CN204793612U - 用于激光二极管的封装结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于激光二极管的封装机构，包括：一绝缘导热基板，其上具有一电子回路；一激光二极管芯片，安装于该绝缘导热基板的电子回路上，具有一正极及一负极，经由该电子回路分别连接一外接焊点，以供外部电连接；以及一导热基座，安装于该绝缘导热基板的一表面，用以将该激光二极管芯片产生的热量经由该绝缘导热基板传导至该导热基座而予以散逸，其中，该激光二极管芯片为自该绝缘导热基板的侧面发光，且其中该绝缘导热基板与该导热基座的一接合面的面积依据该激光二极管的一功率的需要予以调整，其接合面的面积为6～5,000mm²。

Description

用于激光二极管的封装结构

技术领域

本实用新型涉及一种用于一激光二极管的封装结构，尤其涉及一种使安装激光二极管芯片的支架与导热基座的接合面有更大的导热面积的导热构件的封装结构，以利于将激光二极管芯片产生的热予以快速而有效地传导散逸。

背景技术

如图1所示，一已知激光二极管的封装结构10，包含：一激光二极管芯片110，可发射一角锥形的激光束100的光束中心的一光轴101；一支架120；及一导热基座130，其中该支架120和该导热基座130皆是以铜合金制成，该激光芯片110则是半导体芯片，两者之间常用粘结剂118接合，该支架120承载安装该激光二极管芯片110、并将热传导到该导热基座130，其中导热基座本身并不大，与空气的接触面积不够大，所以本身无法将热逸散至空气，只能藉由一主要导热基座面192接触更大的一外部散热机构191(例如铝制的机构外壳或专用的散热鳍片)。为求良好散热效果，该主要导热基座面192要力求平整及大面积，因此常见该主要导热基座面192与聚光镜105镜面呈平行(即两者皆与光轴垂直)，方便安装该主要导热基座面192与该聚光镜105的机构，以利该主要导热基座面192与该外部散热机构有较大的接触面积，有较好的导热效果，上述机构常见于中低功率的激光二极管封装。而上述的封装结构难以实施于高功率的激光二极管封装结构中，因为对高功率的激光二极管而言会产生极大的热量，其支架旁边还有两支或三支接脚柱，用金线以引线结合的方式(wire-bonding)连接激光芯片，必须很靠近芯片，故支架无空间可以扩大，因而形成整个热传导路径上其导热面积最狭窄的瓶颈，即图1中所示支架120与导热基座130的一接合面(截面A-A)190过于小且导热面积无法扩大。图2，包含图2A及图2B，图标尺寸单位为mm，显示激光二极管的封装结构20。如图2A所示，一常规具TO-5的激光二极管的封装结构20，包含：一激光二极管芯片210，可发射具一光轴201的激光束200；一支架220；一导热基座230；及接脚柱227，其中，其支架220与导热基座230的接合面(截面A-A)290最大为1.3mm×3.3mm＝4.29mm²，不超过6mm²，因支架与导热基座之间的接合面(A-A)290面积太小成为导热瓶颈，难将热自激光二极管芯片210传导至散热体，即经由导热基座130，透过一主要导热基座面292而传导至一外部散热机构。

又如图2B所示，激光二极管芯片的另一常规C-Mount封装结构20’，大致具有与图2A所示的主要构成组件(然而图号由1xx改成2xx)，其导热的接合面(截面A-A)290为1.8mm×2.0mm＝3.6mm²，不超过6mm²。

根据物理学，本领域普通技术人员应知，热传导速度正比于其导热面积，由于已知激光二极管的封装其支架导热面积(即如上所述的接合面的面积)过小，不能将激光二极管芯片所产生的高热量经由支架传导至该封装的导热基座予以散逸导出；此外，因该支架导热面积在有限空间内设置者，无法视需要加大，提升导热效果，此为目前激光二极管封装导热的最大瓶颈-支架导热面积太小。

进而言之，如图1、2所示，已知激光二极管均采圆柱体状的单颗封装，其内部除如上所述无法扩大支架外，亦完全没有空间容纳另一个以上的激光二极管芯片及/或其他电子零件，故其封装显然无法适用于一使用激光二极管的设备中需使用一个以上的激光二极管以及无空间备置提高性能的其它电子零件。

