CN113067248A - 激光封装结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种激光封装结构，包括底座、管壳、光窗和激光组件。管壳设于底座并围成收容空间，管壳具有远离底座的顶壁，顶壁设有第一金属层。光窗朝向管壳的表面的一部分设有第二金属层，第一金属层和第二金属层通过焊料焊接，以使光窗密封收容空间。激光组件收容于收容空间内，并用于经光窗发射激光。本发明提供的激光封装结构的光窗和管壳通过焊料焊接，在保证焊接质量的前提下，降低了激光封装结构的成本。
Description
技术领域
本发明涉及光学技术领域，具体而言，涉及一种激光封装结构。
背景技术
随着激光器芯片电光转换效率与输出光功率的不断提高，以及激光光源技术的不断突破，激光器芯片在激光照明和显示领域得到了越来越广泛的应用。为了满足市场需求，激光器芯片封装技术也在不断进步与提高。多芯片封装便是其中一种应用较广泛的一种封装方式，目前多以顶出光方案为主。该方案将激光器芯片分布于管壳底部，并采用反射镜的方式将激光进行90°反射、从顶部垂直射出。于是密封便成了其中决定产品成本与品质的很重要的一环。现有的激光器芯片在焊接封装的质量有待提升，且焊接成本较高，限制了激光器芯片封装技术的进一步发展。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新型激光封装结构，以解决上述问题。
本发明实施例通过以下技术方案来实现上述目的。
本发明提供一种新型激光封装结构，包括底座、管壳、光窗、准直透镜和激光组件。其中，管壳设于底座并围成收容空间，管壳具有远离底座的顶壁，顶壁设有第一金属层。光窗朝向管壳的表面的一部分设有第二金属层，第一金属层和第二金属层通过焊料焊接，以使光窗密封收容空间。激光组件收容于收容空间内，并用于经光窗发射激光。
在一实施方式中，所述激光封装结构还包括准直透镜，所述准直透镜安装于所述光窗远离所述管壳的一侧，所述准直透镜用于将激光组件出射的光整形为平行光。
在一实施方式中，所述管壳包括外周壁以及与所述外周壁相背的内周壁，所述顶壁连接于所述外周壁以及所述内周壁之间，所述内周壁围成所述收容空间，所述第一金属层的内边缘与所述内周壁平齐。
在一实施方式中，所述第二金属层的内边缘超出所述内周壁，且所述激光组件设置于所述第二金属层的内边缘在所述底座上的投影围成的区域内。
在一实施方式中，所述第一金属层的外边缘与所述顶壁的外边缘之间具有第一预设间隙，所述第二金属层的外边缘与所述光窗的外边缘之间具有第二预设间隙，所述第一预设间隙和所述第二预设间隙宽度范围均为0.1mm～1mm。
在一实施方式中，所述顶壁的外边缘设置有凸台，所述光窗与所述凸台相抵，所述第一金属层设置于所述顶壁并位于所述凸台的内侧。
在一实施方式中，所述第一金属层与所述凸台之间具有第三预设间隙。
在一实施方式中，所述凸台的高度等于所述光窗的厚度。
在一实施方式中，所述激光组件包括激光芯片模组和反射件，所述激光芯片模组和所述反射件均收容于所述收容空间内，所述激光芯片模组用于发射激光，所述反射件用于将所述激光朝向所述光窗反射。
在一实施方式中，所述管壳的内周壁设置有凸起台阶，所述底座与所述凸台相抵，所述激光封装结构还包括线路层，所述线路层设置于所述管壳内并与所述激光组件电连接。
相较于现有技术，本发明提供的激光封装结构的光窗和管壳通过焊料焊接，在保证焊接质量的前提下，降低了激光封装结构的成本。另外将准直透镜安装于光窗，使得激光可以准直出射。
本发明的这些方面或其他方面在以下实施例的描述中会更加简明易懂。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例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申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，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他的附图。
