一种激光芯片封装结构及其封装方法与流程

本发明涉及芯片封装技术领域，尤其涉及一种激光芯片封装结构及其封装方法。

背景技术：

激光具有独特的光学特性，如单色性高、方向性强等特点，使得激光器件的发展速度越来越快，应用范围越来越广。特别是由于激光极强的方向性，使得它不需借助透镜就能在一定距离内保持光点的质量，使其成为条码扫描的首选光源。

条码扫描过程中，除了激光光源之外，还需要将激光实现扫描的扫描设备，通常使用mems(微机电系统，micro-electro-mechanicalsystems)振镜系统实现。

但是现有技术中激光光源和振镜系统组合得到的封装结构的体积较大。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提供一种激光芯片封装结构及其封装方法，采用fanout(扇出)封装方式实现mems芯片和激光芯片(vcsel芯片)的封装，从而减小激光芯片封装结构的体积。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种激光芯片封装结构，包括：

有机基板，所述有机基板包括相对设置的第一表面和第二表面，以及贯穿所述第一表面和所述第二表面的通孔，所述有机基板的第一表面还设置有连接端，所述连接端用于和外部电路电性连接；

倒装绑定在所述有机基板的第一表面，且覆盖所述通孔的mems芯片，所述mems芯片朝向所述有机基板的表面设置有振镜；

与所述通孔相对位置固定的vcsel芯片，用于发射激光至所述振镜表面；

透明基板，所述透明基板位于所述有机基板的第二表面，且覆盖所述通孔；

所述有机基板中包括第一互联电路和第二互联电路，所述第一互联电路电性连接所述mems芯片，所述第二互联电路电性连接所述vcsel芯片，所述第一互联电路和所述第二互联电路均用于连接所述连接端。

优选地，所述透明基板上还包括金属电路，所述金属电路与所述第二互联电路电性连接。

优选地，所述vcsel芯片设置在所述透明基板上，并与所述金属电路电性连接。

优选地，所述vcsel芯片设置在所述透明基板朝向所述有机基板的表面。

优选地，还包括第一导电结构，所述vcsel芯片通过所述第一导电结构与所述金属电路电性连接。

优选地，所述第一导电结构为导线、导电膏或焊接凸点。

优选地，所述vcsel芯片设置在所述透明基板背离所述有机基板的表面。

优选地，所述vcsel芯片在所述透明基板表面上的投影的中心与所述mems芯片在所述透明基板上的投影的中心重叠。

优选地，所述vcsel芯片设置在所述有机基板的第二表面，出射激光方向背离所述有机基板。

优选地，所述vcsel芯片通过第二导电结构与所述第二互联电路电性连接。

优选地，所述第二导电结构为导线、导电膏或焊接凸点。

优选地，还包括光学系统，所述光学系统将所述vcsel芯片出射的背离所述有机基板的激光反射至位于所述有机基板上第一表面的振镜表面。

优选地，所述透明基板为玻璃基板。

优选地，所述连接端为焊接凸起或导电焊盘。

优选地，所述有机基板为pcb板或fpc板。

本发明还提供一种激光芯片封装方法，用于形成上面任意一项所述的激光芯片封装结构，所述激光芯片封装方法包括：

提供有机基板，所述有机基板包括相对设置的第一表面和第二表面，以及贯穿所述第一表面和所述第二表面的通孔，所述有机基板的第一表面还设置有连接端，所述连接端用于和外部电路电性连接；以及位于所述有机基板内的第一互联电路和第二互联电路，所述第一互联电路和所述第二互联电路均用于连接所述连接端；

