CN112952548A - 一种可精准控温的薄型vcsel激光器封装结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种可精准控温的超薄型VCSEL激光器封装结构，包括冷端陶瓷基板、形成于冷端陶瓷基板上表面的容纳腔侧壁和用于对容纳腔侧壁封盖的匀光片；所形成的容纳腔内设有封装元件VCSEL芯片、测温元件和光电反馈元件；冷端陶瓷基板下方相对设有热端陶瓷基板；冷端陶瓷基板与热端陶瓷基板之间设有用于定向热传导的热电材料组件，和与VCSEL芯片、测温元件和光电反馈元件分别进行电连接的导电材料组件。本发明的VCSEL激光器封装结构可省略热沉，封装可靠性高，体积小，可实现超薄化，能实现底部贴装，且可实时、精确、快速地进行控温。

Description

一种可精准控温的薄型VCSEL激光器封装结构

技术领域

本发明属于半导体光器件封装领域，具体涉及可精准控温的薄型VCSEL激光器封装结构。

背景技术

VCSEL对温度非常敏感，超过0.1℃的温度波动就足以导致激光波长漂移，从而影响光输出功率及转换效率。

现有的封装结构有些在VCSEL芯片下方放置散热基板进行散热，在VCSEL下方设置较大面积的散热基板进行散热，并且通过散热基板形状的优化，可增加芯片引线，电流分布均匀度较好。此散热方案是被动散热，通过热沉来吸收VCSEL工作时产生的热量。无法对工作温度进行主动的精准控制，再者选用热沉的尺寸也无法做到很小，否则实现不了控温的作用，因而对整体封装或应用微型化是非常不利的。

另一种是在VCSEL下方设置小型热沉，并通过热电制冷器对热沉进行控温，间接实现对VCSEL的温度控制，此方案首先存在垂直方向高度过大，无法适用于一些要求厚度超薄的产品运用，其次因VCSEL，热沉和热电制冷器多个部件堆叠，组装工艺复杂，具有一定的不良率，且部件相互之间采用热电胶黏合，导热效率受到一定影响。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种可精准控温的薄型VCSEL激光器封装结构。

为实现以上目标，本发明采用如下的技术方案：

一种可精准控温的超薄型VCSEL激光器封装结构，包括冷端陶瓷基板、形成于冷端陶瓷基板上表面的容纳腔侧壁和用于对所述容纳腔侧壁封盖的匀光片；所形成的容纳腔内设有封装元件VCSEL芯片、测温元件和光电反馈元件；所述冷端陶瓷基板下方相对设有热端陶瓷基板；所述冷端陶瓷基板与热端陶瓷基板之间设有用于定向热传导的热电材料组件，和与所述VCSEL芯片、测温元件和光电反馈元件分别进行电连接的导电材料组件。

优选地，所述热端陶瓷基板底部设有焊接焊盘，所述焊接焊盘用于为所述VCSEL芯片、测温元件、光电反馈元件和热电材料组件供电。

优选地，所述冷端陶瓷基板与热端陶瓷基板相对的表面上均设有金属化焊接焊盘，所述热电材料组件和导电材料组件的上端焊接于所述冷端陶瓷基板的金属化焊接焊盘上，所述热电材料组件和导电材料组件的下端焊接于所述热端陶瓷基板的金属化焊接焊盘上。

