CN204793609U - 一种无pd垫块的to-can封装半导体激光器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出一种无PD垫块的TO-CAN封装半导体激光器，包括：TO管座、LD芯片、PD芯片、键合金丝、引脚、热沉块、TO管帽和透镜光学系统，热沉块设置于TO管座的上表面，LD芯片固定设置于热沉块的表面，引脚绝缘固定于TO管座内，在其中一个引脚的突出于TO管座上表面的上部形成有支撑座，PD芯片设置于支撑座上，并处于LD芯片的下方，PD芯片通过支撑座电性连接于支撑座所在的引脚，透镜光学系统安装于TO管帽上，TO管帽安装于TO管座上。本实用新型通过将PD芯片安装于与引脚一体设计连接的支撑座上，省去了独立垫块，节约了垫块物料成本，且省去了PD芯片与其垫块间的一次金丝键合过程，简化了金丝键合工艺，节约了金丝成本，提高了激光器产品的稳定性。

Description

一种无PD垫块的TO-CAN封装半导体激光器

技术领域

本实用新型涉及激光技术领域，更具体的涉及一种无PD垫块的TO-CAN封装半导体激光器。

背景技术

TO-CAN封装半导体激光器具有体积小，能耗低，寿命长，无须制冷，工艺简单可靠，适合大规模生产等优点，广泛应用于光纤通信和光纤传感。当前TO-CAN封装半导体激光器主要采用TO56封装，波长有1310nm,1490nm，1550nm等。典型的TO-CAN封装半导体激光器具有如附图1所示的结构，包括TO管座1、LD芯片2、PD芯片3、LD垫块4、PD垫块5、键合金丝6、引脚7、TO管帽8和透镜光学系统9，在实际生产过程中，首先需要把PD垫块5用银胶贴于TO管座1上，然后把PD芯片3贴于PD垫块5上，接着将整体置于烘箱内烘烤以使银胶固化，从而达到固定背光探测器的目的，在此之后把LD垫块4和LD芯片2共晶于垂直伸出于TO基座表面的热沉块10的侧面，当LD芯片2和PD芯片3固定完成后，需要用金丝进行键合，具体的PD芯片两个电极中的一个电极需要与引脚Pin2键合连接，另一个电极需要与引脚Pin3键合连接，这种传统封装中为了实现引脚Pin2、Pin3与PD电极的连接，都是采用一个PD垫块和两次金丝键合过程来实现。但是这种作为背光探测器的PD芯片通过两次金丝键合与对应引脚进行连接的结构在实际使用中存在以下缺陷：（1）、对PD芯片采用两次金丝键合，造成键合操作工艺相对较复杂，而且加大了对高成本金丝的应用，在一定程度上提高了激光器整体的成本，降低了市场竞争优势；（2）对于PD芯片需要专门设置PD垫块进行安装，不但复杂了安装工艺，而且PD垫块与TO管座使用银胶进行固定，有可能造成脱落风险，直接影响了激光器产品的质量稳定性。因此现有技术中广泛使用的TO-CAN封装半导体激光器因存在单独设置的PD垫块而具有一定的使用缺陷。

实用新型内容

本实用新型基于上述现有技术问题，创新提出一种无PD垫块的TO-CAN封装半导体激光器，通过将PD芯片安装于与引脚一体设计连接的支撑座上，不但省去了独立背光PD垫块的设置，节约了垫块物料成本，而且通过PD芯片与支撑座的电性直接连接实现了芯片与引脚的电性直接连接，省去了PD芯片与其垫块之间的一次金丝键合工艺，简化了金丝键合操作工艺，并节约了键合金丝成本，同时与引脚一体设计的支撑座不会发生脱落风险，提高了激光器产品的使用稳定性和市场竞争力。

