CN210957268U - 一种带有光学透镜的vcsel激光器件 - Google Patents

Abstract

一种带有光学透镜的VCSEL激光器件，包括绑定有至少一颗VCSEL芯片和半导体元器件的基板，还包括通过UV胶粘接于所述基板上的光学透镜模组，所述光学透镜模组包括承接架以及固定在承接架内腔的双自由曲面透镜。本实用新型由于将光学透镜直接镶嵌于承接架里组成光学透镜模组再将其固定到基板上，替代现有VCSEL器件所采用的扩束器结构，结构更牢固，通过双自由曲面透镜的光学设计，可以达到预设发光角度和光斑均匀性效果，同时，光透率高，全反射少，减少了光能的损耗；而且，制备双自由曲面透镜相对比现有的扩束器结构，加工更简单高效，成本也更低。光学透镜模组直接与基板通过UV胶粘接固定，整个封装更简单可靠。

Description

一种带有光学透镜的VCSEL激光器件

技术领域

本实用新型涉及半导体封装和模组封装技术，具体涉及一种带有光学透镜的VCSEL激光器件及其制备方法。

背景技术

目前，VCSEL(缩写，表示Vertical Cavity Surface Emitting Laser，垂直腔面发射激光器)芯片采用工程扩束器(Diffuser，这里’Diffuser’是专业名词)进行扩束，该工程扩束器3是在平板石英玻璃13的表面粘接一高分子层14，利用微折射技术(包含折射和衍射)进行光线扩散，且该工程扩束器3放置在与基板1相连的支撑台4(Holder)上，如图1所示。平板石英玻璃13全反射较多，再加上高分子层14微结构都会造成极大的光损失；由于工程扩束器3设置于支撑台4上，粘接面小，采用UV胶粘接，极容易掉落。实际测试中，VCSEL芯片2经工程扩束器3扩束后的光学损失较大，所以出光效率比较低。而且高分子层14容易高温熔融及脱落或者胶水浸润及污染物填充导致的失效或者工程扩束器3直接掉落，能量极强的激光光束直接照射出去存在人眼安全隐患。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种带有光学透镜的VCSEL激光器件，可以克服现有技术存在的光损耗较大、出光效率较低以及扩束器掉落的缺陷，具有整个封装系统简单稳定、应用时更安全、整个光学系统光透过率高、光损小的优点。

本实用新型上述技术问题这样解决，构造一种带有光学透镜的VCSEL激光器件，包括绑定有至少一颗VCSEL芯片和半导体元器件的基板，其特征在于，还包括通过UV胶粘接于所述基板上的光学透镜模组，所述光学透镜模组包括承接架以及固定在承接架内腔的双自由曲面透镜。

在本实用新型上述VCSEL激光器件中，所述承接架与所述双自由曲面透镜和VCSEL芯片三者的光轴线相互平行且集中/重合。

在本实用新型上述VCSEL激光器件中，所述承接架内壁与所述双自由曲面透镜卡扣固定，或者所述承接架内壁与所述双自由曲面透镜至少一个卡扣处，由UV胶密封结合。

在本实用新型上述VCSEL激光器件中，所述双自由曲面透镜的顶面低于所述承接架的顶面，所述双自由曲面透镜的底面与所述VCSEL芯片顶面隔开一定距离，所述承接架的底面与承载所述VCSEL芯片的基板通过UV胶密合连结。

在本实用新型上述VCSEL激光器件中，所述双自由曲面透镜包括底部表面的第一光学界面和顶部表面的第二光学界面，其中，第一光学界面将VCSEL芯片发出的光束在至少一个轴向上进行扩束，第二光学界面对扩束后光束进行发光角度和均匀光斑的优化，所述第一光学界面为一个向内凹面，所述第二光学界面在水平和竖直轴向的切面，至少有一个轴向上的切面的中心区域也为向内的凹面。

在本实用新型上述VCSEL激光器件中，所述双自由面透镜材质为硅胶、树脂、模造玻璃的一种，所述承接架材质为塑料或者金属。

在本实用新型上述VCSEL激光器件中，所述基板为采用固焊功能区域有多导通孔的陶瓷或者塑胶支架，亦或者采用热固成型的QFN金属引线支架中的一种，亦可是含有多层线路的PCB基板。

