CN1599156A - 具有印刷电路板型引线框架的半导体激光二极管 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有PCB型引线框架的激光二极管。在该激光二极管中，发光元件用于发射激光束。框架单元具有安装发光元件的上部并用于辐射在形式激光束期间产生的热量。外壳具有用于容纳框架单元的内部空间和与内部空间连通并允许激光束通过的射出孔。印刷电路板(PCB)具有形成在PCB的上表面上的多个图形电极，该图形电极与发光元件电连接。本发明的半导体激光二极管具有简单结构以便于组装工艺、提高了生产率、节省了制造成本和增加了辐射表面面积，由此提高了热辐射特性。本发明还可以在工作人员在组装线上操作部件时防止工作人员的手指直接接触发光元件，以便精确部件不被污染或损坏。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有PCB型引线框架的改进的半导体激光二极管，特别是，它具有简单的结构以利于组装工艺、提高了生产率、节省了制造成本和增加了辐射表面面积，由此提高了热辐射特性。
背景技术
通常，半导体激光二极管在p-n结半导体器件的电特性和光学特性基础上工作，经过正向电流产生激光振荡。半导体激光二极管被用在指示器、激光打印机、扫描仪和数据存储器中，如CD-P、CD-ROM、CD-RW、DVD-P和DVD-ROM以及光学拾取器。
半导体激光二极管分为罐(can)型二极管、树脂模制型二极管和引线框架型二极管。如图1A和1B所示，罐型激光二极管10包括：子安装部分(submount)11；安装在子安装部分11的上部以发射激光束的激光器芯片LC；盘状柱托(stem)12，它具有从柱托12的上表面突出预定高度并安装子安装部分11的热辐射部件13；安装在柱托12的上表面的光电二极管PD；以及从柱托12向下延伸的三个引线14，以便于激光二极管10与主板(未示出)的电连接。
在罐型激光二极管10中，引线14经过导线部件15分别与激光器芯片LC和光电二极管PD连接。在柱托12上提供盖件16以保护激光器芯片LC和光电二极管PD不受外部环境影响。在盖件16的上部中心部分中，提供用于允许激光束通过的玻璃部件17。
图2是树脂模制型激光二极管的透视图。如图2所示，激光二极管20包括：安装激光器芯片LC的子安装部分21，该激光器芯片LC用于发射激光束；具有支座部分24c的中心引线框架24a，该支座部分在中心引线框架24a的顶部增宽以安装子安装部分21；以及设置在中心引线框架24a的两侧的两个辅助引线框架24b。在激光二极管20中，激光器芯片LC经过导线部件25与辅助引线框架24b电连接。在中心引向框架24a的支座部分24c周围和辅助引线框架24b的顶部浇注封装材料22如透明环氧树脂，形成如图1A和1B的结构，其中盖件16位于柱托12上。
图3A和3B示出了引线框架型激光二极管。如图3A和3B所示，激光二极管30包括：光电二极管PD；安装在光电二极管PD的上部并用于发射激光束的激光器芯片LC；具有相对大表面面积的支座部分24c的中心引线框架34a，该支座部分用于安装光电二极管PD，光电二极管PD经过粘合剂如环氧树脂连接到支座部分24c；设置在中心引线框架34a的两侧的辅助引线框架34b；和导向固定器32，用于确保中心和辅助引线框架34a和34b在垂直位置，同时从前部露出光电二极管PD。
光电二极管PD和激光器芯片LC经过导线部件35与辅助引线框架34b电气导线接合在一起。导向固定器32设置在外壳部件36的内部空间37中，外壳部件36被射出孔37a贯穿，用于允许激光束通过。
在响应施加外部电源而从被激励激光器芯片LC产生激光束时，每个常规激光二极管10、20和30都产生热量。热量传递到安装激光器芯片LC和集成光电二极管PD的子安装部分11或21上，然后经过设置在柱托12上的热辐射部件13或者经过中心引向框架24a或34a辐射到外部。
根据现有技术，用于向外部辐射热量的面积不够大。在罐型激光二极管10的情况下，来自激光器芯片LC的热量使柱托12和其上安装作为热源的激光器芯片LC的热辐射部件13的温度升高，由此使其热损坏。在树脂模制型和引线框架型激光二极管20和30的情况下，来自激光器芯片LC的热量在接触中心引线框架24a和34b的方向使封装材料22和导向固定器32的温度升高，由此使这些部件热损坏。
