CN113448028A - 一种用于光器件box封装的管壳结构 - Google Patents

一种用于光器件box封装的管壳结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于光器件BOX封装的管壳结构，包括底板、陶瓷件、围框、光窗和盖板；所述陶瓷件和所述光窗分别固定连接在所述围框的两端，所述围框固定连接在所述底板上，形成用于容纳光学组件的腔体；所述盖板固定连接在所述围框顶部；其中，所述底板的上表面设有凹槽结构，且所述凹槽结构抵近所述围框底部的内壁分布设置。本发明通过在底板上设置凹槽结构，可有效降低底板的翘曲，使得管壳结构在进行平行缝焊时，电极压力等因素对光路耦合效率的影响大幅降低，降低光路位移，提高了器件的可靠性。

Description

一种用于光器件BOX封装的管壳结构
【技术领域】
本发明属于光模块技术领域，更具体地，涉及一种用于光器件BOX封装的管壳结构。
【背景技术】
BOX封装具有良好的气密性、长期寿命的高可靠性，可用于封装中长距离传输的高速光器件。BOX封装壳体通常为长方体，可以内置激光器、制冷器、热沉、陶瓷基块、芯片、热敏电阻、背光监控、准直器、合波器、分波器等光学器件，并且可以支持上述所有部件的键合引线，采用平行缝焊保证良好的气密性。
BOX封装结构紧凑、体积较小，内部放置的器件比较多，这使得BOX封装管壳结构的底板及侧壁厚度不能设计得很厚，这也导致在进行平行缝焊时，电极压力等因素容易使管壳结构发生变形，影响BOX内部光路的耦合效率。因此，如何降低或避免平行缝焊对光路耦合的影响，是本领域技术人员需要解决的问题。
【发明内容】
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于光器件BOX封装的管壳结构，其目的在于通过凹槽结构有效降低底板的翘曲，从而降低光路位移，由此解决传统管壳结构在平行缝焊时光路耦合效率下降的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种用于光器件BOX封装的管壳结构，包括底板10、陶瓷件20、围框30、光窗40和盖板50；
所述陶瓷件20和所述光窗40分别固定连接在所述围框30的两端，所述围框30固定连接在所述底板10上，形成用于容纳光学组件的腔体；所述盖板50固定连接在所述围框30顶部；
其中，所述底板10的上表面设有凹槽结构，且所述凹槽结构抵近所述围框30底部的内壁分布设置。
优选地，所述凹槽结构为开设在所述底板10上表面的第一环形凹槽101，所述第一环形凹槽101的形状与所述围框30的内壁相匹配；其中，所述第一环形凹槽101抵近所述围框30底部的内壁分布设置。
优选地，所述凹槽结构具体包括开设在所述底板10上表面的第一条形凹槽102和第二条形凹槽103，且所述第一条形凹槽102和所述第二条形凹槽103均平行于所述围框30的短边设置；
其中，所述第一条形凹槽102抵近所述围框30第一端的内壁设置，所述第二条形凹槽103抵近所述围框30第二端的内壁设置。
优选地，所述凹槽结构为形成于所述底板10上表面的第二环形凹槽105，具体如下：
所述底板10上表面设有凸块104，且所述凸块104的形状与所述围框30的内壁相匹配；所述围框30固定连接在所述底板10上之后，所述围框30的内壁与所述凸块104的外壁形成所述第二环形凹槽105。
优选地，所述凹槽结构的槽深为所述底板10厚度的40％～60％。
优选地，所述围框30与所述底板10通过烧结或钎焊气密连接在一起，形成所述腔体。
优选地，所述围框30与所述底板10之间通过钎焊气密连接时，采用Ag72Cu28焊料、Ti活性钎焊焊料或者Cr活性钎焊焊料。
优选地，所述盖板50与所述围框30通过平行缝焊形成气密连接。
优选地，所述光窗40与所述围框30通过钎焊气密连接。