优选地，所述容纳腔内的冷端陶瓷基板上设有焊接焊盘，用于分别焊接所述VCSEL芯片、光电反馈元件和测温元件；

所述容纳腔内的冷端陶瓷基板上设有邦定焊盘，用于分别邦定所述VCSEL芯片、光电反馈元件和测温元件的邦定线。

优选地，所述导电材料组件通过所述冷端陶瓷基板上的金属化过孔分别与各封装元件的邦定焊盘和焊接焊盘形成电连接。

优选地，在所述热端陶瓷基板下表面设置散热焊盘。

优选地，所述热端陶瓷基板下表面的焊接焊盘与所述导电材料组件电连接；优选地，通过热端陶瓷基板上的金属化过孔实现电连接。

优选地，所述热端陶瓷基板下表面的焊接焊盘与所述热电材料组件电连接；优选为通过热端陶瓷基板上的金属化过孔实现电连接。

优选地，所述热端陶瓷基板上的焊接焊盘设于所述散热焊盘周围。

优选地，所述导电材料组件包括多对导电金属颗粒；所述热电材料组件包括多对热电材料颗粒。

优选地，每个封装元件与一对或多对导电金属颗粒电连接；

不同导电金属颗粒的上端焊接于冷端陶瓷基板下表面不同的金属化焊接焊盘，且不同导电金属颗粒的下端焊接于热端陶瓷基板上表面不同的金属化焊接焊盘。

优选地，每对热电材料颗粒的上端对应焊接于冷端陶瓷基板下表面的同一金属化焊接焊盘，每对热电材料颗粒的下端对应焊接于热端陶瓷基板上表面的同一金属化焊接焊盘。

优选地，冷端陶瓷基板、热电材料组件和热端陶瓷基板以及两陶瓷基板相对的表面上的焊接焊盘共同组成热电制冷器。

优选地，所述导电金属颗粒设于所述热电材料颗粒的外围；

所述导电金属颗粒与热电材料颗粒高度相同。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

（1）与现有技术相比，本发明的VCSEL激光器封装结构由于VCSEL芯片和热电材料组件之间只隔了冷端陶瓷基板，VCSEL芯片工作时产生的热量很容易透过导热良好的陶瓷基板被热电材料组件快速转移，冷端陶瓷基板、热电材料组件和热端陶瓷基板形成了热传导路径，且导电材料组件作为容纳腔内的封装元件的电气线路，实现结构封装的小型化及超薄化，封装总体高度可以控制在2mm以内，测温元件可精确感知腔体内的温度，为温度控制提供反馈信号，实现对温度的控制。

（2）相对于现有技术，由于本发明不需要热沉，在组装时减少一道焊接工序，对组装可靠性也有相应的提升。

（3）本发明通过测温元件及热电制冷器的闭环温度控制，可实现腔体温度的实时检测和精准、快速控制。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为爆炸示意图。

图2为封装剖面图。

图3为冷端陶瓷基板的俯视图。

图4为冷端陶瓷基板的仰视图。

图5为热端陶瓷基板的仰视图。

具体实施方式

以下结合具体实施例和说明书附图，对本发明做进一步说明，但本发明的实施方式并不限于此。

下面结合附图对本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。此外，本领域技术人员根据本文件的描述，可以对本文件中实施例中以及不同实施例中的特征进行相应组合。

本发明实施例如下，请参见图1所示，提供一种可精准控温的薄型VCSEL激光器封装结构，包括冷端陶瓷基板6、形成于冷端陶瓷基板6上表面的容纳腔侧壁5和用于对所述容纳腔侧壁封盖的匀光片1，容纳腔内设有封装元件VCSEL芯片3、测温元件2和光电反馈元件4，所述冷端陶瓷基板6下方相对设有热端陶瓷基板9，所述冷端陶瓷基板6与热端陶瓷基板9之间设有用于定向热传导的热电材料组件，以及分别与所述VCSEL芯片3、测温元件2和光电反馈元件4电连接的导电材料组件。所述VCSEL芯片3、冷端陶瓷基板6、热电材料组件和热端陶瓷基板9形成热传导路径，且所述导电材料组件与所述VCSEL芯片3、测温元件2和光电反馈元件4分别进行电连接以实现为VCSEL芯片3、测温元件2和光电反馈元件4的供电提供电传导。

如图5所示，所述热端陶瓷基板9底部设有焊接焊盘H，所述焊接焊盘H用于为所述VCSEL芯片3、测温元件2、光电反馈元件4和热电材料组件供电。

本方案中，直接在冷端陶瓷基板6的上表面（外侧面）堆叠材料形成容纳腔侧壁5，用于封装元件，容纳腔高度稍高于封装元件的高度，例如，可以是腔体高度比VCSEL芯片3，光电反馈元件4和测温元件2的最大高度高0.1mm。冷端陶瓷基板6、容纳腔侧壁5和匀光片1共同构成容纳腔。且通过设置冷端陶瓷基板6、热端陶瓷基板9，并将热电材料组件设于两陶瓷基板之间进行定向传热，导电材料组件当做容纳腔内VCSEL芯片3，测温元件2和光电反馈元件4的电气线路，有利于做整体封装的超薄设计，且腔体内封装的测温元件2可精确感知腔体内的温度，为热电制冷器控温提供有效的反馈信号，实现对温度的主动控制。热电制冷器采用一个外置的热电制冷器驱动电路进来驱动，不属于本发明的封装结构的部分，通过常规的方式设置于本发明的封装结构外，热电制冷器在封装结构外与外置的热电制冷器驱动电路进行电连接，该电路例如可以设于PCB（印刷电路板）上，热电制冷器驱动电路接收测温元件2测到的当前温度，控制热电制冷器的工作电流大小，从而控制制冷功率，使当前温度向目标温度靠近。光电反馈元件4为VCSEL芯片3功率控制提供反馈信号，通过本封装结构外另外的VCSEL驱动电路进行控制，VCSEL驱动电路接收光电反馈信号测到的当前光强度，控制VCSEL芯片3的工作电流大小，从而控制发射光功率，VCSEL芯片3与在封装结构外与外置的VCSEL驱动电路进行电连接，VCSEL驱动电路可以设置在PCB上。

