CN115621833A - 一种激光半导体芯片封装结构、封装方法和电子设备 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供一种激光半导体芯片封装结构、封装方法和电子设备，涉及封装工艺技术领域。该封装结构中，第一基板有通孔；在第一基板的通孔中且在第二基板上，设置的激光半导体芯片和引线的高度均不超过第一基板的上表面；在第一基板的通孔中填充有光学胶。借助第一基板通孔中形成的空间，容纳激光半导体芯片和引线，由于引线键合后引线最高点依然低于基板上表面，不影响丝网印刷、贴装元器件和回流焊接，因此可以先进行引线键合再进行回流焊，从而避免了回流焊后钎剂残留对引线键合工艺的影响。

Description

一种激光半导体芯片封装结构、封装方法和电子设备

技术领域

本申请涉及封装工艺技术领域，尤其涉及一种激光半导体芯片封装结构、封装方法和电子设备。

背景技术

随着高功率半导体激光器的应用发展，例如在车辆自动驾驶领域中应用不断扩大，考虑到车载工况条件运行复杂且车载产品生命周期长等特点，对激光半导体芯片及模组的封装质量都提出了更高的要求。

目前市场上常用的半导体激光、半导体芯片均需引线键合这种方法与外界进行电气和信号连接。在生产过程中需要对印制板(Printed Circuit Board，PCB)或基板表面进行丝网印刷焊锡膏，然后再对所需元器件的贴装元器件和回流焊接。

丝网印刷要求PCB或基板表面平坦，因此丝网印刷前不能在PCB或基板表面进行引线键合，通常的做法是先进行丝网印刷焊锡膏、贴装元器件和回流焊接然后再进行引线键合。

但是，焊锡膏中含有钎剂或助焊剂，在回流焊接的过程中会存在钎剂或助焊剂的挥发与残留，这便会对引线键合区域造成污染，导致引丝键合不良率高并且容易出现可靠性差的问题。

此外，在结构方面，目前市场常用的方案中为保护激光半导体芯片通常采用金属或塑料外壳并灌封光学胶水的方法对激光半导体芯片进行保护。一方面，这会导致产生额外封装工艺，导致生产成本增加；另一方面，由于材料属性的差异，在热冲击、热循环与随机振动等工况时，金属或塑料外壳与基板之间往往容易产生分层和开裂等新的可靠性问题。

因此，如何可靠地封装激光半导体芯片，是需要解决的技术问题。

发明内容

本申请的目的在于提供一种激光半导体芯片封装结构、电子设备和激光半导体芯片封装方法，以解决现有技术中如何可靠地封装激光半导体芯片的技术问题。

为实现上述目的，本申请实施例采取了如下技术方案。

第一方面，本申请实施例提供一种激光半导体芯片封装结构，包括基板和光学胶；基板包括第一基板和第二基板，第一基板和第二基板自上而下层叠设置。

第一基板有通孔；在第一基板的通孔中且在第二基板上，设置有激光半导体芯片、引线和导带焊盘，激光半导体芯片通过引线和导带焊盘连接，激光半导体芯片和引线的高度均不超过第一基板的上表面；在第一基板的通孔中填充有光学胶。

