CN211789980U - 一种可制冷高速半导体激光二极管的封装结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种可制冷高速半导体激光二极管的封装结构，由管帽和管座构成，其特征在于：所述管座包括面板金属片、散热基座、制冷器散热支撑板、多层高频陶瓷电路基板和倒U形金属压圈；在所述散热基座上设有供制冷器散热支撑板嵌入的嵌入槽，部分制冷器散热支撑板嵌入在所述嵌入槽内并与多层高频陶瓷电路基板的下表面接触，所述多层高频陶瓷电路基板的下表面同时与散热基座接触；所述制冷器散热支撑板未嵌入所述嵌入槽内的部分向管帽方向延伸形成用于装载制冷器的承载平面，所述承载平面与所述管帽的轴线相平行；所述倒U形金属压圈包覆住多层高频陶瓷电路基板的部分外露面，该多层高频陶瓷电路基板向管帽方向延伸形成前端电信号输出/入口部分，在所述多层高频陶瓷电路基板内部印刷有高频信号电路布线和其他互联的电源和信号的布线；所述管帽通过面板金属片与管座连接。

Description

一种可制冷高速半导体激光二极管的封装结构

技术领域

本实用新型涉及光电子器件与组件封装领域，具体涉及一种可制冷高速半导体激光二极管的封装结构。

背景技术

随着5G时代的到来，光网络、数据中心和光网络终端机对单体光器件和组件工作速率、功耗提出了更高的要求。为了适应业界的需求，尽管在器件方面有些海外厂商已推出了25Gb/s可制冷TO56的封装管座。但其结构的牢固度，稳定性，散热特性和功耗还多有不足之处。此外要使这种TO56封装实现更高的工作速率似乎很难再有突破。另一方面，金属-高温共烧陶瓷的BOX型封装尽管在高工作速率方面有很多潜力，但散热和功耗方面仍有不足，BOX型封装的昂贵成本更是让使用者望而生畏。

实用新型内容

本实用新型目的：为克服现有封装结构在工作速率、散热和功耗方面存在的缺陷，提出了一种新型的可制冷高速半导体激光二极管的封装结构。

技术方案：一种可制冷高速半导体激光二极管的封装结构，由管帽和管座构成，所述管座包括面板金属片、散热基座、制冷器散热支撑板、多层高频陶瓷电路基板和倒U形金属压圈；在所述散热基座上设有供制冷器散热支撑板嵌入的嵌入槽，部分制冷器散热支撑板嵌入在所述嵌入槽内并与多层高频陶瓷电路基板的下表面接触，所述多层高频陶瓷电路基板的下表面同时与散热基座接触；所述制冷器散热支撑板未嵌入所述嵌入槽内的部分向管帽方向延伸形成用于装载制冷器的承载平面，所述承载平面与所述管帽的轴线相平行；

所述倒U形金属压圈包覆住多层高频陶瓷电路基板的部分外露面，该多层高频陶瓷电路基板向管帽方向延伸形成前端电信号输出/入口部分，在所述多层高频陶瓷电路基板内部印刷有高频信号电路布线和其他互联的电源和信号的布线；

所述管帽通过面板金属片与管座连接。

进一步的，所述面板金属片为内部镂空结构，其外边缘与散热基座、倒U形金属压圈连接，该多层高频陶瓷电路基板前端电信号输出/入口部分和制冷器散热支撑板的承载平面穿过面板金属片的内部向管帽方向延伸并置于管帽内。

进一步的，所述多层高频陶瓷电路基板由多层氧化铝高温共烧陶瓷制得。

进一步的，所述多层高频陶瓷电路基板在几何组态上不直接接触面板金属片。

进一步的，所述多层高频陶瓷电路基板中的高频信号电路布线采用微带线、带状线和共面波导线中一种或多种；电源和信号的布线通过金属化过孔分层隔离进行走线。

进一步的，所述多层高频陶瓷电路基板除开前端电信号输出/入口部分外其余部分的底面钎焊在散热基座上。

进一步的，所述多层高频陶瓷电路基板还包括后端尾部电信号输入/出口部分，该后端尾部电信号输入/出口部分的底面钎焊在散热基座上。

进一步的，所述电信号输入/出口包括高频输入/出口、电源输入/出口和热敏电阻信号输入/出口。

进一步的，所述后端尾部电信号输入/出口部分为FeedThru结构。

本实用新型还公开了一种封装半导体激光二极管结构，包括封装结构、半导体激光二极管热沉和制冷器；所述制冷器贴装在封装结构的制冷器散热支撑板上，所述半导体激光二极管芯片载装在热沉上，所述热沉贴装在制冷器上，该热沉上的高频走线和与热沉相邻的多层高频陶瓷电路基板的前端电信号输出/入口上的高频走线处于同一水平面上，所述半导体激光二极管的发光点位于封装结构的中心线上。

