CN216214793U - 一种vcsel激光器封装结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及激光器技术领域，具体涉及一种VCSEL激光器封装结构，包括：衬底组件；支撑层，其一侧成型有容纳腔，支撑层与衬底组件扣合以将容纳腔封闭，容纳腔内设有朝向衬底组件的倾斜部，倾斜部一端距离衬底组件的距离小于另一端距离衬底组件的距离；VCSEL芯片，连接在倾斜部上，VCSEL芯片两端分别与衬底组件电连接。通过预制支撑层来将VCSEL芯片预先固定成到倾斜部上，制备简便，得到的VCSEL激光器封装结构稳定性和可靠性高，重复性好，使得VCSEL激光器封装结构能够在车间内大批量自动化生产制造。

Description

一种VCSEL激光器封装结构

技术领域

本实用新型涉及激光器技术领域，具体涉及一种VCSEL激光器封装结构。

背景技术

随着IC(集成电路)特征尺寸的不断减小，在相同面积上所集成晶体管数量翻倍增长，这使得电子芯片在存储、读取、运算的速度上也日新月异。信息社会是大数据的时代，人们对通讯速率的需求也在不断提高，但是电互联在高速通信中存在易受到电磁干扰且传输延迟大的缺点，并且IC所能达到的晶体管特征尺寸已经逼近物理极限。

硅光子集成电路(PIC)具有传输速率快、抗电磁干扰能力强的特点，是未来实现高速、低功耗、大数据交互的关键技术。硅基光子集成发展迅速，但是硅基片上光源的问题还有待解决。将制备好的III－V族半导体激光器裸片键合到衬底上，并通过边缘耦合或光栅耦合的方式把光引入PIC中，也就是所谓的杂化集成。其中，光栅耦合对键合精度的要求相对较低。

裸片是在工厂中生产出来的芯片，是晶圆经过切割测试后没有经过封装的芯片，这种裸片上只有用于封装的压焊点，是不能直接应用于实际电路当中的。现有技术中组装VCSEL激光器时，在焊料体积恒定的条件下，控制焊料沉积的润湿区域，以实现回流后焊接球的高度调控，通过控制形成不同高度的焊接球，然后将VCSEL芯片焊接在焊接球上，以使VCSEL芯片以一定角度倒装在光栅面之上，能够提高耦合效率。但是这种方法需要对焊盘的位置进行特别的设计，并对焊盘的浸润面积的大小加以控制，VCSEL芯片角度控制难度较大，无法实现车间内的大批量生产。

实用新型内容

因此，本实用新型要解决的技术问题在于克服现有技术中的VCSEL激光器封装器件封装难度较大的缺陷，从而提供一种VCSEL激光器封装结构。

为了解决上述技术问题，本实用新型提供一种VCSEL激光器封装结构，包括：

衬底组件；

支撑层，其一侧成型有容纳腔，支撑层与衬底组件扣合以将容纳腔封闭，容纳腔内设有朝向衬底组件的倾斜部，倾斜部一端距离衬底组件的距离小于另一端距离衬底组件的距离；

VCSEL芯片，连接在倾斜部上，VCSEL芯片两端分别与衬底组件电连接。

可选地，还包括第一导电层和第二导电层，均连接在容纳腔内侧壁，第一导电层与第二导电层之间相互分离，第一导电层或第二导电层连接在倾斜部上，第一导电层与第二导电层分别与衬底组件电连接。

可选地，VCSEL芯片与第一导电层或第二导电层之间通过导电胶连接。

可选地，支撑层呈凹型设置，倾斜部设于容纳腔内朝向衬底组件的一面。

可选地，支撑层与衬底组件之间连接有导电连接层。

可选地，衬底组件包括依次设置的第一氧化层、波导层、第二氧化层和衬底本体，波导层上成型有光栅，VCSEL芯片朝向光栅设置。

可选地，倾斜部包括依次设置的多级台阶。

可选地，倾斜部为与VCSEL芯片平行的平面。

本实用新型技术方案，具有如下优点：

1.本实用新型提供的VCSEL激光器封装结构，包括：衬底组件；支撑层，其一侧成型有容纳腔，支撑层与衬底组件扣合以将容纳腔封闭，容纳腔内设有朝向衬底组件的倾斜部，倾斜部一端距离衬底组件的距离小于另一端距离衬底组件的距离；VCSEL芯片，连接在倾斜部上，VCSEL芯片两端分别与衬底组件电连接。

