TW201639257A

TW201639257A - 雷射的封裝結構及其相關元件

Info

Publication number: TW201639257A
Application number: TW104112541A
Authority: TW
Inventors: 張豪麟; 謝和銘; 李豪強
Original assignee: 友嘉科技股份有限公司
Priority date: 2015-04-20
Filing date: 2015-04-20
Publication date: 2016-11-01
Also published as: TWI568117B; CN108963749A; CN106207741A

Abstract

一種邊射型雷射的封裝結構，包括：一散熱基座；一雷射元件，固應於該散熱基座的一表面，可發射一第一雷射光束；以及一第一光學元件，具有一反射面，使得該第一雷射光束的一第一部分可被穿透，並且使得該第一雷射光束的一第二部分被反射；其中，利用一蝕刻製程，於該第一光學元件上形成一晶癖面，且處理該晶癖面成為該反射面；或者利用一切割製程，於該第一光學元件上形成一第一斜面，且處理該第一斜面成為該反射面。

Description

邊射型雷射二極體的光束轉向封裝結構及其相關元件

本發明是有關於一種封裝結構，且特別是有關於一種邊射型雷射二極體的光束轉向封裝結構及其相關元件。

請參照第1A圖，其所繪示為習知邊射型雷射二極體(edge-emitting Laser diode)的封裝結構示意圖。此封裝結構100包括一雷射二極體(Laser diode)104固定於一次黏著基板(submount)102上。再者，次黏著基板102固定於電路板106(如印刷電路板，PCB)上，且在電路板106上有至少二佈局線路(layout trace)以作為二個電極(未繪示)，並且二個電極可電性連接至雷射二極體104。基本上，電性連接的方式可以利用各種已知方式來完成，例如線連接(wire bond)等等。再者，於二個電極提供一偏壓後，雷射二極體104即可產生雷射光束108。

請參照第1B圖，其所繪示為習知電晶體外觀筒狀(Transistor Outline CAN，簡稱TO CAN)封裝的雷射示意圖。

圓形金屬底座(base)130中有一凸出部130a，而金屬殼體(cap)122覆蓋於圓形金屬底座130上並形成TO CAN封裝。而在金屬殼體122與圓形金屬底座130所包覆的空間126內包括一雷射二極體132附著於次黏著基板(submount)134上，而次黏著基板134固定於圓形金屬底座130的凸出部130a。再者，二個電極(electrode)150延伸至金屬殼體122與圓形金屬底座130所包覆的空間126內，並與雷射二極體132達成電性連接。再者，於二個電極150提供一偏壓後，雷射二極體132即可由視窗(window)124輸出雷射光束120。明顯地，利用TO CAN封裝結構，可將邊射型雷射的二極體132封裝成為面射型雷射。

眾所周知，TO CAN封裝結構的體積太大，並不適合用於小型電子裝置，例如手機上。因此，其他類型的封裝結構逐漸被發展出來。

請參照第2A圖，其所繪示為習知雷射光束轉向封裝結構示意圖。該技術係揭露於US 2009/0047024。在此技術中，封裝結構200係作為光傳接模組(optical transceiver module)中的傳輸側(transmit side)，其可將輸出雷射光束233耦合(couple)至光纖(fiber)。

封裝結構200包括：雷射二極體210、光學系統230、光偵測器220、反射元件250、基板270與控制器260。基本上，雷射二極體210由前表面(front facet)發射輸出雷射光束(output light beam)，由後表面(rear facet)發射監測光束(monitoring light beam)。輸出雷射光束經由光學系統230、反射元件250耦合入光纖270。

監測光束則被光偵側器220所吸收，並對應地產生光電信號至控制器260，而控制器260根據光電信號來產生回授信號至雷射二極體210用以控制雷射二極體210的輸出雷射光束之強度(intensity)。

請參照第2B圖至第2D圖，其所繪示為習知反射元件的製作示意圖。如第2B圖所示，將晶圓(wafer)280進行拋光(polish)，並將金屬層290形成於拋光面281上，形成鏡面(mirroring surface)286。

再者，如第2C圖所示，利用45度的斜面切割刀(45° bevel blade)在282與283位置切割矽晶圓280後，會形成切割表面(diced surface)284。再者，利用正規切割刀(regular dicing blade) 在位置285的地方直切，並在位置287與288直切後形成分離的多個反射元件250。

將第2C圖的一個反射元件翻轉135度之後，即如為第2D圖所示之反射元件250。另外，切割面284係固定於基板270，而反射面286可將輸出雷射光束進行反射並轉向。

