一种垂直腔面发射激光器封装结构及封装方法与流程

本发明主要涉及气体检测，具体涉及一种垂直腔面发射激光器封装结构及封装方法。

背景技术：

1、随着科技的进步与发展，气体检测领域发展到可用光芯片发射激光穿过待测气体，检测激光发射前后的衰减来达到检测气体浓度的目的。传统的气体传感器包括催化燃烧、电化学等传感器，但这类传感器寿命低，不能长期的检测环境中气体的泄露，而激光检测气体传感器的出现解决了该问题，目前较为先进的激光检测方法为垂直腔表面发射激光器(vcsel)，但现有的垂直腔表面发射激光器(vcsel)的封装结构仍采用较为传统的带有热沉结构的半导体封装结构，因vcsel芯片的功耗本身较低，造成了一定的元器件冗余和散热效率的下降，同时元器件过多在批产阶段各个元器件进行对中时也会降低整体的封装效率。

2、具体地，传统的激光器在进行封装时，需要将vcsel芯片键合在热沉结构上面，再将热沉结构键合到tec的冷端，即芯片需要经过热沉结构与半导体制冷器相连接，该步工艺增加了热沉结构和一步共晶焊工序(vcsel芯片与热沉结构连接工序)，由于存在热沉结构，增加了芯片的热传递距离，降低了散热效率，同时vcsel芯片对中的要进行两步，一是芯片、热沉、tec均要在管壳的中心，元器件众多，增加了对中的难度。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单、散热效率高的垂直腔面发射激光器封装结构及封装方法。

2、为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

3、一种垂直腔面发射激光器封装结构，包括管壳、制冷器和vcsel芯片，所述制冷器贴装在所述管壳上，所述vcsel芯片直接键合在制冷器的冷端。

4、作为上述技术方案的进一步改进：

5、所述制冷器的冷端面设置有两个台面结构，分别为ntc台面和焊盘台面，所述焊盘台面上设有焊盘正极和焊盘负极，所述vcsel芯片与所述焊盘负极相连，所述ntc台面上设有热敏电阻。

6、所述焊盘台面为ni-pd-au膜层结构。

7、所述制冷器的热端与管壳中心区域上均设置有相对应的标识点。

8、所述制冷器的冷端设置有预制图形。

9、本发明还公开了一种如上所述的垂直腔面发射激光器封装结构的封装方法，包括步骤：

10、s1、在制冷器的冷端面上加工生成两个台面结构，分别为ntc台面和焊盘台面，在焊盘台面上进行镀膜工艺，形成焊盘；

11、s2、将制冷器的热端通过焊料片贴装到管壳中心区域；其中制冷器的热端热端面和管壳中心区域均设置有mark点，以通过贴片机的机器识别mark点来完成制冷器的快速贴装，然后进行回流焊接完成贴装；

12、s3、通过共晶焊工艺完成vcsel芯片和焊盘负极的焊接；

13、s4、通过金丝球焊工艺完成管柱和各个元器件的连接。

14、作为上述技术方案的进一步改进：

15、在步骤s1中，在形成焊盘的同时，在焊盘上形成焊极图案，并在步骤s3中，通过焊极图案完成vcsel芯片和焊盘负极的快速焊接。

16、在步骤s1中，其中镀膜结构为ni-pd-au膜层，总体厚度小于0.5μm。

17、与现有技术相比，本发明的优点在于：

18、本发明的垂直腔面发射激光器封装结构，由于vcsel芯片为垂直腔面结构，该结构能耗小，故直接将vcsel芯片键合在tec冷端，一方面减少了元器件需求(芯片与制冷器9中间无热沉结构)，使得整个封装结构更加简化，另一方面增加了芯片的散热效率，可以使得tec的制冷效率不用过高，降低了整体激光器的功耗。

19、本发明的垂直腔面发射激光器封装结构，在制冷器冷端的焊盘台面上设置有预制图形，制冷器热端与管壳中心区域上均设置有相对应的标识点，以供制冷器和芯片等在生产时贴装方便对位，简化对中键合难度，方便在批量生产过程中贴片机、共晶机、金丝键合机等设备的自动化贴装和键合。上述整体的封装结构设计使得工艺加工时易操作，也使得批量化的生产易实现。

技术特征：

1.一种垂直腔面发射激光器封装结构，其特征在于，包括管壳(8)、制冷器(9)和vcsel芯片(5)，所述制冷器(9)贴装在所述管壳(8)上，所述vcsel芯片(5)直接键合在制冷器(9)的冷端。

2.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器封装结构，其特征在于，所述制冷器(9)的冷端面设置有两个台面结构，分别为ntc台面(3)和焊盘台面(7)，所述焊盘台面(7)上设有焊盘正极(2)和焊盘负极(6)，所述vcsel芯片(5)与所述焊盘负极(6)相连，所述ntc台面(3)上设有热敏电阻(4)。

3.根据权利要求2所述的垂直腔面发射激光器封装结构，其特征在于，所述焊盘台面(7)为ni-pd-au膜层结构。

4.根据权利要求1或2或3所述的垂直腔面发射激光器封装结构，其特征在于，所述制冷器(9)的热端与管壳(8)中心区域上均设置有相对应的标识点。

5.根据权利要求1或2或3所述的垂直腔面发射激光器封装结构，其特征在于，所述制冷器(9)的冷端设置有预制图形。

6.一种如权利要求1-5中任意一项所述的垂直腔面发射激光器封装结构的封装方法，其特征在于，包括步骤：

7.根据权利要求6所述的封装方法，其特征在于，在步骤s1中，在形成焊盘的同时，在焊盘上形成焊极图案，并在步骤s3中，通过焊极图案完成vcsel芯片(5)和焊盘负极(6)的快速焊接。

8.根据权利要求7所述的封装方法，其特征在于，在步骤s1中，其中镀膜结构为ni-pd-au膜层，总体厚度小于0.5μm。

技术总结
本发明公开了一种垂直腔面发射激光器封装结构及封装方法，封装结构包括管壳、制冷器和VCSEL芯片，所述制冷器贴装在所述管壳上，所述VCSEL芯片直接键合在制冷器的冷端。本发明的垂直腔面发射激光器封装结构，由于VCSEL芯片为垂直腔面结构，该结构能耗小，故直接将VCSEL芯片键合在TEC冷端，一方面减少了元器件需求，使得整个封装结构更加简化，另一方面增加了芯片的散热效率，可以使得TEC的制冷效率不用过高，降低了整体激光器的功耗。

技术研发人员：张月鑫,张浩,何峰,杨晓生
受保护的技术使用者：中国电子科技集团公司第四十八研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/11