在本实用新型上述VCSEL激光器件中，所述基板上VCSEL芯片产生至少有1个光束，VCSEL片发射光束的波长为600-1500nm。

在本实用新型上述VCSEL激光器件中，所述半导体元器件至少包括：带控制功能的IC元器件、对光敏感的光敏元器件、对温度敏感的热敏电阻。

在本实用新型上述VCSEL激光器件中，还包括将VCSEL芯片和半导体元器件与基板键合连接的纯金线，所述纯金线直径为0.8-1.5mi。

实施本实用新型提供的一种带有光学透镜的VCSEL激光器件，由于将双自由曲面透镜直接镶嵌于承接架(Holder)里面组成光学透镜模组，不同于现有VCSEL器件所采用的扩束器结构，使得结构上更紧凑，由于本实用新型替代工程扩束器为双自由曲面透镜，通过双自由曲面面型设计，可以达到预设的VCSEL激光器件的发光角度和光斑均匀性的效果，同时，由于采用双自由曲面的光学透镜，光透过率高，全反射少，极大减少了光能的浪费。而且，制备双自由曲面的光学透镜相对比现有的Diffuser生产加工更加简单高效，成本也更低。进一步，由于本实用新型中，光学透镜模组直接与基板通过UV胶粘接固定，整个封装工艺更加简单可靠，任何使用场景下都非常安全。

附图说明

图1是现有VCSEL激光器件的封装结构示意图；

图2是按照本实用新型的VCSEL激光器件的第一实施例的结构示意图；

图3是按照本实用新型的VCSEL激光器件的第二实施例的结构示意图；

具体实施方式

本实用新型针对现有VCSEL激光器件的封装壁垒，提出了结构和封装方面的改进，适用于VCSEL半导体封装和模组封装领域，提高了VCSEL激光器件的光学性能，简化了生产工艺，降低了制造成本，延长了产品寿命。具体就是将双自由曲面折射式透镜与承接架(Holder)组成一个光学透镜模组，然后采用模组封装工艺将光学透镜模组通过UV胶直接与基板粘接，固定于基板上。整个封装系统简单稳定，且应用时更加安全，整个光学系统光透过率高，光损小。其中，以整体粘接到基板上的光学透镜模组替代了现有技术的工程扩束器和支架。

在图2示出的本实用新型实施例中，提供了一种VCSEL激光器件，采用至少一颗VCSEL芯片2(图中示出一颗)和半导体元器件8邦定(Bonding)于基板1上，通过金线9将VCSEL芯片2和半导体元器件8与基板1实现电连接导通，更重要的是，此处采用了带有承接架10(Holder)的光学透镜模组15。如图2示，该光学透镜模组15包括一个折射式的双自由曲面透镜5和承接架10，双自由曲面透镜5固定于承接架10里面，这里双自由曲面透镜包含有底部的第一光学界面7和透镜表面的第二光学界面6，第一光学界面7将VCSEL芯片发出去光束在至少一个轴向上进行扩束，光束经过第二个光学界面6进行发光角度和均匀光斑的优化；如图2可见，承接架10与双自由曲面透镜和VCSEL芯片三者光轴10相互重合，至少彼此平行并集中。为包裹及保护双自由曲面透镜5，承接架10不仅横向包围双自由曲面透镜5的四周，纵向方面承接架5外围高度还高于其内的双自由曲面透镜5。承接架10内壁与双自由曲面透镜5密合连接实现一体化为光学透镜模组15。换言之，双自由曲面透镜5的顶面低于承接架10的顶面，双自由曲面透镜5的底面与VCSEL芯片2的表面距离一定距离，承接架10的底面与承载所述VCSEL芯片2的基板1通过UV胶11密合连结。在实施中，光学透镜模组15与基板1粘接处设置有UV胶11，通过UV胶11将光学透镜模组15粘接于基板1上，这里，整个VCSEL激光器件可以达到预设的发光角度和均匀光斑效果，本实用新型的VCSEL激光器件采用半导体封装和模组封装相结合的工艺生产制作，该生产工艺成熟稳定，产品结构稳定，一致性较好。

在本实用新型另一实施例中，光学透镜模组中的双自由曲面透镜由上下两个光学界面组成，透镜底部的第一光学界面为一个向内凹面，该将VCSEL芯片发出去光束在至少一个轴向上进行扩束，光束经过第二个光学界面进行发光角度和均匀光斑的优化，这里第二光学界面在水平和竖直轴向的切面，至少有一个轴向上的切面的中心区域也为向内的凹面。

在本实用新型另一实施例中，承载VCSEL芯片2和光学透镜模组15的基板1为采用固焊功能区域有多导通孔的陶瓷或者塑胶支架，亦或者采用热固成型的QFN金属引线支架中的一种，亦可是含有多层线路的PCB基板。

在本实用新型另一实施例中，VCSEL芯片8和半导体元器件8设置于基板1上，通过金线9将基板1与VCSEL芯片2和半导体元器件8连接导通，将自由曲面的光学透镜加工成包含有承接架10的光学透镜模组15，光学透镜模组15与基板1粘接处设置有UV胶11，通过UV胶将光学透镜模组15粘接于基板1上。

在本实用新型另一实施例中，采用至少一颗VCSEL芯片2和半导体元器件8邦定于基板1上，通过金线9将VCSEL芯片2和半导体元器件8与基板1连接导通，以及设置于承接架10里面固定的光学透镜模组，承接架底部对应的基板上设置有粘接胶，将整个光学透镜模组15固定于基板1上。

