CN113690729B - 一种封装结构及光模块 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种封装结构及光模块，该封装结构包括封装基板和至少一个设于封装基板上的半导体激光芯片和子基板，以及至少部分设于子基板上的匹配电路；其中，半导体激光芯片上设有信号电极，封装基板上设有接地金属和至少一个信号线，该至少一个信号线与激光芯片的信号电极相电连接；匹配电路包括输入端、至少一个电子元件和接地端；该输入端与激光芯片的信号电极相电连接，至少一个电子元件的两端分别与输入端和接地端相电连接，接地端电连接封装基板的接地金属。在封装基板上增加子基板用于设计RC电路等激光器匹配电路，以降低匹配电阻及滤波电容与GND间的耦合，提高了光电带宽，具有良好的高频性能。
Description
技术领域
本申请涉及光通信技术领域，尤其涉及一种封装结构及光模块。
背景技术
光模块中激光器芯片多采用COC(chip on ceramic，瓷质基板上芯片贴装)的封装设计，常用的结构如图1所示，封装基板10’上设计有包括接地金属11’和信号线12’的共面线，半导体激光芯片20’贴装在封装基板10’上。为了减小光模块体积，一般将激光器的匹配电路，如滤波电容40’和匹配电阻30’等集成到上述封装基板10’上，半导体激光芯片20’通过金线50’连接到匹配电阻30’，匹配电阻30’再通过滤波电容40’连接到接地金属(GND)11’。匹配电阻30’和滤波电容40’集成到封装基板10’上的一体式结构设计，虽然提高了集成度，减小了光模块体积，但是由于匹配电阻30’及滤波电容40’的链路与接地金属GND 11’在同一表面上，匹配电阻30’及滤波电容40’链路与接地金属GND 11’之间容易产生耦合，影响高频信号传输质量，降低了光电带宽。
发明内容
本申请的目的在于提供一种封装结构及光模块，提高了光电带宽，具有良好的高频性能。
为了实现上述目的之一，本申请提供了一种封装结构，包括封装基板和至少一个设于所述封装基板上的半导体激光芯片，所述半导体激光芯片上设有信号电极，
所述封装结构还包括至少一个设于所述封装基板上的子基板以及至少部分设于所述子基板上的匹配电路；
所述封装基板上设有接地金属和至少一个信号线，所述至少一个信号线与所述激光芯片的信号电极相电连接；
所述匹配电路包括输入端、至少一个电子元件和接地端；所述输入端与所述激光芯片的信号电极相电连接，所述至少一个电子元件的两端分别与所述输入端和所述接地端相电连接，所述接地端电连接所述封装基板的接地金属。
作为实施方式的进一步改进，所述电子元件包括匹配电阻和滤波电容；
所述滤波电容一端电连接所述接地端，另一端电连接所述匹配电阻的一端；所述匹配电阻的另一端电连接所述输入端。
作为实施方式的进一步改进，所述匹配电阻为镀于所述子基板上的薄膜电阻。
作为实施方式的进一步改进，所述封装基板上设有第一上表面和第二上表面，所述第二上表面的高度低于所述第一上表面的高度；所述信号线和所述半导体激光器芯片设于所述第一上表面上，所述子基板设于所述第二上表面上；
或者，所述封装基板上设有第一上表面、第二上表面和第三上表面，所述第二上表面的高度低于所述第三上表面的高度；所述信号线设于所述第一上表面上，所述半导体激光芯片设于所述第三上表面上，所述子基板设于所述第二上表面上。
作为实施方式的进一步改进，所述第二上表面低于所述第一上表面；所述子基板具有上表面，所述上表面与所述封装基板的第一上表面平齐。
作为实施方式的进一步改进，所述匹配电路的接地端为所述第一上表面上的所述接地金属；电连接所述接地端的所述电子元件的一端固定在所述接地金属上，另一端固定在所述子基板的上表面上。
作为实施方式的进一步改进，所述匹配电路的接地端设于所述子基板上。
作为实施方式的进一步改进，所述子基板具有相对的上表面和下表面，所述匹配电路的输入端、电子元件和接地端设于所述子基板的上表面上；
所述子基板的下表面设有接地焊盘，所述子基板内设有导电过孔或者所述子基板的侧壁设有金属膜，所述导电过孔或所述金属膜电连接所述上表面上的所述接地端和所述下表面的所述接地焊盘；
所述子基板置于所述封装基板的接地金属上，所述下表面的接地焊盘与所述封装基板的接地金属电连接。
作为实施方式的进一步改进，所述匹配电路设于所述子基板上的接地端通过键合引线与所述封装基板的接地金属电连接。