又如图1、2所示，现有的激光二极管芯片封装结构10、20，其激光束100、200，其一光轴101、201，与主要导热基座面192、292成垂直射出，而非平行射出。此外，由于现有激光二极管的封装方式，无法在现有封装结构中提供可提升激光二极管性能的额外空间，如额外配置一检测激光二极管发光功率的感光二极管及提供一静电保护二极管及/或逆向偏压保护二极管的构件。另外，本领域普通技术人员亦了解到LED二极管芯片为正面发光，故LED二极管容易采平板状式的封装方式以利大功率的散热，但激光二极管芯片绝大多数为侧面发光，其在发光方式与LED正面发光是不同的，不容易采平板状式的封装。故现有侧面发光的激光二极管芯片封装并未采平板式的封装，致无法提供大的导热构件。

因此，亟待开发一种可解决上述常规激光二极管封装结构，尤其是对中高功率侧面发光的激光二极管芯片所产生高热的导热问题的封装结构。

实用新型内容

于本实用新型中，具有一绝缘导热基板，其在封装上此构件近似于一常规激光二极管封装的支架(submount，用以固定安装激光二极管芯片的构件)，然而其在配置方式、形状及面积大小上均迥异于支架。

本实用新型的一目的在提供一种用于激光二极管芯片的封装结构，尤其是使用于中高功率激光二极管，具有一较大的绝缘导热基板与导热基座的接合面，且该接合面的面积大小可视激光二极管芯片的功率大小任意调整，而其等的形状可为长方形、正方形或不规则形，可有效而迅速地将激光二极管芯片产生的热量予以导出散逸，以提升激光二极管的使用寿命，又因散热改善，在同等的驱动电流可增加该激光二极管的光输出功率。

本实用新型的另一目的为提供一种用于激光二极管的封装结构，其激光二极管芯片发光的光轴大致平行于绝缘导热基板的表面，其组装更简单，且可降低封装成本。

本实用新型的又一目的为提供一种用于激光二极管的封装结构，可在其封装架构中具有空间来额外配置一检测激光二极管发光功率的感光二极管、一逆向偏压保护二极管，及/或一静电保护的二极管等组件，以提升激光二极管的性能及寿命。

本实用新型的再一目的为提供一种用于激光二极管的封装结构，其绝缘导热基板与散热基座可重叠而为一单独的绝缘导热构件，可迅速有效地传导散热和降低封装成本。

依据本实用新型的一种用于一激光二极管的封装结构，包含：一绝缘导热基板，其上具有一电子回路；一激光二极管芯片，安装于该绝缘导热基板的电子回路上，具有一正极及一负极，经由该电子回路分别连接一外接焊点，以供外部电连接；以及一导热基座，安装于该绝缘导热基板的一表面，用以将该激光二极管芯片产生的热量经由该绝缘导热基板传导至该导热基座而予以散逸，其中，该激光二极管芯片为自该绝缘导热基板的侧面发光，且其中该绝缘导热基板与该导热基座的一接合面的面积较佳为6～5,000mm²，但仍可依据该激光二极管的一功率的需要予以重设大小。

本实用新型亦涉及一种用于一激光二极管的封装结构，包含：一绝缘导热基板，其上具有一电子回路；一激光二极管芯片，安装于该电子回路上，具有一正极及一负极，经由该电子回路分别连接一外接焊点，以供外部电连接；以及一导热基座，安装于平行该绝缘导热基板的一表面，一用以将该激光二极管芯片产生的热量经由该绝缘导热板传导至该导热基座而予以散逸，其中，该激光二极管芯片为自该绝缘导热基板的侧面发光，且其中该激光二极管芯片的一光轴大致平行于该绝缘导热基板的表面。

附图说明

图1为常规激光二极管封装结构10的整体结构示意图。

图2A、2B分别为常规激光二极管的TO-5封装结构20及C-Mount封装结构20’的整体结构示意图。

图3A为依据本实用新型激光二极管的封装结构的一实施例的整体结构示意图。

图3B为依据本实用新型激光二极管的封装结构的另一实施例的示意图。

图4A为图3A所示激光二极管的封装结构的实体结构图。

图4B为图4A所示激光二极管的封装结构的一实施态样的结构图。

图4C为依据图4A所示激光二极管的封装结构的另一实施态样的结构图。

具体实施方式

本实用新型可能以不同的形式来实施，并不仅限于下列文所提及的实例。下列实施例仅作为本实用新型不同样态及特点中的代表。所述实施例不限制在申请权利范围中所描述的本实用新型的范围。