本实用新型解决上述技术问题所采取的技术方案如下：

一种无PD垫块的TO-CAN封装半导体激光器，包括：TO管座1、LD芯片2、PD芯片3、键合金丝6、引脚7、热沉块10、TO管帽8和透镜光学系统9，所述热沉块10设置于所述TO管座1的上表面，所述LD芯片2固定设置于所述热沉块10的表面，所述引脚7至少包括有三个，各引脚绝缘固定于所述TO管座1内，且各引脚的上端突出于所述TO管座1的上表面，在其中一个引脚的突出于TO管座1上表面的上部形成有支撑座11，所述PD芯片3设置于所述支撑座11上，并处于所述LD芯片2的下方，所述PD芯片3通过支撑座电性连接于支撑座所在的引脚，所述透镜光学系统9安装于所述TO管帽8上，所述TO管帽8安装于所述TO管座上。

进一步的根据本实用新型所述的TO-CAN封装半导体激光器，其中所述支撑座一体形成于处于所述热沉块10正前方的引脚的上端部，并自该引脚的上端部一体延伸至所述LD芯片2的下方。

进一步的根据本实用新型所述的TO-CAN封装半导体激光器，其中所述热沉块10一体形成于所述TO管座1的上表面，所述热沉块10整体具有梯台结构，包括外沿表面、内壁表面和连接外沿表面与内壁表面的侧表面，所述内壁表面垂直于所述TO管座1的上表面，所述引脚围绕所述内壁表面设置，所述支撑座一体形成于处于所述内壁表面正前方的引脚的上端部。

进一步的根据本实用新型所述的TO-CAN封装半导体激光器，其中还包括有LD垫块4，所述LD垫块4固定设置于所述热沉块10的内壁表面上，所述LD芯片2固定设置于所述LD垫块4的表面上。

进一步的根据本实用新型所述的TO-CAN封装半导体激光器，其中所述外沿表面为圆柱面，所述内壁表面和侧表面均为平面，所述热沉块的高度在1.3mm-1.5mm之间。

进一步的根据本实用新型所述的TO-CAN封装半导体激光器，其中所述TO管座1具有圆形结构，所述LD芯片2处于TO管座1的圆心轴线上，所述PD芯片3处于所述LD芯片2的正下方。

进一步的根据本实用新型所述的TO-CAN封装半导体激光器，其中所述LD芯片双向出光且工作波长在1310nm或1550nm，所述PD芯片作为LD芯片的背光探测器芯片。

进一步的根据本实用新型所述的TO-CAN封装半导体激光器，其中所述TO管座1上设置有圆形通孔，所述引脚穿过所述圆形通孔后通过玻璃固定层绝缘固定于所述圆形通孔内。

进一步的根据本实用新型所述的TO-CAN封装半导体激光器，其中所述TO管帽8在TO管座的上表面边缘处与TO管座融接在一起，并将LD芯片2、PD芯片3、键合金丝6、引脚7、支撑座11以及热沉块10罩设其内。

进一步的根据本实用新型所述的TO-CAN封装半导体激光器，其中所述支撑座11具有长方体结构，宽度在0.4mm到0.9mm，长度在1.0mm-1.6mm，厚度在0.2mm-0.6mm。

通过本实用新型的技术方案至少能够达到以下技术效果：

1）、本实用新型对传统TO-CAN封装半导体激光器中PD芯片的设置结构进行了创新改进，通过在PD芯片的其中一个连接引脚上设置PD芯片的支撑座，省去了独立背光PD垫块的物料成本，完全避免了传统PD垫块容易脱落的风险，提高了产品的稳定性；

2）、本实用新型首创的将PD芯片安装于与引脚一体设计连接的支撑座上，并通过PD芯片与支撑座的电性直接连接实现了PD芯片与对应引脚的电性直接连接，省去了PD芯片与其垫块之间的一次金丝键合工艺，简化了金丝键合操作工艺，并节约了键合金丝成本；

3）、本实用新型首创了一种无背光PD垫块的TO-CAN封装半导体激光器，属于对当前TO-CAN封装半导体激光器的重大创新改进，且与传统TO封装半导体激光器比较，其外部结构尺寸和电路引脚可以保持完全一致，不会给客户使用新产品造成影响，其改进工艺以及应用能够很好的与传统封装激光器匹配，从而本实用新型所述激光器在降低封装工艺、降低材料成本、提高产品质量和稳定性能等方面均具有独特的优势，代表了TO-CAN封装半导体激光器的全新发展方向，具有广阔的市场推广应用前景。

