一种MINI型TO封装的VCSEL制造工艺的制作方法

本发明属于半导体激光器的封装领域，具体地说是一种mini型to封装的vcsel制造工艺。

背景技术：

激光在现代和未来的应用越来越广泛，一般可分为固体激光，气体激光、半导体激光和光纤激光等，而随着世界智能化格局的开启，有一类激光器由于它较低的成本将显示其重要的地位，那就是半导体激光器，由于其性能优越，成本较低，体积很小，波长丰富，在未来的智能化产品中将扮演重要角色，例如光通讯，大数据传输，智能手机，智能家居，无人驾驶(激光雷达)等领域将广泛使用。

由于半导体激光器芯片对环境湿气，有害性气体和污染物的敏感性，所以这种器件往往需要气密性的封装，激光器的pn结温度直接影响其波长，输出功率，峰值带宽等输出特性。因此，其良好散热性也同样重要。

vcsel激光器(垂直腔面发射激光器)是一种新型的半导体激光器，相对于fp(法布里-帕罗)和dfb(分布反馈)激光器来说，有着很大的差别，主要表现在fp和dfb属于边缘发射激光器，vcsel是表面发射激光器，所以其封装结构差异很大，通常fp和dfb采用同轴to56的封装结构，将芯片翻转90度，以使出光方向和z轴平行。而vcsel通常采用同轴to46封装，芯片无需翻转，其出光方向和z轴平行。

因vcsel激光器发展历史较短，波长范围较窄(通常在650nm～1000nm)，激光峰值波长范围较宽，因此一般不作为信号的远距离传输，通常采用平窗镀膜管帽作为其光窗。目前的封装结构基本都采用了to46的封装。这种结构用于通讯和工业应用方面相对成熟，但由于体积较大，宽度，厚度(高度)往往超过了5毫米，因此限制了它在手机，可穿戴设备等终端电子消费产品的应用。

技术实现要素：

所要解决的技术问题：本发明目的是一种minito(小型化to)封装的vcsel激光器结构制造工艺，使激光器外形更小，散热性能良好，通过简单的直插式安装在pcb板上。

技术方案:一种mini型to封装的vcsel制造工艺，其特征在于制造工艺包括:

(1)minito金属基座以低碳钢模压加工成型，备用；

(2)熔封玻璃备用；

(3)引脚备用；

(4)光窗玻璃四周印刷低温玻璃浆料，烘干备用；

(5)金属管帽用合金薄板冲压成带光窗的金属管帽，备用；

(6)将所述minito金属基座、熔封玻璃、引脚装配在石墨夹具上，采用熔封工艺制成minito管座，备用；

(7)将所述光窗玻璃、金属管帽装配在石墨夹具上，采用熔封工艺制成minito管帽，备用；

(8)将所述minito管座、minito管帽进行镀镍和镀金，备用；

(9)vcsel芯片封装：将vcsel芯片共晶固于所述minito管座沉孔内的氮化铝衬底上，以绑线工艺将vcsel芯片和引脚连接，完成vcsel芯片封装，将所述minito管帽放置在封好vcsel芯片的minito管座上，采用锡焊的工艺将minito管帽密封封焊，至此，minito小型化封装vcsel激光器制造完成。

在一个实施例中，所述minito金属基座采用10号低碳钢，模压加工成直径3.5毫米，厚度1.2毫米，沉孔0.8毫米，沉孔直径0.6毫米，玻璃封接孔直径0.8毫米；所述熔封玻璃采用hyg920玻璃，制成外径0.75毫米，内径0.3毫米，高度1.0毫米的绝缘子；所述引脚采用4j50合金，直径0.25毫米，分切成长度2.3～2.35毫米的引脚；所述光窗玻璃采用k9材质，厚度0.2毫米的平板玻璃，400～1200nm波长透过率92.7％，切割加工成直径2.8毫米的圆片；所述金属管帽为厚度为0.2毫米的4j50合金薄板冲压成底部边长3.3毫米，光窗口径2.5毫米的金属管帽。

在一个实施例中，所述采用熔封工艺制成minito管座，熔封过程：预热区氧化气氛rt～100℃10min，升温区氧化气氛100～800℃30min，烧结区中性气氛800～950℃15min，降温区还原气氛950～450℃20min，冷却区还原气氛450～100℃20min。

在一个实施例中，：所述采用熔封工艺制成minito管帽，熔封过程：预热区氧化气氛rt～100℃10min，升温区氧化气氛100～350℃10min，烧结区中性气氛350～580℃15min，降温区还原气氛580～350℃15min，冷却区还原气氛350～100℃10min。

有益效果：

1、本发明minito金属基座采用低碳钢镀金，贴好芯片后，minito管座、minito管帽通过锡焊或共晶的方式，从而能形成了整体的minito气密封装的vcsel激光器结构。传统的to46管帽无需镀金，基座的封焊采用电阻压焊的方式。

2、本发明相比于传统的to46封装，minito金属基座直径从5.2毫米减少为3.5毫米，金属引脚直径从0.45减少为0.25毫米，minito金属基座中间沉孔0.8毫米，这就可以使得金属管帽直径从5.2毫米减少为3.5毫米，高度从3.0毫米减少至2.0毫米，因此尺寸和结构都作了改变，使得整个激光器的高度从6.5毫米减薄为3.5毫米，直径从5.2毫米变成3.5毫米，这样将使得minito小型化型激光器在手机和平板电脑可穿戴设备上的应用成为可能。

