CN204793610U - 一种改进背光监测性能的to封装半导体激光器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出一种改进背光监测性能的TO封装半导体激光器，包括：TO管座、半导体激光器芯片、背光探测器芯片、引脚和热沉块，热沉块设置于TO管座的上表面，引脚绝缘固定于TO管座上，引脚的上端突出于TO管座的上表面，半导体激光器芯片固定于热沉块表面，在一个引脚的突出于TO管座上表面的上部连接有支撑台，且支撑台相对TO管座的上表面倾斜设置，背光探测器芯片设置于支撑台上，并处于半导体激光器芯片下方。本实用新型通过与引脚一体设置背光探测器芯片的支撑台，省去了垫块粘接和一次金丝键合工艺，节约了成本，减少了垫块脱落风险，将支撑台倾斜设置减少了背光反射影响，从封装工艺、材料成本、产品稳定和出光性能等方面优化了背光监测性能。

Description

一种改进背光监测性能的TO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，更具体的涉及一种改进背光监测性能的TO封装半导体激光器。

背景技术

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。当前典型的TO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、半导体激光器芯片2、激光芯片垫块4、键合金丝6、引脚7和热沉块8，实际使用中为了对半导体激光器芯片2的出光进行反馈控制，需要设置背光探测器芯片3和探测芯片垫块5，通过背光探测器芯片3实时监测半导体激光器芯片2的背向出光并提供至外部控制电路，通过外部控制电路反馈控制半导体激光器芯片2，来稳定半导体激光器芯片2的出光性能。

在实际生产过程中，首先需要把探测芯片垫块5用银胶贴于TO管座1上，然后把背光探测器芯片3贴于探测芯片垫块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，在此之后把激光芯片垫块4和半导体激光器芯片2共晶于热沉块8的侧面，当半导体激光器芯片2和背光探测器芯片3固定完成后，需要用金丝进行键合，具体的背光探测器芯片3（一般采用光电二极管芯片即PD芯片）的两个电极需要两根键合金丝分别与对应的引脚电性连接，如附图1中的一极与引脚Pin2金丝键合连接，另一极与引脚Pin3金丝键合连接，同时半导体激光器芯片2的电极也通过键合金丝与对应的引脚电性连接，完成激光器的封装。

这种TO半导体激光器的封装方案和过程是当前业内TO封装的主流，也经历了工程应用的考验，具有一定的优势和合理性。但是这种作为行业主流的TO封装半导体激光器在实际使用中暴露出一些问题，尤其是其中的背光监测方面：（1）首先为了便于背光监测需要专门设置对背光探测器芯片进行支撑的探测芯片垫块，这不但增加的垫块物料成本，复杂了封装工艺，而且探测芯片垫块与TO管座的固定使用银胶，具有容易脱落的风险，直接影响了激光器产品的质量稳定性；（2）背光探测器芯片需要采用两次金丝键合实现电性连接，造成了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；（3）因为传统封装中探测芯片垫块表面及其上的背光探测器芯片皆水平平行于TO管座的上表面设置，从而造成了探测芯片垫块及其上背光探测器芯片对半导体激光器芯片的背光反射较为严重，影响了半导体激光器芯片的出光性能。因此现有的TO封装半导体激光器具有一定的使用缺陷，尤其是其中背光监测方面，为实现背光监测需专门设置垫块、采用两次金丝键合提高了成本、具有严重的背向反射问题等等，因此亟需对现有TO封装半导体激光器的背光监测性能进行全方位的改进，本实用新型基于此提出。

实用新型内容

本实用新型基于上述现有技术问题，对传统TO封装半导体激光器的背光监测性能进行了创新改进，通过将背光探测器芯片安装于与引脚一体设计连接的支撑台上，不但省去了独立探测芯片垫块的设置，节约了垫块物料成本，而且通过背光探测器芯片与支撑台的电性直接连接实现了芯片与引脚的电性直接连接，省去了背光探测器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，有效节约了键合金丝成本，且与引脚一体设计的支撑台避免了发生脱落的风险，提高了激光器产品的使用稳定性，同时通过创新调整支撑台的台面角度最小化了背光探测器芯片反射对激光器整体性能的影响，大大提高了TO-CAN封装半导体激光器的市场竞争力。