图1是本发明第一实施例提供的激光封装结构在一种状态下的结构示意图。
图2是本发明第一实施例提供的激光封装结构在另一种状态下的结构示意图。
图3是本发明第一实施例提供的激光封装结构的底座的结构示意图。
图4是本发明第二实施例提供的激光封装结构的拆分结构示意图。
图5是本发明第二实施例提供的激光封装结构的光窗的结构示意图。
图6是本发明第三实施例提供的激光封装结构的拆分结构示意图。
图7是本发明第四实施例提供的激光封装结构的拆分结构示意图。
图8是本发明第五实施例提供的激光封装结构的拆分结构示意图。
具体实施方式
为了便于理解本发明实施例，下面将参照相关附图对本发明实施例进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明实施例中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。
本发明提供一种一种激光封装结构，其特征在于，包括：
底座；
管壳，所述管壳设于所述底座并围成收容空间，所述管壳具有远离所述底座的顶壁，所述顶壁设有第一金属层；
光窗，所述光窗朝向所述管壳的表面的一部分设有第二金属层，所述第一金属层和所述第二金属层通过焊料焊接，以使所述光窗密封所述收容空间；
以及
激光组件，所述激光组件收容于所述收容空间内，并用于经所述光窗发射激光。
下面通过具体的实施例对本发明的技术方案进行说明。
第一实施例
请一并参阅图1和图2，本发明提供一种激光封装结构10，包括底座12、管壳14、光窗16、准直透镜17和激光组件18。其中管壳14设于底座12并围成收容空间15，管壳14具有远离底座12的顶壁142，顶壁142设有第一金属层1421。光窗16朝向管壳14且与管壳14对应的区域表面设有第二金属层161，第一金属层1421和第二金属层161通过焊料焊接，以使光窗16密封收容空间15。准直透镜17安装于光窗16远离管壳14的一侧，准直透镜用于将激光组件出射的光整形为平行光。激光组件18位于收容空间15内，并且激光组件18发射的激光最终从光窗16出射。
请参阅图2，具体地，底座12大致为板状结构，可以为规则的形状，例如矩形、圆形、椭圆形或者六边形等，也可以为其他不规则的形状。底座12可以用于安装管壳14。在本实施例中，底座12的材质可以为陶瓷，例如为氧化铝或氮化铝。在其他实施方式中，底座12的材质还可以是金属，满足管壳14的安装即可。
请一并参阅图1、图2和图3，在本实施例中，管壳14大致为中空的长方体结构，也就是，管壳14的横截面大致为矩形环，并且由首尾相接的四个侧壁构成，可以是一体成型，也可以是由几块金属板焊接而成，需要说明的是，本实施例的管壳大致为中空的长方体结构指的是管壳的四角设置有倒角，而非规则棱角的长方体结构。管壳14可以用于收容激光组件18。管壳14的材质可以和底座12相同，例如为氧化铝或氮化铝。
在其他的一些实施方式中，管壳14还可以大致为中空的圆柱体结构，也就是，管壳14的横截面大致为圆环。可以理解，管壳14还可以为中空的六棱柱等形状，满足对激光组件18的收容作用即可
管壳14设于底座12并围成收容空间，在本实施例中，管壳14是通过与底座共烧结的方式粘接，具体来说，制备埋有线路层的底座12陶瓷生坯和管壳14陶瓷生坯，然后将管壳14的陶瓷生坯设置于底座12陶瓷生坯的预设区域，将此半成品放置于高温炉烧结，在陶瓷生坯烧结固化的过程中实现管壳14和底座12的粘接，另外由于本实施例的线路层是预先埋设在底座生坯中，非设置于管壳14和底座12的交界区域，使得在进一步的烧结固化中，增加管壳14和底座12的密封效果。在其他实施方式中，设置方式还可以是底座12或者管壳14靠近底座12的一侧涂覆胶层，通过粘结的方式使管壳14安装于底座12。
管壳14包括顶壁142、外周壁144以及与外周壁144相背的内周壁146，顶壁142远离底座12且连接于外周壁144以及内周壁146之间。在本实施例中，顶壁142大致为矩形环状的平面结构，内周壁146围成收容空间。外周壁144是激光封装结构10的外表面，需要说明的是，顶壁142大致为矩形环状的平面结构指的是管壳的四角设置有倒角，而非规则棱角的矩形形状。