通过预制支撑层，在支撑层上设置容纳腔，并在容纳腔内预留倾斜设置的倾斜部，通过将VCSEL芯片平行安装在倾斜部上，然后将支撑层设有容纳腔的一面扣合在衬底组件上，使得VCSEL芯片发出的光能够以一定角度倾斜地照射在衬底组件上。VCSEL芯片两端分别与衬底组件电连接，封装结构在工作时衬底组件能够直接激发VCSEL芯片发光，无需外接电源。支撑层可以预先设计模型通过3D打印得到，也可通过在硅晶圆上选择性蚀刻得到容纳腔和倾斜部。通过预制支撑层来将VCSEL芯片预先固定成到倾斜部上，制备简便，得到的VCSEL激光器封装结构稳定性和可靠性高，重复性好，使得VCSEL激光器封装结构能够在车间内大批量自动化生产制造。

2.本实用新型提供的VCSEL激光器封装结构，还包括第一导电层和第二导电层，均连接在容纳腔内侧壁，第一导电层与第二导电层之间相互分离，第一导电层或第二导电层连接在倾斜部上，第一导电层与第二导电层分别与衬底组件电连接。通过设置第一导电层和第二导电层将衬底组件上的电信号导流至容纳腔内，减少VCSEL芯片与衬底组件之间的导线长度和数量，提升封装组件的稳定性，避免其在使用时发生短路或断路，提高封装组件的使用寿命。

3.本实用新型提供的VCSEL激光器封装结构，VCSEL芯片与第一导电层或第二导电层之间通过导电胶连接。通过将VCSEL芯片一侧通过导电胶与第一导电层或第二导电层其中之一连接，另一侧通过导线与第一导电层或第二导电层另一连接。导电胶能够增加VCSEL芯片电连接的稳定性。

4.本实用新型提供的VCSEL激光器封装结构，倾斜部包括依次设置的多级台阶。通过将倾斜部设计为多级台阶状，只需保证倾斜部两端距离衬底组件的距离不同，使VCSEL芯片安装在倾斜部时与衬底组件之间成一定夹角即可，便于通过选择性蚀刻成型倾斜部。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型的实施方式中提供的VCSEL激光器封装结构的结构示意图。

图2为本实用新型的实施方式中提供的支撑层的结构示意图。

图3为本实用新型的另一实施方式中提供的支撑层的结构示意图。

附图标记说明：1、支撑层；2、VCSEL芯片；3、第一导电层；4、第二导电层；5、导电胶；6、导电连接层；7、第一氧化层；8、波导层；9、第二氧化层；10、衬底本体；11、光栅；12、金线。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

此外，下面所描述的本实用新型不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

如图1和图2为本实施例提供的一种VCSEL激光器封装结构，包括衬底组件、支撑层1和倾斜安装在支撑层1与衬底组件之间的VCSEL芯片2。本实施例中VCSEL芯片2为VCSEL裸片。图1中的箭头方向为VCSEL芯片2发出的光的传播方向。

在支撑层1一侧成型有容纳腔，支撑层1呈凹型设置，倾斜部设于容纳腔内朝向衬底组件的一面。支撑层1与衬底组件扣合以将容纳腔封闭，容纳腔内设有朝向衬底组件的倾斜部，倾斜部一端距离衬底组件的距离小于另一端距离衬底组件的距离。VCSEL芯片2连接在倾斜部上，VCSEL芯片2两端分别与衬底组件电连接。本实施例中，倾斜部为与VCSEL芯片2平行的平面。

封装结构还包括均连接在容纳腔内侧壁的第一导电层3和第二导电层4，第一导电层3与第二导电层4之间相互分离，第一导电层3连接在倾斜部上，第一导电层3与第二导电层4分别与衬底组件电连接。VCSEL芯片2与第一导电层3之间通过作为导电胶5的银胶连接。第一导电层3和第二导电层4分别从容纳槽的两侧延伸至支撑层1与衬底组件连接的一面上，支撑层1与衬底组件之间的第一导电层3和第二导电层4分别通过作为导电连接层6的焊盘与衬底组件连接。衬底组件包括依次设置的第一氧化层7、波导层8、第二氧化层9和衬底本体10，衬底本体10为硅光子集成电路晶片。在波导层8上成型有光栅11，VCSEL芯片2朝向光栅11设置。