可选地，在第一基板的通孔中且在第二基板上，还设置有粘接焊盘，激光半导体芯片与粘接焊盘连接。

可选地，封装结构还包括导电银胶，激光半导体芯片通过导电银胶连接在粘接焊盘上。

可选地，激光半导体芯片、引线、导带焊盘和粘接焊盘均包括两组，两组呈轴对称布置。

可选地，两组激光半导体芯片、引线、导带焊盘从对称轴自内向外依次布置。

可选地，基板还包括第三基板，第一基板、第二基板和第三基板自上而下层叠设置，第二基板有通孔；在第二基板的通孔中且在第三基板上，设置有反光件。

可选地，第二基板的通孔的第一基板上表面的正投影在第一基板的通孔的第一基板上表面的正投影范围内。

可选地，反光件的上表面高于第一基板的上表面，光学胶的上表面与第一基板的上表面平齐。

可选地，第一基板上设置有电子组件。

可选地，电子组件包括电阻，电容和印刷件，电阻和电容通过印刷件电连接。

第二方面，本申请实施例提供一种电子设备，包括第一方面的激光半导体芯片封装结构。

第三方面，本申请实施例提供一种激光半导体芯片封装方法，包括：

用AlN生瓷片流延，得到第一基板生瓷片和第二基板生瓷片，在第一基板生瓷片上设置通孔；

将第一基板生瓷片和第二基板生瓷片加压烧结，得到陶瓷基板；陶瓷基板包括由第一基板生瓷片形成的第一基板和由第二基板生瓷片形成的第二基板；

在第一基板的通孔中且在第二基板上，安装导带焊盘和激光半导体芯片；

通过引线键合技术在导带焊盘与激光半导体芯片之间形成引线，激光半导体芯片和引线的高度均不超过第一基板的上表面；

在第一基板的通孔中填充光学胶。

可选地，在第一基板的通孔中且在第二基板上，安装导带焊盘和激光半导体芯片的步骤包括：在第一基板的通孔中且在第二基板上，制作粘接焊盘，并用导电银胶将激光半导体芯片粘接到粘接焊盘上。

可选地，该方法还包括：用AlN生瓷片流延，得到第三基板生瓷片，将第一基板生瓷片和第二基板生瓷片加压烧结的步骤包括将第一基板生瓷片、第二基板生瓷片和第三基板生瓷片加压烧结；在第二基板生瓷片上设置通孔。陶瓷基板还包括：由第三基板生瓷片加压烧结形成的第三基板。该方法还包括：在第二基板的通孔中且在第三基板上，安装反光件。

可选地，该方法还包括：在第一基板上，印刷丝网和焊膏，通过SMT贴片机对电阻、电容和器件进行表面贴装。

可选地，该方法还包括：对电阻、电容、器件和第一基板进行回流焊接。

相对于现有技术，本申请具有以下有益效果：

本申请实施例提供的封装结构、封装方法和电子设备，借助第一基板通孔中形成的空间，容纳激光半导体芯片和引线，由于引线键合后引线最高点依然低于基板上表面，不影响丝网印刷、贴装元器件和回流焊接，因此可以先进行引线键合再进行回流焊，从而避免了回流焊后钎剂残留对引线键合工艺的影响。

此外，借助第一基板通孔中形成的空间，进行灌封光学胶水，不需要背景技术中的金属或塑料外壳，也就避免了外壳与基板之间分层和开裂等新的可靠性问题。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为本申请实施例提供的一种激光半导体芯片封装结构外观示意图；

图2为本申请实施例提供的一种激光半导体芯片封装结构爆炸图；

图3为本申请实施例提供的一种激光半导体芯片封装结构剖面示意图；

图4为本申请实施例提供的一种激光半导体芯片封装方法流程示意图。

附图标记说明：

1-第一基板，2-第二基板，3-第三基板，4-导带焊盘，4’-粘接焊盘，5-导电银胶，6-激光半导体芯片，7-引线，8-电阻，9-电容，10-器件，11-反光件，12-光学胶。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本申请的描述中，需要说明的是，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。术语“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。

现有的半导体激光、半导体芯片均需引线键合这种方法与外界进行电气和信号连接，而且需要在PCB上进行丝网印刷焊锡膏，而焊锡膏中含有钎剂或助焊剂，在回流焊接的过程中会存在钎剂或助焊剂的挥发与残留，这便会对引线键合区域造成污染，导致引丝键合不良率高并且容易出现可靠性差的问题。

常用的方案中为保护激光半导体芯片通常采用金属或塑料外壳并灌封光学胶水的方法对激光半导体芯片进行保护。这种外壳又降低了结构的可靠性。

为了克服以上问题，可参阅图1至图3，图1是本申请实施例提供的一种激光半导体芯片封装结构外观示意图，图2是该结构的爆炸图，图3是该结构的剖面示意图，本申请实施例提供一种激光半导体芯片封装结构，包括基板和光学胶12；基板包括第一基板1和第二基板2，第一基板1和第二基板2自上而下层叠设置。

第一基板1有通孔；在第一基板1的通孔中且在第二基板2上，设置有激光半导体芯片6、引线7和导带焊盘4，激光半导体芯片6通过引线7和导带焊盘4连接，激光半导体芯片6和引线7的高度均不超过第一基板1的上表面；在第一基板1的通孔中填充有光学胶12。引线又可以被称为引丝、键合线。