优选地，所述光窗40与所述围框30之间的钎焊焊料采用Au80Sn20焊料或锡银铜焊料。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有如下有益效果：本发明提供的用于光器件BOX封装的管壳结构中，创造性地在底板上设置了凹槽结构，且凹槽结构抵近围框底部的内壁分布设置，通过凹槽结构可有效降低底板的翘曲，使得管壳结构在进行平行缝焊时，电极压力等因素对光路耦合效率的影响大幅降低，降低光路位移，提高了器件的可靠性。
【附图说明】
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面所描述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他的附图。
图1是常规的一种用于光器件BOX封装的管壳结构示意图；
图2是常规的一种用于光器件BOX封装的管壳结构爆炸图；
图3是常规的一种用于光器件BOX封装的管壳结构在平行缝焊后的整体变形云图；
图4是常规的一种用于光器件BOX封装的管壳结构在平行缝焊后的底板变形云图；
图5是常规的一种用于光器件BOX封装的管壳结构在平行缝焊后的模拟光束位移图；
图6是本发明实施例提供的一种用于光器件BOX封装的管壳结构示意图；
图7是本发明实施例提供的一种用于光器件BOX封装的管壳结构爆炸图；
图8是本发明实施例提供的另一种用于光器件BOX封装的管壳结构示意图；
图9是本发明实施例提供的另一种用于光器件BOX封装的管壳结构爆炸图；
图10是本发明实施例提供的还一种用于光器件BOX封装的管壳结构示意图；
图11是本发明实施例提供的还一种用于光器件BOX封装的管壳结构爆炸图；
图12是常规管壳结构以及本发明实施例提供的不同管壳结构分别平行缝焊后在光路上产生的累积位移示意图；
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
底板10、陶瓷件20、围框30、光窗40、盖板50、光学组件60、模拟光束70、第一环形凹槽101、第一条形凹槽102、第二条形凹槽103、凸块104、第二环形凹槽105。
【具体实施方式】
为便于理解，本发明首先采用数值模拟的方法，对常规BOX封装的管壳结构及其光路位移原理进行分析。如图1和图2所示，常规BOX封装的管壳结构包括底板10、陶瓷件20、围框30、光窗40和盖板50，光学组件60安装在所述底板10上；其中，所述光学组件60为示意图，包括但不限于激光器、制冷器、准直透镜、合波器等。从所述光学组件60发出的光束耦合进所述光窗40，形成如图1所示的模拟光束70；光路耦合完成后，将所述围框30和所述盖板50进行平行缝焊，实现气密封装。然而，BOX封装的管壳结构在进行平行缝焊时，电极压力等因素会使管壳结构发生变形，导致耦合好的光路发生偏移。
采用数值模拟方法进一步明确电极压力因素导致光路位移的机理，模拟时，将所述围框30和所述盖板50进行平行缝焊，先焊接长边，再焊接短边；焊接完成后，进行电极压力卸载，分析得到焊接完成后BOX封装的管壳结构的变形如图3-图5所示。如图3所示，可看出管壳结构有残留的变形，其中所述围框30结构发生明显倾斜，在进行平行缝焊之前所述围框30处于初始位置A1，而进行平行缝焊之后处于变形位置A2，变形数据条如图中A3所示。图4则显示了所述底板10的变形，可看出所述底板10明显发生了翘曲，在进行平行缝焊之前处于初始位置B1，而进行平行缝焊之后处于变形位置B2，变形数据条如图中B3所示。图5显示了所述模拟光束70的偏移情况，在进行平行缝焊之前所述模拟光束70应与所述光窗40的耦合点对齐，处于初始位置C1；但进行平行缝焊之后管壳结构发生变形，所述模拟光束70相对所述光窗40的耦合点发生偏移，即产生了光路位移，处于变形位置C2，变形数据条如图中C3所示。