在本实施例中，第一金属层1421设置在管壳的顶壁上，第一金属层1421大致为矩形环状。第一金属层1421的外边缘与顶壁142的外边缘平齐，其中外边缘指的是第一金属层1421靠近外周壁144的周圈。第一金属层1421的内边缘可以与内周壁146平齐或者与内周壁146之间可以具有间隙，以避免熔化后的焊料流到管壳14的内周壁146，从而对激光组件18造成损害，影响激光的出射，其中内边缘与外边缘相对，指的是第一金属层1421靠近内周壁146的周圈。第一金属层1421可以通过镀膜的方式设置于顶壁142，例如真空蒸镀或者溅射镀膜的方式。
请继续参阅图1和图2，光窗16大致为矩形环状，光窗16的材料可以是光学玻璃，也可以是蓝宝石。光窗16可以为透光材料，以在不影响光束出射的情况下保护收容空间内的激光组件18，避免灰尘掉入激光组件18的情况发生，还可以减少水汽等对激光组件18的影响。本实施例中，光窗16由透明材料组成，光窗16为全透明区；在其它实施例中，光窗16也可以设置部分透明区，即与激光芯片出光口对应的区设置透光区，其它区域设置非透光区，此种设计的好处是在于同步实现光斑整形。
光窗16朝向管壳14的表面的一部分设有第二金属层161，第二金属层161的外边缘可以和光窗16的外边缘平齐，第二金属层161的内边缘可以和光窗16的内边缘平齐，以增加第二金属层161和第一金属层1421之间的焊接面积，从而增加光窗16和管壳14之间的连接强度。第二金属层161可以和第一金属层1421通过焊料焊接，以使光窗16密封收容空间。第二金属层161可以通过镀膜的方式设置于光窗16。
在本实施例中，光窗16的外边缘可以与管壳14的外周壁144平齐，这样可以在保证光窗16有较大的安装面积，从而提高封装的稳定性，还可以避免由于光窗16超出管壳14，而容易对光窗16造成损害，还可以使激光封装结构10的装配一致性更好。
在本实施例中，焊料可以是矩形环状的整体焊片，材料可以是Sn96.5Ag3.0Cu0.5，或接近此比例的其它比例SnAgCu的焊片，或熔点低于260℃的其它成分的焊片(如SnAgInBi)。
在其他的一些实施方式中，焊料还可以包括多段焊片，焊片之间可以具有间隙，多段焊片可以拼成一个矩形环状结构。
在另一些实施方式中，焊料的形状还可以是其他的不规则形状，具体形状可以根据实际情况选择，满足焊料熔化后光窗16能对管壳14进行密封即可。
准直透镜17可以由两个准直透镜成，在本实施例中，每个准直透镜对应一个激光组件18，以对激光组件18发射的激光进行准直，从而提高激光的成像质量。准直透镜17可以粘结于光窗，其中，可以通过UV胶，或者是其它对玻璃类材料具有良好粘接性能、且应力较小的热固化胶或者其他黏胶；可以理解的是，在其它实施方式中，准直透镜也可以与光窗一体成型，即光窗对应激光芯片出光口的表面区域凸起，实现对激光的准直，此种方式的好处是激光封装结构少了一道准直透镜的装配步骤、装配简单，但会带有光窗的制备工艺难度增加。
激光组件18收容于收容空间内，并用于经光窗16发射激光。在本实施例中，激光组件18设置于管壳的内壁在底座12上的投影围成的区域内。激光组件18包括激光芯片模组182和反射件184，激光芯片模组182和反射件184均收容于收容空间内，激光芯片模组182用于发射激光，本实施例中，激光芯片模组182包含一热沉载体和一激光芯片，其中激光芯片设置于热沉载体的表面，热沉载体用于对激光芯片进行散热，在其它实施例中，激光芯片模组包含一热沉载体和多个激光芯片，即多个激光芯片设置于热沉载体表面，共用一个热沉载体散热。反射件184用于将激光向光窗16的透光区反射，本实施例中，反射件184包括一与激光芯片模组出光口相对的反射面，该反射面与底座所在平面成45°的夹角。