本申请实施例借助第一基板通孔中形成的空间，容纳激光半导体芯片和引线，由于引线键合后引线最高点依然低于基板上表面，不影响丝网印刷、贴装元器件和回流焊接，因此可以先进行引线键合再进行回流焊，从而避免了回流焊后钎剂残留对引线键合工艺的影响。

此外，本申请实施例借助第一基板通孔中形成的空间，进行灌封光学胶水，不需要背景技术中的金属或塑料外壳，也就避免了外壳与基板之间分层和开裂等新的可靠性问题。

可以选用采用金属或聚合物作为基板的原材料。也可以选用AlN作为基板的原材料，对应地，本申请实施例提供一种激光半导体芯片封装方法，如图4，包括以下步骤：

S1，用AlN生瓷片流延，得到第一基板生瓷片和第二基板生瓷片，在第一基板生瓷片上设置通孔(例如对第一基板生瓷片冲压形成冲压孔作为该通孔)；

S2，将第一基板生瓷片和第二基板生瓷片加压烧结，得到陶瓷基板；陶瓷基板包括由第一基板生瓷片形成的第一基板1和由第二基板生瓷片形成的第二基板2；

S3，在第一基板1的通孔中且在第二基板2上，安装导带焊盘4和激光半导体芯片6；

S4，通过引线键合技术在导带焊盘4与激光半导体芯片6之间形成引线7，激光半导体芯片6和引线7的高度均不超过第一基板1的上表面；

S5，在第一基板1的通孔中填充光学胶12。

在第二基板2上安装激光半导体芯片6时，为了实现电连接、导热等功能或安装的可靠性、稳定性，如图2中的局部放大图，可以在第二基板2上设置粘接焊盘4’，激光半导体芯片6与粘接焊盘4’连接。此过程可以设置在步骤S3：在第一基板1的通孔中且在第二基板2上，制作粘接焊盘4’，并用导电银胶将激光半导体芯片6粘接到粘接焊盘4’上。

为了激光半导体芯片6安装的可靠性、稳定性，如图3，还可以进一步设置导电银胶5，激光半导体芯片6通过导电银胶5连接在粘接焊盘4’上，导电银胶5在激光半导体芯片6和粘接焊盘4’的连接面上。

激光半导体芯片6可以安装多个，以实现更多功能或更大功率，如图2，激光半导体芯片6、引线7、导带焊盘4和粘接焊盘4’均可设置两组，两组呈轴对称布置。轴对称布置不仅可以使设计和工艺清晰明确，还可以提升工件外观的协调度和美感。

对于对称布置的激光半导体芯片6、引线7、导带焊盘4和粘接焊盘4’，将其引出电连接时尽量避免影响光路，可以设置两组激光半导体芯片6、引线7、导带焊盘4从对称轴自内向外依次布置，可设置引线在基板上的投影垂直于对称轴；还可以设置两组激光半导体芯片6、引线7、导带焊盘4沿着出光方向相反方向布置。

为了调整好反光件11的位置和安装的准确性，可以设置第二基板2有通孔，在第二基板2下方设置第三基板3，在第二基板2的通孔中且在第三基板3上，设置反光件11。反光件可以是反光棱镜。

因此可以设置出光方向为平行于基板面的方向的水平方向，然后进入反光件11反射后，垂直于基板面射出。

对于上述第三基板，可以通过用AlN生瓷片流延，得到第三基板生瓷片，步骤S2为将第一基板生瓷片、第二基板生瓷片和第二基板生瓷片加压烧结，得到陶瓷基板。将第一基板生瓷片、第二基板生瓷片和第三基板生瓷片加压烧结之前，在所述第二基板生瓷片上设置通孔，例如对第二基板生瓷片通过冲压形成冲压孔作为通孔，或通过钻孔的方式形成通孔；再将第一至三基板生瓷片加压烧结，得到陶瓷基板，包括第一基板1、第二基板2和第三基板3自上而下层叠设置。

第二基板2的通孔可以和第一基板1的通孔大小相同，也可以大于第一基板1的通孔，可以和第一基板1的通孔的位置错开。优选地，第二基板2的通孔小于第一基板1的通孔，即第二基板2的通孔的第一基板1上表面的正投影在第一基板1的通孔的第一基板上表面的正投影范围内。