综合以上分析可知，焊接完成后，常规的管壳结构存在较大的光路位移，导致光路耦合效率下降。综合图3-图5可以看出，所述围框30在电极压力作用下发生倾斜变形，带动所述底板10发生翘曲；所述底板10翘曲带动所述底板10上的所述光学组件60产生位移；相应地，所述光学组件60发出的光束产生位移，而且光束的位移包括平移和转动。进一步分析发现，所述围框30的轻微倾斜使得所述光窗40耦合点相对初始位置的偏移较小，但所述底板10轻微的翘曲使得光束相对初始位置的偏移较大，这是因为所述底板10的翘曲使得光束偏移中有转动分量，而转动使得光束相对所述光窗40耦合点的偏移加大。
基于前面介绍的常规管壳结构及其光路位移原理来看，通过在所述底板10上设置凹槽结构可以有效降低所述底板10的翘曲，从而降低光路位移。因此，本发明从这个原理出发进行设计，提供了几种不同的用于光器件BOX封装的管壳结构。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在本发明的描述中，术语“内”、“外”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“顶”、“底”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不应当理解为对本发明的限制。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。下面就参考附图和实施例结合来详细说明本发明。
实施例1
为解决传统管壳结构在平行缝焊时光路耦合效率下降的技术问题，本发明实施例提供了一种用于光器件BOX封装的管壳结构，如图6和图7所示，主要包括底板10、陶瓷件20、围框30、光窗40和盖板50。
所述陶瓷件20和所述光窗40分别固定连接在所述围框30的两端，所述围框30固定连接在所述底板10上，其中所述陶瓷件20分别与所述围框30和所述底板10固定连接，可形成用于容纳光学组件的腔体；所述盖板50固定连接在所述围框30顶部。
结合图6和图7，所述陶瓷件20固定连接在所述围框30的第一端，所述光窗40固定连接在所述围框30的第二端，且所述第一端和所述第二端相对的两端，分别对应图中的左端和右端。其中，所述陶瓷件20内部有多层布线，可实现管壳结构内外的电气连接；所述光窗40则可为管壳结构内外提供光路连接。
进一步地，所述底板10、所述陶瓷件20与所述围框30通过烧结或钎焊气密连接在一起，形成所述腔体，即所述陶瓷件20与所述围框30之间、所述陶瓷件20与底板10之间、所述围框30与所述底板10之间，均可通过烧结或钎焊气密连接在一起。在优选方案中，可采用Ag72Cu28焊料、Ti活性钎焊焊料或者Cr活性钎焊焊料，高温钎焊形成气密连接。
进一步地，所述盖板50与所述围框30通过平行缝焊形成气密连接。
进一步地，所述光窗40与所述围框30通过钎焊气密连接。在优选方案中，所述光窗40与所述围框30之间的钎焊焊料可采用Au80Sn20焊料或锡银铜焊料。
进一步地，所述底板10的材料可采用钨铜合金，例如W90Cu10、W80Cu20等；所述围框30的材料可采用可伐合金；所述盖板50的材料也可采用可伐合金。当然，本发明实施例给出的均为优选设计，但并不用以限制本发明，在可选的实施例中可根据实际情况选择其余合适的材料进行设计。
继续结合图6和图7，所述底板10的上表面设有凹槽结构，且所述凹槽结构抵近所述围框30底部的内壁分布设置。具体地，所述凹槽结构为开设在所述底板10上表面的第一环形凹槽101，且所述第一环形凹槽101的形状与所述围框30的内壁相匹配；例如，本发明实施例中所述围框30为四边形，则所述第一环形凹槽101同样可设计为四边形闭环的环形结构，如图7所示。