此外，虽然罐型激光二极管10可以正确发射激光束，但是它具有大量部件和复杂的组件结构，由此使制造成本升高，大大延长了制造时间和降低了生产率。
另一方面，由于树脂模制型激光二极管20具有比罐型和引线框架型二极管10和30简单的结构，因此树脂模制型激光二极管20的制造成本比罐型和引线框架型二极管10和30的制造成本低。但是，树脂模制型激光二极管20具有较低的光学密度/单位面积，并且由于封装材料22容易被热损坏，因此发光元件的发光中心可能改变。
此外，罐型和引线框架型激光二极管10和30具有以下问题，当柱托12和导向固定器32组装到盖件16和外壳部件36上时，工作人员的手指容易直接接触作为精确元件的发光元件如激光器芯片LC，由此使其污染。
发明内容
为了解决前述的问题提出了本发明，因此本发明的目的是提供一种具有印刷电路板(PCB)引线框架的半导体二极管，结构简单因此节省了制造成本，提高了生产率和增加了辐射表面面积，由此提高了辐射特性。
本发明的另一目的是提供一种具有PCB型引线框架的半导体激光二极管，在工作人员在组装线中操作这些元件时，可以防止工作人员的手指直接接触发光元件。
根据用于实现该目的的本发明的方面，提供一种具有PCB型引线框架的激光二极管。本发明的激光二极管包括：用于发射激光束的发光元件；框架单元，它具有安装发光元件的上部和用于辐射在产生激光束期间产生的热量；外壳，它具有用于容纳框架单元的内部空间和与内部空间连通并用于允许激光束通过的射出孔；印刷电路板(PCB)，它具有形成在PCB的上表面上的多个图形电极，该图形电极与发光元件电连接。
优选地，发光元件包括发光元件包括管芯接合到框架单元上部的光电二极管和管芯接合到光电二极管上表面的激光器芯片。
优选地，框架单元包括具有优异导热性的金属板。
还优选地，框架单元具有形成在其两侧的翼片部分，并安装在外壳的内部空间中。
优选地，外壳具有在外壳的内部空间的内部周边部分轴向形成的固定槽，其中翼片部分包括从框架单元的两个横向周边部分横向延伸以插入固定槽并固定在其中的翼片。
还优选地，每个固定槽具有在其顶部径向延伸的装配槽。
优选地，翼片部分包括弧形翼片，该弧形翼片与外壳的内部空间的内部周边部分弹性接触。
优选地，弧形翼片向前或向后垂直于框架单元的前表面或后表面突出。
还优选地，框架单元具有弧形保护翼片，这些弧形保护翼片形成在框架单元的两个横向周边部分，以便包围和保护发光元件。
优选地，保护翼片各具有形成得比发光元件的最上部高的端部。
优选地，PCB的图形电极经过导线部件与发光元件连接。
还优选地，发光元件的图形电极延伸到PCB的上周边部分，靠近发光元件，以便形成与导线部件的下端接触的上端子。
还优选地，PCB包括单面PCB，该单面PCB具有其上形成图形电极的前表面。
附图说明
本发明的前述和其它目的、特征和其它优点将在下面结合附图的详细说明中被更清楚地理解，其中：
图1A是一般罐型半导体激光二极管的透视图；
图1B是图1A的分解图；
图2是一般树脂模制型半导体激光二极管的透视图；
图3A是一般引线框架型半导体激光二极管的透视图；
图3B是图3A的部分放大示意图；
图4是根据本发明的第一实施例的具有PCB型引线框架的半导体激光二极管的分解透视图；
图5是在根据本发明第一实施例的具有PCB型引线框架的半导体激光二极管中包括发光元件、框架单元和PCB的组件的透视图；
图6A是根据本发明第一实施例的具有PCB型引线框架的半导体激光二极管的放大透视图；
图6B是图6A的平面图；
图7是根据本发明第一实施例的具有PCB型引线框架的半导体激光二极管的纵向剖面图；
图8是根据本发明第二实施例的具有PCB型引线框架的半导体激光二极管的分解透视图；
图9A是根据本发明第二实施例的具有PCB型引线框架的半导体激光二极管的放大透视图；
图9B是图9A的平面图；
图10是在根据本发明第二实施例的具有PCB型引线框架的半导体激光二极管中包括发光元件、框架单元和PCB的组件的透视图；
图11A和11B是在根据本发明第一实施例的具有PCB型引线框架的半导体激光二极管中将框架单元组装到外壳中的工艺过程；
