专利名称：超辐射发光管隔热封装体及其封装方法
技术领域：
本发明涉及具有散热要求的半导体光电子有源器件及其封装方法，特别是涉及应用于光纤陀螺、光时域反射仪、光纤传感等领域的半导体超辐射发光管隔热封装体及其封装方法。
背景技术：
超辐射发光管(Super Luminescence Diode，缩写为SLD)是一种具有内增益的非相干光光源，它是七十年代初发展起来的一种半导体光电器件，近年来，由于它在光纤陀螺、光时域反射仪和干涉型光纤传感器等方面的重要应用，使SLD的研制和开发越来越受到人们的关注，SLD是光纤陀螺和光时域反射仪的理想光源，也是中短距离光通讯的主要光源之一。它的光学特性介于半导体激光器(LD)和发光二极管(LED)之间。SLD特点是光谱宽、功率大、相干长度短等，其工作原理是在半导体有源区中利用放大的自发辐射并抑制端面的反射，消除F-P效应产生的激射，从而产生连续的宽光谱输出。
SLD可以显著降低由光纤圈中的瑞利背向散射和非线性克尔效应所引起的噪声以及光纤传输中的模式分配噪声等。与一般发光二极管相比，SLD输出功率高，耦合效率高，而光束发散角小，并提高了耦合入尾纤的功率和系统的信噪比。正是由于SLD的这些特性(输出功率高、相干长度短、光束发散角小和光谱调制深度低等)，才可以弥补半导体激光器和常规发光二极管的不足。因此其在光纤陀螺、光时域反射仪和干涉型光纤传感器等方面有广泛的应用。
然而，由于超辐射管固有的热耗散大，内部热传导较大，制冷效率低，使得半导体制冷器在环境温度较高的情况下，难以实现足够的制冷。而光纤陀螺的应用环境要求超辐射管在大的温度范围内(-40℃至85℃)稳定工作，这使得常规的封装结构无法满足其性能要求。
为了让超辐射管扩大正常工作范围，提高封装管壳的制冷控温效率，以克服现有技术中因封装管壳内的热传导引起的制冷效率低、半导体管芯温度高、散热困难的弱点，并且良好地与现有的封装结构部件配合，以实现结构紧凑、稳定、体积小、成本低的目的，实有必要设计一种新的超辐射发光管隔热封装体及其封装方法，从而解决长期困扰业界的封装散热问题，将超辐射管的特性和应用环境范围上升到新的水准。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可降低超辐射发光管内部的热回流以提高制冷效率的超辐射发光管隔热封装体及其封装方法。
根据本发明的一个方面，提供了一种超辐射发光管隔热封装体，其包括管盖、可与管盖相盖合的管壳，其中，在所述的管盖下表面和所述管壳周围设有绝缘隔热材料，在所述管壳内还设有制冷器。
在所述制冷器中设有多个制冷单元，该制冷单元之间的间隙内设充有隔热材料，使制冷器的高温端和低温端的热传导受到阻碍。
另外，在所述制冷器上安装有热沉和过渡热沉。
根据本发明的另一个方面，还提供了一种上述超辐射发光管隔热封装体的封装方法，包括以下步骤(1)清洗管盖和管壳，在管盖的下表面和管壳的周围设置绝缘隔热材料；(2)在所述封装体内设置制冷器；(3)将所述管盖封装在所述管壳上；(4)进行光纤耦合和焊接，并进行光电和热特性测试。
另外，在步骤(2)之后还可以包括在制冷器上安装热沉和过渡热沉的步骤。
根据本发明的隔热式超辐射发光管封装体及其封装方法有效地降低了超辐射管管壳内部的热传导，拓宽了器件的工作温度范围；另外，该产品工艺简单，并且可与现有的封装结构兼容，同时该产品成本低，适合大批量生产。
下面，将结合附图对本发明的具体实施例进行进一步详细的说明，其中图1为本发明的超辐射发光管隔热封装体的立体示意图；图2为本发明的超辐射发光管隔热封装体的侧面剖视图的示意图；图3为本发明的第一实施例中的注入有隔热材料的帕尔贴制冷器的侧面剖视图的示意图；图4为本发明的第二实施例中的安装有预制隔热材料的帕尔贴制冷器的侧面剖视图的示意图；图5为可反映封装的热特性的过渡热沉温度随环境温度变化的曲线图。