其中，所述第一环形凹槽101抵近所述围框30底部的内壁分布设置，使得所述围框30固定在所述底板10上的整体效果如图6所示。其中，所述第一环形凹槽101的外壁可以紧挨着所述围框30的内壁设置，也可以在所述第一环形凹槽101的外壁与所述围框30的内壁之间留有预设间隔；其中，所述预设间隔可根据管壳结构的实际尺寸以及空间限制要求设置。如果考虑管壳结构内部空间限制，可将所述第一环形凹槽101的外壁可以紧挨着所述围框30的内壁设置。
进一步研究发现，所述凹槽结构的槽深对改进效果也有一定的影响，所述凹槽结构的槽深设计为所述底板10厚度的40％～60％时为宜；其中，优选设计为所述底板10厚度的1/2。另外，所述凹槽结构的槽宽通常小于其槽深。在本发明实施例中，也就是所述第一环形凹槽101的槽深优选设计为所述底板10厚度的1/2。
结合图12，通过数值模拟发现，常规管壳结构平行缝焊后的光路累积位移如图12中的曲线“常规管壳”所示，而本发明实施例中管壳结构平行缝焊后的光路累积位移如图12中的曲线“实施例1”所示。由图可知，常规管壳结构在平行缝焊后产生的光路偏移约为0.1um，本发明实施例的管壳结构在平行缝焊后产生的光路偏移约为0.046um；与常规管壳结构相比，本发明实施例提供的管壳结构的光路偏移下降了约53.6％，证明改进后电极压力等因素对光路耦合效率的影响大幅降低，降低光路位移，提高了器件的可靠性。
实施例2
结合图12中的曲线可知，在对管壳结构进行平行缝焊时，短边焊接累积的光路位移比长边焊接累积的光路位移要多，图5也显示出所述底板10沿长度方向有明显的弯曲。另外，由于BOX封装的管壳结构受空间所限，底板本身比较薄，则底板四周开槽形成环形凹槽可能会使得底板的刚度大幅降低，导致抵抗外力变形的能力降低。
综合以上因素，本发明实施例进一步提供了另一种用于光器件BOX封装的管壳结构，与实施例1的主要区别在于：本发明实施例中不再在所述底板10四周均开槽形成环形凹槽，而是只在所述底板10的两个短边方向上开槽，形成两个条形凹槽，避免底板的刚度的大幅降低。
如图8和图9所示，本发明实施例提供的管壳结构主要包括底板10、陶瓷件20、围框30、光窗40和盖板50。所述陶瓷件20和所述光窗40分别固定连接在所述围框30的两端，所述围框30固定连接在所述底板10上，其中所述陶瓷件20分别与所述围框30和所述底板10固定连接，可形成用于容纳光学组件的腔体；所述盖板50固定连接在所述围框30顶部。
其中，所述陶瓷件20固定连接在所述围框30的第一端，所述光窗40固定连接在所述围框30的第二端，且所述第一端和所述第二端维相对的两端，分别对应图中的左端和右端。其中，所述陶瓷件20内部有多层布线，可实现管壳结构内外的电气连接；所述光窗40则可为管壳结构内外提供光路连接。
进一步地，所述底板10、所述陶瓷件20与所述围框30通过烧结或钎焊气密连接在一起，形成所述腔体，即所述陶瓷件20与所述围框30之间、所述陶瓷件20与底板10之间、所述围框30与所述底板10之间，均可通过烧结或钎焊气密连接在一起。在优选方案中，可采用Ag72Cu28焊料、Ti活性钎焊焊料或者Cr活性钎焊焊料，高温钎焊形成气密连接。
进一步地，所述盖板50与所述围框30通过平行缝焊形成气密连接。
进一步地，所述光窗40与所述围框30通过钎焊气密连接。在优选方案中，所述光窗40与所述围框30之间的钎焊焊料可采用Au80Sn20焊料或锡银铜焊料。
进一步地，所述底板10的材料可采用钨铜合金，例如W90Cu10、W80Cu20等；所述围框30的材料可采用可伐合金；所述盖板50的材料也可采用可伐合金。当然，本发明实施例给出的均为优选设计，但并不用以限制本发明，在可选的实施例中可根据实际情况选择其余合适的材料进行设计。
继续结合图8和图9，所述底板10的上表面设有凹槽结构，且所述凹槽结构抵近所述围框30底部的内壁分布设置。所述凹槽结构具体包括开设在所述底板10上表面的第一条形凹槽102和第二条形凹槽103所述第一条形凹槽102和所述第二条形凹槽103均平行于所述围框30的短边设置，如图9所示。
