CN211017738U - 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，包括基板以及VCSEL芯片，还包括将VCSEL芯片发出的光向光轴线聚集形成夹角再发散出去的多焦点聚焦透镜，该夹角至少在一个轴向上大于VCSEL芯片的发光角度，所述多焦点聚焦透镜含有一个用于将发出的光向中央聚集的自由曲面，以及一个可将所聚集的光优化整形的自由或非自由曲面，多焦点聚焦透镜装在承接架上，承接架底面通过UV胶粘接到基板上。由于采用多焦点聚焦透镜，光透过率高，全反射少，减少了光能浪费，而且，制备多焦点聚焦透镜相对比现有的工程扩束器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。

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，具体涉及一种带有多焦点聚焦透镜的VCSEL激光器件。

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，还包括将VCSEL芯片发出的光向光轴线聚集形成夹角再发散出去的多焦点聚焦透镜，所述夹角至少在一个轴向上大于VCSEL芯片的发光角度，所述多焦点聚焦透镜含有一个用于将发出的光向中央聚集的自由曲面，以及一个可将所聚集的光优化整形的自由或非自由曲面，所述多焦点聚焦透镜装在承接架上，所述承接架底面通过UV胶粘接到所述基板上。

在本实用新型上述VCSEL激光器件中,所述多焦点聚焦透镜的聚集面和/或优化整形面与VCSEL芯片三者的中心光轴线相互对齐或者平行。

在本实用新型上述VCSEL激光器件中，所述承接架内壁与所述多焦点聚焦透镜卡扣固定，或者所述承接架内壁与所述多焦点聚焦透镜至少一个卡扣处，由UV胶密封结合，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，所述多焦点聚焦透镜自由曲面部分与所述VCSEL芯片顶面隔开一定距离，保证所述VCSEL芯片发出的光照射在所述多焦点聚焦透镜的功能区内。

在本实用新型上述VCSEL激光器件中，所述多焦点聚焦透镜包括底部凸透镜部分和顶部自由或非自由曲面，其中，凸面透镜部分将VCSEL芯片发出的光束向其轴中心线聚集，顶部表面对聚集的光束进行发散和光斑的优化。

在本实用新型上述VCSEL激光器件中所述光学透镜材质为硅胶、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导线，所述导线直径为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，由于将多焦点聚焦透镜直接镶嵌于承接架(Holder)里面，且承接架底面通过UV胶粘接到基板上，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，由于本实用新型以多焦点聚焦透镜替代工程扩束器，将VCSEL芯片发出的光向光轴线聚集形成夹角再发散出去的多焦点聚焦透镜，所述夹角至少在一个轴向上大于VCSEL芯片的发光角度，通过这样的设计，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，由于采用多焦点聚焦透镜，光透过率高，全反射少，极大减少了光能的浪费。而且，制备多焦点聚焦透镜相对比现有的工程扩束器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，装有多焦点聚焦透镜的承接架直接与基板通过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；

图4是按照本实用新型的VCSEL激光器件的第三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。具体就是将多焦点聚焦透镜装在承接架(Holder)上，然后采用模组封装工艺将装有多焦点聚焦透镜的承接架，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带有多焦点聚焦透镜的承接架分别替代了现有技术的工程扩束器和支架。

在图2示出的本实用新型第一实施例中，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，通过导线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，此处采用了带有多焦点聚焦透镜的承接架10(Holder)。多焦点聚焦透镜用于将VCSEL芯片发出的光向光轴线聚集形成夹角再发散出去，所述夹角至少在一个轴向上大于VCSEL芯片的发光角度，如图2所示，这个多焦点聚焦透镜含有一个用于将发出的光向中央聚集的自由曲面，以及一个可将所聚集的光优化整形的自由或非自由曲面，所述多焦点聚焦透镜装在承接架上，承接架底面通过UV胶粘接到基板上。如图2可见，多焦点聚焦透镜和VCSEL芯片光轴10相互平行。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多焦点聚焦透镜5。承接架10内壁与多焦点聚焦透镜5密合连接成一体化。换言之，多焦点聚焦透镜5的顶面低于承接架10的顶面，多焦点聚焦透镜5的底面离中心越近，则距离VCSEL芯片2的表面距离越近，承接架10的底面与承载VCSEL芯片2的基板1通过UV胶11密合连结。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，光学透镜模组中的多焦点聚焦透镜含有一个用于将发出的光向中央聚集的自由曲面51，以及一个可将所聚集的光优化整形的自由或非自由曲面52，图2中的自由曲面51呈现为凸透镜，用于将VCSEL芯片2发出的光向中央聚集，图2中的自由曲面52呈现为平面，用于将所聚集的光优化整形发散，该将VCSEL芯片发出去光束在至少一个轴向上进行扩束，光束经过自由曲面52进行发光角度和均匀光斑的优化。

在图3示出本实用新型第二实施例中，示出了由于多焦点聚焦透镜5的光学设计，自由曲面51聚集发光的焦点在透镜外部，光线在上下两个光学界面都会先汇聚，光线汇聚的夹角逐渐变大的情形。

在图4示出本实用新型第三实施例中，示出了焦点在透镜上表面附近，光线是先底部汇聚，后经过上透镜表面的光线部分发散，部分汇聚。根据需要，多焦点聚焦透镜5还可以有其他不同的设计。

在本实用新型另一实施例中，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，通过导线9将基板1与VCSEL芯片2和半导体元器件8连接导通，将装有多焦点聚焦透镜5的承接架10与基板1粘接处设置有UV胶11，通过UV胶将其粘接于基板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，通过导线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里面固定的多焦点聚焦透镜5，承接架底部对应的基板上设置有粘接胶，将其固定于基板1上。这里的多焦点聚焦透镜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，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芯片与与基板键合，至少使用一跟导线键合，所使用的键合线为纯导线，导线直径为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。

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，还包括将VCSEL芯片发出的光向光轴线聚集形成夹角再发散出去的多焦点聚焦透镜，所述夹角至少在一个轴向上大于VCSEL芯片的发光角度，所述多焦点聚焦透镜含有一个用于将发出的光向中央聚集的自由曲面，以及一个可将所聚集的光优化整形的自由或非自由曲面，所述多焦点聚焦透镜装在承接架上，所述承接架底面通过UV胶粘接到所述基板上。

2.根据权利要求1所述VCSEL激光器件，其特征在于，所述多焦点聚焦透镜的聚集面和/或优化整形面与VCSEL芯片三者的中心光轴线相互对齐或者平行。

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多焦点聚焦透镜卡扣固定，或者所述承接架内壁与所述多焦点聚焦透镜至少一个卡扣处，由UV胶密封结合，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。

4.根据权利要求1所述VCSEL激光器件，其特征在于，所述多焦点聚焦透镜自由曲面部分与所述VCSEL芯片顶面隔开一定距离，保证所述VCSEL芯片发出的光照射在所述多焦点聚焦透镜的功能区内。

5.根据权利要求1所述VCSEL激光器件，其特征在于，所述多焦点聚焦透镜包括底部凸透镜部分和顶部自由或非自由曲面，其中，凸面透镜部分将VCSEL芯片发出的光束向其轴中心线聚集，顶部表面对聚集的光束进行发散和光斑的优化。

6.根据权利要求5所述VCSEL激光器件，其特征在于，所述光学透镜材质为硅胶、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导线，所述导线直径为0.8-1.5mi。

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