本發明之主要目的在於提出一種邊射型雷射二極體的光束轉向封裝結構及其相關元件。本發明設計一種新的反射元件來將邊射行雷射二極體的輸出雷射光束進行反射與轉向，進而形成面射型雷射。再者，修改反射元件的製程，使其同時具備反射與光偵射功能的光學元件，並且有效地縮小封裝結構的體積。

本發明係有關於一種面射型雷射的封裝結構，包括：一散熱基座；一雷射元件，固應於該散熱基座的一表面，可發射一第一雷射光束；以及一第一光學元件，具有一反射面，使得該第一雷射光束的一第一部分可被穿透，並且使得該第一雷射光束的一第二部分被反射；其中，利用一蝕刻製程，於該第一光學元件上形成一晶癖面，且處理該晶癖面成為該反射面；或者利用一切割製程，於該第一光學元件上形成一第一斜面，且處理該第一斜面成為該反射面。

本發明係有關於一種封裝結構中的光學元件，包括：一基板，具有一斜面、一第一表面與一第二表面，且該斜面與該第二表面之間具有一夾角；一摻雜層，位於該第一表面與該斜面下方；一介電層，覆蓋於該斜面上；以及一電極，接觸於該摻雜層；其中，該介電層可被一雷射光束的一第一部分所穿透，且可反射該雷射光束的一第二部分，使得該光學元件根據該雷射光束的該第一部分產生一感應光電流。

為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：

100‧‧‧封裝結構

102‧‧‧次黏著基板

104‧‧‧雷射二極體

106‧‧‧電路板

108、120‧‧‧雷射光束

122‧‧‧金屬殼體

124‧‧‧視窗

126‧‧‧空間

130‧‧‧圓形金屬底座

130a‧‧‧凸出部

132‧‧‧雷射二極體

134‧‧‧次黏著基板

150‧‧‧電極

200‧‧‧封裝結構

210‧‧‧雷射二極體

220‧‧‧光偵測器

230‧‧‧光學系統

233‧‧‧輸出雷射光束

250‧‧‧反射元件

260‧‧‧控制器

270‧‧‧基板

280‧‧‧矽晶圓

281‧‧‧拋光面

282、283、285、287、288‧‧‧位置

284‧‧‧切割表面

286‧‧‧鏡面

290‧‧‧金屬層

310、610‧‧‧矽基板

312、314、316‧‧‧位置

320‧‧‧罩幕層

331‧‧‧晶癖面

332、334、336、338‧‧‧光學元件

402、502、702‧‧‧雷射二極體

404、504、704‧‧‧次黏著基板

410、550、570、710‧‧‧電路板

420、560、572、720‧‧‧輸出雷射光束

422、574‧‧‧監測雷射光束

500‧‧‧光學元件

520‧‧‧摻雜層

525‧‧‧電極

530、652‧‧‧反射層

562‧‧‧第二部分

564‧‧‧第一部分

612、614、616‧‧‧位置

632、634、636、638‧‧‧光學元件

650‧‧‧斜面

651‧‧‧SiO₂層

第1A圖所繪示為習知邊射型雷射二極體的封裝結構示意圖。

第1B圖所繪示為習知電晶體外觀筒狀封裝的面射型雷射示意圖。

第2A圖所繪示為習知雷射光束轉向封裝結構示意圖。

第2B圖至第2D圖所繪示為習知反射元件的製作示意圖。

第3A圖至第3C圖，其所繪示為本發明光學元件的製作示意圖。

第4圖所繪示為本發明的封裝結構第一實施例。

第5A圖所繪示為本發明另一光學元件。

第5B圖所繪示為本發明封裝結構第二實施例。

第5C圖所繪示為本發明封裝結構第三實施例。

第5D圖所繪示為本發明封裝結構第四實施例。

第6A圖至第6C圖所繪示為本發明再一反射元件的製作示意圖

第7圖所繪示為本發明的封裝結構第五實施例。

根據本發明的實施例，本發明的光學元件係於矽基板上進行蝕刻而形成一晶癖面(habit plane)，並處理晶癖面來形成此光學元件的反射面，且此光學元件可作為一反射元件。請參照第3A圖至第3C圖，其所繪示為本發明光學元件的製作示意圖。

首先，於矽基板(substrate)310的第一表面(上表面)上形成具有開口的一罩幕層320，例如SiO₂層。接著，利用化學蝕刻液進行蝕刻矽基板310後，即可形成第3A圖的二個溝槽(trench)。如第3A圖所示，選擇特定的化學蝕刻液在特定晶向的晶片上蝕刻。當罩幕層320的開口較小時，會形成V型溝槽，溝槽的二側壁即為(111)平面，亦即晶癖面。另外，當罩幕層320的開口較大時，會在溝槽底部形成(100)平面，而溝槽的二側壁為(111)平面。其中，晶癖面與(100)面之夾角為54.7度。換言之，本發明係選擇第一表面為(100)面的矽基板310，即可控制矽基板310的第一表面與晶癖面之夾角為54.7度。