有益效果：与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

1、传统的可制冷半导体激光二极管的TO56封装所用的Glass bead构造充其量只能做到18-20G的带宽，而采用本实用新型的封装结构其高频带宽可比传统的25Gb/s可制冷半导体激光二极管的TO56封装提高一倍多；

2、本实用新型的封装结构的前部采用了TO封装结构形式，但管座部分融合了金属高温陶瓷BOX封装的优点，其结构远比金属高温陶瓷BOX封装来得结构简单，并可实现和TO56相匹配的尺寸，所以在使用尺寸上可和TO56互换，该封装结构制造容易，封装方便和成本低廉；

3、相比传统的可制冷半导体激光二极管的TO封装，本实用新型因其无源热负载小，散热好，所以能使得制冷器(TEC)的制冷效率得到大大地提高从而大幅降低功耗；

4、管座部分的信号和电源的互联采用了多层高温陶瓷电路基板和FeedThru的结构，陶瓷电路基板后端尾部的输入/出口部分采用的是类似于“金手指”的leadless(无引线)形式，这使得本实用新型的封装将具有比传统可制冷高速半导体激光二极管的封装有好得多的高频特性。

附图说明

图1为本实用新型的封装结构示意图；

图2为本实用新型的管座结构示意图；

图3为现有传统的可制冷半导体激光二极管的TO管座及其内部组装示意图；

图4为现有传统的可制冷半导体激光二极管的TO管座及其内部组装示意图；

图5为本实用新型的多层高频陶瓷电路基板及其细部示意图；

图6为本实用新型的多层高频陶瓷电路基板及其细部示意图；

图7为制冷器与本实用新型的封装结构的设置位置示意图；

图8为图7中制冷器的结构示意图；

图9为DFB激光二极管热沉结构示意图；

图10为实施例的应用1的结构与配置示意图；

图11为在实施例的基础上焊上柔性电路板的示意图；

图12为EML激光二极管热沉结构示意图；

图13为实施例的应用2结构与配置示意图。

具体实施方式

现结合附图和实施例进一步阐述本实用新型的技术方案。

实施例：

参见图1和图2，本实施例的半导体激光二极管封装结构包括TO管帽1和管座2，本实施例的管座采用方形结构，可根据应用设计成其他形态，如圆型、六角或八角型等。本实施例的管座2由面板金属片21、散热基座22、制冷器散热支撑板23、多层高频陶瓷电路基板24和倒U形金属压圈25以钎焊(银铜焊为主)的方式焊接得到一体结构，具体的，各部件的位置关系为：在散热基座22上设有供制冷器散热支撑板23嵌入的嵌入槽，制冷器散热支撑板23的后部嵌在嵌入槽内并与多层高频陶瓷电路基板24的下表面接触，该多层高频陶瓷电路基板24的下表面同时与散热基座22接触；制冷器散热支撑板23后部嵌入散热基座22的嵌入槽中并夹在多层高频陶瓷电路基板24和散热基座22之间，制冷器散热支撑板23未嵌入槽内的部分向TO管帽1方向延伸形成用于装载制冷器的承载平面231，承载平面231与TO管帽1的轴线相平行；倒U形金属压圈25包覆住多层高频陶瓷电路基板24的部分外露面，具体的，钎焊后，散热基座22和倒U形金属压圈25把多层高频陶瓷电路基板24进行密封包围确保结构气密性，使其露出多层高频陶瓷电路基板24前端和后端尾部的电信号输入/输出口部，其后端尾部的电信号的输入/出口为FeedThru结构，该露出部分的在外形上类似金手指的leadless几何布局便于焊接柔性电路板也有利于多层高频陶瓷电路基板24后端尾部的电信号输入/输出口和柔性电路板的高频互联。面板金属片21为内部镂空结构，其外边缘钎焊在散热基座和倒U形金属压圈25上，通过面板金属片21的整体性和平整性来确保管帽能可靠地封焊在其上面，该多层高频陶瓷电路基板24前端外伸的电信号输出/入口部和制冷器散热支撑板23的承载平面231穿过面板金属片21的内部向管帽方向延伸并置于管帽内，封帽时，TO管帽1用放电方式压焊到面板金属片21上，即封帽时封焊的压力仅加在面板金属片、基座和倒U型金属压圈上，避免了封帽时压碎陶瓷电路基板的可能性，多层高频陶瓷电路基板24在几何组态上不直接接触面板金属片21。需注意，在钎焊前，面板金属片21、散热基座22、制冷器散热支撑板23和倒U形金属压圈25都预镀上镍，多层高频陶瓷电路基板24除了在各层陶瓷上印刷上电路外，在陶瓷叠层热切后在其顶部、底部和侧墙(可参见图5和图6填有斜线的部位)也印刷上金属浆料使其金属化，高温共烧后在其露出的金属化(包括其露出布线和pad及前述的顶部、底部和侧墙)部分预镀上镍，整个管座2结构在钎焊成形后，再对其镀金。