其中，所述第一条形凹槽102抵近所述围框30第一端的内壁设置(即临近所述陶瓷件20一侧)，所述第二条形凹槽103抵近所述围框30第二端的内壁设置(即临近所述光窗40一侧)，使得所述围框30固定在所述底板10上的整体效果如图8所示。其中，所述第一条形凹槽102的外壁可以紧挨着所述围框30第一端的内壁设置，也可以在所述第一条形凹槽102的外壁与所述围框30第一端的内壁之间留有预设间隔；所述第二条形凹槽103的外壁可以紧挨着所述围框30第二端的内壁设置，也可以在所述第二条形凹槽103的外壁与所述围框30第二端的内壁之间留有预设间隔；其中，所述预设间隔可根据管壳结构的实际尺寸以及空间限制要求设置。如果考虑管壳结构内部空间限制，则可将所述第一条形凹槽102的外壁紧挨着所述围框30第一端的内壁设置，将所述第二条形凹槽103的外壁紧挨着所述围框30第二端的内壁设置。
进一步研究发现，所述凹槽结构的槽深对改进效果也有一定的影响，所述凹槽结构的槽深设计为所述底板10厚度的40％～60％时为宜；其中，优选设计为所述底板10厚度的1/2。另外，所述凹槽结构的槽宽通常小于其槽深。在本发明实施例中，也就是所述第一条形凹槽102和所述第二条形凹槽103的槽深优选设计为所述底板10厚度的1/2。
结合图12，通过数值模拟发现，本发明实施例中管壳结构平行缝焊后的光路累积位移如图12中的曲线“实施例2”所示。由图可知，与实施例1相比，本发明实施例的管壳结构在平行缝焊后产生的光路偏移进一步减小，证明改进后电极压力等因素对光路耦合效率的影响进一步降低。
实施例3
为进一步简化制作工艺，本发明实施例进一步提供了另一种用于光器件BOX封装的管壳结构，如图10和图11所示，主要包括底板10、陶瓷件20、围框30、光窗40和盖板50。
所述陶瓷件20和所述光窗40分别固定连接在所述围框30的两端，所述围框30固定连接在所述底板10上，其中所述陶瓷件20分别与所述围框30和所述底板10固定连接，可形成用于容纳光学组件的腔体；所述盖板50固定连接在所述围框30顶部。
其中，所述陶瓷件20固定连接在所述围框30的第一端，所述光窗40固定连接在所述围框30的第二端，且所述第一端和所述第二端维相对的两端，分别对应图中的左端和右端。其中，所述陶瓷件20内部有多层布线，可实现管壳结构内外的电气连接；所述光窗40则可为管壳结构内外提供光路连接。
进一步地，所述底板10、所述陶瓷件20与所述围框30通过烧结或钎焊气密连接在一起，形成所述腔体，即所述陶瓷件20与所述围框30之间、所述陶瓷件20与底板10之间、所述围框30与所述底板10之间，均可通过烧结或钎焊气密连接在一起。在优选方案中，可采用Ag72Cu28焊料、Ti活性钎焊焊料或者Cr活性钎焊焊料，高温钎焊形成气密连接。
进一步地，所述盖板50与所述围框30通过平行缝焊形成气密连接。
进一步地，所述光窗40与所述围框30通过钎焊气密连接。在优选方案中，所述光窗40与所述围框30之间的钎焊焊料可采用Au80Sn20焊料或锡银铜焊料。
进一步地，所述底板10的材料可采用钨铜合金，例如W90Cu10、W80Cu20等；所述围框30的材料可采用可伐合金；所述盖板50的材料也可采用可伐合金。当然，本发明实施例给出的均为优选设计，但并不用以限制本发明，在可选的实施例中可根据实际情况选择其余合适的材料进行设计。
继续结合图10和图11，所述凹槽结构并不是直接开始在所述底板10上表面，而是形成于所述底板10上表面的第二环形凹槽105，具体如下：所述底板10上表面设有凸块104，且所述凸块104的形状与所述围框30的内壁相匹配；例如，本发明实施例中所述围框30为四边形，则所述凸块104同样可设计为四边形结构，且尺寸小于所述围框30内围尺寸，如图11所示。当所述围框30固定连接在所述底板10上之后，所述围框30的内壁与所述凸块104的外壁就形成所述第二环形凹槽105，如图10所示。从制作工艺上来看，本实施例比实施例1具有更简单易行的优点。