具体实施例方式
请参阅图1和图2，根据本发明的隔热式超辐射发光管封装体大致为矩形盒状结构，其包括管盖101、可与管盖101相互盖合的管壳102、可通过光纤的光纤导引孔103，安装在管盖101的下表面的尺寸比管盖101稍小的上隔热材料201、安装在管壳102的内侧的四壁上的侧面隔热材料202。另外，在本发明的隔热式超辐射发光管封装体内部可以进一步设有帕尔贴制冷器104、安装在帕尔贴制冷器104上方的热沉105、安装在热沉105上的过渡热沉106和超辐射发光管管芯107。当然，也可以采用其他类型的制冷器来实现本发明的目的。
在超辐射发光管封装体的管盖101下安装上隔热材料201，可使管盖101的热量和管芯107之间产生隔离；而在超辐射发光管的管壳102四周的内侧安装侧面隔热材料202，则可使管壳102四周壳体的热量和管芯107之间产生隔离。
上述隔热材料201、202是采用粘合、机械挟持或者自然贴合的方法，安装在超辐射发光管管盖101的下表面和管壳102内部，以形成高温管壳102(可由金属制成)和低温管芯107之间的热隔离，从而有效地提高制冷器104的效率，以达到稳定管芯107的波长的目的。所述的隔热材料可以是陶瓷、玻璃、塑料或者其它各种化学性质不活泼的物质，而管壳102可以是14脚双列直插管壳、14脚蝶型管壳或者8脚蝶型管壳等。
请参阅图3，根据本发明的第一实施例的半导体帕尔贴制冷器104包括帕尔贴制冷器冷端109、与所述冷端109相对的帕尔贴制冷器热端108、在帕尔贴制冷器冷端109和热端108之间的多个柱状制冷单元110以及在帕尔贴制冷器104内部注入填充的隔热材料203。
请参阅图4，根据本发明的第二实施例的半导体帕尔贴制冷器104′包括帕尔贴制冷器冷端109′、与所述冷端109′相对的帕尔贴制冷器热端108′、在帕尔贴制冷器冷端109′和热端108′之间的多个柱状制冷单元110′以及安放在制冷单元110′之间的预制隔热材料203′。
在超辐射发光管封装体内部的帕尔贴制冷器104、104′的多个制冷单元110之间的间隙内填充隔热材料203或者安装预先制作好的隔热材料203′，使制冷器104的热端108、108′和冷端109、109′之间的热传导受到阻碍，其中所述的注入填充方式可以是将流体隔热材料致密或松散地注入，然后使其凝固的方法。
隔热材料201、202、203、203′在超辐射发光管封装体内的具体装配位置，可以根据所需散热要求和空间大小而确定；其尺寸的选取以不影响管壳内的管芯107、光纤和其它配件的安放为原则。
可以根据散热要求，将隔热材料201、202、203、203′有选择性地分别安装在管盖101的下表面、管壳102的内侧的四壁上以及帕尔贴制冷器104、104′的制冷单元110之间。
隔热材料201、202、203、203′在超辐射发光管隔热封装体内部的应用适用于从可见到红外的不同波长范围，而不依赖于管芯107的材料、结构、耦合形式或工作波长等参数，其目的在于改善封装的热特性。
本发明的隔热封装，是在现有的有源器件气密性封装基础之上进行的，和现有工艺高度兼容。为了进一步说明本发明的技术特征，下面为具体说明其工艺步骤，举例说明如下1.清洗管盖101和管壳102，在管盖101下方安放上隔热材料201，在管壳102内壁上安放侧面隔热材料202；2.在帕尔贴制冷器104、104′内部设置隔热材料203、203′；3.在管壳102底座上安装帕尔贴制冷器104、104′；4.在帕尔帖制冷器104、104′上安装热沉105；5.将超辐射发光管管芯107和过渡热沉106安装在热沉105上；6.进行光纤耦合和焊接；7.将带隔热材料201的管盖101封装在管壳102上；8.进行光电特性和热特性测试。