為調整反射面角度為45度。如第3B圖所示，於晶棒切製成矽基板時，其切割角度與矽基板的(100)面為9.7度。之後，如第3C圖所示，移除於罩幕層320並於312、314、316位置直切矽基板310後形成分離的多個光學元件332、334、336、338。當然，上述的切割角度可依照實際所需的角度進行切割，並不限定於9.7度。

於第3C圖中，光學元件332與336的晶癖面331與335其底部切割面呈現45度的夾角，適合運用於本發明面射型雷射的封裝結構。以下的封裝結構係以光學元件332來進行說明，當然也可以用光學元件336來取代，不再贅述。

請參照第4圖，其所繪示為本發明封裝結構第一實施例。此封裝結構包括一電路板410、一雷射二極體402、一次黏著基板404、與一光學元件332。其中，雷射二極體402固定於次黏著基板404。再者，次黏著基板404與光學元件332固定於電路板410的一表面。再者，雷射二極體402與次黏著基板404形成雷射元件，且電路板410係為一種散熱基座(heat sink)。

由第4圖所示，於此封裝結構中，雷射二極體402由前表面發射輸出雷射光束420並直接照射至光學元件332的晶癖面331。而輸出雷射光束經由光學元件332的晶癖面331(反射面)反射而改變輸出雷射光束的路徑。換句話說，大部分的輸出雷射光束可被反射面所反射，少部分的輸出雷射光束係穿透過反射面。因此，即完成本發明邊射型雷射二極體的光束轉向封裝結構。當然，於最後的製程中，可將矽膠(未繪示)填充於電路板410上覆蓋住所有元件，以保護電路板410上的所有元件。

再者，在此領域的技術人員也可以進一步的處理晶癖面，來形成反射率更佳的反射層。例如，於晶癖面上331鍍上金屬層(例如銀)，或者介電高反射膜層。

另外，在此領域的技術人員也可以將雷射二極體402與光學元件322直接固定於次黏著基板404後，再將次黏著基板404固定於電路板410表面。或者，於電路板410表面，雷射二極體402的另外一側固定一光偵測器(未繪示)，用來接收雷射二極體402後表面發射的監測雷射光束(monitoring light beam)。

再者，上述第3C圖的光學元件也可以進一步的加工成為具有特定功能的光學元件。請參照第5A圖，其所繪示為本發明的另一光學元件示意圖。另外，第5B圖為本發明的封裝結構第二實施例。基本上，以下的光學元件500，係加工第3C圖之光學元件336所形成。當然，也可以用光學元件332來取代，不再贅述。

如第5A圖所示，於矽基板310的斜面以及上表面進行摻雜製程，用以形成一摻雜層520與一PN接面(junction)。舉例來說，假設矽基板為P型基板，則進行N型摻雜製程以形成N型摻雜層，而P型基板與N型摻雜層交界即為PN接面。另外，形成一介電層530覆蓋於摻雜層520上，亦即讓介電層530覆蓋於矽基板310的斜面，接著形成一電極525接觸於摻雜層520。

基本上，介電層530可以根據實際的需求，來形成特定反射率的介電層530。舉例來說，95%的反射率，5%的穿透率的介電層530。因此，穿透過介電層530的雷射光束進入PN接面，即因光電效應產生感應光電流。換言之，第5A圖所揭露之光學元件500，為具有反射功能以及光偵測功能的反射與偵測整合元件。

當然，除了設計高反射率與低穿透率的介電層530之外，也可以設計為低反射率與高穿透率的介電層530。在此條件之下所設計出的光學元件500，由於大部分的雷射光束穿透至PN接面，少部分的雷射光束被反射，所以可作為光偵側功能的光學元件500。

請參照第5B圖，其所繪示為本發明的封裝結構第二實施例。此封裝結構包括一電路板550、一雷射二極體502、一次黏著基板504、與一光學元件500。其中，雷射二極體502固定於次黏著基板504。再者，次黏著基板504與光學元件500固定於電路板550表面。再者，雷射二極體502與次黏著基板504形成雷射元件，且電路板550係為一種散熱基座，且光學元件500係為一反射與偵測整合元件。