如图1和4所示，所述冷端陶瓷基板6与热端陶瓷基板9相对的表面上均设有金属化焊接焊盘H，所述热电材料组件和导电材料组件的上端焊接于所述冷端陶瓷基板6的金属化焊接焊盘H上，下端焊接于所述热端陶瓷基板9的金属化焊接焊盘H上。

如图3所示，所述容纳腔底面即容纳腔内的冷端陶瓷基板6上设有焊接焊盘H和邦定焊盘B，所述冷端陶瓷基板6上的焊接焊盘H用于焊接所述VCSEL芯片3、测温元件2和光电反馈元件4，所述邦定焊盘B用于邦定所述VCSEL芯片3、测温元件2和光电反馈元件4的邦定线（例如可以是金线），具体地，每个封装元件具有与之对应的一个焊接焊盘H和一个邦定焊盘B。可以在所述容纳腔内的冷端陶瓷基板6上制作金属化图案作为腔内的焊接焊盘H和邦定焊盘B，用于固定封装元件及实现电气连接，金属化图案可以采用PVD溅镀或蒸镀等工艺实现。

所述导电材料组件7通过所述冷端陶瓷基板6上的金属化过孔K分别与各封装元件的邦定焊盘B和焊接焊盘H形成电连接，从而腔体内的封装元件通过冷端陶瓷基板6的金属化过孔K与导电材料组件7实现电气连接。

所述导电材料组件包括多对导电金属颗粒7；每个封装元件与一对或多对导电金属颗粒7电连接；不同导电金属颗粒7的上端焊接于冷端陶瓷基板6下表面不同的金属化焊盘，且不同导电金属颗粒7的下端焊接于热端陶瓷基板6上表面不同的金属化焊盘。具体地，每对导电金属颗粒7为一组，分别用于与封装元件（如VCSEL芯片3、测温元件2和光电反馈元件4）的输入端和输出端连接，在本实施例中，具体体现为每一对导电金属颗粒中，一个导电金属颗粒7通过冷端陶瓷基板6上的金属化过孔K与封装元件的焊接焊盘H电连接，另一个导电金属颗粒7通过通过冷端陶瓷基板6上的金属化过孔K与同一封装元件的邦定焊盘B电连接。本实施例中，设置四对导电金属颗粒7，由于VCSEL芯片3电流较大，其中两对导电金属颗粒7与VCSEL芯片3连接，用于为VCSEL芯片3供电，一对导电金属颗粒7与测温元件2电连接，一对导电金属颗粒7与光电反馈元件4电连接，实现对这些元件的供电。需要说明的是，本实施例中采用了4对导电金属颗粒7与封装元件之间进行电连接，但是事实上实际应用过程中不限于4对，例如可以是3对或比4对更多均可。

所述热电材料组件包括多对热电材料颗粒8；每对热电金属颗粒8的上端对应焊接于冷端陶瓷基板6下表面的同一金属化焊盘，每对热电金属颗粒8的下端对应焊接于热端陶瓷基板9上表面的同一金属化焊盘。

每对热电材料颗粒8与冷端陶瓷基板6或热端陶瓷基板9上的金属化焊盘构成一组热电偶。热电偶在电流驱动下产生帕尔贴效应，可固定方向传递热量，因此所述热电材料颗粒8在冷端陶瓷基板6及热端陶瓷基板9间呈等距的阵列排布。多组热电偶电气串联，并排列于冷端陶瓷基板6和热端陶瓷基板9之间即形成了热电制冷器。热电偶的数量视制冷功率的设计需求而定，排布只要能够实现各热电偶电串联的常规方式即可，尺寸等细节设计可以采用本领域现有常规的方式。