3、本发明将氮化铝(aln)衬底放置在沉孔minito金属基座上，可使金属管帽高度降低。

4、本发明采用0.25毫米的金属引脚，使minito金属基座直径降低。

5、本发明金属管帽镀金，有效提高散热效果。

6、本发明minito管座、minito管帽采用锡焊或金锡共晶焊，有效避免电阻压焊对元件的机械损伤。

附图说明

图1是现有to46封装的vcsel激光器示意图。

图2是本发明minito封装的vcsel激光器示意图。

图3是本发明minito封装的vcsel激光器剖视图。

图中：金属管帽1，minito管座2，引脚3，光窗玻璃4，光窗5，氮化铝衬底6，vcsel芯片7，minito金属基座8。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加简洁明了，本发明用以下具体实施例进行说明，但本发明绝非仅限于这些例子。以下所述仅为本发明较好的实施例，仅仅用于描述本发明，不能理解为对本发明的范围的限制。应当指出的是，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

一种mini型to封装的vcsel制造工艺，其特征在于制造工艺包括:

(1)minito金属基座以低碳钢模压加工成型，备用；

(2)熔封玻璃备用；

(3)引脚备用；

(4)光窗玻璃四周印刷低温玻璃浆料，烘干备用；

(5)金属管帽用合金薄板冲压成带光窗的金属管帽，备用；

(6)将所述minito金属基座、熔封玻璃、引脚装配在石墨夹具上，采用熔封工艺制成minito管座，备用；

(7)将所述光窗玻璃、金属管帽装配在石墨夹具上，采用熔封工艺制成minito管帽，备用；

(8)将所述minito管座、minito管帽进行镀镍和镀金，备用；

(9)vcsel芯片封装：将vcsel芯片共晶固于所述minito管座沉孔内的氮化铝衬底上，以绑线工艺将vcsel芯片和引脚连接，完成vcsel芯片封装，将所述minito管帽放置在封好vcsel芯片的minito管座上，采用锡焊的工艺将minito管帽密封封焊，至此，minito小型化封装vcsel激光器制造完成。

在一个实施例中，所述minito金属基座采用10号低碳钢，模压加工成直径3.5毫米，厚度1.2毫米，沉孔0.8毫米，沉孔直径0.6毫米，玻璃封接孔直径0.8毫米；所述熔封玻璃采用hyg920玻璃，制成外径0.75毫米，内径0.3毫米，高度1.0毫米的绝缘子；所述引脚采用4j50合金，直径0.25毫米，分切成长度2.3～2.35毫米的引脚；所述光窗玻璃采用k9材质，厚度0.2毫米的平板玻璃，400～1200nm波长透过率92.7％，切割加工成直径2.8毫米的圆片；所述金属管帽为厚度为0.2毫米的4j50合金薄板冲压成底部边长3.3毫米，光窗口径2.5毫米的金属管帽。

在一个实施例中，所述采用熔封工艺制成minito管座，熔封过程：预热区氧化气氛rt～100℃10min，升温区氧化气氛100～800℃30min，烧结区中性气氛800～950℃15min，降温区还原气氛950～450℃20min，冷却区还原气氛450～100℃20min。

在一个实施例中，：所述采用熔封工艺制成minito管帽，熔封过程：预热区氧化气氛rt～100℃10min，升温区氧化气氛100～350℃10min，烧结区中性气氛350～580℃15min，降温区还原气氛580～350℃15min，冷却区还原气氛350～100℃10min。

上述minito管帽9是指光窗玻璃4装于金属管帽1上时组成的零件。

minito管座2是指minito金属基座8与引脚3装配熔封后组成的零件。

具体制备方法详述如下：

(1)minito金属基座制造：材料采用10号低碳钢，模压加工成直径3.5毫米，厚度1.2毫米，沉孔0.8毫米，沉孔直径0.6毫米，玻璃封接孔3个，直径0.8毫米。

(2)熔封玻璃采用hyg920玻璃，制成外径0.75毫米，内径0.3毫米，高度1.0毫米的绝缘子备用。

(3)引脚采用4j50合金，直径0.25毫米，分切成长度2.3～2.35毫米的引脚，备用

(4)光窗玻璃采用k9材质，厚度0.2毫米的平板玻璃，400～1200nm波长透过率92.7％，切割加工成直径2.8毫米的圆片，四周印刷低温玻璃浆料(hyg750)，烘干备用。

(5)金属管帽：将厚度为0.2毫米的4j50合金薄板冲压成底部边长3.3毫米，光窗口径2.5毫米的金属管帽，备用。

(6)将所述minito金属基座、熔封玻璃、引脚装配在石墨夹具上，采用熔封工艺制成minito管座，如下表：

(7)将所述光窗玻璃、金属管帽装配在石墨夹具上，采用熔封工艺制成minito管帽，如下表：

(8)将所述minito管座、minito管帽进行镀镍和镀金，备用；

(9)vcsel芯片封装：将vcsel芯片共晶固于所述minito管座沉孔内的氮化铝衬底上，以绑线工艺将vcsel芯片和引脚连接，完成vcsel芯片封装，将所述minito管帽放置在封好vcsel芯片的minito管座上，采用锡焊的工艺将minito管帽密封封焊，至此，minito小型化封装vcsel激光器制造完成。

(10)测试，采用来源相同，功率相同的vcsel激光器芯片，通过传统to46封装和本发本发明制备的minito小型化激光器放置在激光性能测试仪上测试，通过检测光功率，光束质量，信噪比(snr)，功率时间(p-t)曲线的测定，评定本发明的效果。

结论：采用本发明制造的minito小型化封装的vcsel激光器和传统to46封装的vcsel激光器性能无显著差异，本minito小型化方案着实可行。

本发明与传统to46封装的vcsel激光器差异对比如下表：

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。