进一步研究发现，所述凹槽结构的槽深对改进效果也有一定的影响，所述凹槽结构的槽深设计为所述底板10厚度的40％～60％时为宜；其中，优选设计为所述底板10厚度的1/2。另外，所述凹槽结构的槽宽通常小于其槽深。需要说明的是，在本发明实施例中，所述凹槽结构的槽深也就是所述凸块104的厚度，所述凹槽结构的槽宽也就是所述103的外壁与所述围框30的内壁之间的距离。
结合图12，通过数值模拟发现，本发明实施例中管壳结构平行缝焊后的光路累积位移如图12中的曲线“实施例3”所示。由图可知，与实施例1和实施例2相比，本发明实施例提供的管壳结构的光路偏移下降更多，证明改进效果最佳，为三个实施例中的最优实施例。
本领域的技术人员容易理解，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于光器件BOX封装的管壳结构，其特征在于，包括底板(10)、陶瓷件(20)、围框(30)、光窗(40)和盖板(50)；
所述陶瓷件(20)和所述光窗(40)分别固定连接在所述围框(30)的两端，所述围框(30)固定连接在所述底板(10)上，形成用于容纳光学组件的腔体；所述盖板(50)固定连接在所述围框(30)顶部；
其中，所述底板(10)的上表面设有凹槽结构，且所述凹槽结构抵近所述围框(30)底部的内壁分布设置。
2.如权利要求1所述的用于光器件BOX封装的管壳结构，其特征在于，所述凹槽结构为开设在所述底板(10)上表面的第一环形凹槽(101)，所述第一环形凹槽(101)的形状与所述围框(30)的内壁相匹配；其中，所述第一环形凹槽(101)抵近所述围框(30)底部的内壁分布设置。
3.如权利要求1所述的用于光器件BOX封装的管壳结构，其特征在于，所述凹槽结构具体包括开设在所述底板(10)上表面的第一条形凹槽(102)和第二条形凹槽(103)，且所述第一条形凹槽(102)和所述第二条形凹槽(103)均平行于所述围框(30)的短边设置；
其中，所述第一条形凹槽(102)抵近所述围框(30)第一端的内壁设置，所述第二条形凹槽(103)抵近所述围框(30)第二端的内壁设置。
4.如权利要求1所述的用于光器件BOX封装的管壳结构，其特征在于，所述凹槽结构为形成于所述底板(10)上表面的第二环形凹槽(105)，具体如下：
所述底板(10)上表面设有凸块(104)，且所述凸块(104)的形状与所述围框(30)的内壁相匹配；所述围框(30)固定连接在所述底板(10)上之后，所述围框(30)的内壁与所述凸块(104)的外壁形成所述第二环形凹槽(105)。
5.如权利要求1-4任一所述的用于光器件BOX封装的管壳结构，其特征在于，所述凹槽结构的槽深为所述底板(10)厚度的40％～60％。
6.如权利要求1-4任一所述的用于光器件BOX封装的管壳结构，其特征在于，所述围框(30)与所述底板(10)通过烧结或钎焊气密连接在一起，形成所述腔体。
7.如权利要求6所述的用于光器件BOX封装的管壳结构，其特征在于，所述围框(30)与所述底板(10)之间通过钎焊气密连接时，采用Ag72Cu28焊料、Ti活性钎焊焊料或者Cr活性钎焊焊料。
8.如权利要求1-4任一所述的用于光器件BOX封装的管壳结构，其特征在于，所述盖板(50)与所述围框(30)通过平行缝焊形成气密连接。
9.如权利要求1-4任一所述的用于光器件BOX封装的管壳结构，其特征在于，所述光窗(40)与所述围框(30)通过钎焊气密连接。
10.如权利要求9所述的用于光器件BOX封装的管壳结构，其特征在于，所述光窗(40)与所述围框(30)之间的钎焊焊料采用Au80Sn20焊料或锡银铜焊料。
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