本实用新型解决上述技术问题所采取的技术方案如下：

一种改进背光监测性能的TO封装半导体激光器，包括：TO管座1、半导体激光器芯片2、背光探测器芯片3、热沉块8和若干引脚7，所述热沉块8设置于所述TO管座1的上表面，所述半导体激光器芯片2固定设置于所述热沉块8的表面，所述引脚7绝缘固定于所述TO管座1上，且引脚的上端突出于所述TO管座1的上表面设置，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台9，且所述支撑台相对于TO管座1的上表面倾斜设置，所述背光探测器芯片3设置于所述支撑台上，并处于所述半导体激光器芯片2的下方。

进一步的根据本实用新型所述的TO封装半导体激光器，其中在与背光探测器芯片的电极电性连接且靠近背光探测器芯片垂向投影位置的一个引脚上形成有所述支撑台9，且所述支撑台9自所述引脚的突出于TO管座1上表面的上部一体延伸至半导体激光器芯片2的下方。

进一步的根据本实用新型所述的TO封装半导体激光器，其中所述支撑台的上表面垂直于所述热沉块10设置半导体激光器芯片2的表面，且所述支撑台的上表面相对于TO管座1上表面的倾斜角度处于正负25度的范围内。

进一步的根据本实用新型所述的TO封装半导体激光器，其中所述热沉块8一体形成于所述TO管座1的上表面，所述热沉块8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。

进一步的根据本实用新型所述的TO封装半导体激光器，其中所述支撑台的上表面垂直于所述热沉块10的内壁表面，且所述支撑台的上表面相对于TO管座1上表面的倾斜角度处于正负12度的范围内。

进一步的根据本实用新型所述的TO封装半导体激光器，其中还包括有激光芯片垫块4，所述激光芯片垫块4固定设置于所述热沉块8的内壁表面上，所述半导体激光器芯片2固定设置于所述激光芯片垫块4的表面上，所述支撑台的上表面垂直于所述激光芯片垫块4的表面，且所述支撑台的上表面相对于TO管座1上表面的倾斜角度处于正负12度的范围内。

进一步的根据本实用新型所述的TO封装半导体激光器，其中所述半导体激光器芯片2为LD芯片，所述背光探测器芯片3为PD芯片，所述LD芯片共晶焊接于所述激光芯片垫块4的表面上，所述PD芯片通过导电银胶固定于所述支撑台9上，所述LD芯片的两个电极通过键合金丝6电性连接于其中两个引脚上，所述PD芯片的一个电极通过支撑台9电性连接于一个引脚，所述PD芯片的另一个电极通过键合金丝6电性连接于另一个引脚上。

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

进一步的根据本实用新型所述的TO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10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封装半导体激光器，其中所述支撑台9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封装半导体激光器中背光探测器芯片的设置结构进行了创新改进，创新的在背光探测器芯片的其中一个连接引脚上设置了背光探测器芯片的安装支撑台，省去了独立背光探测芯片垫块的物料成本，完全避免了传统探测芯片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背光探测器芯片安装于与引脚一体设计连接的支撑台上，并通过背光探测器芯片与支撑台的电性直接连接实现了背光探测器芯片与对应引脚的电性直接连接，省去了背光探测器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）、本实用新型通过创新调整背光探测器芯片的支撑台的台面角度来最小化背光探测器芯片的光反射，最大程度的降低了背光探测器芯片对激光器出光性能的影响，提高了TO-CAN封装半导体激光器的出光质量；

4）、本实用新型改进了传统TO封装半导体激光器的背光监测性能，属于对当前TO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从封装工艺、材料成本、产品稳定和出光性能等方面优化了背光监测性能，代表了TO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为本实用新型所述改进背光监测性能的TO封装半导体激光器的立体结构示意图。

