一种激光器封装结构的制作方法

本实用新型涉及激光器领域，特别涉及一种高功率激光器的封装结构。

背景技术：

由于半导体激光器（LD）有着单色性好、体积小、寿命长、高功率密度和高速工作的优异特点，半导体激光器在激光测距、激光雷达、激光通信、激光模拟武器、自动控制、检测仪器甚至医疗美容等方面已经获得了广泛的应用，形成了广阔的市场。

技术实现要素：

在激光器应用向大功率发展的趋势下，我们提出一种高功率激光应用的封装结构。

一种激光器封装结构，包括支架，具有碗杯结构；激光芯片，安装于该支架的碗杯内，可发射一第一激光光束；光学元件，安装于该支架的碗杯内，具有倾斜的反射面及平台结构，该平台的尺寸为0.5 mm×0.5mm以上，供封装制程中吸嘴拾取元件使用。

在一些实施例中，所述碗杯设有台阶，所述激光芯片安装于该台阶的高处，所述光学元件安装于台阶的低处。优选的，所述台阶的高低差为0.1~0.5mm。

在一些实施例中，所述支架包含位于该支架正面的正面电路层、位于该支架背面的背面电路层及位于该支架内部的内部电路层，所述内部电路层具有复数个电路连接单元，每个电路连接单元具有第一连接通孔和第二连接通孔，其中第一连接通孔连接至所述正面电路层，第二连接通孔连接至背面电路层。

优选地，所述正面电路层包含两个以上的器件安装单元，该安装单元包括相互隔离的第一区域、第二区域；至少两个以上的激光芯片，分别安装于该支架的正面电路层的各个安装单元的第一区域。

优选的，所述内部电路层包含第一电路连接单元和第二电路连接单元，其中第一电路连接单元与所述正面电路层的第一区域形成电性连接，第二电路连接单元与所述正面电路层的第二区域形成电路连接。

优选的，所述正面电路层的一个安装单元对应于所述内部电路层的一个第一电路连接单元和一个第二电路连接单元。

优选的，所述第二连接通孔位于所述支架的边缘区域。

优选的，所述内部电路层的各个电路连接单元位于所述光学元件对应的位置的外周。

在一些实施例中，还包括一盖板，设置在支架的顶部，用于密封该支架碗杯内的元件。

在一些实施例中，该盖板包含波长转换层，其热导率大于10W/m•K。

在一些实施例中，该盖板包含金属框架和波长转换层，该金属框架设于支架的顶部，该波长转换层通过该金属框架固定。所述内部电路层包含四个以上的电路连接单元。

本实用新型的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。此外，附图数据是描述概要，不是按比例绘制。