为改善常见工艺的导热瓶颈，即支架与导热基座的接合面的面积过小，不能视激光二极管功率大小而予以重设大小，本实用新型采用如图3A所示的封装结构30，具有：一绝缘导热基板320，其上具有一电子回路321；一激光二极管芯片310，安装于该绝缘导热基板320的电子回路321上，具有一正极及一负极的焊接点411、412(详示于图4A)，经由该电子回路321分别连接一外接焊点313、314，以供外部电连接；以及一导热基座330，安装于平行该绝缘导热基板320的一表面322，用以将该激光二极管芯片310产生的热量经由该绝缘导热板320传导至该导热基座330而予以传递，其中，该激光二极管芯片310为自该绝缘导热基板320的侧面发光，且其中该激光二极管芯片310所射出一激光束300为一角锥形，其光束中心为一光轴301大致平行于该绝缘导热基板320的表面322及/或大致平行于一主要导热基座面392，其中该绝缘导热基板330在封装上近似于常规激光二极管封装结构的支架，但实际结构不同，该绝缘导热基板大小可视功率大小作大幅延伸，例如可任意延伸其长乘宽为2.4mm×2.4mm，使其导热面积为5.76mm²；或延伸长乘宽为2mm×3mm或3mm×2mm，使其导热面积为6mm²；或延伸长乘宽为6mm×6mm，使其导热面积为36mm²；或延伸长乘宽为70mm×70mm，使其导热面积5,000mm²(即后述的接合面，截面A’-A’)，亦即本实用新型的接合面的面积任意调整为6～5,000mm²该绝缘导热基板320与导热基座330之间的一接合面390(截面A’-A’)，因有足够大的导热面积，就不再是导热瓶颈了。又该绝缘导热基板330得以用电路板制作技术制作一电子回路321及焊点311、312，用以连接激光二极管芯片正极、负极到该电子回路，该绝缘导热基板330就不会受到接脚柱所限，而能任意延伸。例如，就单个1W激光二极管而言，绝缘导热基板的长宽在较佳实施例可各为10mm已足够，主要导热基座面392面积在100mm²已足够。又，本实用新型的绝缘导热基板320能大幅延伸，除了大幅提高导热能力的外，还有下列优点：1.以本实用新型的结构，绝缘导热基板足够大到可以设多个螺丝孔，即可改用螺丝而非焊接固着在导热基座上，如此大幅扩增机构设计的灵活度，又降低组装成本；甚至，本实用新型不需要常规的导热基座，即可将已封装妥激光二极管芯片的绝缘导热基板直接固着在铝制的外部散热体上。2.由于常规激光二极管的支架可用以安装零件的表面积甚小(例如TO-18封装其表面积已知最大值为1.3mm×1.85mm＝2.4mm²)，只能放得下激光二极管芯片本身，难以置放其他电子组件；依据本实用新型的结构，该绝缘导热基板则可轻易容纳其他组件，例如保护激光芯片不受静电或逆向偏压伤害的保护二极管，监测激光光功率的感光二极管等等，都可以同一次制程一起安装在绝缘导热基板上，即可大幅提升激光寿命、降低成本、缩小体积。

图3B为依据本实用新型图3A所示激光二极管的封装结构的另一实施例的示意图，在该另一实施例的激光二极管封装结构30’中，其构成组件与图3A所示者均同，然而该绝缘导热基板320与一主要导热基座面392可以不一定要如图3A所示的平行，该导热基座330可以视光轴301应用上的需求而设计与外部散热机构391成一梯形或其它形状，使该绝缘导热基板320与该主要导热基座面392的夹角，即该光轴301与该主要导热基座面392的夹角随之而变，该夹角可在0°～180°，另本实用新型可视该激光二极管芯片功率大小提供足够的导热面积，就可以有良好的导热效果，且光轴可视需要变更调整角度。如前所述，现有的封装结构光轴均大致垂直于主要导热基座面而无法作调整。