附图说明

附图1为传统TO-CAN封装半导体激光器的结构示意图；

附图2为本实用新型所述无PD垫块的TO-CAN封装半导体激光器的内部立体结构示意图；

附图3为附图2的俯视结构示意图；

附图4为本实用新型所述无PD垫块的TO-CAN封装半导体激光器的正视结构示意图；

图中各附图标记的含义如下：

1-TO管座，2-LD芯片，3-PD芯片，4-LD垫块，5-PD垫块，6-键合金丝，7-引脚，8-TO管帽，9-透镜光学系统，10-热沉块，11-支撑座，12-玻璃固定层。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的技术方案进行详细的描述，以使本领域技术人员能够清楚的理解本实用新型，但并不因此限制本实用新型的保护范围。

TO-CAN封装半导体激光器作为当前广泛使用的通信光源器件，其结构在不断的优化发展中，本实用新型正是基于长期的创新试验研究，提出一种无PD垫块的全新结构的TO-CAN封装半导体激光器，大大改善了TO-CAN封装半导体激光器的综合性能。如附图2-4所示，本实用新型所述无PD垫块的TO-CAN封装半导体激光器包括TO管座1、LD芯片2、PD芯片3、LD垫块4、键合金丝6、引脚7、热沉块10、支撑座11、TO管帽8和透镜光学系统9，所述的TO管座1作为整个激光器的基座，优选的具有圆形结构，在TO管座1的上表面垂直突设有扇形结构的热沉块10，所述热沉块10的结构优选的类似于一梯台，外沿表面为圆柱面，内壁表面为平面，连接外沿圆柱面和内壁平面间的侧表面亦为平面。所述热沉块的高度在1.3mm-1.5mm之间，优选高度为1.4mm，所述热沉块可采用导热性能良好的铁制作，优选的亦可于TO管座1形成为一体结构。在所述热沉块10的内壁表面固定设置LD垫块4，所述LD垫块4焊接、粘接或一体形成于热沉块10的内壁表面上。在所述LD垫块4的表面上固定有LD芯片2，所述的LD芯片2为激光二极管芯片，所述LD芯片共晶焊接于LD垫块4的表面，共晶焊接也叫金属合金焊接，是指在相对较低的温度下共晶爆料发生代晶物熔合的现象，共晶合金直接从固态变到液态，而不经过塑性阶段，这里合金熔化温度称共晶温度，本实用新型所用共晶材料是金锡合金，其熔接温度在270度到320度之间，采用共晶焊接方式不但能够保证LD芯片非常牢固的固定于LD垫块4上，而且能够保证LD芯片非常精准的处于理想固定位置，优选的在本实用新型所述无PD垫块的TO-CAN封装半导体激光器中，LD芯片处于圆形TO管座1的中心轴线上（圆心轴线上），LD芯片出光面可以但不限于位于固定于TO管座上的透镜光学系统的焦点。所述LD芯片在共晶完成后通过金丝键合技术连接于对应的引脚上，键合金丝两端分别连接于LD芯片的电极和突出于TO管座表面的对应引脚（可参照附图1，在附图2中省略相同设置的LD芯片的键合金丝），金丝键合温度控制在120度左右，金丝键合拉力强度大于5克。所述的引脚7穿过TO管座1设置，具体的至少包括3根引脚，优选为四根引脚，包括LD芯片2的正、负引脚以及PD芯片3的正、负引脚，对应于各引脚在所述TO管座1上开设有若干圆形通孔（优选尺寸为直径1mm），各引脚穿过TO管座的圆形通孔后固定于TO管座1的圆形通孔内，且保证各引脚7与TO管座之间电性绝缘，优选的在引脚7与TO管座1的圆形通孔内壁之间密封有绝缘的玻璃固定层12，从而在将各引脚牢固固定于TO管座上的同时，保证各引脚与TO管座以及其他部件间都是相对电隔立的。