本实施例中，导电金属颗粒7设于所述热电材料颗粒8的外围，且所述导电金属颗粒7与热电材料颗粒8高度相同。

具体地，冷端陶瓷基板6的内侧面（即下表面）做金属化焊盘，用于焊接热电材料颗粒8的上端以及导电金属颗粒7的上端，热端陶瓷基板9的内侧面（即上表面）通过金属化形成对应的金属化焊盘，用于焊接热电材料颗粒8的下端和导电金属颗粒7的下端。冷端陶瓷基板6内侧面和热端陶瓷基板9内侧面上的用于焊接导电金属颗粒7的金属化焊盘的数量与导电金属颗粒7的数量相同。而由于一对热电材料颗粒8对应一个金属化焊盘，因此冷端陶瓷基板6内侧面和热端陶瓷基板9内侧面上的用于焊接热电材料颗粒8的金属化焊盘的数量为热电材料颗粒8的一半，且冷端陶瓷基板6与热电陶瓷基板9上的金属化焊盘的布置优选采用常规能够满足使各组热电偶之间串联的关系，例如，可以采用错开的方式，即对于下端焊接于热端陶瓷基板9上表面同一金属化焊盘上的两个热电材料颗粒8而言，这两个热电材料颗粒8的上端焊接于冷端陶瓷基板6不同的金属化焊盘上，以达到错开的目的，来实现各热电材料颗粒组之间的串联。作为优选的错开方式，例如可以是热端陶瓷基板9上的用于焊接两个热电材料颗粒8的金属化焊盘与冷端陶瓷基板6上的用于焊接两个热电材料颗粒8的金属化焊盘在水平方向的布置呈垂直角度设置。

如图5所示，在热端陶瓷基板9的下表面中部设置大面积的金属化散热焊盘S，并在所述散热焊盘S周围设置尺寸较小的用于与导电材料组件（导电金属颗粒7）和热电材料（热电材料颗粒8）进行电连接的焊接焊盘H，具体地，可以是通过热端陶瓷基板9上的金属化过孔K实现电连接。

本发明的VCSEL封装结构贴焊在PCB上，PCB上另外设置VCSEL驱动电路和热电制冷器驱动电路，VCSEL驱动电路根据封装中光电反馈元件4检测的VCSEL芯片3的光强度信号，调制VCSEL芯片3的工作电流，使VCSEL芯片3工作在目标光强度的状态。VCSEL芯片3在工作时会产生热量，热电制冷器驱动电路根据测温元件2检测到的温度信号，调制热电制冷器的工作电流，产生制冷作用，将VCSEL芯片3传到冷端陶瓷基板6上的热量转移到热端陶瓷基板9上，再通过热端陶瓷基板9底面的散热焊盘S，将热量传递给PCB并逸散出去，,通过热电制冷器的工作，将VCSEL芯片3稳定在一个较低的工作温度。PCB上有与热端陶瓷基板9下表面的散热焊盘S以及焊接焊盘H对应的封装焊盘，封装结构通过SMD贴装工艺焊接在PCB上。

本发明中，热端陶瓷基板9下表面的焊接焊盘H对应为热电制冷器供电端口，VCSEL芯片3供电端口，测温元件2和光电反馈元件4的反馈信号端口，即这四组端口均位于热端陶瓷外侧面（即底面），因此整体封装在使用时为底面贴装。

本发明中，邦定线可以使用金线，也有可能是铜线或铝线等导线。

本发明的VCSEL激光器封装结构通过位于容纳腔内的测温元件2检测容纳腔内温度，反馈给封装结构外的热电制冷器驱动电路，热电制冷器驱动电路根据接收到的测温元件2测到的当前温度来控制热电制冷器的工作电流大小，从而控制制冷功率，使当前温度向目标温度靠近，实现稳定精准的温度控制。通过光电反馈元件4的反馈信号，可监控VCSEL芯片3的工作状态，采用封装结构外的另外的VCSEL驱动电路进行控制，VCSEL驱动电路接收光电反馈元件4的光电反馈信号测到的当前光强度，控制VCSEL芯片3的工作电流大小，从而控制发射光功率。

本发明中的封装结构不需要采用额外的热沉，将发热元件VCSEL芯片3焊接在热电制冷器上，不仅降低封装厚度，而且能够提高温度响应速度，即热电制冷器相当于一个快速响应，功能上相当于可以作为主动降温的热沉使用。

本发明中通过直接在热电制冷器上制作容纳腔用于设置VCSEL芯片3等封装元件，在冷端陶瓷基板6与热端陶瓷基板9之间设置导电金属颗粒8，用于将腔内的VCSEL芯片3，光电反馈元件4及测温元件2的信号导通到热端陶瓷基板9的下表面的焊接焊盘H上。从纵向方向来看，在冷/热陶瓷基板之间，居中部位是热电材料颗粒8组成的阵列，可实现热传递，两侧是导电金属颗粒7用于上下方向的电器信号传递。通过PCB上对应的焊接焊盘H，可进一步和PCB上的电路实现电气连接。