实施例：图4A所示为依本实用新型用于一激光二极管的封装结构的一实施例的实体结构图(图3A为其示意图)。如图4A的实施例所示，本实用新型的一种用于一激光二极管的封装结构40，用以发射一具一光轴401的激光束400，包含：一绝缘导热基板420(如前所述，此构件近似于常规激光二极管封装的支架(submount))，其上具有一电子回路421；一激光二极管芯片410，安装于该电子回路421上，具有一正极及一负极焊接点411，412，经由该电子回路421分别连接一外接焊点413，414，以供外部电连接；以及一导热基座430，安装于该绝缘导热基板420的一表面422，用以将该激光二极管芯片410产生的热量经由该绝缘导热板420传导至该散热基座430而予以散逸，其中，该激光二极管芯片410为自该绝缘导热基板420的侧面发光，且其中该绝缘导热基板420与该导热基座430的接合面490(即截面A’-A’)依据该激光二极管的功率大小的需要可予以调整，其接合面的面积大小可为6～5,000mm²。如上所述，本实用新型激光二极管的该绝缘导热基板420与导热基座430的接合面的面积(截面A’-A’)可远大于常规激光二极管支架120、220与导热基座130、230的接合面的面积(截面A-A)，且其形状、大小均可调整以解决现有封装导热的瓶颈—热传导路径上，其导热面积最狭窄。

于本实用新型中，如图4B的激光二极管的封装结构40所示，该导热基座430与该激光二极管芯片410分别安装于该绝缘导热基板420的不同面；另如图4C的激光二极管的封装结构40'所示，该导热基座430与该激光二极管芯片410亦可分别安装于该绝缘导热基板420的相同面，且其中该导热基座430具有多个空隙480，用以安装该激光二极管芯片410及暴露所述外接焊点，以供外部电连接。

于本实用新型中，该导热基座的面积大小依据该激光二极管的功率大小的需要调整，其导热的接合面的面积(截面A’-A’)为6～5,000mm²，当然，此一最大面积仍可视该激光二极管的功率大小而予以扩充或减小。

另如图3B所示，于本实用新型的激光二极管的封装结构30’中，一绝缘导热基板320与一导热基座330重叠为一体。在一实施态样中，该绝缘导热基板320与该导热基座330的一接合面390与一主要导热基座面392成一角度，该角度为0°～180°，其中该主要导热基座面392为该导热基座330与一外部散热机构391的接合面。

依据本实用新型，该绝缘导热基板320、420与该导热基座330、430可为一长方形、正方形或不规则形。

再如图4A所示，于本实用新型的激光二极管的封装结构40，该激光二极管芯片410可为多个，安装于该电子回路上，各激光二极管芯片的正极、负极，经由该电子回路421连接至外接焊点，以供外部电连接。

除了可安装多个激光二极管芯片外，本实用新型的用于一激光二极管的封装结构40，可进而包含一感光二极管440，该感光二极管440安装于该激光二极管芯片410主要发光方向的后方，用以检测该激光二极管的亮度，并结合一回授电路(未示于图中)而控制该激光二极管的发光功率。并进而包含一与该激光二极管并联且逆向配置的逆向偏压保护二极管450，以于跨越该激光二极管两极间的逆向电压超越一额定值时导通，以保护该激光二极管；以及包含一与该激光二极管并联配置的静电保护二极管460，以于施加于该激光二极管两极间的电压超越一额定值时导通，以保护该激光二极管。其中该感光二极管440具有一正极及一负极，分别连接至另一外接焊点441、442，该二另一外接焊点配置于该电子回路上，以供外部电连接。

此外，于本实用新型的激光二极管的封装结构中，该导热基座430进而包含另外多个空隙480，用以安装额外配置的电子组件，其中该额外配置的电子组件为一感光二极管440，一逆向偏压保护二极管450及/或一静电保护二极管460。

于本实用新型的激光二极管的封装结构，该绝缘导热基板420可为一陶瓷基板、绝缘导热石墨基板或铝电路基板；该导热基座可为一铜合金板、铝合金板、铁合金板或石墨导热基板；且该陶瓷基板为一氮化铝基板或氧化铝基板。