附图3为附图2的俯视结构示意图。

附图4为附图2的正视结构示意图。

附图5为本实用新型所述TO封装半导体激光器中支撑台倾斜设置的结构示意图。

图中各附图标记的含义如下：

1-TO管座，2-半导体激光器芯片，3-背光探测器芯片，4-激光芯片垫块，5-探测芯片垫块，6-键合金丝，7-引脚，8-热沉块，9-支撑台，10-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，提出一种全新结构的TO封装半导体激光器，大大改善了TO封装半导体激光器的背光监测性能，如附图2所示，本实用新型所述TO封装半导体激光器包括TO管座1、半导体激光器芯片2、背光探测器芯片3、激光芯片垫块4、键合金丝6、引脚7、热沉块8和支撑台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8，所述热沉块8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，优选的亦可与TO管座1形成为一体结构。在所述热沉块8的内壁表面固定设置激光芯片垫块4，所述激光芯片垫块4焊接、粘接或一体形成于热沉块8的内壁表面上。在所述激光芯片垫块4的表面上固定有半导体激光器芯片2，所述的半导体激光器芯片2优选的为激光二极管芯片即LD芯片，所述LD芯片优选的共晶焊接于激光芯片垫块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激光芯片垫块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TO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上。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3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，包括半导体激光器芯片2的正、负引脚以及背光探测器芯片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10，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，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，优选的为连接于背光探测器芯片且靠近背光探测器芯片的其中一个引脚Pin3上设置有支撑台9，所述支撑台9设置于引脚Pin3的突出于TO管座上表面的部位，如附图2-4所示，所述支撑台9的大小比较灵活，只要能够对背光探测器芯片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，优选的所述支撑台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，更优选的所述支撑台的前端部形成为方形结构，后端部形成为圆形结构，支撑面宽度优选为0.5mm、0.6mm、或者0.8mm，圆形后端部上形成有圆形通孔，Pin3引脚固定于所述圆形通孔内，方形左边缘到Pin3引脚圆心的尺寸优选是1.20mm、1.25mm、或者1.30mm，支撑台厚度优选是0.2mm、0.3mm、或者0.4mm。所述的支撑台与引脚电性连接，更优选的所述支撑台一体形成于引脚的上部，即优选的由与要背光探测器芯片连接且靠近背光探测器芯片的其中一个引脚Pin3在突出TO管座上表面的部分上一体延伸设置形成所述支撑台9。在所述支撑台9上固定有背光探测器芯片3，所述的背光探测器芯片3优选的为光电二极管芯片即PD芯片，所述PD芯片通过导电银胶固定于支撑台9上，所述支撑台自引脚Pin3处延伸至激光芯片垫块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台，并在支撑台上粘贴背光探测器芯片，从而替代了原有封装结构中的探测芯片垫块，同时支撑台与引脚Pin3的管脚是一体的，属于引脚Pin3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，因此所述支撑台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，而当背光探测器芯片粘贴于支撑台上时，背光探测器芯片的一个电极通过支撑台与一个引脚实现了电连接，这样背光探测器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，不但省去了探测芯片垫块，而且省去了一根键合金丝，在降低成本的同时，保证了背光探测器芯片的安装稳定性。所述的支撑台可以设置于与背光探测器芯片3的电极进行连接的任意一个引脚上，如可设置于附图3中的Pin1、Pin2或Pin3上，优选的为靠近背光探测器芯片3电极设置的引脚，附图2中以Pin3为例。

本实用新型创新的考虑了背光探测器芯片（PD芯片）的背向光反射对半导体激光器芯片（LD芯片）的出光影响，因此进一步对上述支撑台的台面设置角度进行了改进，通过若干次创新试验总结出能够最大程度的减小背光反射的支撑台设置方案。如附图4和附图5所示，上述用于支撑背光探测器芯片的支撑台的台面设置成相对与TO管座水平面成预定倾斜夹角，且支撑台台面的这种倾斜方向是在半导体激光器芯片的设置平面内，也就是说支撑台的台面垂直于支撑半导体激光器芯片的激光芯片垫块表面和热沉块内壁表面，同时支撑台的台面与TO管座的水平上表面间的倾斜夹角处于正负25度范围内、优选的处于正负12度范围内，更优选的处于正负8度范围内，如附图4和附图5所示。将一体连接于引脚上部的支撑台以这种方式相对于TO管座的水平上表面间的倾斜设置能够最大限度的减少支撑台以及设置于支撑台上的背光探测器芯片对半导体激光器芯片背向光的反射问题，减少了TO封装半导体激光器的背光监测影响。

