基于光學(xué)灌封工藝的vcsel陣列封裝結(jié)構(gòu)及其高功率vcsel激光器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于光學(xué)灌封工藝的VCSEL陣列封裝結(jié)構(gòu)及其高功率VCSEL激光器。在該VCSEL陣列封裝結(jié)構(gòu)中，VCSEL陣列封裝在激光器熱沉上，并在VCSEL陣列的表面覆蓋有一層光學(xué)灌封膠，光學(xué)灌封膠完全覆蓋VCSEL陣列。本發(fā)明通過在VCSEL激光器的密封過程中引入灌封工藝，有效解決了VCSEL激光器的密封問題。并且，通過對(duì)光學(xué)灌封膠的形狀、種類進(jìn)行調(diào)整，結(jié)合不同的光學(xué)窗口，可以極大地減少VCSEL芯片和光學(xué)窗口之間的界面入射損耗，進(jìn)一步提高激光器的透過率。同時(shí)，高導(dǎo)熱性的光學(xué)灌封膠同時(shí)對(duì)光學(xué)窗口有一定的熱傳導(dǎo)和冷卻作用，避免光學(xué)窗口在高功率情況下的發(fā)熱。
【專利說明】基于光學(xué)灌封工藝的VCSEL陣列封裝結(jié)構(gòu)及其高功率
VCSEL激光器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于光學(xué)灌封工藝的VCSEL陣列封裝結(jié)構(gòu)，同時(shí)涉及一種使用該封裝結(jié)構(gòu)的高功率VCSEL激光器，屬于半導(dǎo)體激光器【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]在半導(dǎo)體激光器領(lǐng)域，根據(jù)發(fā)光方向與激光芯片所在外延片平面的關(guān)系，激光器可劃分為垂直腔面發(fā)射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser,簡(jiǎn)稱VCSEL)與邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器(Edge Emitting Laser D1de)兩類。
[0003]其中，垂直腔面發(fā)射激光器是一種出光方向垂直于外延片的半導(dǎo)體激光器，垂直腔面發(fā)射激光器的結(jié)構(gòu)可參見圖1所示的示意圖。高功率VCSEL激光器是由成百上千個(gè)沿著外延片表面分布的VCSEL發(fā)光點(diǎn)構(gòu)成的二維陣列，因而具有很高的光學(xué)輸出功率。這種高功率VCSEL激光器有著諸多優(yōu)異的特性，包括極高的可靠性、高溫工作穩(wěn)定性、光學(xué)均勻分布、波長(zhǎng)溫漂小等，從而正在逐漸成為未來高功率半導(dǎo)體激光器發(fā)展的重要方向。
[0004]現(xiàn)有技術(shù)中，VCSEL陣列的封裝結(jié)構(gòu)如圖2所示，通常將單個(gè)VCSEL芯片直接焊接于一個(gè)具有高導(dǎo)熱率的散熱襯底上，然后將散熱襯底的下表面焊接在熱沉上，散熱襯底具有良好的導(dǎo)熱性，并通過熱沉將VCSEL的熱量及時(shí)散發(fā)出去，實(shí)現(xiàn)VCSEL的散熱冷卻。
[0005]在VCSEL的實(shí)際應(yīng)用中，為了避免VCSEL芯片表面受到凝露、濕度、灰塵等影響，一般需要將VCSEL激光器做一定的密封處理，并通過光學(xué)窗口進(jìn)行輸出和應(yīng)用。常規(guī)的方法，一般使用O型圈或者密封膠，將光學(xué)窗口、包覆殼體、VCSEL激光器芯片以及激光器熱沉之間的縫隙進(jìn)行密封，進(jìn)而將VCSEL芯片前的空隙與外部空氣隔離開來。這種密封方法，往往非常復(fù)雜繁瑣且影響整體的外觀結(jié)構(gòu)。為此，需要提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、隔離效果好的VCSEL陣列的封裝結(jié)構(gòu)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明所要解決的首要技術(shù)問題在于提供一種基于光學(xué)灌封工藝的VCSEL陣列封裝結(jié)構(gòu)。
[0007]本發(fā)明所要解決的另一技術(shù)問題在于提供一種使用上述封裝結(jié)構(gòu)的高功率VCSEL激光器。
[0008]為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案:
[0009]一種基于光學(xué)灌封工藝的VCSEL陣列封裝結(jié)構(gòu)，包括VCSEL陣列和激光器熱沉，VCSEL陣列封裝在激光器熱沉上，在所述VCSEL陣列的表面覆蓋有一層光學(xué)灌封膠，并且，所述光學(xué)灌封膠完全覆蓋所述VCSEL陣列。
[0010]其中較優(yōu)地，所述光學(xué)灌封膠為軟體膠或硬質(zhì)膠。
[0011]其中較優(yōu)地，所述光學(xué)灌封膠中添加有用于實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換的熒光粉。
[0012]其中較優(yōu)地，所述光學(xué)灌封膠固化形成光學(xué)窗口。
[0013]其中較優(yōu)地，所述光學(xué)灌封膠固化形成錐形的梯臺(tái)。
[0014]其中較優(yōu)地，所述光學(xué)灌封膠填充在所述VCSEL陣列和設(shè)置在所述VCSEL陣列前方的光學(xué)窗口之間的縫隙中。
[0015]一種高功率VCSEL激光器，包括上述VCSEL陣列封裝結(jié)構(gòu)。
[0016]其中較優(yōu)地，在所述VCSEL陣列的出光面前方設(shè)置有光學(xué)窗口，所述光學(xué)窗口通過包覆殼體固定在所述散熱器熱沉上，并且，在所述激光器熱沉、所述包裹殼體和所述光學(xué)窗口構(gòu)成的縫隙內(nèi)填充有光學(xué)灌封膠。
[0017]其中較優(yōu)地，所述光學(xué)窗口是平面光窗、光學(xué)透鏡、光學(xué)棱鏡或?qū)Ч忮F中的任意一種。
[0018]其中較優(yōu)地，所述光學(xué)窗口的出射面鍍有增透膜。
[0019]本發(fā)明提供的VCSEL陣列封裝結(jié)構(gòu)，在VCSEL的密封過程中首次引入了光學(xué)灌封膠，用于覆蓋VCSEL芯片的表面，實(shí)現(xiàn)了 VCSEL激光器的防潮、防水、防塵等效果。同時(shí)，固化后的光學(xué)灌封膠可以通過模具形成任意幾何形狀，對(duì)VCSEL出射的激光光束進(jìn)行光學(xué)整形。另外，光學(xué)灌封膠中也可以添加用于實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換的熒光粉，實(shí)現(xiàn)高亮度的、不同波長(zhǎng)甚至混合波長(zhǎng)(如白光等)的光學(xué)輸出。經(jīng)過灌封的高功率VCSEL激光器，在惡劣的環(huán)境下?lián)碛懈叩目煽啃?，因而更適合實(shí)際應(yīng)用。
[0020]同時(shí)，本發(fā)明提供了使用上述封裝結(jié)構(gòu)的高功率VCSEL激光器，通過使用光學(xué)灌封膠填充VCSEL芯片和光學(xué)窗口之間的空隙，實(shí)現(xiàn)了 VCSEL激光器的防潮、防水、防塵，并通過光學(xué)灌封膠與光學(xué)輸出窗口的折射率匹配，極大地減少了 VCSEL芯片和光學(xué)窗口之間的界面入射損耗，并進(jìn)一步提高了激光器的透過率。而且，高導(dǎo)熱性的光學(xué)灌封膠同時(shí)對(duì)光學(xué)窗口有一定的熱傳導(dǎo)和冷卻作用，避免光學(xué)窗口在高功率情況下的發(fā)熱。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1是垂直腔面發(fā)射激光器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖2是現(xiàn)有技術(shù)中單個(gè)VCSEL芯片的封裝結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖3是光學(xué)灌封VCSEL激光器的封裝結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖4是光學(xué)灌封的高功率VCSEL激光器的結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)具體的說明。
[0026]如圖3所示，本發(fā)明提供的VCSEL陣列封裝結(jié)構(gòu)包括VCSEL陣列1、襯底2和激光器熱沉3，其中VCSEL陣列I通過襯底2封裝在激光器熱沉3上。具體地說，VCSEL芯片直接焊接于襯底2的上表面上，然后將襯底2的下表面焊接在激光器熱沉3上。襯底2具有良好的導(dǎo)熱性，通過襯底2和激光器熱沉3可以將VCSEL陣列I的熱量及時(shí)傳導(dǎo)出去，實(shí)現(xiàn)VCSEL陣列I的散熱冷卻。