作为实施方式的进一步改进，所述子基板通过表面贴装工艺安装于所述封装基板的接地金属上；或者，所述子基板直接制作于所述封装基板的接地金属上。
本申请还提供了一种光模块，包括上述任一实施例所述的封装结构。
本申请的有益效果：本申请在封装基板上增加子基板用于设计RC电路等激光器匹配电路，以降低匹配电阻及滤波电容与GND间的耦合，提高了光电带宽，具有良好的高频性能。
附图说明
图1为常用COC封装结构示意图；
图2为本申请实施例1中封装结构示意图；
图3为图2所示封装结构分解示意图；
图4为图2中子基板示意图；
图5为本申请实施例1封装结构与常用结构的插入损耗仿真曲线图；
图6为本申请实施例2中封装结构示意图；
图7为本申请实施例3中封装结构示意图；
图8为本申请实施例4中封装结构示意图；
图9为本申请实施例5中封装结构示意图；
图10为本申请实施例6中封装结构示意图。
具体实施方式
以下将结合附图所示的具体实施方式对本申请进行详细描述。但这些实施方式并不限制本申请，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本申请的保护范围内。
在本申请的各个图示中，为了便于图示，结构或部分的某些尺寸会相对于其它结构或部分夸大，因此，仅用于图示本申请的主题的基本结构。
另外，本文使用的例如“上”、“上方”、“下”、“下方”等表示空间相对位置的术语是出于便于说明的目的来描述如附图中所示的一个单元或特征相对于另一个单元或特征的关系。空间相对位置的术语可以旨在包括设备在使用或工作中除了图中所示方位以外的不同方位。例如，如果将图中的设备翻转，则被描述为位于其他单元或特征“下方”或“之下”的单元将位于其他单元或特征“上方”。因此，示例性术语“下方”可以囊括上方和下方这两种方位。设备可以以其他方式被定向(旋转90度或其他朝向)，并相应地解释本文使用的与空间相关的描述语。当元件或层被称为在另一部件或层“上”、与另一部件或层“连接”时，其可以直接在该另一部件或层上、连接到该另一部件或层，或者可以存在中间元件或层。
实施例1
如图2-4所示，该实施例提供了一种COC(chip on ceramic，瓷质基板上芯片贴装)封装结构，包括封装基板10和设于封装基板10上的至少一个半导体激光芯片20和至少一个子基板30以及匹配电路，该实施例中封装基板10上有单个半导体激光芯片20和单个子基板30。上述封装基板10上设有接地金属11和至少一个信号线12，这里，对应单个半导体激光芯片20，封装基板10上设置单个信号线12。该实施例中，封装基板10的上表面具有一金属层，在该金属层上制作信号线，以在封装基板10的上表面上形成共面线结构的接地金属11与信号线12，这里封装基板10的上表面即为封装基板10的第一上表面13。上述匹配电路包括输入端、至少一个电子元件和接地端，上述子基板30具有相对的上表面31和下表面32，上述匹配电路的输入端37和至少一个电子元件设于该子基板30的上表面31上，匹配电路的接地端33与封装基板10的接地金属11电连接。该实施例中，上述匹配电路的接地端33为设于子基板30的上表面31的一个接地焊盘，输入端37为设于子基板30上表面31的一个用于键合引线的焊盘，在其它实施例中，输入端也可以是电子元件的一端，当然，接地端也可以是电子元件的一端。半导体激光芯片20和子基板30设在封装基板10上，子基板30上表面31的接地端33与封装基板10的接地金属11电连接；半导体激光芯片20的上表面22设有信号电极21，该信号电极21通过键合引线60分别与封装基板10的信号线12和子基板30上表面31的匹配电路的输入端37电连接。
该实施例中，子基板30上匹配电路的电子元件包括匹配电阻40和滤波电容50。滤波电容50一端电连接匹配电路设于子基板30上表面31的接地端33，另一端电连接匹配电阻40的一端，匹配电阻40的另一端电连接匹配电路的输入端37。具体的，子基板30上表面设有接地端33、中间焊盘36和输入端37。上述滤波电容50为贴片元件，底面设有两个焊盘，分别焊接子基板30上表面31的接地端33和中间焊盘36，匹配电阻40为镀于子基板30上表面31的薄膜电阻，该薄膜电阻两端分别连接中间焊盘36和输入端37，该输入端37通过键合引线60电连接半导体激光芯片20的信号电极21。