由此可添加步骤S6，在第二基板2的通孔中且在第三基板3上，安装反光件11。步骤S6设置在步骤S5之前，例如S2和S3之间，S3和S5之间，以使光学胶12的填充与其他零件包括反光件11不干涉。

可以设置反光件11至少上表面露出，不被光学胶覆盖；反光件11上表面高于第一基板1的上表面；光学胶12上表面和第一基板1平齐。这样保障反光件11的高度充足，从而保障光的利用率更高。

对于上述安装反光件的结构和方法，第二基板2的孔可以有对反光件的定位功能，孔的边缘可以卡住反光件。当反光件的底面是长方形时，孔的形状也可设置为长方形，可以设置成相等大小的长方形以卡住反光件，仅留有一个间隙配合的公差，四个边缘配合。也可设置仅宽度方向或仅长度方向的两个边缘配合，固定反光件在一个方向上的安装定位；也可设置三个边缘配合，固定反光件在两个方向上的安装定位，并在一个边缘留有较大空隙以便安装。

上述的设置两组激光半导体芯片6、引线7、导带焊盘4沿着出光方向相反方向布置，即两组激光半导体芯片6、引线7、导带焊盘4从靠近反光件11到远离反光件11布置，即可以设置引线在基板上的投影平行于对称轴。可设置反光件11的反光面与第二基板2上表面的交线与两组激光半导体芯片6的对称轴垂直，即两组激光半导体芯片到反光面的距离相同。

可以在激光半导体芯片6、引线7布置好之后，再在第一基板1上设置电子组件。电子组件可包括电阻8，电容9和印刷件，还可包括其他器件10，电阻8和电容9通过印刷件电连接。导带焊盘4或粘接焊盘4’可以通过印刷件或另一组引线与电子组件连接。

因此可以在步骤S4之后设置步骤S7，在第一基板1上，印刷丝网和焊膏，可在印刷丝网和焊膏后通过SMT贴片机对电阻8、电容9和器件10进行表面贴装。

表面贴装之后，可设置步骤S8，对电阻8、电容9、器件10和第一基板1进行回流焊接。

S7、S8设置在S4之后即可避免背景技术中的对引线工艺干扰的问题，可以设置在S5之前或之后。

若设置在S5之后，由于芯片、引线已经有光学胶保护，可以更好地避免钎剂或助焊剂的挥发与残留对引线工艺的影响。这种情况下，可能需要设置光学胶的填充大于所需要的填充量，若钎剂或助焊剂的挥发残留到光学胶上时，去除表面的光学胶即可，例如刮去第一基板上表面以上的光学胶。

若S7、S8设置在S5之前，安装反光件的步骤S6可以设置在S8之后或S7之前。在S8之后安装反光件，可以避免反光件的安装不稳定导致后续工序中反光件发生位移的问题。为了保障反光件安装稳定，可以用胶例如导电银胶进一步加固反光件与基板的连接。

为了避免S7、S8对引线键合工艺的影响，还可以在S4之后设置S9，用盖板盖住第一基板的通孔区域，即盖住引线和芯片。然后进行S7、S8，然后设置S10，取下盖板，露出第一基板的通孔区域。之后进行光学胶的填充步骤S5。

本申请实施例还提供一种电子设备，包括激光半导体芯片封装结构。例如激光雷达部件，或带有激光雷达的车辆等。

总体来说，本申请提出了一种激光半导体芯片封装结构、封装方法和电子设备，借助第一基板通孔中形成的空间，容纳激光半导体芯片和引线，由于引线键合后引线最高点依然低于基板上表面，不影响丝网印刷、贴装元器件和回流焊接，因此可以先进行引线键合再进行回流焊，从而避免了回流焊后钎剂残留对引线键合工艺的影响，且避免了外壳结构的不稳定问题。

以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

上述仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (15)

1.一种激光半导体芯片封装结构，其特征在于，包括基板和光学胶(12)；所述基板包括第一基板(1)和第二基板(2)，所述第一基板(1)和所述第二基板(2)自上而下层叠设置；