图1是一个剖面示意图，说明本实用新型的第一实施例。

图2是一个示意图，说明在本实用新型第一实施例的支架上固焊芯片后的正面图。

图3是一个示意图，说明本实用新型第一实施例的内部电路层分布。

图4是一个示意图，本实用新型第一实施例的背面电路层分布。

图5是一个截面显示图，说明本实用新型实施例的封装体与PCB基板连接的结构。

图6是一个正视图，说明本实用新型第二实施例的封装结构。

图7是一个示意图，说明本实用新型第二实施例的背面电路层分布。

图8是一个示意图，本实用新型第二实施例的内部电路层分布。

图9是一个正视图，说明本实用新型第三实施例的封装结构。

图10是一个示意图，本实用新型第三实施例的内部电路层分布。

图11是一个正视图，说明本实用新型第四实施例的封装结构。

图12是一个示意图，本实用新型第四实施例的内部电路层分布。

图13是一个剖面示意图，说明本实用新型的第五实施例。

图14是一个正视图，说明图13所示的封装结构的波长转换层。

图15是一个正视图，说明图13所示的封装结构的另一种波长转换层结构。

图16是一个剖面示意图，说明本实用新型的第五实施例的一个变形。

图17是一个剖面示意图，说明本实用新型的第六实施例。

图18是一个示意图，说明应用本实用新型的封装结构的光源模组。

其中，附图标记说明如下：

100：PCB电路板；110：PCB电路板的基体；111：散热凸台；121：焊接层；122：电路层；123：阻焊漆；124：绝缘层；210：支架；210A~210D：支架的边缘；211：支架的底部；2111：支架底部的低部；2112：支架底部的高部；212：支架的侧部；213：腔体；220：激光芯片；220A：激光芯片出光端面；230：光学元件；231：反射面；232：光学元件顶面；240：盖板；241：金属框架；242：波长转换；260：支架正面的安装单元；261：第一区域；262：第二区域；263：第三区域；270：内部电层层；271、273、275、277：第一电路连接单元；2711：第一电路连接单元的起始端部；2712：第一电路连接单元的延伸部； 272、274、276、278：第二电路连接单元；2721：第二电路连接单元的起始端部；2722：第发给电路连接单元的延伸部；300：应用光源模组；310：激光光源封装；320：模组透镜；330：照明区域范围；A1、A2、C1：第一通孔；B1、B2：第二通孔。

具体实施方式

下面结合示意图对本实用新型的激光器封装结构进行详细的描述，在进一步介绍本实用新型之前，应当理解，由于可以对特定的实施例进行改造，因此，本实用新型并不限于下述的特定实施例。还应当理解，由于本实用新型的范围只由所附权利要求限定，因此所采用的实施例只是介绍性的，而不是限制性的。

下面各实施例公开了一种包含多个激光芯片的封装体结构，该封装体包括支架和安装于该支架上的激光芯片。进一步地，该支架包含位于该支架正面的正面电路层、位于该支架背面的背面电路层及位于该支架内部的内部电路层，其中正面电路层包含两个以上的器件安装单元，该安装单元包括相互隔离的第一区域、第二区域，内部电路层具有复数个电路连接单元，每个电路连接单元具有第一连接通孔和第二连接通孔，其中第一连接通孔连接至所述正面电路层，第二连接通孔连接至所述背面电路层，两个以上的激光芯片，分别安装于该支架的正面电路层的各个安装单元的第一区域。

实施例1

如图1所示，本实施例公开一种激光器封装体，其包括支架210、激光芯片220、光学元件230和盖板240。

其中，支架210采用碗杯支架，由底部211和侧部212构成，并构建一个腔体213。在本实施例中， 较佳的，底部211呈台阶状，分为高部2111和低部2112、。在本实施例中支架210优选采用陶瓷支架，例如Al2O3、AlN等材质，其上设有电路。激光芯片220水平放置于210的底部表面上，较佳的直接设置在底部的高部表面2111，光学元件230设置在支架底部的低部2112表面上。

在本实施例中，封装体可以使用高热导率的陶瓷基板作为支架210，支架设置有碗杯和多层平台结构，平台高度差D优选为0.1~0.5mm，例如可以为0.1~0.3mm 。LD芯片220水平放置于较高平台上，光学元件230（带有高反斜面231）放置于较低平台，对LD芯片220发出的水平方向光反射后转换成垂直方向的光出射，提升法向出光效率的同时利于器件的光学设计。较佳的，LD芯片220的出光端面220A至少与支架台阶竖直面2113平齐，更佳的，LD芯片的出光端面220A凸出于台阶，防止发散的出射光束照射到支架的固晶平台上。

在一个较佳的实施样态中，光学元件230优选具有一个倾斜的侧面231和一个顶面232，上表面232具有一个供封装制程中吸嘴拾取元件使用的平台，优选的此平台面积大于0.5×0.5mm²。进一步的，在光学元件230的侧面231制作高反射率镀层形成反射面，材料可以为Ag、Al、Au等金属反射层，或者SiO2、TiO2、MgF2、Al2O3等氧化物介质膜反射层。反射面数量可以是若干个，不同反射面的形状或者角度可以不同。在多个反射镜情况下，可根据不同应用需求，调整反射面角度而控制多颗芯片出光光斑的交叠程度，实现不同发光角的光源。

盖板240设置在支架210的顶部214，用于密封支架碗杯内的所有元件。盖板240与支架的碗杯之间可以采用硅胶或者Au-Sn共晶的方式使封装体密封。盖板240材料可以是透明的玻璃、石英、蓝宝石、透明陶瓷等，还可以根据不同光色需求采用波长转换块体材料。应该说明的，并不局限于采用盖板进行密封支架上的各个元件，一些实施例也可将硅胶填充于支架210上覆盖住所有元件，以保护支架210上的所有元件。