[0027]在本發(fā)明提供的封裝結(jié)構(gòu)中首次引入了光學(xué)灌封膠4，通過在VCSEL陣列I的表面直接覆蓋、灌封和固化一層光學(xué)灌封膠4，滿足VCSEL激光器的氣密性要求。光學(xué)灌封膠4完全覆蓋VCSEL陣列1，并在整個(gè)激光器熱沉3的表面鋪展開來，從而使VCSEL激光器芯片完全浸沒在密封膠體之中，實(shí)現(xiàn)了良好的氣密性。這種VCSEL陣列封裝結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的防水、防潮、防塵功能，可以適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境，如高溫80攝氏度以上、相對(duì)濕度100%的環(huán)境，甚至在水下都可以正常工作；這種封裝結(jié)構(gòu)能夠有效保護(hù)VCSEL芯片，避免環(huán)境破壞，具有極高的可靠性。本發(fā)明所提供的封裝結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小巧、成本低廉，并且所使用的光學(xué)灌封工藝也極其簡(jiǎn)單，易于實(shí)施。
[0028]光學(xué)灌封膠4可以直接自然覆蓋VCSEL陣列1，形成光滑的外表面；也可以通過外部模具灌封和固化，形成具有規(guī)則的任意幾何形狀的光學(xué)窗口，用于對(duì)VCSEL芯片出射的激光光束進(jìn)行光學(xué)整形。例如可以將光學(xué)灌封膠4固化成錐形的梯臺(tái)，使其同時(shí)作為光學(xué)窗口使用；當(dāng)將光學(xué)灌封膠4固化后形成具有規(guī)則幾何形狀的光學(xué)窗口使用時(shí)，節(jié)省了VCSEL激光器的外部光學(xué)器件，便于VCSEL出射光束的光學(xué)整形。此外，光學(xué)灌封膠4也可以配合其他VCSEL輸出的光學(xué)窗口進(jìn)行使用，即使用光學(xué)灌封膠4直接填充VCSEL芯片和光學(xué)窗口之間的空隙，對(duì)VCSEL進(jìn)行密封，本發(fā)明提供了一個(gè)實(shí)施例對(duì)此進(jìn)行說明，詳細(xì)內(nèi)容參見下文。
[0029]在實(shí)際使用中，光學(xué)灌封膠可以根據(jù)具體的應(yīng)用需要選用不同的軟體膠或硬質(zhì)膠。光學(xué)灌封膠中還可以添加不同的用于實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換的熒光粉，實(shí)現(xiàn)高亮度的、不同波長(zhǎng)甚至混合波長(zhǎng)(如白光等)的光學(xué)輸出，從而豐富VCSEL在商業(yè)照明領(lǐng)域的擴(kuò)展應(yīng)用。
[0030]本發(fā)明灌封所用的光學(xué)灌封膠4具有高導(dǎo)熱性、高透過率、高耐溫性，可以適應(yīng)VCSEL的高功率光學(xué)輸出功率和高溫工作特性。在VCSEL陣列工作的過程中，光學(xué)灌封膠4的熱量可以通過VCSEL表面、襯底2和激光器熱沉3進(jìn)行傳導(dǎo)冷卻，因而不至于燒毀，可以滿足散熱方面的要求。
[0031]下面對(duì)使用上述封裝結(jié)構(gòu)的高功率VCSEL激光器的一個(gè)實(shí)施例進(jìn)行介紹。如圖4所示，在該高功率VCSEL激光器中，包括VCSEL陣列1、襯底2、激光器熱沉3。其中，VCSEL陣列I通過襯底2安裝在激光器熱沉3上，在VCSEL陣列I的出光面前方設(shè)置有光學(xué)窗口6,光學(xué)窗口 6通過包覆殼體5固定在散熱器熱沉3上,從而在激光器熱沉3,光學(xué)窗口 6和包裹殼體5之間形成一個(gè)縫隙，為了實(shí)現(xiàn)VCSEL陣列I的密封，在該縫隙中填充有具有高導(dǎo)熱性、高透過率、高耐溫性的光學(xué)灌封膠4，VCSEL芯片完全浸沒在密封膠體之中，實(shí)現(xiàn)了良好的氣密性，具有防水、防潮、防塵的功效。
[0032]這種光學(xué)灌封結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了激光芯片到光學(xué)窗口 6的直接入射匹配，不再有空氣的介入。而且，當(dāng)光學(xué)灌封膠4采用折射率與光學(xué)窗口 6接近的材料時(shí)，可以極大地減少VCSEL芯片和光學(xué)窗口 6之間的界面入射損耗，進(jìn)一步提高激光器的透過率。通過在光學(xué)窗口 6的出射面鍍有增透膜，可以進(jìn)一步減少光學(xué)出射的界面損耗。實(shí)際使用中，光學(xué)窗口 6可以選用平面光窗、光學(xué)透鏡、也可以選用特定類型的光學(xué)棱鏡、光錐等，以配合光束的光學(xué)整形。