在启动半导体制冷器和恒电流工作情况下，可测试非隔热封装和隔热封装的热特性。图5示出了过渡热沉106温度和环境温度的变化曲线。横坐标为环境温度Tamb，纵坐标为过渡热沉106(热敏电阻)的温度Tsink。对于理想情况，过渡热沉106的温度不随环境温度变化，如曲线301(作为参考曲线)。对于非隔热封装，当环境温度升高的时候，过渡热沉的温度也明显上升(如曲线303)，甚至会导致制冷器失效(如曲线304)这是由过量的内部热回流引起的；对于隔热封装，当环境温度升高的时候，过渡热沉106的温度也有所升高，但其温度升高的程度显著缓解(如曲线302)，从而防止制冷器失效的现象，因此也就部分抑制了超辐射发光管管芯107的温度上升。
综上所述，本发明的核心是在超辐射发光管封装体的内部用隔热材料201、202、203、203′降低其内部热传导，使得热量更多地向管壳102外部转移。
另外，在安装制冷器的情况下，还可以使得制冷器104、104′的制冷效果更佳，效率显著提高，管芯107的温度能够被有效的控制。
本发明不仅适用于超辐射管的封装，同时也适用于需要制冷工作的半导体激光器、发光管、光放大器等各种有源光电子器件的封装。本发明以其优良的隔热和散热效果，使这些半导体光电子器件耐受的温度范围更宽、工作性能更加稳定。
权利要求
1.一种超辐射发光管隔热封装体，包括管盖和与管盖相盖合的管壳，其特征在于，在所述管盖下表面和所述管壳周围设有绝缘隔热材料，在所述封装体内还设有制冷器。
2.根据权利要求1所述的隔热封装体，其特征在于，所述制冷器设有多个制冷单元，该制冷单元之间的间隙内设充有隔热材料，使制冷器的高温端和低温端的热传导受到阻碍。
3.根据权利要求2所述的隔热封装体，其特征在于，在所述制冷器上安装有热沉和过渡热沉。
4.根据权利要求3所述的隔热封装体，其特征在于，所述制冷器为帕尔贴制冷器。
5.根据权利要求1至4中任何一项所述的隔热封装体，其特征在于，所述隔热材料是通过粘合、机械挟持或者自然贴合的方法安装在所述管壳内部。
6.根据权利要求5所述的隔热封装体，其特征在于，所述绝缘隔热材料可以是陶瓷、玻璃、塑料或者其它各种化学性质不活泼的物质。
7.一种根据权利要求1所述的超辐射发光隔热封装体的封装方法，其特征在于，包括以下步骤(1)清洗管盖和管壳，在管盖的下表面和管壳的周围设置绝缘隔热材料；(2)在所述封装体内设置制冷器；(3)将所述管盖封装在所述管壳上；(4)进行光纤耦合和焊接，并进行光电和热特性测试。
8.根据权利要求7所述的封装方法，其特征在于，在步骤(2)之后，还包括在制冷器上安装热沉和过渡热沉的步骤。
9.根据权利要求7或8所述的封装方法，其特征在于，在所述制冷器中设有多个制冷单元，该制冷单元之间的间隙内设充有隔热材料，使制冷器的高温端和低温端的热传导受到阻碍。
10.根据权利要求6所述的封装方法，其特征在于，在所述制冷器的制冷单元之间的空气间隙内设置隔热材料是通过先填充注入流体隔热材料然后将其凝固或者直接安装预先制作好隔热材料的方法实现。
全文摘要
本发明公开了一种超辐射发光管隔热封装体及其封装方法。所述封装体包括管盖和与管盖相盖合的管壳，在所述管盖下表面和所述管壳周围设有绝缘隔热材料，在所述封装体内还设有制冷器。而所述封装方法包括(1)清洗管盖和管壳，在管盖的下表面和管壳的周围设置绝缘隔热材料；(2)在所述封装体内设置制冷器；(3)将所述管盖封装在所述管壳上；(4)进行光纤耦合和焊接，并进行光电和热特性测试。本发明的封装体及其封装方法有效地解决了超辐射发光管和其它有源器件的封装散热问题，将器件的耐受环境温度范围提高。
文档编号H01L23/34GK1901237SQ200510085089
公开日2007年1月24日 申请日期2005年7月20日 优先权日2005年7月20日
发明者谈根林, 周胜, 魏铁钧 申请人:北京世维通光通信技术有限公司