提供mems芯片、vcsel芯片和透明基板；

将所述mems芯片倒装绑定在所述有机基板的第一表面，并覆盖所述通孔，所述mems芯片与所述第一互联电路电性连接；

将所述vcsel芯片与所述第二互联电路电性连接；

将所述透明基板安装在所述有机基板的第二表面，且覆盖所述通孔。

优选地，还包括：在所述透明基板上设置金属电路。

优选地，所述将所述vcsel芯片与所述第二互联电路电性连接，具体包括：

将所述vcsel芯片绑定在所述透明基板上，通过第一导电结构电性连接所述vcsel芯片与所述金属电路；

将所述透明基板上的金属电路通过导电膏与所述有机基板上的第二互联电路电性连接。

优选地，所述将所述vcsel芯片与所述第二互联电路电性连接，具体包括：

将所述vcsel芯片通过第二导电结构绑定到所述有机基板的第二表面上，所述第二导电结构与所述第二互联电路电性连接。

经由上述的技术方案可知，本发明提供的激光芯片封装结构，包括有机基板、倒装绑定在所述有机基板表面的mems芯片，以及固定在有机基板上的vcsel芯片，有机基板上设置有连接端、第一互联电路和第二互联电路，第一互联电路电性连接mems芯片，第二互联电路电性连接vcsel芯片，且第一互联电路和第二互联电路均连接所述连接端，所述连接端用于与外部电路电性连接。也即本发明提供的激光芯片封装结构，将mems芯片倒装在有机基板上，并采用fanout结构实现vcsel芯片和mems芯片的封装，由于采用fanout结构实现封装能够通过有机基板内部的电路实现vcsel芯片和mems芯片与外部电路的电性连接，而无需其他辅助结构，如体积较大的框架结构和厚度较厚的陶瓷基板等结构，从而能够实现vcsel芯片和mems芯片的集成，减小激光芯片封装结构的整体体积。

本发明还提供一种激光芯片封装方法，通过所述激光芯片封装方法能够得到上面所述的激光芯片封装结构，从而使得激光芯片和mems芯片的封装的集成度更高，体积减小。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为vcsel芯片01与mems芯片02上的微振镜相互作用实现扫描的工作原理；

图2为本发明实施例提供的一种激光芯片封装结构示意图；

图3为当vcsel芯片11和mems芯片12的中心不重叠设置时的激光扫描原理示意图；

图4为本发明实施例提供的另一种激光芯片封装结构示意图；

图5为本发明实施例提供的又一种激光芯片封装结构示意图；

图6为本发明实施例提供的又一种激光芯片封装结构示意图；

图7为本发明实施例提供的一种光学系统设置在封装结构中激光芯片封装结构示意图；

图8为本发明实施例提供的光学系统的一种实现技术示意图；

图9为本发明实施例提供的一种激光芯片封装方法流程示意图；

图10-图17为本发明实施例提供的一种激光芯片封装方法的工艺步骤示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

现有技术中实现条码扫描过程中，条码扫描的具体原理请参见图1，图1为vcsel(verticalcavitysurfaceemittinglaser，垂直腔面发射激光器)芯片01与mems芯片02上的微振镜021相互作用实现扫描的工作原理；所述微振镜021位于mems芯片02的中间区域，其使用电磁力作为动力，使得电磁振镜电极的轴发生旋转振动，从而使与其相连的小反射镜随之振动，当接收到vcsel芯片01发送的向下的激光后，小反射镜振动发生偏转，从而达到往复扫描的效果，如图1中所示，振镜021由状态l1偏转至状态l2，反射的激光沿a方向发生偏转，实现扫描。其中，振镜021为二维扫描设备，能够在一个振镜上同时完成两个方向的扫描，即沿图1中的箭头a所示的方向，以及垂直于图1所示的纸面的方向(本发明并未示出)。

现有技术中，通常将vcsel芯片设置在mems芯片的正上方，并通过其他辅助结构实现两者的位置固定。辅助结构包括厚度较大的陶瓷基板和框架结构，陶瓷基板用于承载mems芯片，框架结构用于保证mems芯片和vcsel芯片的距离。需要说明的是，由于vcsel芯片01与mems芯片02正对设置，且vcsel芯片01具有一定的面积，激光扫描过程中，vcsel芯片01会遮挡一部分被振镜反射的光，从而使得扫描过程中，存在一定的盲区，而若而当vcsel芯片01与mems芯片02上的振镜距离越近，形成的扫描盲区的面积越大。为了避免扫描盲区较大，影响扫描结果，现有技术中vcsel芯片01与mems芯片02之间的距离可选为1mm左右；再加上mems芯片02的厚度和vcsel芯片的厚度，以及陶瓷基板和框架结构的厚度，最终激光芯片的封装总厚度较厚，造成激光芯片的封装结构的体积较大。

为了解决上述问题，本发明提供一种激光芯片封装结构及其封装方法，采用fanout(扇出)封装方式实现mems芯片和激光芯片(vcsel芯片)的封装，从而减小激光芯片封装结构的体积。