根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (13)

1.一种可精准控温的超薄型VCSEL激光器封装结构，其特征在于，包括冷端陶瓷基板（6）、形成于冷端陶瓷基板（6）上表面的容纳腔侧壁（5）和用于对所述容纳腔侧壁封盖的匀光片（1）；所形成的容纳腔内设有封装元件VCSEL芯片（3）、测温元件（2）和光电反馈元件（4）；所述冷端陶瓷基板（6）下方相对设有热端陶瓷基板（9）；所述冷端陶瓷基板（6）与热端陶瓷基板（9）之间设有用于定向热传导的热电材料组件，和与所述VCSEL芯片（3）、测温元件（2）和光电反馈元件（4）分别进行电连接的导电材料组件。

2.如权利要求1所述的可精准控温的超薄型VCSEL激光器封装结构，其特征在于，所述热端陶瓷基板（9）底部设有焊接焊盘，所述焊接焊盘用于为所述VCSEL芯片（3）、测温元件（2）、光电反馈元件（4）和热电材料组件供电。

3.如权利要求1或2所述的可精准控温的薄型VCSEL激光器封装结构，其特征在于，所述冷端陶瓷基板（6）与热端陶瓷基板（9）相对的表面上均设有金属化焊接焊盘，所述热电材料组件和导电材料组件的上端焊接于所述冷端陶瓷基板（6）的金属化焊接焊盘上，所述热电材料组件和导电材料组件的下端焊接于所述热端陶瓷基板（6）的金属化焊接焊盘上。

4.权利要求1或2所述的可精准控温的薄型VCSEL激光器封装结构，其特征在于，所述容纳腔内的冷端陶瓷基板（6）上设有焊接焊盘，用于分别焊接所述VCSEL芯片（3）、光电反馈元件（4）和测温元件（2）；

所述容纳腔内的冷端陶瓷基板（6）上设有邦定焊盘，用于分别邦定所述VCSEL芯片（3）、光电反馈元件（4）和测温元件（2）的邦定线。

5.权利要求4所述的可精准控温的薄型VCSEL激光器封装结构，其特征在于，所述导电材料组件（7）通过所述冷端陶瓷基板（6）上的金属化过孔分别与各封装元件的邦定焊盘和焊接焊盘形成电连接。

6.如权利要求2所述的可精准控温的薄型VCSEL激光器封装结构，其特征在于，在所述热端陶瓷基板（9）下表面设置散热焊盘。

7.如权利要求2所述的可精准控温的薄型VCSEL激光器封装结构，其特征在于，所述热端陶瓷基板（9）下表面的焊接焊盘与所述导电材料组件电连接；

所述热端陶瓷基板（9）下表面的焊接焊盘与所述热电材料组件电连接。

8.如权利要求6所述的可精准控温的薄型VCSEL激光器封装结构，其特征在于，所述热端陶瓷基板（9）上的焊接焊盘设于所述散热焊盘周围。

9.如权利要求3所述的可精准控温的薄型VCSEL激光器封装结构，其特征在于，所述导电材料组件包括多对导电金属颗粒（7）；

所述热电材料组件包括多对热电材料颗粒（8）。

10.如权利要求9所述的可精准控温的薄型VCSEL激光器封装结构，其特征在于，每个封装元件与一对或多对导电金属颗粒（7）电连接；

不同导电金属颗粒（7）的上端焊接于冷端陶瓷基板（6）下表面不同的金属化焊盘，且不同导电金属颗粒（7）的下端焊接于热端陶瓷基板（6）上表面不同的金属化焊盘。

11.如权利要求9或10所述的可精准控温的薄型VCSEL激光器封装结构，其特征在于，每对热电材料颗粒（8）的上端对应焊接于冷端陶瓷基板（6）下表面的同一金属化焊盘，每对热电材料颗粒（8）的下端对应焊接于热端陶瓷基板（9）上表面的同一金属化焊盘。

12.如权利要求3所述的可精准控温的薄型VCSEL激光器封装结构，其特征在于，冷端陶瓷基板（6）、热电材料组件和热端陶瓷基板（9）以及两陶瓷基板相对的表面上的金属化焊接焊盘共同组成热电制冷器。

13.如权利要求9所述的可精准控温的薄型VCSEL激光器封装结构，其特征在于，所述导电金属颗粒（7）设于所述热电材料颗粒（8）的外围；

所述导电金属颗粒（7）与热电材料颗粒（8）高度相同。

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