在本实施例中，面板金属片21采用可伐合金制得，面板的厚度为亚毫米，如级0.2mm，为保证良好的散热效果，散热基座22采用铜材料制得，考虑到制冷器散热支撑板需要一定强度，其采用钨铜材料，倒U形金属压圈25采用可伐合金制得，多层高频陶瓷电路基板24采用多层氧化铝高温共烧陶瓷制成，在该多层高频陶瓷电路基板24内部印刷有高频信号电路布线和其他互联的电源和信号的布线，在图5和图6中采用较密的斜线的填充区来表示其露出的布线和pad。

以传统的可制冷半导体激光二极管的TO封装，要使半导体激光二极管发出的光的轴线和管帽的轴线一致的话，半导体激光二极管及其热沉一般无法直接装载在制冷器上，必需在两者之间加入一个转接板3(参见图3)，由于转接板3的使用导入了多余的无源热负载，这样不仅降低了制冷器(TEC)制冷效率而且造成了结构不稳定性，容易使整个转接板连同半导体激光二极管及其热沉一起从制冷器(TEC)上脱落。用传统的可制冷半导体激光二极管的TO封装，若一定要把半导体激光二极管及其热沉能直接装在制冷器上的话，必需在半导体激光二极管前精确地放一个45度的反射镜4(参见图4)才能使激光二极管发出的光的轴线和管帽的轴线达到一致，这样不仅增加了一道高要求的装配工序，而且也增加了后续管帽透镜的对光与固定的难度，45度的反射镜的导入也增加了额外的无源热负载，降低了制冷器(TEC)的制冷效率增加了制冷的功耗。而本实施例的制冷器散热支撑板23的承载平面231与TO管帽1的轴线相平行，这使得经热沉而直接载在制冷器上的激光二极管(DFB或EML)的发射光的轴线和管帽轴线一致。

为了使本实施例的可制冷高速半导体激光二极管的封装结构与TO56型的半导体激光封装结构的尺寸相匹配，本实施例封装结构的尺寸是按TO56的大小来设计的，这样本实施例的封装结构可以像TO56一样组装进任何TO56可装得进的光模块空间。为此本实施列的封装结构各部尺寸设计如下：

多层高频陶瓷电路基板24由5层氧化铝陶瓷构成：除底层为0.35mm厚外，其余层厚都是0.25mm厚，总厚度为1.35mm。该多层高频陶瓷电路基板宽4mm，顶层长3mm，第二层的前端两侧有向前伸出长0.5mm，宽0.9mm的给制冷器供电用的电源输出口区域，从第三层起每层在其前端两侧都有向前伸出长2mm，宽0.9mm的区域，后端尾部则长出第一和二层1mm；在第三层的该后端尾部区域设有类似金手指般的电源和各种电信号的输入/输出口。

散热基座22宽5.6mm,长4mm,高1.85mm；散热基座22的上平面前端开个宽1.8mm，长2mm，深1.15mm的嵌入槽用以嵌入制冷器散热支撑板23的后部。

制冷器散热支撑板23全长4.2mm，宽1.8mm，其前部是用来承载制冷器(TEC)的，长2.2mm厚度为0.85mm,其底部加工有C0.25倒角，其后部2.0mm长的部分高出其前部0.3mm；