在本实施例中，激光封装结构包含两组激光组件，每一组激光组件包含激光芯片模组182和反射件184，其中两个反射件184位于两个激光芯片模组182之间且相对设置，反射件184的反射面均朝向激光芯片的出光口方向。反射面与底座12所在平面之间的夹角可以是45°，并且激光芯片模组182发出的激光可以沿平行于底座12所在平面的方向出射至反射面，这样可以使激光经反射件184的反射面反射最终沿垂直于光窗16所在平面的方向出射，也就是从激光封装结构10的顶部沿着与入射方向垂直的方向射出，即为顶出光，这种条件下的出光量最大。
在其他实施方式中，反射面与底座12所在平面之间的夹角可以是其他角度，例如30°或者60°。在另外一些实施方式中，激光芯片模组182发出的激光还可以沿与底座12所在平面成一定角度的方向出射至反射面，作为一种示例，角度可以为30°。
在另外一些实施方式中，激光组件也可以是多组，即激光芯片模组182和反射件184的数量还可以为三组、四组或者更多组，多组激光芯片模组182和反射件184可以阵列设置于底座12，也可以不规则地设置于底座12。
在本实施例中，激光封装结构10还包括线路层19，线路层19设置于底座12中，即线路层19埋设于底座中，线路层19可以用于与电源进行连接，以对激光芯片模组182进行供电，使激光芯片模组182可以发出激光。
以下为本发明的光窗16密封焊接的操作步骤：
1、将去水汽烘烤已完成的激光组件18、管壳14、焊料、光窗16及夹具放入充满氮气的密闭容器内。
2、在密闭容器内将设置有激光组件18及各种元件的管壳14放置于夹具上。
3、将焊料放置于管壳14的顶壁142位置。
4、将光窗16放置于焊片上，并将光窗16的外边缘对齐管壳14的外周壁144。
5、在夹具上将光窗16和管壳14紧紧压紧固定在一起，其中夹具的具体数量可以根据需求而定。
6、将固定好产品的夹具放入真空烘烤设备内，先抽真空，接着充入氮气，然后按照预设置程序加温进行回流焊接；抽真空充入氮气可以增加循环次数，具体循环次数根据需要而定。
7、回流焊接完成从烘烤设备内取出夹具，将产品从夹具上取下，至此完成光窗16密封焊接操作。
综上，本发明提供的激光封装结构10的光窗16和管壳14通过焊料焊接，在保证焊接质量的前提下，降低了激光封装结构10的成本。将准直透镜17安装于光窗16，使得激光可以准直出射。
第二实施例
请参阅图4和图5，本实施例提供一种激光封装结构20，与第一实施例不同的是，第一金属层2421的外边缘与顶壁242的外边缘之间具有第一预设间隙G1。
在本实施例中，第一预设间隙G1宽度范围为0.1mm～1mm，作为一种示例，第一预设间隙G1宽度范围为0.15mm～1mm。通过设置第一预设间隙G1，使焊料熔化后形成的液体可以流向第一预设间隙G1，从而可以避免熔化后的焊料溢出到管壳24的外周壁244上，对管壳24造成损伤。
第二金属层261的外边缘与光窗26的外边缘之间具有第二预设间隙G2，第二预设间隙G2宽度范围为0.1mm～1mm。通过设置第二预设间隙G2，使焊料熔化后形成的液体可以流向第二预设间隙G2，从而可以避免熔化后的焊料溢出到管壳24的外壁上，对管壳24造成损伤。
第三实施例
请参阅图6，本实施例提供一种激光封装结构30，与第一实施例不同的是，本实施例提供的第二金属层361的内边缘超出内周壁346，也就是第二金属层361在底座32上的投影位于收容空间内，这样设置可以使焊料熔化后，多余的焊料可以粘附在光窗36向内延伸第二金属层361超出内周壁346的部分，从而可以阻止焊料沿管壳34壁的内周壁346往下流，避免对激光组件38造成损伤。
第二金属层361的外边缘可以与外周壁344平齐或者与外周壁344之间具有间隙，从而可以避免熔化后的焊料溢出到管壳34的外周壁344上，对管壳34造成损伤。
第四实施例
请参阅图7，本实施例提供一种激光封装结构40，与第一实施例不同的是，本实施例提供的顶壁442的外边缘设置有凸台4422，凸台4422自顶壁442向远离底座42的方向凸出，通过设置凸台4422，可以阻挡熔化后的焊料外溢至管壳44的外周壁444。在本实施方式中，光窗46可以与凸台4422相抵，第一金属层4421可以设置于顶壁442并位于凸台4422的内侧。