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。

请参见图2，图2为本发明实施例提供的一种激光芯片封装结构示意图，所述激光芯片封装结构包括：有机基板16，所述有机基板16包括相对设置的第一表面161和第二表面162，以及贯穿所述第一表面161和所述第二表面162的通孔t，所述有机基板16的第一表面161还设置有连接端19，所述连接端19用于和外部电路电性连接；倒装绑定在所述有机基板16的第一表面161，且覆盖所述通孔t的mems芯片12，所述mems芯片12朝向所述有机基板16的表面设置有振镜(图中未示出)；与所述通孔t相对位置固定的vcsel芯片11，用于发射激光至所述振镜表面；透明基板13，所述透明基板13位于所述有机基板16的第二表面162，且覆盖所述通孔t；所述有机基板16中包括第一互联电路17和第二互联电路18，所述第一互联电路17电性连接所述mems芯片12，所述第二互联电路18电性连接所述vcsel芯片11，所述第一互联电路17和所述第二互联电路18均用于连接所述连接端19。

需要说明的是，本实施例中vcsel芯片11与通孔t的位置相对固定，但是不限定vcsel芯片11的具体位置，可选的，本实施例中vcsel芯片固定在透明基板13上，至于vcsel芯片11在透明基板13上的具体位置，本实施例中不进行限定。

如图2所示，本实施例中vcsel芯片11设置在透明基板13上与mems芯片12相对的位置。且，所述vcsel芯片11在所述透明基板13表面上的投影的中心与所述mems芯片12在所述透明基板13上的投影的中心重叠。在本发明的其他实施例中，vcsel芯片11和mems芯片12的中心还可以不重叠设置，如图3所示，为当vcsel芯片11和mems芯片12的中心不重叠设置时的激光扫描原理示意图；当mems芯片12中的振镜121由状态l1’旋转至状态l2’时，被反射的激光光线沿b方向进行扫描，同样能够实现激光扫描。

本实施例中，所述透明基板13上还包括金属电路14，所述金属电路14与所述第二互联电路18电性连接。vcsel芯片11与所述金属电路14的另一端电性连接，vcsel芯片11通过设置在透明基板13上的金属电路14连接至有机基板16内的第二互联电路18。

vcsel芯片11与金属电路14之间可以直接相连，如图2中所示，还可以通过设置第一导电结构19进行电性连接，如图4所示，所述vcsel芯片11通过所述第一导电结构19与所述金属电路14电性连接。本实施例中第一导电结构19可以是打线形成的导线，也即如图4中所示。还可以是导电膏或焊接凸点，本实施例中对此不做限定。本实施例中同样不限定第二互联电路18和金属电路14之间的电性连接关系，可选的，为了保证第二互联电路18和金属电路14之间具有可靠的电性连接关系，如图2和图4所示，第二互联电路18和金属电路14之间还设置有焊接点15，焊接点15将第二互联电路18与金属电路14可靠的电性连接在一起。

需要说明的是，在图2所示的激光芯片封装结构中，vcsel芯片11设置在透明基板13的朝向mems芯片12的表面，这样透明基板13不仅能够起到承载vcsel芯片11的作用，还能够将vcsel芯片11封装在透明基板13与mems芯片12以及有机基板16形成的空腔内，避免外界灰尘或离子对mems芯片12上的振镜造成污染，影响振镜的反射激光作用。

但是对于激光芯片封装结构的使用环境洁净度较高的情况或者后续还设置有封装材料的情况，本发明实施例中提供的激光芯片封装结构还可以如图5所示，图5为本发明实施例提供的另外一种激光芯片封装结构示意图；本实施例中vcsel芯片11设置在所述透明基板13背离所述有机基板16的表面。这样，虽然透明基板13仅仅起到了承载vcsel芯片11的作用，但由于vcsel芯片11设置在透明基板13背离有机基板16的表面，能够相对于图2或图4所示的封装结构，相当于去掉了透明基板13的厚度，能够进一步减小封装结构的厚度，降低封装结构整体的体积。

请继续参见图2、图4和图5所示，本发明实施例中，mems芯片12倒装设置在有机基板16的第一表面161上，本发明实施例中不限定mems芯片12的具体倒装方式，可选的，可以通过焊点焊接实现倒装，同时，所述焊点电性连接设置在有机基板16内的第一互联电路17，第一互联电路17连接至有机基板16上的连接端19用于与外部电路电性连接，实现mems芯片12的控制，进而控制振镜的旋转角度，实现激光扫描。