各引脚如Pin1、Pin2和Pin3围绕所述TO管座1的圆心周围设置，优选的Pin1引脚和Pin3引脚处于LD芯片2的两侧，Pin2引脚处于LD芯片2的正前方，且各引脚的上端突出于TO管座的上表面设置，本实用新型创新的在其中一个引脚，优选的为连接于PD芯片且处于PD芯片正前方的一个引脚Pin2上设置有支撑座11，所述支撑座11设置于引脚Pin2的突出于TO管座上表面的部位，如附图2-4所示，所述支撑座11的大小比较灵活，只要能够对PD芯片3提供足够强度的支撑且大小在安放于TO管座内时又不会和TO管座其他部位接触即可，优选的所述支撑座整体具有长方体结构，整体宽度在0.4mm到0.9mm，整体长度在1.0mm-1.6mm，厚度为0.2mm-0.6mm。优选的所述支撑座11一体形成于Pin2引脚的上端部。所述的支撑座与Pin2引脚处于同一电位，由引脚Pin2在顶端一体向LD芯片方向延伸形成，如附图3所示。在所述支撑座11上固定有PD芯片3，所述的PD芯片3即为光电二极管芯片，所述PD芯片通过导电银胶固定于支撑座11上，所述支撑座自引脚Pin2顶端处延伸至LD垫块4的下方，以保证所述PD芯片处于LD芯片的正下方，如附图3所示的。通过与引脚一体设置所述支撑座，并在支撑座上粘贴PD芯片，从而替代了原有封装结构中的PD垫块，同时支撑座与引脚Pin2的管脚是一体的，属于引脚Pin2的一部份，采用金属材料制作且在外表面镀有一层薄金加强导电，因为引脚与管座以及其他部件电隔离，因此所述支撑座在未进行金丝键合前，也与TO管座以及其他部件相对电隔离，而当PD芯片粘贴于支撑座上时，所述PD芯片的一个电极通过支撑座与一个引脚实现了电连接，这样PD芯片仅需通过一根键合金丝与另外一个引脚连接即可，相对于传统封装方案，不但省去了PD芯片垫块，而且省去了一根键合金丝，在降低成本的同时，保证了PD芯片的安装稳定性。在PD芯片3安装完成后，在TO管座上固定连接TO管帽8，从而将附图2所示TO管座上表面的各部件罩设于TO管帽内，同时在TO管帽上安装有透镜光学系统9，得到TO-CAN封装半导体激光器，在通电时，LD芯片在电流驱动下发射激光，其波长可以是1310nm,1550nm以及其它，所述LD芯片优选的为双向出光的LD芯片，LD芯片的正向出光通过透镜光学系统9向外发射，PD芯片（PD芯片）设置于LD芯片的背向，其作用是监测LD芯片发光功率的大小，并把其检测结果实时传回外部控制电路，从而提供控制反馈，自动调节LD芯片的发光强弱，使LD芯片持续稳定工作且在光纤通信和传感中不引入误码。

本实用新型所述无PD垫块的TO-CAN封装半导体激光器的外部结构尺寸和接口与与传统封装的一致，能够便于客户使用且不需要对电路和外部尺寸进行改进，对客户不造成额外负担，尤其对于广泛应用的TO56封装激光器，无PD垫块但含有PD，外部尺寸可以不变，这种引入支撑座代替PD垫块亦可用于其它类似的TO封装。本实用新型所提供的上述方案是一种无背光芯片垫块的TO-CAN封装半导体激光器的全新改进方案，通过省去背光垫块节约了物料成本，同时减少了一次垫块粘接工艺和金丝键合工艺，对金丝应用的减少可以大大降低产品成本，除此之外，光器件在工程应用中对可靠性有严格要求，传统封装中PD垫块与TO管座的固定使用银胶，具有一定脱落的风险性，而本实用新型使用的PD芯片支撑座与引脚是一个完整整体，不会产生垫块脱落的风险，从而提高了器件的稳定性，属于下一代TO封装半导体激光器的发展方向，可大规模应用于光纤通信和光纤传感之中。