于本实用新型中，图4A、图4B与图4C中具有相同的符号者代表相同的组件。

综合图3A、3B及图4A，本实用新型用于一激光二极管的封装结构30或40，包含：一绝缘导热基板320或420，其上具有一电子回路321或421；一激光二极管芯片310或410，安装于该绝缘导热基板320或420的电子回路321或421上，具有一正极及一负极的焊点411、412，经由该电子回路421分别连接一外接焊点313、314、413或414，以供外部电连接；以及一导热基座330或430，安装于该绝缘导热基板320或420的一表面322或422，用以将该激光二极管芯片310或410产生的热量经由该绝缘导热板320或420传导至该导热基座330或430而予以传递，其中，该激光二极管芯片410为自该绝缘导热基板420的侧面发光，且其中该激光二极管芯片的一光轴301或401大致平行于该绝缘导热基板320或420的表面322或422。

于此激光二极管的封装结构中，如图4A、4B所示，该导热基座430与该激光二极管芯片410分别安装于该绝缘导热基板420的不同面；另如图4C所示，该导热基座430与该激光二极管芯片410亦可分别安装于该绝缘导热基板420的相同面422，且其中该导热基座430具有多个空隙480，用以容纳该激光二极管芯片410及/或其它电子零件及暴露所述外接焊点，以供外部电连接。

另，于此激光二极管的封装结构中，该激光二极管芯片为多个，安装于该电子回路上，各激光二极管芯片的一正极、负极，经由该电子回路连接至外接焊点，以供外部电连接。

又，在此激光二极管的封装结构，可进而包含一感光二极管440，具有接点441、442，该感光二极管440安装于该激光二极管芯片410主要发光方向的后方，用以检测该激光二极管的亮度，并结合一回授电路(未示于图中)而控制该激光二极管的发光功率；或进而包含一与该激光二极管并联且逆向配置的逆向偏压保护二极管450，以于跨越该激光二极管两极间的逆向电压超越一额定值时导通，以保护该激光二极管；亦或可进而包含一与该激光二极管并联配置的静电保护二极管460，以于施加于该激光二极管两极间的电压超越一额定值时导通，以保护该激光二极管。

【符号说明】

10、20、30、40、40’激光二极管的封装结构

100、200、300、400激光束

101、201、301、401光轴

105聚光镜

110、210、310、410激光二极管芯片

118粘结剂

120、220支架

127、227接脚柱

320、420绝缘导热基板

321、421电子回路

322、422绝缘导热基板的表面

130、230、330、430导热基座

440感光二极管

450逆向偏压保护二极管

460静电保护二极管

411、412激光二极管正极、负极焊接点

313、314、413、414激光二极管正极、负极外接焊点

216导线

441、442感光二极管外接焊点

270、470定位孔

480空隙

190、290支架与导热基座的接合面(截面A-A)

390、490绝缘导热基板与导热基座的接合面(截面A’-A’)

191、391外部散热机构

192、292、392、492主要导热基座面(导热基座与外部散热机构的接合面)

Claims (23)

1.一种用于激光二极管的封装结构，包含：

一绝缘导热基板，其上具有一电子回路；

一激光二极管芯片，安装于所述绝缘导热基板的电子回路上，具有一正极及一负极的焊接点，经由所述电子回路分别连接一外接焊点，以供外部电连接；以及

一导热基座，安装于所述绝缘导热基板的一表面，用以将所述激光二极管芯片产生的热量经由所述绝缘导热基板传导至所述导热基座而予以散逸，

其中，所述激光二极管芯片为自所述绝缘导热基板的侧面发光，且其中所述绝缘导热基板与所述导热基座的一接合面的面积依据所述激光二极管的一功率的需要予以调整，其接合面的面积为6～5,000mm²。

2.根据权利要求1所述的用于激光二极管的封装结构，其中所述导热基座与所述激光二极管芯片分别安装于所述绝缘导热基板的不同面。

3.根据权利要求1所述的用于激光二极管的封装结构，其中所述导热基座与所述激光二极管芯片分别安装于所述绝缘导热基板的相同面，且其中所述导热基座具有多个空隙，用以安装所述激光二极管及暴露所述外接焊点，以供外部电连接。

4.根据权利要求1所述的用于激光二极管的封装结构，其中所述绝缘导热基板与所述导热基座重叠为一体。

5.根据权利要求1所述的用于激光二极管的封装结构，其中所述绝缘导热基板与所述导热基座为一长方形、正方形或不规则形。

6.根据权利要求1所述的用于激光二极管的封装结构，其中所述激光二极管芯片为多个，安装于所述绝缘导热基板上，各激光二极管芯片分别具有一正极与一负极，经由所述电子回路连接外接焊点，以供外部电连接。