图12A和12B是在根据本发明第二实施例的具有PCB型引线框架的半导体激光二极管中将框架单元组装到外壳中的工艺过程；和
图13A-13C表示制造用在本发明的具有PCB型引线框架的半导体激光二极管中的发光元件的工艺过程。
具体实施方式
下面参照附图详细介绍本发明的优选实施例。
图4是根据本发明第一实施例的具有PCB型引线框架的半导体激光二极管的分解透视图，图5是在根据本发明第一实施例的具有PCB型引线框架的半导体激光二极管中包括发光元件、框架单元和PCB的组件的透视图，图6A是根据本发明第一实施例的具有PCB型引线框架的半导体激光二极管的放大透视图，图6B是图6A的平面图，图7是根据本发明第一实施例的具有PCB型引线框架的半导体激光二极管的纵向剖面图。
如图4-7所示，根据本发明第一实施例的激光二极管100包括发光元件110、框架单元120、外壳130和印刷电路板(PCB)140，并且可以通过将具有发光元件110的框架单元120插入外壳130而简单组装。
就是说，以集成管芯芯片的形式设置发光元件110，用于响应施加的电源而产生和向外发射激光束，以便激光器芯片111和光电二极管112可以管芯接合(die bond)到框架单元120的正表面。
激光器芯片111由包括有源层和围绕有源层的包覆层的GaAlAs基材料、用在高密度光盘的红色半导体激光器件中的AlGaIP和AlGaInPAs基材料、用在电子设备中的GaN基材料等构成。背面电极经过接合层113连接到光电二极管112的表面电极上。
为了环氧树脂管芯接合的目的，接合层113可由Au或Ag构成。或者，接合层113可包括由Sn构成的接合粘接剂。
此外，具有接合到其上表面的激光器芯片LC的集成光电二极管112具有形成在P-I-N结构的硅基晶体中的表面电极和背面电极，并且表面电极与具有P扩散区的光接收部分欧姆接触。
激光器芯片112经过接合层113接合到光电二极管111的表面电极。背面电极经过接合层114接合到中心引线框架121的框架单元120的上部120a的前部，其中接合层114由Au-Sn或Sn根据共熔管芯接合技术(eutectic die bonding technique)构成。
此外，除了与发光元件110接合的中心引线框架121之外，框架单元120包括设置在中心引线框架121的两侧的辅助引线框架122。安装发光元件110的中心引线框架121集成地设有热辐射部分123，用于将在发光元件110中产生激光束期间产生的热量向外辐射。
外壳130具有形成在与射出孔132连通的中心主体部分中的内部空间131，其中射出孔132用于允许由发光元件110产生的激光束通过。框架单元120设置在内部空间131中，以便保护安装在框架单元120上的发光元件110不受外部环境影响。
框架单元120构形为由具有优异导热性、可加工性和弯曲能力的金属如铜、铁和其合金制成的四边形板。外壳130由树脂通过注入模制构成，以便在中心主体部分中形成内部空间131和射出孔132。
结果是，在由激励发光元件110时产生的激光束产生的高温热量经过框架单元120的整个面积传递以便均匀辐射，并框架单元120很容易加工或铸造。
在框架单元120的两侧，提供横向对称的翼片部分121，用于在外壳130的内部空间131内部安装框架单元120。
翼片部分121包括从框架单元120的右和左周边部分横向延伸的两个翼片121a。另一方面，外壳130具有固定槽134，该固定槽134在激光束的射出方向X在内部空间131的内周边部分中形成为预定深度，以便翼片121a插入固定槽134中，然后固定到其上。
结果是，翼片121a与形成在外壳130的内部空间131中的固定槽134对齐，然后将框架单元120在激光束射出方向X插入外壳130的内部空间131中，以便将具有右和左翼片121a的框架单元120组装到外壳130中。
图8是根据本发明第二实施例的具有PCB型引线框架的半导体激光二极管的分解透视图，图9A是根据本发明第二实施例的具有PCB型引线框架的半导体激光二极管的放大透视图，图9B是图9A的平面图，图10是在根据本发明第二实施例的具有PCB型引线框架的半导体激光二极管中包括发光元件、框架单元和PCB的组件的透视图。
设置在根据本发明第一实施例的框架单元120的两侧的翼片121可以用根据本发明第二实施例的弧形翼片121b代替，这些弧形翼片与外壳130的内部空间131的内部周边部分弹性接触，如图8-10所示。