倒U型金属压圈25宽5.6mm，高3.75mm，长2mm；从底平面往上两边对称地开出一个宽4mm，高1.35mm的通槽。

面板金属片21宽5.6mm，高5.6mm，中间镂空的圆孔内径

管座高和宽均为5.6mm。

TO管帽1的外径最大处为

图5和图6为本实施例的封装结构中多层高频陶瓷电路基板的结构示意图，其结构包括如下细部：多层高频陶瓷电路基板后端尾部电信号输入/出口241，多层高频陶瓷电路基板前端伸出部的高频驱动信号输出口242，多层高频陶瓷电路基板前端伸出部的其他信号的输出/入口243，多层高频陶瓷电路基板前端制冷器电源输出口244，多层高频陶瓷电路基板的金属化顶面245和多层高频陶瓷电路基板金属化部分的侧墙246。在满足TO56的尺寸的要求下，多层高频陶瓷电路基板24上的高频走线以及为陶瓷层间互联用所必要的金属化过孔都能满足薄膜陶瓷电路设计规范。具体的，多层高频陶瓷电路基板24的高频走线采用微带线、带状线和共面波导线来实现50Ohm走线，制冷器(TEC)电源线、热敏电阻等其他信号线利用多层陶瓷的特性通过金属化过孔分层隔离开来走线。该多层高频陶瓷电路基板24的前端高频输出口242可布局在多层高频陶瓷电路基板24的左侧或右侧的外伸端，以适应不同的激光二极管(DFB或EML)高频输入pad的设计。多层高频陶瓷电路基板24的后端尾部电信号输入/出口241的底面钎焊在散热基座22上，确保封装后的强度，多层高频陶瓷电路基板24被金属的散热基座22和倒U型金属压圈25包裹起来，而散热基座22和倒U型金属压圈25都是和高频电路板的地线是连在一起的，所以多层高频陶瓷电路基板24有很可靠的地。由此在陶瓷电路基板上是很容易实现50ohm布线的，FeedThru结构也容易实现带宽高至50G左右的设计。

在图5中，本实施例按其应用其高频线布线在多层高频陶瓷电路基板24前端右边的外伸端，根据半导体激光二极管(DFB或EML)的电极几何形态设计的不同，高频走线也可布线在高频陶瓷电路基板的左端如图6。实施例的应用1：

本实施例的应用1以如下的器件组态进行封装：将厚度为0.95mm，底面为2.2mmx1.8mm,顶面为1.6mm x 1.8mm的制冷器(TEC)5直接装在制冷器散热支撑板上(参见图7和8)。

在该制冷器(TEC)5上贴装上0.2mm厚的LD热沉6(参见图10)，该热沉上载有DFB激光二极管芯片61、热敏电阻62和背光检测器(MPD)63等必要的元器件。

由于DFB半导体激光二极管芯片61的厚度是100um，半导体激光二极管的发光点离散热基座22的底部的高度是2.8mm，恰是整个结构高度5.6mm的一半，即位于整个结构的中心线上，和半导体激光二极管的热沉相邻的多层高频陶瓷电路基板24前端电信号输出/入口的高频走线和热沉6上高频走线也处在同一水平面上。

制冷器(TEC)5的电极和多层高频陶瓷电路基板24的金线键合以及半导体激光二极管的热沉6上的打线盘和多层高频陶瓷电路基板24的金线键合可用深腔打线用劈刀来完成。由于半导体激光二极管的热沉6上的高频走线和陶瓷电路基板上的高频走线的高度上无差异，两者用金线键合后可得到很好的高频互联效果。完成装配后，得到整个器件结构和配置如图10所示，在封好TO管帽1焊上柔性电路板7，得到整个可制冷高速激光器件就如图11所示。

当两块陶瓷电路板上的高频走线要通过金线键合来进行高频互联时需要这两块陶瓷电路板高频走线在同一高度上才能达到很好的高频互联效果。

半导体激光二极管热沉上也有一段很短的高频走线64。热沉上的高频走线、隐埋在多层高频陶瓷电路基板24内部的高频走线及陶瓷基板前端高频输出口的高频走线、后端尾部露出的高频输入port在进行精心合理的设计并用微波仿真软件进行互联仿真核算和优化后可达到所需的高频互联效果。

以上提及的制冷器(TEC)可由如小松和Ferrotec等制冷器(TEC)公司提供。

实施例的应用2：

本实施例的应用2以如下的器件组态进行封装：将用和应用1有同样尺寸的制冷器(TEC)5直接贴装在制冷器散热支撑板上。

在该制冷器(TEC)5上贴装上0.2mm热沉8(参见图12)，该热沉载装有EML芯片81、热敏电阻82和背光检测器(MPD)83和EML芯片的DFB部分用的滤波电容84等必要的元件。