以上仅是对本实用新型的优选实施方式进行了描述，并不将本实用新型的技术方案限制于此，本领域技术人员在本实用新型的主要技术构思的基础上所作的任何公知变形都属于本实用新型所要保护的技术范畴，本实用新型具体的保护范围以权利要求书的记载为准。

Claims (10)

1.一种无PD垫块的TO-CAN封装半导体激光器，其特征在于，包括：TO管座（1）、LD芯片（2）、PD芯片（3）、键合金丝（6）、引脚（7）、热沉块（10）、TO管帽（8）和透镜光学系统（9），所述热沉块（10）设置于所述TO管座（1）的上表面，所述LD芯片（2）固定设置于所述热沉块（10）的表面，所述引脚（7）至少包括有三个，各引脚绝缘固定于所述TO管座（1）内，且各引脚的上端突出于所述TO管座（1）的上表面，在其中一个引脚的突出于TO管座（1）上表面的上部形成有支撑座（11），所述PD芯片（3）设置于所述支撑座（11）上，并处于所述LD芯片（2）的下方，所述PD芯片（3）通过支撑座电性连接于支撑座所在的引脚，所述透镜光学系统（9）安装于所述TO管帽（8）上，所述TO管帽（8）安装于所述TO管座上。

2.根据权利要求1所述的TO-CAN封装半导体激光器，其特征在于，所述支撑座一体形成于处于所述热沉块（10）正前方的引脚的上端部，并自该引脚的上端部一体延伸至所述LD芯片（2）的下方。

3.根据权利要求2所述的TO-CAN封装半导体激光器，其特征在于，所述热沉块（10）一体形成于所述TO管座（1）的上表面，所述热沉块（10）整体具有梯台结构，包括外沿表面、内壁表面和连接外沿表面与内壁表面的侧表面，所述内壁表面垂直于所述TO管座（1）的上表面，所述引脚围绕所述内壁表面设置，所述支撑座一体形成于处于所述内壁表面正前方的引脚的上端部。

4.根据权利要求3所述的TO-CAN封装半导体激光器，其特征在于，还包括有LD垫块（4），所述LD垫块（4）固定设置于所述热沉块（10）的内壁表面上，所述LD芯片（2）固定设置于所述LD垫块（4）的表面上。

5.根据权利要求3所述的TO-CAN封装半导体激光器，其特征在于，所述外沿表面为圆柱面，所述内壁表面和侧表面均为平面，所述热沉块的高度在1.3mm-1.5mm之间。

6.根据权利要求4所述的TO-CAN封装半导体激光器，其特征在于，所述TO管座（1）具有圆形结构，所述LD芯片（2）处于TO管座（1）的圆心轴线上，所述PD芯片（3）处于所述LD芯片（2）的正下方。

7.根据权利要求1所述的TO-CAN封装半导体激光器，其特征在于，所述LD芯片双向出光且工作波长在1310nm或1550nm，所述PD芯片作为LD芯片的背光探测器芯片。

8.根据权利要求1所述的TO-CAN封装半导体激光器，其特征在于，所述TO管座（1）上设置有圆形通孔，所述引脚穿过所述圆形通孔后通过玻璃固定层绝缘固定于所述圆形通孔内。

9.根据权利要求1-8任一项所述的TO-CAN封装半导体激光器，其特征在于，所述TO管帽（8）在TO管座的上表面边缘处与TO管座融接在一起，并将LD芯片（2）、PD芯片（3）、键合金丝（6）、引脚（7）、支撑座（11）以及热沉块（10）罩设其内。

10.根据权利要求1-8任一项所述的TO-CAN封装半导体激光器，其特征在于，所述支撑座（11）具有长方体结构，宽度在0.4mm到0.9mm，长度在1.0mm-1.6mm，厚度在0.2mm-0.6mm。