在本实用新型另一实施例中，光学透镜模组15由至少一个双自由曲面透镜和用以固定该透镜的承接架10组成，双自由曲面透镜固定在承接架10里面，且光学透镜光轴与承接架10的光轴重合，这里的双自由曲面光学透镜5的材质为硅胶、树脂、模造玻璃的一种，承接架10所采用的材质为塑料或者金属。

在本实用新型另一实施例中，该器件件采用的VCSEL芯片2为至少有1个光束的芯片，其光束的排布为阵列矩形，芯片发射波长为600-1500nm。

在本实用新型另一实施例中，基板2上的半导体元器件8可以是带控制功能的IC元器件件，也可是对光敏感的光敏元器件件，亦或是对温度敏感的热敏电阻中的一种或多种；其中，集成IC元器件件的作用分述如下：器件件直接集成IC，可直接控制VCSEL芯片2的工作情况，因距离较近，提升了控制的响应速度和可靠性，减小了整个封装的体积；集成光敏元器件件的作用：提供安全保护，VCSEL光源发出去的光，经过透镜底部光学界面7，大部分光线折射出去，另一部分光线发生反射，这时光敏元器件件接收到光信号，VCSEL电路持续通电，当光学透镜掉落，没有光反射到光敏元器件，控制VCSEL电路断开，提供安全保护；热敏电阻作用：根据基板上的热量上升，热敏电阻的阻值会增加，此时分在热敏电阻两端的电压会升高，这样可有效控制VCSEL芯片两端电路的电压，降低VCSEL芯片过热损坏的风险。

在本实用新型另一实施例中，VCSEL芯片和半导体元器件邦定(Bonding)于基板上，所使用的邦定可以是银胶、锡膏、助焊剂、热压共晶焊料中的一种或多种。

在本实用新型另一实施例中，VCSEL芯片与与基板键合，至少使用一跟金线键合，所使用的键合线为纯金线，金线直径为0.8-1.5mil。此处，采用多键线的好处在于可降低键合线的整体电阻值，进而可减少整个VCSEL电路的压降。

在图3所示实施例中，VCSEL激光器件出光角度范围是15-110度。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种带有光学透镜的VCSEL激光器件，包括绑定有至少一颗VCSEL芯片和半导体元器件的基板，其特征在于，还包括通过UV胶粘接于所述基板上的光学透镜模组，所述光学透镜模组包括承接架以及固定在承接架内腔的双自由曲面透镜。

2.根据权利要求1所述VCSEL激光器件，其特征在于，所述承接架与所述双自由曲面透镜和VCSEL芯片三者的中心光轴线相互平行且集中。

3.根据权利要求1所述VCSEL激光器件，其特征在于，所述承接架内壁与所述双自由曲面透镜卡扣固定，或者所述承接架内壁与所述双自由曲面透镜至少一个卡扣处，由UV胶密封结合。

4.根据权利要求1所述VCSEL激光器件，其特征在于，所述双自由曲面透镜的顶面低于所述承接架的顶面，所述双自由曲面透镜的底面与所述VCSEL芯片顶面隔开一定距离，所述承接架的底面与承载所述VCSEL芯片的基板通过UV胶密合连结。

5.根据权利要求1所述VCSEL激光器件，其特征在于，所述双自由曲面透镜包括底部表面的第一光学界面和顶部表面的第二光学界面，其中，第一光学界面将VCSEL芯片发出的光束在至少一个轴向上进行扩束，第二光学界面对扩束后光束进行发光角度和均匀光斑的优化，所述第一光学界面为一个向内凹面，所述第二光学界面在水平和竖直轴向的切面，至少有一个轴向上的切面的中心区域也为向内的凹面。

6.根据权利要求5所述VCSEL激光器件，其特征在于，所述双自由面透镜材质为硅胶、树脂、模造玻璃的一种，所述承接架材质为塑料或者金属。

7.根据权利要求6所述VCSEL激光器件，其特征在于，所述基板为采用固焊功能区域有多导通孔的陶瓷或者塑胶支架，亦或者采用热固成型的QFN金属引线支架中的一种，亦可是含有多层线路的PCB基板。

8.根据权利要求7所述VCSEL激光器件，其特征在于，所述基板上VCSEL芯片产生至少有1个光束，VCSEL片发射光束的波长为600-1500nm。

9.根据权利要求1-8中任何一项所述VCSEL激光器件，其特征在于，所述半导体元器件至少包括：带控制功能的IC元器件、对光敏感的光敏元器件、对温度敏感的热敏电阻。

10.根据权利要求1-8中任何一项所述VCSEL激光器件，其特征在于，还包括将VCSEL芯片和半导体元器件与基板键合连接的纯金线，所述纯金线直径为0.8-1.5mi。

Images