优选地，该支架210包括了正面的电路层、背面电路层280及铺设于支架内部的内部电路层270，图2显示了在支架210上固焊LD芯片220后的正面图，图3显示了内部电路层270的分布图，如图4显示了支架的背面电路层280的分布图。下面结合附图2-4对正面电路层、内部电路层和背面电路层之间的连接关系进行详细。

如图2所示，支架210的正面结构具有四个边缘210A~210D，正面中间C区块用于放置光学元件230，外周围区域为元件安装区域，其划分为两个以上的安装单元260，该安装单元包括第一区域261、第二区域262和第三区域263，该三个区域彼此隔离，表面涂布有导电材料，其中第一区域261和第三区域263作为第一电极区块，第二区域262作为第二电极区块。如图3所示，该内部电路层270包括一系列的电路连接单元271~274，每个电路连接单元包括了一个位于支架210边缘的端部、向支架的内部延伸的延伸部、位于延伸部的第一通孔A1/A2/C2（图示用黑色填充的圆圈示意）及位于该端部的第二通孔B1/B2（图示用白色填充的圆圈示意），其中第一通孔A1/A2/C2与正面电极区块连接，第二通孔B1/B2与背面电极区块281连接。进一步的，电路连接单元可以分为第一电路连接单元271/273和第二电路连接单元272/274，正面的一个安装单元260对应于中间电路层270的一个第一电路连接单元271和一个第二电路连接单元272。在本实施例中271和273为第一电路连接单元，包括两组第一通孔（A1、C1）、一组第二通孔B1，其中A1连接至正面的第一区域261，C1连接至正面的第三区域263，B1连接至背面的电极区块281；272和274为第二电路连接单元，包括一组第一通孔A2和一组第二通孔B2，其中A2连接至正面的第二区域262，B2连接至背面的电极区块281，从而实现了正、背面电极区块连接。优选的，每个电路连接单元具有位于支架210的一个边缘的起始端部和一个朝向支架的另一个边缘延伸的延伸部，其中第一通孔A1、A2、C1位于延伸部上，第二通孔B1、B2位于起始端部上，如此可以将背面电极区块281均设置于支架210的边缘区域，如图4所示，方便在中间区域P3设置散热电极282。进一步的，在第一电路连接单元中，通孔A1相较于通孔C1，更靠近第二通孔设置，例如通孔C1可设置在延伸部之远离的位置。具体的，第一电路连接单元271的端部2711位于支架210的边缘210A，延伸部2712朝向支架的边缘210C的方向延伸，通孔B1位端部2711，通孔A1位于延伸部2712之靠近端部的位置，通孔C1位于延伸部2712的尾端；第二电路连接单元272的端部2721位于支架210的边缘210C，延伸部2722朝向支架的边缘210A的方向延伸，通孔B2位端部2721，通孔A2位于延伸部2712的尾端。第一电路连接单元271和第二电路连接单元272位于支架的左侧区域，构成第一组电路连接单元，对应于正面电路层的左侧安装单元260，第一电路连接单元273和第二电路连接单元274位于支架的右侧区域，构成第二组电路连接单元，对应于正面电路层的右侧安装单元。

在本实施例中，在支架210的正面A、B和A’区块构成第一个安装单元260，D、E和D’构成第二个安装单元，其中A和D区块为第一区域，分别放置一颗LD芯片220，通过引线221连接至第二区域B/E，A’、D’区块为第三区域，分别放置一个ESD保护元件250，通过引线251连接至第二区域B/E，正面中间C区块放置光学元件230，电极区块A-A’、D-D’通过内部电路层连通，正、背面电极区块连接如下：A/A’与P5连接，B与P2连接，D/D’与P4连接，E与P1连接。光学元件230可以是具有高反斜面的反射元件或者棱镜元件，将LD芯片220的水平方向出射光转换成竖直方向。