由第5B圖所示，於此封裝結構中，雷射二極體502由前表面發射輸出雷射光束560。而輸出雷射光束560經由光學元件500的介電層530，將輸出雷射光束中的第一部分564進入PN接面，用以產生感應光電流。另外，輸出雷射光束中的第二部分562，經由反射改變輸出雷射光束的路徑。因此，即完成本發明的封裝結構。當然，於最後的製程中，可將矽膠(未繪示)填充於電路板550上覆蓋住所有元件，用以保護電路板550上的所有元件。

同理，在此領域的技術人員也可以將雷射二極體502與光學元件500直接固定於次黏著基板504後，在將次黏著基板504固定於電路板550的表面。

請參照第5C圖，其所繪示為本發明的封裝結構第三實施例。此封裝結構包括一電路板570、一雷射二極體502、一次黏著基板504、與一光學元件500。其中，雷射二極體502固定於次黏著基板504。再者，次黏著基板504與光學元件500固定於電路板570表面。再者，雷射二極體502與次黏著基板504形成雷射元件，且電路板570係為一種散熱基座，且光學元件500係為光偵側功能的光學元件500。

由第5C圖所示，於此封裝結構中，雷射二極體502 由前表面發射輸出雷射光束572，由後表面輸出監測雷射光束574。因此，監測雷射光束574經由光學元件500的介電層530，將監測雷射光束574中的大部分穿透進入PN接面，用以產生感應光電流。另外，監測雷射光束中的小二部分(未繪示)則被反射。因此，即完成本發明的封裝結構。當然，於最後的製程中，可將矽膠(未繪示)填充於電路板570上覆蓋住所有元件，用以保護電路板570上的所有元件。

請參照第5D圖，其所繪示為本發明的封裝結構第四實施例。此封裝結構包括一電路板410、一雷射二極體402、一次黏著基板404、一第一光學元件332、一第二光學元件500。其中，雷射二極體402固定於次黏著基板404。再者，次黏著基板404與第一光學元件332固定於電路板410的一表面。再者，雷射二極體402與次黏著基板404形成雷射元件，且電路板410係為一種散熱基座，第一光學元件332係作為反射元件，且第二光學元件500為具備光偵側功能的光學元件。

由第5C圖所示，於此封裝結構中，雷射二極體402由前表面發射輸出雷射光束420，由後表面發射監測雷射光束422。而輸出雷射光束經由第一光學元件332的晶癖面331(反射面)反射改變大部分輸出雷射光束的路徑。再者，監測雷射光束422經由第二光學元件500的介電層530，使得大部分的監測雷射光束422進入PN接面，用以產生感應光電流，而少部分的監測雷射光束(未繪示)經由反射改變監測雷射光束的路徑。

當然，於最後的製程中，可將矽膠(未繪示)填充於電路板410上覆蓋住所有元件，以保護電路板410上的所有元件。

另外，在此領域的技術人員也可以將雷射二極體402、第二光學元件500與第一光學元件322直接固定於次黏著基板404後，再將次黏著基板404固定於電路板410表面。

另外，本發明的光學元件也可以於矽基板上進行切割而直接形成一斜面，並處理斜面來形成光學元件的反射面。請參照第6A圖至第6C圖，其所繪示為本發明再一光學元件的製作示意圖。

首先，於矽基板(substrate)610的第一表面(上表面)，利用45度的斜面切割刀(45° bevel blade)切割矽基板610並形成V型溝槽。再者，溝槽的二側壁與矽基板610的第二表面(下表面)之夾角為45度。

如第6B圖所示，於612、614、616位置直切矽基板610後形成分離的多個光學元件632、634、636、638。當然，上述的斜面切割刀(bevel blade)的切割角度可依照實際所需的角度進行切割，並不限定於45度。

再者，光學元件632、634、636、638的斜面與基板的第二表面呈現45度的夾角，適合加工後形成反射面，並運用於本發明面射型雷射的封裝結構。

以下以光學元件630為例來繼續作說明。如第6C圖所示，由於經過切割後的斜面650很粗糙。因此，需先進行一平坦化製程。在平坦化製程中，先利用旋塗式(spin on glass，SOG)製程(或其它高分子材料)，於於斜面650上形成一液態SiO₂層。之後，固化(curing)後的SiO₂層651之後即可增加斜面650的平坦性。接著，在於SiO₂層651上再形成一反射層652，其材料可為金屬(例如銀)，或者介電材料。

當然，平坦化製程也可以用蝕刻來取代，利用蝕刻液(etchant)將進行斜面650的蝕刻，即可平坦化斜面650。之後，再形成一反射層即可。

請參照第7圖，其所繪示為本發明的封裝結構第五實施例。此封裝結構包括一電路板710、一雷射二極體702、一次黏著基板704、與一光學元件632。其中，雷射二極體702固定於次黏著基板704。再者，次黏著基板704與光學元件632固定於電路板710表面。再者，電路板710係為一種散熱基座。