需要说明的是，本实施例中不限定有机基板16的第一表面上设置的连接端19的个数，本实施例中虽然第一互联电路17和第二互联电路18均连接有机基板16上的连接端，但在本实施例中，第一互联电路17和第二互联电路18连接的是不同的连接端19，连接端19连接的互联电路不同，其作用不同，也即本实施例中第一互联电路和第二互联电路连接的连接端为不同的连接端，用于连接不同的外部控制电路，分别控制mems芯片中的振镜以及vcsel芯片的激光发射情况。而且，有机基板16上还可以设置有其他作用的多个连接端，用于其他用途，本实施例中对此不做限定。

本发明中vcsel芯片与通孔t的位置相对固定，但是不限定vcsel芯片的具体位置，可选的，本发明的另外一个实施例中vcsel芯片固定在有机基板上，如图6所示，为本发明实施例提供的另外一种激光芯片封装结构示意图，激光芯片封装结构包括：

vcsel芯片21、mems芯片22、有机基板26和透明基板23，其中，有机基板26上设置有通孔t；mems芯片22倒装在有机基板26的一个表面(也即下表面，本实施例中称为第一表面)，且覆盖所述通孔t；透明基板23固定在有机基板26的另一个表面(也即上表面，本实施例中称为第二表面)，且覆盖通孔t；而vcsel芯片21设置在有机基板26设置透明基板23的表面。

本实施例中所述vcsel芯片21通过第二导电结构24与所述第二互联电路28电性连接。mems芯片22通过第一互联电路27与有机基板26上的连接端电性连接。本实施例中与上面实施例中不同的地方在于，vcsel芯片21设置在有机基板26的第二表面，其他结构，如mems芯片22与有机基板26的倒装结构、第一互联电路27、第二互联电路28、连接端的连接方式均相同，本实施例中对此不做详细赘述，相同部分可以参见上面实施例中的描述。

由于vcsel芯片21设置在有机基板26表面，且vcsel芯片21的出射激光的方向为背离有机基板26的方向，因此还需要光学系统将vcsel芯片21出射的激光反射至mems芯片22的表面，使mems芯片22表面的振镜对激光进行反射，从而实现扫描。

本实施例中不限定光学系统的具体设置位置和方式，可选的，如图7所示，光学系统设置在封装结构中，也即所述激光芯片封装结构还包括光学系统29。光学系统29将所述vcsel芯片21出射的背离所述有机基板26的激光反射至位于所述有机基板26上第一表面的振镜表面。需要说明的是，光学系统29仅需将所述vcsel芯片21出射的背离所述有机基板26的激光反射至位于所述有机基板26上第一表面的振镜表面即可，本实施例中对反射至振镜表面的激光的方向不做限定，可以是垂直于mems芯片22的表面入射，也可以是与mems芯片22的表面具有一定夹角。

本实施例中可选的，光学系统29反射至位于所述有机基板26上第一表面的振镜表面的入射激光方向为垂直于mems芯片22的表面。如图8所示，为本发明实施例提供的光学系统的一种实现技术示意图；所述光学系统29包括两面反射镜，两面反射镜与有机基板26的表面均呈45°夹角，从而将垂直有机基板26出射的激光方向反射至朝向有机基板26，进而垂直入射至mems芯片22的表面。

需要说明的是，以上激光芯片封装结构的实施例中，本发明对透明基板、有机基板的材质不做限定，可选的，透明基板为玻璃基板或者其他透光率较高的透明材质基板，所述有机基板为pcb基板或fpc基板。其中有机基板上的连接端可以是焊接凸起或者导电焊盘，具体选择可以根据实际情况进行设定，本实施例中对此不做限定。

本发明实施例提供的激光芯片封装结构，将mems芯片倒装在有机基板上，并采用fanout结构实现vcsel芯片和mems芯片的封装，由于采用fanout结构实现封装能够通过有机基板内部的电路实现vcsel芯片和mems芯片与外部电路的电性连接，而无需其他辅助结构，如体积较大的框架结构和厚度较厚的陶瓷基板等结构，从而能够实现vcsel芯片和mems芯片的集成，减小激光芯片封装结构的整体体积。

本发明实施例还提供一种激光芯片封装方法，用于形成上面任意一个实施例所述的激光芯片封装结构，所述激光芯片封装方法如图9-17所示，其中，图9为激光芯片封装方法流程示意图，图10-图17为本发明实施例提供的一种激光芯片封装方法的工艺步骤示意图，所述激光芯片封装方法包括：

s101：提供有机基板，所述有机基板包括相对设置的第一表面和第二表面，以及贯穿所述第一表面和所述第二表面的通孔，所述有机基板的第一表面还设置有连接端，所述连接端用于和外部电路电性连接；以及位于所述有机基板内的第一互联电路和第二互联电路，所述第一互联电路和所述第二互联电路均用于连接所述连接端；

