一种VCSEL小型化COB封装制造方法与流程

本发明属于半导体激光器的封装领域，具体地说是一种vcsel小型化cob封装制造方法。
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cob表面贴装小型化封装的vcsel激光器结构制造方法，使激光器体积小，散热性能好，容易贴装于pcb板上。技术方案:一种vcsel小型化cob封装制造方法,包括:(1)基板:采用氮化铝基板，在600-650摄氏度氧化气氛下烧结，以低温银浆金属化，内外电路连通的通孔填浆；(2)光窗玻璃：400～1200nm波长透过率92.7％的平板k9玻璃，切割加工成圆片，四周印刷低温玻璃浆料，烘干备用；(3)金属管帽：以可伐合金薄板冲压成具有光窗的金属管帽，备用；(4)带光窗玻璃的金属管帽：将光窗玻璃置于金属管帽通过低温玻璃焊料hyg750熔封，熔封过程：预热区rt～100℃10min、升温区100～350℃10min、烧结区350～580℃15min、降温区580～350℃15min、冷却区350～100℃10min；(5)将所述氮化铝基板、金属管帽进行镀镍和镀金，备用；(6)芯片封装：将vcsel芯片共晶固着在氮化铝底板上，以绑线工艺将芯片连接于氮化铝底板上的电极焊盘的电极中，完成芯片封装，将带光窗玻璃的金属管帽放置在封好芯片的氮化铝基板上，采用锡焊的工艺将带光窗玻璃的金属管帽密封固定在氮化铝基板上，cob封装vcsel激光器制造完成。所述氮化铝基板长宽厚度为：3.5mm*3.5mm*0.4mm,所述光窗玻璃厚度为0.2毫米的平板k9玻璃，切割加工成直径2.8毫米的圆片；所述可伐合金薄板厚度为0.2毫米，冲压成底部边长3.3毫米，光窗口径2.5毫米的金属管帽。所述预热区、升温区、烧结区、降温区、冷却区在熔封过程中，气氛分别为氧化、氧化、中性、还原、还原。有益效果：1、采用了优化的cob倒装芯片(chiponboard)结构，基板(board)采用高导热材料例如氮化铝陶瓷，贴好激光器芯片后，带有玻璃光窗的金属管帽锡焊或共晶焊的方式，实现和氮化铝基板的结合，从而能形成了整体的cob气密封装的vcsel激光器结构。2、本发明中相比于传统的to46封装，尺寸和结构都作了改变，使得整个激光器的厚度从6.5毫米减薄为3.0毫米，直径(长宽)从5.2毫米变成3.5毫米，这样将使得mini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、本发明采用了氮化铝(aln)材料作为基板，并通过氮化铝通孔填浆和金属化技术，在基版(board)上正面和底面印刷焊盘和贴芯片的位置，并通过通孔填浆技术实现和底面的印刷电极相连，从而实现导电。4、本发明由于采用了氮化铝作为vcsel芯片的固着载体，因此可以省略掉氮化铝热沉(衬底)，芯片直接通过金锡合金共晶在印有芯片共晶的焊盘上，激光器工作时产生的热量通过氮化铝基板和镀金金属管帽传导并散热，从而确保了pn结温度稳定，对于稍大功率的芯片，同样可以在氮化铝基板上印刷帕尔帖半导体制冷器，确保pn结温度稳定。5、本发明由于采用了氮化铝作为基板，因此可以实现整版封装后再独立分片的工艺，大幅度提高封装的效率，降低封装的成本，为实现大批量的生产提供了保障。附图说明图1是现有to46封装的vcsel激光器示意图。图2是本发明氮化铝基板主视图。图3是本发明氮化铝基板后视图。图4是本发明实施例1cob封装的vcsel激光器示意图。图5是本发明实施例2cob封装的vcsel激光器示意图。图中：1金属管帽、2氮化铝基板、3光窗玻璃、4电极焊盘、5vcsel芯片、6通孔、7vcsel芯片固定位。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vcsel小型化cob封装制造方法,其特征在于制造方法包括:(1)基板:采用氮化铝基板，在600-650摄氏度氧化气氛下烧结，以低温银浆金属化，内外电路连通的通孔填浆；(2)光窗玻璃：400～1200nm波长透过率92.7％的平板k9玻璃，切割加工成圆片，四周印刷低温玻璃浆料，烘干备用；(3)金属管帽：以可伐合金薄板冲压成具有光窗的金属管帽，备用；(4)带光窗玻璃的金属管帽：将光窗玻璃置于金属管帽通过低温玻璃焊料hyg750熔封，熔封过程：预热区rt～100℃10min、升温区100～350℃10min、烧结区350～580℃15min、降温区580～350℃15min、冷却区350～100℃10min；(5)将所述氮化铝基板、金属管帽进行镀镍和镀金，备用；(6)芯片封装：将vcsel芯片共晶固着在氮化铝底板上，以绑线工艺将芯片连接于氮化铝底板上的电极焊盘的电极中，完成芯片封装，将带光窗玻璃的金属管帽放置在封好芯片的氮化铝基板上，采用锡焊的工艺将带光窗玻璃的金属管帽密封固定在氮化铝基板上，cob封装vcsel激光器制造完成。(7)测试，本发明制备的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。在一个实施例中，所述氮化铝基板长宽厚度为：3.5mm*3.5mm*0.4mm,所述光窗玻璃厚度为0.2毫米的平板k9玻璃，切割加工成直径2.8毫米的圆片；所述可伐合金薄板厚度为0.2毫米，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，所述预热区、升温区、烧结区、降温区、冷却区在熔封过程中，气氛分别为氧化、氧化、中性、还原、还原。本发明制造过程概括如下：氮化铝基板金属化，填孔，镀金；带有光窗的金属管帽镀金；vcsel芯片共晶db，绑线(wb)，带光窗玻璃的金属管帽和底板封焊，vcsel激光器测试。本发明实施例1图4与实施例2图5，只是外观不同。下面见图2-5所示将对本发明作详细说明。1、氮化铝基板2，长*宽*厚度：3.5mm*3.5mm*0.4mm,正面(主视图2)和背面(后视图3)电路设计如图1、2所示，采用低温银浆金属化，同时采用通孔6填浆的工艺实现内外电路的连通。在氮化铝基板上有电极焊盘4、vcsel芯片固定位7。2、光窗玻璃3采用k9材料，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(hyg750)，烘干备用。3、将厚度为0.2毫米的可伐合金(kovar)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1，备用。4、将光窗玻璃与金属管帽1通过低温玻璃焊料hyg750熔封成带光窗玻璃的金属管帽，熔封工艺如下：温区预热区升温区烧结区降温区冷却区出炉温度℃rt～100100～350350～580580～350350～10050气氛氧化氧化中性还原还原中性时间min10101515105、将氮化铝基板2和带有光窗的可伐金属管帽1进行镀镍和镀金，备用。6、vcsel芯片5封装，将vcsel芯片共晶固着在氮化铝底版上，绑线(wb)工艺将芯片和焊盘电极连接，完成芯片封装，将带有光窗玻璃的管帽放置在封好芯片的氮化铝基座上，采用锡焊的工艺将光窗管帽密封固定在底板上，至此，cob封装vcsel激光器制造完成。7、测试，采用来源相同，功率相同的vcsel激光器芯片，通过对比传统to46封装和本发明制备的cob小型化激光器，放置在激光性能测试仪上测试，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。本发明方案和传统的差异对比：结论：采用本发明制造的cob小型化封装的vcsel激光器和传统to46封装的vcsel激光器性能无差异，其cob小型化方案着实可行。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。当前第1页12