即该实施例中，输入端37、匹配电阻40、中间焊盘36、滤波电容50和接地端33依次连接构成匹配电路，在其它实施例中，匹配电路还可以包括其它电子元件。在子基板30的下表面32设有接地焊盘34，子基板30通过该接地焊盘34焊接到上述封装基板10的接地金属11上，以与封装基板10的接地金属11电连接。在其它实施例中，子基板也可以通过其它表面贴装工艺组装到封装基板上，例如通过导电胶导电粘贴到封装基板的接地金属上。子基板30内设有导电过孔35以电连接其上表面31的接地端33和下表面32的接地焊盘34，实现子基板30上表面31的接地端33与封装基板10的接地金属11的电连接，即子基板30上表面31的接地端33通过导电过孔35和下表面32的接地焊盘34电连接封装基板10的接地金属11。在其它实施例中，也可以在子基板的侧壁镀制金属膜以电连接子基板上表面的接地端和下表面的接地焊盘。半导体激光芯片20的下表面设有接地焊盘(图中未示出)，半导体激光芯片20通过该接地焊盘焊接到上述封装基板10的接地金属11上，以与封装基板10的接地金属11电连接。在其它实施例中，子基板上表面的接地端也可以通过键合引线与封装基板的接地金属实现电连接。同样，半导体激光芯片的接地焊盘也可以设在其上表面，并通过键合引线与封装基板的接地金属实现电连接。
该封装结构将半导体激光芯片的匹配电路设计在单独的子基板上，使匹配的RC链路与封装基板的接地金属GND不在同一表面，不会破坏封装基板接地金属GND的完整性，以降低匹配电阻及滤波电容与GND间的耦合，从而提高了该封装结构的光电带宽，使其具有良好的高频性能。如图5所示的插入损耗仿真曲线，曲线a为图1所示常用结构的插入损耗仿真结果，曲线b为该实施例封装结构的插入损耗仿真结果，本申请的封装结构的3dB带宽为37.3GHz，比常用结构的34GHz的3dB带宽高了3.3GHz。
实施例2
如图6所示，与实施例1不同的是，该实施例中，上述封装基板10上设有第一上表面13和第二上表面14，封装基板10的信号线12和半导体激光芯片20设于第一上表面13上，子基板30设于第二上表面14上，其中，第二上表面14的高度低于第一上表面的高度。这里第一上表面13同实施例1中的封装基板的上表面，具有共面线结构的信号线12和接地金属11。具体的，在封装基板10远离信号线12的一侧制作一台阶平面作为第二上表面14，该第二上表面14低于封装基板10的第一上表面13，以使安装在其上面的子基板30的上表面31与封装基板10的第一上表面13平齐，或者与半导体激光芯片20的上表面22平齐。通过降低安装子基板30的第二上表面14的高度，使子基板30上的匹配电路与半导体激光芯片20的高度接近，以缩短半导体激光芯片20与匹配电路之间键合引线60的长度，进一步改善了该封装结构的高频性能。
该实施例中，第二上表面14也可以设有接地金属11，子基板30通过其下表面的接地焊盘焊接到该第二上表面14的接地金属11上，或者利用导电胶粘结等其它表面贴装工艺固定到该第二上表面14的接地金属11上，实现与封装基板10接地金属11的电连接。在其它实施例中，子基板上表面的接地焊盘也可以通过键合引线电连接到封装基板的接地金属上，这里封装基板的接地金属可以是其第一上表面或第二上表面的接地金属。
实施例3
如图7所示，与实施例2不同的是，该实施例中，封装基板10还设有第三上表面15，即封装基板10上设有第一上表面13、第二上表面14和第三上表面15。其中，第二上表面14的高度低于第三上表面15的高度，第三上表面15的高度低于第一上表面13的高度。这里，第一上表面13同实施例1中的封装基板的上表面，具有共面线结构的信号线12和接地金属11，子基板30设于第二上表面14上，半导体激光器20设于第三上表面15上。该实施例中，第三上表面15位于第二上表面14与信号线12之间，该第三上表面15低于封装基板10的第一上表面13，高于第二上表面14，以使安装在其上面的半导体激光芯片20的上表面22与封装基板10的第一上表面13平齐，同时安装于第二上表面14上的子基板30的上表面31也与半导体激光芯片20的上表面22平齐。通过降低分别安装半导体激光芯片20和子基板30的第三上表面15和第二上表面14的高度，使子基板30上的匹配电路与半导体激光芯片20的高度以及封装基板10第一上表面13信号线12的高度接近，以缩短半导体激光芯片20与匹配电路之间的键合引线60的长度，以及与信号线12之间的键合引线60的长度，进一步改善了该封装结构的高频性能。