本实用新型提供的上述TO封装半导体激光器在通电时，半导体激光器芯片在电流驱动下发射激光，其波长可以是1310nm,1550nm以及其它，所述半导体激光器芯片优选的为双向出光的LD芯片，LD芯片的正向出光向外发射，背光探测器芯片（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，并把其监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。本实用新型为改进半导体激光器的背光监测性能，通过与引脚一体连接设置背光探测器芯片的支撑台，省去了探测芯片垫块的粘接固定工艺和一次金丝键合工艺，节约了物料成本，从封装工艺和材料价格方面优化了背光监测设置；除此之外本实用新型使用的支撑台与引脚是一个完整整体，不会产生垫块脱落的风险，而且创新设置支撑台台面倾斜角度最大程度的减少了背光反射影响，从产品稳定和出光性能方面优化了背光监测性能。因此本实用新型所述TO封装半导体激光器属于下一代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)

1.一种改进背光监测性能的TO封装半导体激光器，其特征在于，包括：TO管座（1）、半导体激光器芯片（2）、背光探测器芯片（3）、热沉块（8）和若干引脚（7），所述热沉块（8）设置于所述TO管座（1）的上表面，所述半导体激光器芯片（2）固定设置于所述热沉块（8）的表面，所述引脚（7）绝缘固定于所述TO管座（1）上，且引脚的上端突出于所述TO管座（1）的上表面设置，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台（9），且所述支撑台相对于TO管座（1）的上表面倾斜设置，所述背光探测器芯片（3）设置于所述支撑台上，并处于所述半导体激光器芯片（2）的下方。

2.根据权利要求1所述的TO封装半导体激光器，其特征在于，在与背光探测器芯片的电极电性连接且靠近背光探测器芯片垂向投影位置的一个引脚上形成有所述支撑台（9），且所述支撑台（9）自所述引脚的突出于TO管座（1）上表面的上部一体延伸至半导体激光器芯片（2）的下方。

3.根据权利要求1所述的TO封装半导体激光器，其特征在于，所述支撑台的上表面垂直于所述热沉块（10）设置半导体激光器芯片（2）的表面，且所述支撑台的上表面相对于TO管座（1）上表面的倾斜角度处于正负25度的范围内。

4.根据权利要求1所述的TO封装半导体激光器，其特征在于，所述热沉块（8）一体形成于所述TO管座（1）的上表面，所述热沉块（8）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。

5.根据权利要求4所述的TO封装半导体激光器，其特征在于，所述支撑台的上表面垂直于所述热沉块（10）的内壁表面，且所述支撑台的上表面相对于TO管座（1）上表面的倾斜角度处于正负12度的范围内。

6.根据权利要求4所述的TO封装半导体激光器，其特征在于，还包括有激光芯片垫块（4），所述激光芯片垫块（4）固定设置于所述热沉块（8）的内壁表面上，所述半导体激光器芯片（2）固定设置于所述激光芯片垫块（4）的表面上，所述支撑台的上表面垂直于所述激光芯片垫块（4）的表面，且所述支撑台的上表面相对于TO管座（1）上表面的倾斜角度处于正负12度的范围内。

7.根据权利要求6所述的TO封装半导体激光器，其特征在于，所述半导体激光器芯片（2）为LD芯片，所述背光探测器芯片（3）为PD芯片，所述LD芯片共晶焊接于所述激光芯片垫块（4）的表面上，所述PD芯片通过导电银胶固定于所述支撑台（9）上，所述LD芯片的两个电极通过键合金丝（6）电性连接于其中两个引脚上，所述PD芯片的一个电极通过支撑台（9）电性连接于一个引脚，所述PD芯片的另一个电极通过键合金丝（6）电性连接于另一个引脚上。

8.根据权利要求1所述的TO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，所述半导体激光器芯片（2）处于TO管座（1）的圆心轴线上，所述背光探测器芯片（3）处于所述半导体激光器芯片（2）的正下方。

9.根据权利要求1所述的TO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（10）绝缘固定于所述圆形通孔内。

10.根据权利要求1-9任一项所述的TO封装半导体激光器，其特征在于，所述支撑台（9）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。