所述第一基板(1)有通孔；在所述第一基板(1)的通孔中且在所述第二基板(2)上，设置有激光半导体芯片(6)、引线(7)和导带焊盘(4)，所述激光半导体芯片(6)通过所述引线(7)和导带焊盘(4)连接，所述激光半导体芯片(6)和所述引线(7)的高度均不超过第一基板(1)的上表面；在所述第一基板(1)的通孔中填充有光学胶(12)。

2.如权利要求1所述的封装结构，其特征在于，所述在所述第一基板(1)的通孔中且在所述第二基板(2)上，还设置有粘接焊盘(4’)，所述激光半导体芯片(6)与所述粘接焊盘(4’)连接。

3.如权利要求2所述的封装结构，其特征在于，所述封装结构还包括导电银胶(5)，所述激光半导体芯片(6)通过所述导电银胶(5)连接在所述粘接焊盘(4’)上。

4.如权利要求2所述的封装结构，其特征在于，所述激光半导体芯片(6)、所述引线(7)、所述导带焊盘(4)和所述粘接焊盘(4’)均包括两组，所述两组激光半导体芯片(6)、引线(7)和导带焊盘(4)呈轴对称布置。

5.如权利要求4所述的封装结构，其特征在于，所述两组激光半导体芯片(6)、引线(7)和导带焊盘(4)从对称轴自内向外依次布置。

6.如权利要求1所述的封装结构，其特征在于，所述基板还包括第三基板(3)，所述第一基板(1)、所述第二基板(2)和所述第三基板(3)自上而下层叠设置，所述第二基板(2)有通孔；在所述第二基板(2)的通孔中且在第三基板(3)上，设置有反光件(11)。

7.如权利要求6所述的封装结构，其特征在于，所述第二基板(2)的通孔的所述第一基板(1)上表面的正投影在所述第一基板(1)的通孔的所述第一基板(1)上表面的正投影范围内。

8.如权利要求6所述的封装结构，其特征在于，所述反光件(11)的上表面高于所述第一基板(1)的上表面，所述光学胶(12)的上表面与所述第一基板(1)的上表面平齐。

9.如权利要求1所述的封装结构，其特征在于，所述第一基板(1)上设置有电子组件，所述电子组件包括电阻(8)，电容(9)和印刷件，所述电阻(8)和所述电容(9)通过所述印刷件电连接。

10.一种电子设备，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的激光半导体芯片封装结构。

11.一种激光半导体芯片封装方法，其特征在于，包括：

用AlN生瓷片流延，得到第一基板生瓷片和第二基板生瓷片，在所述第一基板生瓷片上设置通孔；

将所述第一基板生瓷片和所述第二基板生瓷片加压烧结，得到陶瓷基板；所述陶瓷基板包括由所述第一基板生瓷片形成的第一基板(1)和由所述第二基板生瓷片形成的第二基板(2)；

在所述第一基板(1)的通孔中且在所述第二基板(2)上，安装导带焊盘(4)和激光半导体芯片(6)；

通过引线键合技术在所述导带焊盘(4)与所述激光半导体芯片(6)之间形成引线(7)，所述激光半导体芯片(6)和所述引线(7)的高度均不超过第一基板(1)的上表面；

在所述第一基板(1)的通孔中填充光学胶(12)。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述在所述第一基板(1)的通孔中且在所述第二基板(2)上，安装导带焊盘(4)和激光半导体芯片(6)的步骤包括：

在所述第一基板(1)的通孔中且在所述第二基板(2)上，制作粘接焊盘(4’)，并用导电银胶将激光半导体芯片(6)粘接到所述粘接焊盘(4’)上。

13.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：用AlN生瓷片流延，得到第三基板生瓷片；在所述第二基板生瓷片上设置通孔；

所述将所述第一基板生瓷片和所述第二基板生瓷片加压烧结的步骤包括将所述第一基板生瓷片、所述第二基板生瓷片和所述第三基板生瓷片加压烧结；所述陶瓷基板还包括由所述第三基板生瓷片加压烧结形成的第三基板(3)；

所述方法还包括：在所述第二基板(2)的通孔中且在第三基板(3)上，安装反光件(11)。

14.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：在所述第一基板(1)上，印刷丝网和焊膏，通过SMT贴片机对电阻(8)、电容(9)和器件(10)进行表面贴装。

15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：对所述电阻(8)、所述电容(9)、所述器件(10)和所述第一基板(1)进行回流焊接。

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