7.根据权利要求1所述的用于激光二极管的封装结构，进而包含一感光二极管，所述感光二极管安装于所述绝缘导热基板上，配置于所述激光二极管芯片主要发光方向的后方，用以检测所述激光二极管的亮度。

8.根据权利要求1所述的用于激光二极管的封装结构，于所述绝缘导热基板上进而包含一与所述激光二极管并联且逆向配置的逆向偏压保护二极管，以于跨越所述激光二极管两极间的逆向电压超越一额定值时导通，用以保护所述激光二极管。

9.根据权利要求1所述的用于激光二极管的封装结构，于所述绝缘导热基板上进而包含一与所述激光二极管并联配置的静电保护二极管，以于施加于所述激光二极管两极间的电压超越一额定值时导通，用以保护所述激光二极管。

10.根据权利要求7所述的用于激光二极管的封装结构，其中所述感光二极管具有一正极及一负极，分别连接至另一外接焊点，所述另一外接焊点配置于所述电子回路上，以供外部电连接。

11.根据权利要求3所述的用于激光二极管的封装结构，其中所述导热基座进而包含另外多个空隙，用以容纳额外配置于所述绝缘导热基板上的电子组件。

12.根据权利要求11所述的用于激光二极管的封装结构，其中所述额外配置的电子组件为一感光二极管、一逆向偏压保护二极管及/或一静电保护二极管。

13.根据权利要求1所述的用于激光二极管的封装结构，其中所述绝缘导热基板为一陶瓷基板、绝缘导热石墨基板或铝电路基板。

14.根据权利要求1所述的用于激光二极管的封装结构，其中所述导热基座为一铜合金板、铝合金板、铁合金板或石墨导热板。

15.根据权利要求13所述的用于激光二极管的封装结构，其中所述陶瓷基板为一氮化铝基板或氧化铝基板。

16.一种用于激光二极管的封装结构，包含：

一绝缘导热基板，其上具有一电子回路；

一激光二极管芯片，安装于该绝缘导热基板的电子回路上，具有一正极及一负极的焊接点，经由所述电子回路分别连接一外接焊点，以供外部电连接；以及

一导热基座，安装于平行所述绝缘导热基板的一表面，用以将所述激光二极管芯片产生的热量经由所述绝缘导热基板传导至所述导热基座而予以散逸，

其中，所述激光二极管芯片为自所述绝缘导热基板的侧面发光，且其中所述激光二极管芯片的一光轴大致平行于所述绝缘导热基板的表面。

17.根据权利要求16所述的用于激光二极管的封装结构，其中所述导热基座与所述激光二极管芯片分别安装于所述绝缘导热基板的不同面。

18.根据权利要求16所述的用于激光二极管的封装结构，其中所述导热基座与所述激光二极管芯片分别安装于所述绝缘导热基板的相同面，且其中所述导热基座具有多个空隙，用以容纳所述激光二极管芯片及/或其他电子零件，及暴露所述外接焊点，以供外部电连接。

19.根据权利要求16所述的用于激光二极管的封装结构，其中所述激光二极管芯片为多个，安装于所述电子回路上，各激光二极管芯片分别具有一正极与一负极，经由所述电子回路连接外接焊点，以供外部电连接。

20.根据权利要求16所述的用于激光二极管的封装结构，其中所述激光二极管芯片的光轴与主要导热基座面的夹角为0°～180°。

21.根据权利要求16所述的用于激光二极管的封装结构，进而包含一感光二极管，所述感光二极管安装于所述激光二极管芯片主要发光方向的后方，用以检测所述激光二极管的亮度。

22.根据权利要求16所述的用于激光二极管的封装结构，进而包含一与所述激光二极管并联且逆向配置的逆向偏压保护二极管，以于跨越所述激光二极管两极间的逆向电压超越一额定值时导通，以保护所述激光二极管。

23.根据权利要求16所述的用于激光二极管的封装结构，进而包含一与所述激光二极管并联配置的静电保护二极管，以于施加于所述激光二极管两极间的电压超越一额定值时导通，以保护所述激光二极管。