在本实施例的封装体结构中，通过对支架的电路结构设计，可在封装体内进行单颗或者多颗芯片（均配置ESD保护元件）封装，且多颗芯片封装可根据需求独立控制其开关，实现亮度可调。

进一步地，在支架210的背面P3区块可以设置散热区块282，实现热电分离，其中背面电极区块通过内部中间层铺设的线路、通孔和正面电极区块连接，背面中间散热区块P3与后端PCB电路板或热沉金属基体直接连接，如图5所示，利于封装体快速散热。

进一步地，在一个具体的实施样态中，该盖板240可以为波长转换材料，例如可以采用玻璃荧光片，陶瓷荧光片，单晶荧光片等，此材料热导率大于10W/m·K。优选的，经过波长转换材料后发光角小于90°，并且法向的光强度最大。由于波长转换过程中存在斯托克斯位移现象和波长转换材料效率的因素会产生一定热量，高热导率的碗杯壁212同时可作为波长转换材料的散热通道，将波长转换过程产生的热量导出。较佳的，该盖板240与支架210之间采用高导热的结合方式，以实现良好的散热，其方式包含SAB（Surface Activated Bonding）、ADB(Atomic Diffusion Bonding)等方式，该盖板240与支架210之间还可采用高导热率的透明材料粘结，其导热率为1W/(m•K)以上为佳。

实施例2

图6~8显示了本实用新型的第二个实施例。其中图6显示了在支架210上固焊LD芯片220后的正面图；背面电路层的分布如图7所示，内部电路层270分布如图8示。具体的，正面电路层中，A、B和A’区块为第一安装单元，C、D和C’区块为第二安装单元，H、J和H’区块为第三安装单元，F、G和F’区块为第四安装单元；内部电路层270具有八个电路连接单元，其中271、273、275和277为第一电路连接单元，272、274、276和278为第二电路连接单元。进一步地，271和272构成第一组电路连接单元，与A、B和A’区块连接，273和274构成第二组电路连接单元，与C、D和C’区块连接，275和276构成第三组电路连接单元，与H、J和H’区块连接，277和278构成第四组电路连接单元，与F、G和F’区块连接。

该封装体的支架210可放置四个LD芯片220，分别放置于A、C、F和H区块，ESD保护元件250放置于A’、C’、F’、H’区块，电极区块A-A’、C-C’、F-F’、H-H’在支架210内部通过电路层270连通。正、反面各电极区块连接如下：A/A’与P4连接，B与P3连接，C/C’与P1连接，D与P2连接，F/F’与P9连接，G与P8连接，H/H’与P6连接，J与P7连接。背面中间P5区块为散热区块；正面中间E区块放置光学元件230，对芯片的水平方向出射光转换成竖直方向传播。

实施例3

图9~10显示了本实用新型的第三个实施例。其中图9显示了在支架210上固焊LD芯片220后的正面图，内部电路层270分布如图10示，其中背面电路层的分布照参图7所示。

区别于第二个实施例，在本实施例中封装体结构的光学元件230沿碗杯的斜对角线放置，在碗杯的四个角落设置四个安装单元，每个安装单元包括第一区域261和第二区域262，其中LD芯片220安装于第一区域261上，并尽可能靠近碗杯的倾对角线或位于斜对角线上。该内部电路层270如图10所示，具有一系列位于支架的上、下边缘区域的电路连接单元，每个电路连接单元呈块状结构，其中第二通孔B1邻近支架的边缘，第一通孔A1位于第二通孔B1的内侧，正、背面电极区块的连接如下：A与P4连接，B与P3连接，C与P2连接，D与P1连接，F与P9连接，G与P8连接，H与P7连接，J与P6连接。

通过如此的电路设计，一方面可以在一定程度上减小封装体尺寸，另一方面简化了内部电路层，提高了器件的可靠性。

实施例4

图11~12显示了本实用新型的第四个实施例。其中图11显示了在支架210上固焊LD芯片220后的正面图，内部电路层270分布如图12示，其中背面电路层的分布照参图7所示。