弧形翼片121b形成假想圆的部分，其中该假想圆是在与内部空间131的内部直径基本相同或稍大于它的外直径处绘制的，以便插入外壳130的内部空间131的弧形翼片121与内部空间131的内部周边部分压配合。
与内部空间131的内部周边部分紧密接触的弧形翼片121b可以向前或向后突出到框架单元120的前面或后面，如图12A和12B所示。
如图11A和11B所示，在管芯接合发光元件110的框架单元120的上部120a的横向周边部分中，提供保护翼片123，该保护翼片123可以以弧的形式弯曲以便包围和保护发光元件110，如图4-6B所示。接合发光元件的上部120a的表面形成为平坦的。
保护翼片123的端部优选地形成得比发光元件110的最上部高，高出程度使得在组装线中将框架单元120组装到外壳上时工作人员的手指不能接触作为精确部件的发光元件110。
此外，PCB140经过接合粘接剂如环氧树脂接合到框架单元120的下部120b，并与发光元件110共面设置。PCB140还具有印刷在前表面上并与发光元件110电连接的的多个图形电极141。
图形电极141经过导线部件142导线接合到发光元件110上并与其电连接，其中导线部件142由金属如Au和Ag构成。
图形电极141延伸到PCB140的上周边部分，靠近发光元器件110，以便形成与导线部件142的下端连接的上端子143，由此导线部件142以最短长度设置，以便连接图形电极141和发光元件110。
PCB140设置为具有图形电极141的单面PCB，图形电极141形成在PCB140的前表面上，该PCB优选具有小于框架单元120的下部120b的宽度的宽度。
具有上述结构的本发明的操作介绍如下。
根据用于发射激光束的发光元件110的制造工艺，在晶片形式的衬底200的一侧上形成由Au-Sn或Sn构成的接合层114，然后将衬底200的上表面分成矩阵。
激光器芯片111根据管芯接合技术安装在衬底200的矩阵形分割部分上，其中每个激光器芯片111经过由Sn制成的接合层113安装在每个分割部分上。纵向切割安装激光器芯片111的衬底200，以便形成多个汇流条200a。
横向划割每个汇流条200a，然后沿着划线切割以便形成多个发光元件110，每个发光元件110具有接合在一起的激光器芯片111和光电二极管112。
接着，根据本发明的第一第二实施例，设置每个发光元件110，以便光电二极管112作为基座位于框架单元120的上部120a上。给发光元件110和框架单元120之间的结提供具有约300C的温度的热源，框架单元120具有厚度为约3μm的Au或Ag的板形层，以便根据共熔管芯接合技术将框架单元120的板形层接合到光电二极管112的接合层114上，以便每个发光元件110设置在框架单元120的上部120a。
粘接剂如环氧树脂经过打点涂覆在框架单元120的下部120b的前表面上，然后将具有形成在其前表面的多个图形电极141的PCB140的背面固定到下部120b的涂覆环氧树脂的前表面上。
通过连接导线部件142的一端与发光元件110和将导线部件142的另一端接合到与PCB120的上周边部分相邻延伸的图形电极141的上端子143上，安装在框架单元120的上部120a上的发光元件110与安装在框架单元120的下部120b上的PCB140电连接，以便用于产生激光束的电源可以经过图形电极141和导线部件142输送给发光元件110。
通过如下方式将安装互相接合在一起的发光元件110和PCB140的框架单元120组装到外壳130中：其中翼片部分121具有从框架单元120的两个横向周边部分横向延伸的翼片121a，如图4和图11A和11B所示，翼片121a的末端与形成在外壳130的内部空间13 1的内部周边部分中的固定槽134对准。
通过翼片121a的末端沿着固定槽134向上移动，直到翼片121a的末端被固定槽134的上端停止为止，将框架单元120在射出方向X或者沿着内部空间131的中心轴插入到内部空间131中。然后，框架单元120转向内部空间131的左边或右边，以便翼片121a的末端插入装配槽134a并被它保持，其中装配槽134从固定槽134的上端垂直于径向方向延伸。结果是，框架单元120老固定保持在外壳130中，以便它不会从外壳130脱离出来。