凸台4422的高度可以等于光窗46的厚度。这样设置，使得在焊接后光窗46的表面可以和凸台4422的表面平齐，使得激光封装结构40的装配一致性更好，也更加美观。作为一种示例，凸台4422的高度可以大于0.2mm。
在本实施方式中，第一金属层4421可以与凸台4422之间具有第三预设间隙G3，这样可以使得焊料熔化后可以填补第三预设间隙G3，从而防止熔化后的焊料从光窗46与凸台4422之间的缝隙外溢，对光窗46造成损坏。第三预设间隙G3宽度范围也可以为0.1mm～1mm。
第五实施例
请参阅图8，本实施例提供一种激光封装结构50，与第一实施例不同的是，本实施例提供的管壳54的外边缘超出底座52，也就是底座52没有超出管壳54的外周壁544，管壳52的内周壁设置有凸台，凸台用于对底座支撑限位，即在安装完成的激光封装结构，底座与凸台相抵固定；凸台的底面到管壳底面之间的距离等于底座52的厚度，使得在管壳和底座在组装完成后，管壳的底面和底座的底面平齐，提高转配一致性。
底座52安装于管壳54，线路层59设置于管壳54内并与激光组件58电连接，连接方式可以是通过纯铜或钨铜材质的线束连接，以给激光组件58的激光芯片模组582供电。
管壳54的外边缘超出底座52，可以减小激光封装结构50的尺寸。底座52的材料可以铜，以提升激光封装结构50的散热性能，管壳54的材料可以选用氧化铝陶瓷，以降低生产成本。可以理解，底座52及管壳54还可以是其他材质，满足底座52和管壳54之间的安装关系即可。本实施方式，通过选择材料不同的管壳和底座，在保证激光组件散热的情况下，可大幅度降低激光器成本。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种激光封装结构，其特征在于，包括：
底座；
管壳，所述管壳设于所述底座并围成收容空间，所述管壳具有远离所述底座的顶壁，所述顶壁设有第一金属层；
光窗，所述光窗朝向所述管壳的表面的一部分设有第二金属层，所述第一金属层和所述第二金属层通过焊料焊接，以使所述光窗密封所述收容空间；
以及
激光组件，所述激光组件收容于所述收容空间内，并用于经所述光窗发射激光。
2.根据权利要求1所述的激光封装结构，其特征在于，还包括准直透镜，所述准直透镜安装于所述光窗远离所述管壳的一侧，所述准直透镜用于将激光组件出射的光整形为平行光。
3.根据权利要求1所述的激光封装结构，其特征在于，所述管壳包括外周壁以及与所述外周壁相背的内周壁，所述顶壁连接于所述外周壁以及所述内周壁之间，所述内周壁围成所述收容空间，所述第一金属层的内边缘与所述内周壁平齐。
4.根据权利要求3所述的激光封装结构，其特征在于，所述第二金属层的内边缘超出所述内周壁，且所述激光组件设置于所述第二金属层的内边缘在所述底座上的投影围成的区域内。
5.根据权利要求1所述的激光封装结构，其特征在于，所述第一金属层的外边缘与所述顶壁的外边缘之间具有第一预设间隙，所述第二金属层的外边缘与所述光窗的外边缘之间具有第二预设间隙，所述第一预设间隙和所述第二预设间隙宽度范围均为0.1mm～1mm。
6.根据权利要求1所述的激光封装结构，其特征在于，所述顶壁的外边缘设置有凸台，所述光窗与所述凸台相抵，所述第一金属层设置于所述顶壁并位于所述凸台的内侧。
7.根据权利要求6所述的激光封装结构，其特征在于，所述第一金属层与所述凸台之间具有第三预设间隙。
8.根据权利要求6所述的激光封装结构，其特征在于，所述凸台的高度等于所述光窗的厚度。
9.根据权利要求1所述的激光封装结构，其特征在于，所述激光组件包括激光芯片模组和反射件，所述激光芯片模组和所述反射件均收容于所述收容空间内，所述激光芯片模组用于发射激光，所述反射件用于将所述激光朝向所述光窗反射。
10.根据权利要求1所述的激光封装结构，其特征在于，所述管壳的内周壁设置有凸起台阶，所述底座与所述凸台相抵，所述激光封装结构还包括线路层，所述线路层设置于所述管壳内并与所述激光组件电连接。
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