由第7圖所示，於此封裝結構中，雷射二極體702由前表面發射輸出雷射光束720。而輸出雷射光束經由光學元件732的反射層652而改變輸出雷射光束的路徑。因此，完成本發明面射型雷射的封裝結構。當然，於最後的製程中，可將矽膠(未繪示)填充於電路板710上，用以保護電路板710上的所有元件。

再者，在此領域的技術人員也可以將雷射二極體702與光學元件632直接固定於次黏著基板704後，在將次黏著基板704固定於電路板710表面。或者，於電路板710表面雷射二極體702的另外一側，固定一光偵測器(未繪示)，用來接收雷射二極體702後表面發射的監測雷射光束(monitoring light beam)。

由以上的說明可知，本發明的優點係提出一種邊射型雷射二極體的光束轉向封裝結構及其相關元件。將邊射型雷射二極體與光學元件進行封裝，其具備小尺寸之優勢，可運用於小型電子裝置(例如手機)。

綜上所述，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

331‧‧‧晶癖面

332‧‧‧光學元件

402‧‧‧雷射二極體

404‧‧‧次黏著基板

410‧‧‧電路板

420‧‧‧輸出雷射光束

Claims

一種面射型雷射的封裝結構，包括：一散熱基座；一雷射元件，固應於該散熱基座的一表面，可發射一第一雷射光束；以及一第一光學元件，具有一反射面，使得該第一雷射光束的一第一部分可被穿透，並且使得該第一雷射光束的一第二部分被反射；其中，利用一蝕刻製程，於該第一光學元件上形成一晶癖面，且處理該晶癖面成為該反射面；或者利用一切割製程，於該第一光學元件上形成一第一斜面，且處理該第一斜面成為該反射面。
如申請專利範圍第1項所述之封裝結構，其中該散熱基座為一電路板，且雷射元件包括一雷射二極體與一次黏著基板，該雷射二極體固定於該次黏著基板，且該次黏著基板固定於該電路板。
如申請專利範圍第1項所述之封裝結構，其中於該晶癖面或者該第一斜面上更形成一反射層，作為該反射面。
如申請專利範圍第1項所述之封裝結構，其中該第一光學元件包括：一基板，具有該反射面、一第一表面與一第二表面，該第二表面固定於該散熱基板，且該第二表面係經由切割，用以控制該第二表面與一(100)面之間的一夾角。
如申請專利範圍第4項所述之封裝結構，其中該第一光學元件更包括：一摻雜層，位於該基板的該第一表面與該反射面下方；一介電層，覆蓋於該晶癖面或者該第一斜面上；以及一電極，接觸於該摻雜層；其中，該第一雷射光束的該第一部分，穿過該介電層用以產生一感應光電流；且該第一雷射光束的該第二部分，被該介電層所反射。
如申請專利範圍第1項所述之封裝結構，其中該第一光學元件包括：一基板，具有該斜面、一第一表面與一第二表面，且該斜面係經由該切割製程所形成，用以控制該第二表面與該斜面之間的一夾角。
如申請專利範圍第6項所述之封裝結構，其中該斜面係經過一平坦化製程後，再於該斜面上形成一反射層，其中該平坦化製程係為一旋塗式製程，或者一蝕刻製程。
如申請專利範圍第1項所述之封裝結構，更包括一第二光學元件包括：一基板，具有一第二斜面、一第一表面與一第二表面，且該第二斜面與該第二表面之間具有一夾角；一摻雜層，位於該第一表面與該第二斜面下方；一介電層，覆蓋於該第二斜面上；以及一電極，接觸於該摻雜層；其中，該雷射二極體可輸出的一第二雷射光束，且該介電層可被該第二雷射光束的一第一部分所穿透，並使得該光學元件對應地產生一感應光電流。
一種封裝結構中的光學元件，包括：一基板，具有一斜面、一第一表面與一第二表面，且該斜面與該第二表面之間具有一夾角；一摻雜層，位於該第一表面與該斜面下方；一介電層，覆蓋於該斜面上；以及一電極，接觸於該摻雜層；其中，該介電層可被一雷射光束的一第一部分所穿透，且可反射該雷射光束的一第二部分，使得該光學元件根據該雷射光束的該第一部分產生一感應光電流。
如申請專利範圍第9項所述之封裝結構，其中利用一蝕刻製程，於該光學元件上形成一晶癖面並成為該斜面。
如申請專利範圍第9項所述之封裝結構，其中利用一切割刻製程，於該光學元件上形成該斜面。