此外，翼片121包括弧形翼片121b，该弧形翼片121a从框架单元120的两个横向周边部分向前或向后垂直于框架单元120的前表面或后表面突出，具有弧形翼片121b的框架单元120的上部与外壳130的内部空间131的下端对准，如图12A和12B所示。
在这种位置上，在射出方向X或沿着内部空间131的中心轴将框架单元120插入到内部空间131中，以便沿着内部空间131插入弧形翼片121b，使得弧形翼片121b的外周边部分弹性压到内部空间131的内周边部分上。结果是，框架单元120可以牢固地固定在外壳130的内部空间131中，从而不会从外壳130脱离出来。
翼片部分121的两个弧形翼片121b可以相对于框架单元120的前表面向前突出或者相对于框架单元120的背面向后突出。或者，翼片部分121的弧形翼片121b可以相对于框架单元120突出，即弧形翼片121b之一相对于框架单元120的前表面向前突出，另一个弧形翼片121b相对于框架单元120的背面向后突出。在这种情况下，弧形翼片121b的所有结构提供压在内部空间131的内周边部分上的相等面积，以便给翼片部分121提供相等的固定力，而与弧形翼片121b的结构无关。
根据本发明，具有发光元件和PCB的框架单元被容纳在具有形成在其中的射出孔的外壳的内部空间中，其中PCB与发光元件电连接并且发光元件和PCB安装在框架单元的前表面上，以便简化组装线的结构，由此节省最终产品的制造成本，同时提高其生产率。
具有宽热辐射表面面积的框架单元将在发射激光束期间从发光元件产生的高温热量通过射出孔有效地辐射到外部，从而增强最终产品的热特性，由此提高了其可靠性。
保护翼片形成在框架单元的两个横向侧，以便包围和保护作为精确部件的导线部件和发光元件，由此可靠地防止发光元件和导线部件不与工作人员的手指接触。这最终防止了框架单元的部件由于粘接到其上的污染物产生的故障。
前面已经结合本发明的优选实施例介绍了本发明，应该理解在不脱离本发明的精神或范围的情况下可以对本发明做各种修改和改变，本发明的范围不限于上述实施例，而是由所附权利要求书及其等效形式限定。
Claims (13)
1.一种具有PCB型引线框架的激光二极管，包括：
用于发射激光束的发光元件；
框架单元，它具有安装发光元件的上部并用于辐射在产生激光束期间产生的热量；
外壳，它具有用于容纳框架单元的内部空间和与内部空间连通并允许激光束通过的射出孔；和
印刷电路板(PCB)，它具有形成在PCB的上表面上的多个图形电极，该图形电极与发光元件电连接。
2.根据权利要求1的激光二极管，其中发光元件包括管芯接合到框架单元上部的光电二极管和管芯接合到光电二极管上表面的激光器芯片。
3.根据权利要求1的激光二极管，其中框架单元包括具有优异导热性的金属板。
4.根据权利要求1的激光二极管，其中框架单元具有形成在其两侧的翼片部分，并安装在外壳的内部空间中。
5.根据权利要求4的激光二极管，其中外壳具有在外壳的内部空间的内部周边部分轴向形成的固定槽，其中翼片部分包括从框架单元的两个横向周边部分横向延伸以插入固定槽并固定在其中的翼片。
6.根据权利要求5的激光二极管，其中每个固定槽具有在其顶部径向延伸的装配槽。
7.根据权利要求4的激光二极管，其中翼片部分包括弧形翼片，该弧形翼片与外壳的内部空间的内周边部分弹性接触。
8.根据权利要求7的激光二极管，其中弧形翼片垂直于框架单元的前表面或后表面向前或向后突出。
9.根据权利要求1的激光二极管，其中框架单元具有弧形保护翼片，这些弧形保护翼片形成在框架单元的两个横向周边部分，以便包围和保护发光元件。
10.根据权利要求9的激光二极管，其中每个保护翼片具有形成得比发光元件的最上部高的端部。
11.根据权利要求1的激光二极管，其中PCB的图形电极经过导线部件与发光元件连接。
12.根据权利要求11的激光二极管，其中发光元件的图形电极延伸到PCB的上周边部分，靠近发光元件，以便形成与导线部件的下端接触的上端子。
13.根据权利要求1的激光二极管，其中PCB包括单面PCB，该单面PCB具有其上形成图形电极的前表面。
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