该实施例中，第三上表面15也可以设有接地金属11，半导体激光芯片20通过其下表面的接地焊盘焊接到该第三上表面15的接地金属11上，或者利用导电胶粘结等其它表面贴装工艺固定到该第三上表面的接地金属上，实现与封装基板10接地金属11的电连接。在其它实施例中，半导体激光芯片上表面也可以设置接地焊盘，并通过键合引线电连接到封装基板的接地金属上，这里封装基板的接地金属可以是其第一上表面、第二上表面或第三上表面的其中一个接地金属。
实施例4
如图8所示，与上述实施例1-3不同的是，该实施例中，封装基板10上安装了多个半导体激光芯片20及其匹配电路，各半导体激光芯片20的匹配电路分别设置在多个子基板30上。该实施例以四通道为例，封装基板10上设有接地金属11，以及设于接地金属11之间间隔并列的四个信号线12、四个半导体激光芯片20和四个子基板30，各子基板30上分别设置有与各半导体激光芯片20相对应的RC匹配电路。各半导体激光芯片20上的信号电极21通过键合引线60分别与相应的信号线12和子基板30上的匹配电路电连接。该封装结构可根据实际需要设计成多个通道并列的结构，在封装基板上安装多个半导体激光芯片和子基板，各子基板上分别设置与各半导体激光芯片相对应的匹配电路，封装基板上信号线的数量和子基板的数量与半导体激光芯片的数量一致。
实施例5
如图9所示，与上述实施例1-4不同的是，该实施例中采用封装基板10的上表面的接地金属11作为匹配电路的接地端，匹配电路的电子元件和输入端37设在子基板30的上表面31，即子基板30上不需要再设置接地端和接地焊盘。该实施例中，匹配电路的电子元件包括匹配电阻40和滤波电容50，子基板30的上表面还设有中间焊盘36。
具体的，封装基板10上设有第一上表面13和第二上表面14，封装基板10的信号线12、接地金属11和半导体激光芯片20设于第一上表面13上，子基板30设于第二上表面14上。这里子基板30可以通过表面贴装的工艺安装到封装基板10的第二上表面14上，在其它实施例中，也可以通过封装基板的制作工艺直接在封装基板10的第二上表面上14制作子基板30。上述第二上表面14低于封装基板10的第一上表面13，使得子基板30的上表面31与封装基板10的第一上表面13平齐，从而使得子基板30上表面31的中间焊盘36与封装基板10第一上表面13的接地金属11平齐。上述匹配电阻的滤波电容50为贴片元件，底面设有两个焊盘，分别焊接子基板30上表面中间焊盘36和封装基板10第一上表面13的接地金属11。匹配电阻40为镀于子基板30上表面31的薄膜电阻，该薄膜电阻两端分别连接中间焊盘36和输入端37，该输入端37通过键合引线60电连接半导体激光芯片20的信号电极21。即该实施例中，设于子基板30上表面31的输入端37、匹配电阻40、中间焊盘36、滤波电容50和设于封装基板10第一上表面13接地金属11依次连接构成匹配电路。在其它实施例中，匹配电路还可以包括其它电子元件。
在其它实施例中，封装基板还可以设有第三上表面，上述半导体激光器芯片设于该第三上表面上。该第三上表面的高度低于第一上表面，高于第二上表面。或者，该第三上表面也设有接地金属，设于第二上表面上的子基板的上表面与该第三上表面平齐时，还可以以该接地金属作为匹配电路的接地端。
实施例6
如图10所示，与实施例1-5不同的是，上述各实施例中的子基板是通过表面贴装工艺或焊接等方式安装到封装基板的接地金属上，该实施例中的子基板是直接制作在封装基板的接地金属上的。即，在封装基板10上表面(即第一上表面13)的接地金属11对应于子基板30的位置(如远离信号线的一侧)上，采用常用封装基板的制作工艺在该接地金属11上直接制作子基板30。例如，在制作封装基板10的时候，直接采用该封装基板制作工艺在其接地金属11上制作出子基板30。这里，封装基板采用常用的工艺制作，如减成法、加成法、半加成法等。该实施例的结构将子基板直接制作在封装基板上，省去了后续的组装步骤，简化了组装过程，提高了组装效率和产品的可靠性。上述各实施例中，半导体激光芯片可以是电吸收调制激光器(Electroabsorption Modulated Laser，EML)，也可以是其它调制方式的激光器。键合引线一般采用导电性能良好的金线，也可以采用铜线等其它导电金属线。封装基板和子基板采用常用的芯片封装基板，在其它实施例中，封装基板上还可以设有其它相关电路。封装基板和子基板可以是氮化铝基板、氧化铝基板或石英玻璃基板等，子基板的材质可以跟封装基板的材质相同，也可以不同。