和应用1的案例一样EML芯片(其厚度100um)的发光点位于整个结构的中心线上，和EML半导体激光二极管热沉相邻的多层高频陶瓷电路基板24前端电信号输出/入口上的高频走线和热沉8上的高频走线也处在同一水平面上。

制冷器电极和多层高频陶瓷电路基板24的金线键合以及EML芯片热沉上的打线盘和多层高频陶瓷电路基板24的金线键合可用深腔打线用劈刀来完成。由于EML芯片热沉上的高频走线和陶瓷电路基板上的高频走线高度上无差异，两者用金线键合后可得到很好的高频互联。完成装配后，得到整个器件结构和配置如图13所示。

Claims (10)

1.一种可制冷高速半导体激光二极管的封装结构，由管帽和管座构成，其特征在于：所述管座包括面板金属片、散热基座、制冷器散热支撑板、多层高频陶瓷电路基板和倒U形金属压圈；在所述散热基座上设有供制冷器散热支撑板嵌入的嵌入槽，部分制冷器散热支撑板嵌入在所述嵌入槽内并与多层高频陶瓷电路基板的下表面接触，所述多层高频陶瓷电路基板的下表面同时与散热基座接触；所述制冷器散热支撑板未嵌入所述嵌入槽内的部分向管帽方向延伸形成用于装载制冷器的承载平面，所述承载平面与所述管帽的轴线相平行；

所述倒U形金属压圈包覆住多层高频陶瓷电路基板的部分外露面，该多层高频陶瓷电路基板向管帽方向延伸形成前端电信号输出/入口部分，在所述多层高频陶瓷电路基板内部印刷有高频信号电路布线和其他互联的电源和信号的布线；

所述管帽通过面板金属片与管座连接。

2.根据权利要求1所述的一种可制冷高速半导体激光二极管的封装结构，其特征在于：所述面板金属片为内部镂空结构，其外边缘与散热基座、倒U形金属压圈连接，该多层高频陶瓷电路基板前端电信号输出/入口部分和制冷器散热支撑板的承载平面穿过面板金属片的内部向管帽方向延伸并置于管帽内。

3.根据权利要求1所述的一种可制冷高速半导体激光二极管的封装结构，其特征在于：所述多层高频陶瓷电路基板由多层氧化铝高温共烧陶瓷制得。

4.根据权利要求2所述的一种可制冷高速半导体激光二极管的封装结构，其特征在于：所述多层高频陶瓷电路基板在几何组态上不直接接触面板金属片。

5.根据权利要求1所述的一种可制冷高速半导体激光二极管的封装结构，其特征在于：所述多层高频陶瓷电路基板中的高频信号电路布线采用微带线、带状线和共面波导线中一种或多种；电源和信号的布线通过金属化过孔分层隔离进行走线。

6.根据权利要求1所述的一种可制冷高速半导体激光二极管的封装结构，其特征在于：所述多层高频陶瓷电路基板除开前端电信号输出/入口部分外其余部分的底面钎焊在散热基座上。

7.根据权利要求1所述的一种可制冷高速半导体激光二极管的封装结构，其特征在于：所述多层高频陶瓷电路基板还包括后端尾部电信号输入/出口部分，该后端尾部电信号输入/出口部分的底面钎焊在散热基座上。

8.根据权利要求1、2或7任意一项所述的一种可制冷高速半导体激光二极管的封装结构，其特征在于：所述电信号输入/出口包括高频输入/出口、电源输入/出口和热敏电阻信号输入/出口。

9.根据权利要求7所述的一种可制冷高速半导体激光二极管的封装结构，其特征在于：所述后端尾部电信号输入/出口部分为FeedThru结构。

10.一种封装半导体激光二极管结构，其特征在于：包括如权利要求1至9任意一项所述的一种可制冷高速半导体激光二极管的封装结构、半导体激光二极管热沉和制冷器及其组态；所述制冷器贴装在封装结构的制冷器散热支撑板上，所述半导体激光二极管载装在热沉上，所述热沉贴装在制冷器上，该热沉上的高频走线和与热沉相邻的多层高频陶瓷电路基板的前端电信号输出/入口上的高频走线处于同一水平面上，所述半导体激光二极管的发光点位于封装结构的中心线上。

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