在制备VCSEL激光器封装结构时，准备一块集成电路晶圆或硅光子集成电路晶圆作为支撑晶圆，在支撑晶圆上选择性蚀刻为具有多个腔体结构的晶圆，且腔体结构中具有陈靠VCSEL裸片的平滑斜面。然后在腔体表面沉积具有特定图案的金属层，可实现电路功能，作为第一导电层3和第二导电层4。将VCSEL裸片的一电极通过导电银胶固定于腔体斜面的作为第一导电层3的金属层上，VCSEL裸片的另一极通过金线12键合在作为第二导电层4的金属层上。将固晶焊线后的晶圆通过激光划片机切割成单颗的晶片作为带有VCSEL芯片2的支撑层1。然后将作为衬底组件的单颗晶片与上述带有VCSEL芯片2的支撑层1通过焊接连接成一体完成封装。

制备VCSEL激光器封装结构时，在完成金线12的键合焊接后，先不进行切片，通过将其倒扣于另一作为衬底组件晶圆的硅光子集成电路晶圆上，将其与衬底组件晶圆进行异质键合，完成封装后在进行切割，切割后得到单独的VCSEL激光器封装结构。

制备VCSEL激光器封装结构时，支撑层1结构还可以通过3D打印而成。

通过预制支撑层1，在支撑层1上设置容纳腔，并在容纳腔内预留倾斜设置的倾斜部，通过将VCSEL芯片2平行安装在倾斜部上，然后将支撑层1设有容纳腔的一面扣合在衬底组件上，使得VCSEL芯片2发出的光能够以一定角度倾斜地照射在衬底组件上。VCSEL芯片2两端分别与衬底组件电连接，封装结构在工作时衬底组件能够直接激发VCSEL芯片2发光，无需外接电源。支撑层1可以预先设计模型通过3D打印得到，也可通过在硅晶圆上选择性蚀刻得到容纳腔和倾斜部。通过预制支撑层1来将VCSEL芯片2预先固定成到倾斜部上，制备简便，得到的VCSEL激光器封装结构稳定性和可靠性高，重复性好，使得VCSEL激光器封装结构能够在车间内大批量自动化生产制造。

作为替代的实施方式，为了便于通过蚀刻制备支撑层，倾斜部包括依次设置的多级台阶。

作为替代的实施方式，如图3所示，芯片通过胶水直接粘贴在倾斜部，第一导电层和第二导电层分别设于VCSEL芯片的周围且第一导电层和第二导电层相互分离，VCSEL芯片通过金线分别与第一导电层和第二导电层电连接。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型创造的保护范围之中。

Claims (8)

1.一种VCSEL激光器封装结构，其特征在于，包括：

衬底组件；

支撑层(1)，其一侧成型有容纳腔，所述支撑层(1)与所述衬底组件扣合以将所述容纳腔封闭，所述容纳腔内设有朝向所述衬底组件的倾斜部，所述倾斜部一端距离所述衬底组件的距离小于另一端距离所述衬底组件的距离；

VCSEL芯片(2)，连接在所述倾斜部上，所述VCSEL芯片(2)两端分别与所述衬底组件电连接。

2.根据权利要求1所述的VCSEL激光器封装结构，其特征在于，还包括第一导电层(3)和第二导电层(4)，均连接在所述容纳腔内侧壁，所述第一导电层(3)与所述第二导电层(4)之间相互分离，所述第一导电层(3)或所述第二导电层(4)连接在所述倾斜部上，所述第一导电层(3)与所述第二导电层(4)分别与所述衬底组件电连接。

3.根据权利要求2所述的VCSEL激光器封装结构，其特征在于，所述VCSEL芯片(2)与所述第一导电层(3)或所述第二导电层(4)之间通过导电胶(5)连接。

4.根据权利要求1至3任一项所述的VCSEL激光器封装结构，其特征在于，所述支撑层(1)呈凹型设置，所述倾斜部设于所述容纳腔内朝向所述衬底组件的一面。

5.根据权利要求1至3任一项所述的VCSEL激光器封装结构，其特征在于，所述支撑层(1)与所述衬底组件之间连接有导电连接层(6)。

6.根据权利要求1至3任一项所述的VCSEL激光器封装结构，其特征在于，所述衬底组件包括依次设置的第一氧化层(7)、波导层(8)、第二氧化层(9)和衬底本体(10)，所述波导层(8)上成型有光栅(11)，所述VCSEL芯片(2)朝向所述光栅(11)设置。

7.根据权利要求1至3任一项所述的VCSEL激光器封装结构，其特征在于，所述倾斜部包括依次设置的多级台阶。

8.根据权利要求1至3任一项所述的VCSEL激光器封装结构，其特征在于，所述倾斜部为与所述VCSEL芯片(2)平行的平面。

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