本申请的光模块，采用上述任一实施例的封装结构，可有效提高光电带宽，具有良好的高频性能。该光模块还包括壳体，以及设于壳体内的电路板、热沉和光学组件。上述封装结构设于壳体内的热沉上，封装基板上的信号线和接地金属分别与电路板上的信号线和接地线电连接。这里，电路板可以是硬质电路板或者柔性电路板，热沉可以是TEC(ThermoElectric Cooler，半导体制冷器)，也可以是铜块等导热金属块。半导体激光芯片发射的光信号经光学组件输出光模块，这里光模块可以是光发射组件或光收发组件，光发射组件可以是各种规格的封装形式，如同轴封装或蝶形封装等。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本申请的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本申请的保护范围，凡未脱离本申请技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (11)
1.一种封装结构，包括封装基板和至少一个设于所述封装基板上的半导体激光芯片，所述半导体激光芯片上设有信号电极，其特征在于：
所述封装结构还包括至少一个设于所述封装基板上的子基板以及至少部分设于所述子基板上的匹配电路；
所述封装基板上设有接地金属和至少一个信号线，所述至少一个信号线与所述激光芯片的信号电极相电连接；
所述匹配电路包括输入端、至少一个电子元件和接地端；所述输入端与所述激光芯片的信号电极相电连接，所述至少一个电子元件的两端分别与所述输入端和所述接地端相电连接，所述接地端电连接所述封装基板的接地金属；
所述子基板具有相对的上表面和下表面，所述匹配电路的输入端和至少一个电子元件位于所述子基板的上表面；所述子基板经其下表面置于所述封装基板上。
2.根据权利要求1所述的封装结构，其特征在于：所述电子元件包括匹配电阻和滤波电容；
所述滤波电容一端电连接所述接地端，另一端电连接所述匹配电阻的一端；所述匹配电阻的另一端电连接所述输入端。
3.根据权利要求2所述的封装结构，其特征在于：所述匹配电阻为镀于所述子基板上的薄膜电阻。
4.根据权利要求1所述的封装结构，其特征在于：
所述封装基板上设有第一上表面和第二上表面，所述第二上表面的高度低于所述第一上表面的高度；所述信号线和所述半导体激光芯片设于所述第一上表面上，所述子基板设于所述第二上表面上；
或者，所述封装基板上设有第一上表面、第二上表面和第三上表面，所述第二上表面的高度低于所述第三上表面的高度；所述信号线设于所述第一上表面上，所述半导体激光芯片设于所述第三上表面上，所述子基板设于所述第二上表面上。
5.根据权利要求4所述的封装结构，其特征在于：
所述第二上表面低于所述第一上表面；
所述子基板的上表面与所述封装基板的第一上表面平齐。
6.根据权利要求5所述的封装结构，其特征在于：
所述匹配电路的接地端为所述第一上表面上的所述接地金属；
电连接所述接地端的所述电子元件的一端固定在所述接地金属上，另一端固定在所述子基板的上表面上。
7.根据权利要求1-5任一项所述的封装结构，其特征在于：
所述匹配电路的接地端设于所述子基板上。
8.根据权利要求7所述的封装结构，其特征在于：
所述匹配电路的输入端、电子元件和接地端设于所述子基板的上表面上；
所述子基板的下表面设有接地焊盘，所述子基板内设有导电过孔或者所述子基板的侧壁设有金属膜，所述导电过孔或所述金属膜电连接所述上表面上的所述接地端和所述下表面的所述接地焊盘；
所述子基板置于所述封装基板的接地金属上，所述下表面的接地焊盘与所述封装基板的接地金属电连接。
9.根据权利要求7所述的封装结构，其特征在于：所述匹配电路设于所述子基板上的接地端通过键合引线与所述封装基板的接地金属电连接。
10.根据权利要求1-6任一项所述的封装结构，其特征在于：
所述子基板通过表面贴装工艺安装于所述封装基板的接地金属上；
或者，所述子基板直接制作于所述封装基板的接地金属上。
11.一种光模块，其特征在于：包括权利要求1-10任一项所述的封装结构。
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