如图10和图11所示，图10为所述板材31的俯视结构示意图，在后续的步骤中，切割后，所述板材31分割为多个有机基板6。图11为图10沿cc’线的剖面结构示意图。提供有机基板具体包括：

提供一板材31，所述板材31包括多个阵列排布的封装区32，相邻所述封装区32之间具有切割道30，所述封装区32包括第一区域d以及包围所述第一区域d的第二区域e。所述第一区域d在后续过程中用于形成通孔t。

所述封装区32设置有布线电路以及与所述布线电路电连接的连接端；所述布线电路包括用于将mems芯片与外部电路电连接的第一互连电路7和用于将vcsel芯片与外部电路电连接的第二互联电路8，以及连接端9。

请参见图12，在每个所述封装区32的第一区域d中形成贯穿所述板材31的通孔t。

本实施例中不限定形成通孔t的具体工艺，可选的，通孔t可以通过激光、光刻工艺、湿法刻蚀工艺、机械研磨工艺或其他任何类似的方法来形成。在本申请的一个实施例中，首先在所述有机基板6表面涂覆光刻胶，然后在光刻胶表面设置掩膜板，以该掩模板为掩膜图案化所述光刻胶，以图案化后剩余的光刻胶为掩膜对板材31进行光刻，以在每个封装区32的第一区域a中形成贯穿所述板材31的通孔t。

s102：提供mems芯片、vcsel芯片和透明基板；

本实施例中所述mems芯片为已经制作完成，并在mems芯片的一个表面上形成有振镜和焊点的芯片。

vcsel芯片为连接到外部电路后，能够发射出激光的vcsel芯片。

s103：将所述mems芯片倒装绑定在所述有机基板的第一表面，并覆盖所述通孔，所述mems芯片与所述第一互联电路电性连接；

请参见图13所示，通过倒装工艺实现mems芯片2的倒装，将mems芯片2的振镜表面朝向所述通孔t倒装到有机基板6的第一表面61上，并将mems芯片2上的焊点与第一互联电路7电性连接。

s104：将所述vcsel芯片与所述第二互联电路电性连接；

本实施例中不限定vcsel芯片与第二互联电路电性连接的具体方式，可选的，在本发明的一个实施例中，请参见图14，在提供透明基,3的同时，在透明基板3上设置金属电路4。

然后，将所述vcsel芯片1绑定在所述透明基板3上，通过第一导电结构使得所述vcsel芯片1与所述金属电路4电性连接；本实施例中第一导电结构采用导电膏的形式，在本发明的其他实施例中，第一导电结构还可以是导线等电性连接的结构。

s105：将所述透明基板安装在所述有机基板的第二表面，且覆盖所述通孔。

请参见图15，将所述透明基板3固定在有机基板6的第二表面62上，且覆盖通孔t。在将透明基板3固定在有机基板6上后，通过导电膏将透明基板上的金属电路4与所述有机基板6上的第二互联电路8电性连接。在本发明的其他实施例中还可以通过焊点5将透明基板3上的金属电路4与有机基板6内的第二互联电路8电性连接，本发明实施例中对此不做限定。

需要说明的是，在本发明的另一个实施例中，vcsel芯片1还可以设置在有机基板6的第二表面62上，而不设置在透明基板3上，此时提供的透明基板3仅仅为封装基板，其上面不设置金属电路。

请参见图16，将vcsel芯片1设置在有机基板6的第二表面62上，并通过第二导电结构10电性连接至第二互联电路8上。本实施例中第二导电结构10为导线，在本发明的其他实施例中，第二导电结构还可以为导电膏或焊点等结构，本实施例中对此不做限定。

最后，再请参见图17，将起到封装作用的透明基板3固定在有机基板6的第二表面，并覆盖通孔t，从而将mems芯片2上的振镜封装在有机基板6和mems芯片2、以及透明渐变3形成的空腔内。

本发明实施例提供的激光芯片封装方法，能够得到上面实施例中所述的激光芯片封装结构，从而使得激光芯片和mems芯片的封装的集成度更高，体积减小。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括上述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。