定精准的温度控制，通过光电反馈元件的反馈信号，可监控VCSEL芯片3的工作状态，并对其进行调控。
本发明通过直接在热电制冷器热端陶瓷基板8的上表面堆叠材料形成腔体，使用PVD技术制作腔内焊接焊盘H和邦定焊盘B，用于焊接热电材料颗粒6和封装元件以及邦定封装元件，焊接在热电制冷器上的封装元件通过邦定线和热端陶瓷基板腔体内的邦定焊盘B连接，因此热电材料供电端口，VCSEL供电端口以及测温元件和光电反馈元件的反馈信号端口均通过金属化过孔K与位于热端陶瓷下表面的焊接焊盘H连接，有利于做整体封装的超薄设计。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (11)
1.一种可控温的薄型VCSEL激光器封装结构，其特征在于，包括热端陶瓷基板（8）、形成在所述热端陶瓷基板（8）上表面的封装腔侧壁（7）和实现对所述封装腔侧壁（7）封盖的匀光片（1），所形成的封装腔内设有VCSEL芯片（3）、测温元件（2）、光电反馈元件（4）、冷端陶瓷基板（5）和热电材料组件，所述冷端陶瓷基板（5）与热端陶瓷基板（8）相对设置，且所述热电材料组件设于所述冷端陶瓷基板（5）与热端陶瓷基板（8）之间用于实现定向热传导，所述VSCEL芯片（3）、光电反馈元件（4）和测温元件（2）设于所述冷端陶瓷基板（5）上表面。
2.如权利要求1所述的可控温的薄型VCSEL激光器封装结构，其特征在于，所述热端陶瓷基板（8）下表面设有为VSCEL芯片（3）、光电反馈元件（4）、测温元件（2）和热电材料组件供电的焊接焊盘。
3.如权利要求1或2所述的可控温的薄型VCSEL激光器封装结构，其特征在于，所述冷端陶瓷基板（5）与热端陶瓷基板（8）相对的表面上均设有焊接焊盘，所述热电材料组件的一端焊接于所述冷端陶瓷基板（5）的焊接焊盘，另一端焊接于热端陶瓷基板（8）的焊接焊盘。
4.如权利要求3所述的可控温的薄型VCSEL激光器封装结构，其特征在于，所述封装腔内的热端陶瓷基板（8）表面设有邦定焊盘,且所述VSCEL芯片（3）、光电反馈元件（4）和测温元件（2）均与所述热端陶瓷基板（8）表面的邦定焊盘实现电连接。
5.权利要求1或2所述的可控温的薄型VCSEL激光器封装结构，其特征在于，所述冷端陶瓷基板（5）的上表面设有焊接焊盘，所述VCSEL芯片（3）、光电反馈元件（4）和测温元件（2）焊接于所述焊接焊盘上。
6.如权利要求3所述的可控温的薄型VCSEL激光器封装结构，其特征在于，所述冷端陶瓷基板（5）、冷端陶瓷基板（5）上的焊接焊盘、热电材料组件、热端陶瓷基板（8）上的焊接焊盘和热端陶瓷基板（8）组成热电制冷器。
7.如权利要求1或2所述的可控温的薄型VCSEL激光器封装结构，其特征在于，热端陶瓷基板（8）的下表面设置金属化散热焊盘；所述热端陶瓷基板（8）下表面的焊接焊盘分散于所述金属化散热焊盘周围。
8.如权利要求4所述的可控温的薄型VCSEL激光器封装结构，其特征在于，
所述热端陶瓷基板（8）下表面的焊接焊盘与所述热端陶瓷基板（8）上表面的邦定焊盘对应电连接；
所述热端陶瓷基板（8）下表面的焊接焊盘与所述热电材料组件电连接。
9.如权利要求3所述的可控温的薄型VCSEL激光器封装结构，其特征在于，所述热电材料组件包括一对或多对热电材料颗粒（6）；一对热电材料颗粒（6）通过焊接焊盘连接组成一个热电偶；
每一对热电材料颗粒（6）的上端对应焊接于冷端陶瓷基板（5）下表面的一片金属化焊接焊盘，每一对热电材料颗粒（6）的下端对应焊接于热端陶瓷基板（8）上表面的一片金属化焊接焊盘。
10.如权利要求8所述的所述的可控温的薄型VCSEL激光器封装结构，其特征在于，热端陶瓷基板（8）下表面的焊接焊盘与所述热端陶瓷基板（8）上的热电材料组件通过热端陶瓷基板上的金属化过孔电连接；
所述热端陶瓷基板（8）下表面的焊接焊盘通过热端陶瓷基板（8）上的金属化过孔与热端陶瓷基板（8）上表面的邦定焊盘电连接。
11.如权利要求1或2所述的可控温的薄型VCSEL激光器封装结构，其特征在于，所述封装腔为真空腔体。
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2021
- 2021-03-15 CN CN202110277944.3A patent/CN112952546A/zh active Pending
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