本实施例中封装体结构的光学元件230同样沿碗杯的斜对角线放置，在碗杯的四个角落设置四个安装单元，与第三个实施例的区别在于支架210之正面电路层和内部电路层的分布不一样，每个安装单元包括第一区域261和第二区域262和第三区域263，其中LD芯片220安装于第一区域261上，并尽可能靠近碗杯的倾对角线或位于斜对角线上，ESD保护元件250位于第三区域263。该内部电路层270如图12所示，具有一系列第一电路连接单元271、273、275、277和第二第一电路连接单元272、274、276、278，其中第一电路连接单元271的通孔A1连接至正面电路层的第一区域261，通孔C1连接至正面电路层的第三区域263，通孔B1连接至背面电路层的电极区块281。优选的，通孔B1位于支架的边缘区域，通孔A1和C1位于通孔B1的内侧。在一个具体的实施样态中，该第一电路连接单元271包括：位于邻近支架边缘210C的起始端部2711、第一延伸部2712、连接部2713、第二延伸部2714和末端部2715，其中通孔B1位于起始端部2711，通孔A1位于连接部2713，通孔C1位于末端部2715。

在本实施例中，正、背面电极区块的连接如下：A/A’与P4连接，B与P3连接，C/C’与P1连接，D与P2连接，F/F’与P9连接，G与P8连接，H H’与P6连接，J与P7连接。在本实施例中，可以更大程度地减小封装体尺寸，或者在相同封装尺寸中兼容更大尺寸的LD芯片。

前面各实施例列举了几种不同的电路分布形式，应该理解的是，本实用新型并不局限于上述几种电路分布图案，可以根据具体的碗杯形状或者激光芯片的尺寸、数量等因素设计各电路层的图案，从而达到实际的应用需求。

实施例5

如图13所示，本实施例公开一种激光器封装体，其包括支架210、激光芯片220、光学元件230和盖板240。区别于第一个实施例1的是，本实施例的盖板240包含金属框架241和波长转换层242，该金属框架241形成开口并嵌入波长转换材料作为波长转换层242，金属框架240的开口可根据光斑形状设置成一个或者多个窗口结构，如图14和15所示。

在本实施例中，仅在盖板240对应于光学元件230的位置形成出光区，减小封装体的发光角，同时具有高热导率的金属框架241可以更容易导出波长转换层242产生的热量。

图16显示了实施例5的一个变形实施例。本实施例的波长转换层形成在金属框框架上，如此可以增加波长转换层242与金属框架241的接触面积，进一步提升波长转换层242的散热性能。

实施例6

如图17所示，本实施例公开一种激光器封装体，其包括支架210、激光芯片220、光学元件230和盖板240。区别于第一个实施例1的是，该封装体的光学元件230为带有高反斜面的棱镜，包含入射面232、反射面231和出射面233。在本实施例中，可以直接在入射面232或者出射面233上设置波长转称层。此时该光学元件优选由高透过、率高热导率材料精密加工制成，其热导率为5W/(m•K)以上为佳，透过率为80%@1mm以上为佳，材料可以是高导热玻璃、二氧化硅、蓝宝石、透明陶瓷等。

实施例7

图18简单显示了一个应用前述激光器封装体的光源模组。由于小角度光源更容易实现指定区域照射，小角度激光光源在高指向性照明或通信领域具有明显优势，如车头灯、工矿灯、捕鱼灯、航海灯、投影仪、激光电视、光通信等。特别地，如图18所示，在矩阵式光源模组300中，多颗激光光源310a、310b、310c等经过电路设计可独立控制其开关，光源出射光经过透镜320或反射镜（图中未画出）光学系统处理后；在可照射范围330a、330b、330c等区域内，实现在需要指定区域的照明。具体的，如车大灯应该用中，在近距离会车或遇到行人时，需要将对方行驶范围内的远光关闭，保证道路交通安全。本实施例提出的方案即可通过控制打开光源330b、330c，从而实现只在照明区域330b、330c中照明，既满足自身行车照明，又可避免对方受到强光照射带来的安全隐患。

应当理解的是，上述具体实施方案仅为本实用新型的部分优选实施例，以上实施例还可以进行各种组合、变形。本实用新型的范围不限于以上实施例，凡依本实用新型所做的任何变更，皆属本实用新型的保护范围之内。