[0033]此外，由于光學(xué)灌封膠4是具有高導(dǎo)熱性、高透過率和高耐溫性的材料，光學(xué)灌封膠即是灌封介質(zhì)，也是光學(xué)傳導(dǎo)介質(zhì)和導(dǎo)熱介質(zhì)；光學(xué)灌封膠4同時(shí)對(duì)光學(xué)窗口 6有一定的熱傳導(dǎo)和冷卻作用，避免光學(xué)窗口 6在高功率情況下的發(fā)熱，以適應(yīng)VCSEL的高功率光學(xué)輸出功率和高溫工作特性。為了增強(qiáng)高功率VCSEL激光器的散熱，在激光器熱沉3中設(shè)置有微冷卻通道7，用于通水冷卻。
[0034]綜上所述，本發(fā)明在高功率VCSEL的封裝中首次引入了光學(xué)灌封膠，有效地解決了 VCSEL激光器的密封問題。使用光學(xué)灌封膠密封VCSEL陣列，可以實(shí)現(xiàn)VCSEL激光器的防潮、防水、防塵；從而使VCSEL激光器可以適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境，如高溫80攝氏度以上、相對(duì)濕度100%的環(huán)境，甚至在水下工作；這種封裝結(jié)構(gòu)能夠有效保護(hù)VCSEL芯片，避免環(huán)境破壞，具有極聞的可罪性。
[0035]本發(fā)明提供的使用上述封裝結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器，通過使用光學(xué)灌封膠填充VCSEL芯片和光學(xué)窗口之間的空隙，可以實(shí)現(xiàn)激光芯片到光學(xué)窗口的直接入射匹配，不再有空氣的介入，同時(shí)實(shí)現(xiàn)VCSEL激光器的防潮、防水、防塵，并通過光學(xué)灌封膠與光學(xué)輸出窗口的折射率匹配，可以極大地減少VCSEL芯片和光學(xué)窗口之間的界面入射損耗，進(jìn)一步提高激光器的透過率。
[0036]以上對(duì)本發(fā)明所提供的基于光學(xué)灌封工藝的VCSEL陣列封裝結(jié)構(gòu)及其高功率VCSEL激光器進(jìn)行了詳細(xì)的說明。對(duì)本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員而言，在不背離本發(fā)明實(shí)質(zhì)精神的前提下對(duì)它所做的任何顯而易見的改動(dòng)，都將構(gòu)成對(duì)本發(fā)明專利權(quán)的侵犯，將承擔(dān)相應(yīng)的法律責(zé)任。
【權(quán)利要求】
1.一種基于光學(xué)灌封工藝的VCSEL陣列封裝結(jié)構(gòu)，包括VCSEL陣列和激光器熱沉，VCSEL陣列封裝在激光器熱沉上，其特征在于: 在所述VCSEL陣列的表面覆蓋有一層光學(xué)灌封膠，并且，所述光學(xué)灌封膠完全覆蓋所述VCSEL陣列。
2.如權(quán)利要求1所述的VCSEL陣列封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于: 所述光學(xué)灌封膠為軟體膠或硬質(zhì)膠。
3.如權(quán)利要求1所述的VCSEL陣列封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于: 所述光學(xué)灌封膠中添加有用于實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換的熒光粉。
4.如權(quán)利要求1所述的VCSEL陣列封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于: 所述光學(xué)灌封膠固化形成光學(xué)窗口。
5.如權(quán)利要求4所述的VCSEL陣列封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于: 所述光學(xué)灌封膠固化形成錐形的梯臺(tái)。
6.如權(quán)利要求1所述的VCSEL陣列封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于: 所述光學(xué)灌封膠填充在所述VCSEL陣列和設(shè)置在所述VCSEL陣列前方的光學(xué)窗口之間的縫隙中。
7.一種高功率VCSEL激光器，其特征在于包括如權(quán)利要求1所述的VCSEL陣列封裝結(jié)構(gòu)。
8.如權(quán)利要求7所述的高功率VCSEL激光器，其特征在于: 在所述VCSEL陣列的出光面前方設(shè)置有光學(xué)窗口，所述光學(xué)窗口通過包覆殼體固定在所述散熱器熱沉上，并且，在所述激光器熱沉、所述包裹殼體和所述光學(xué)窗口構(gòu)成的縫隙內(nèi)填充有光學(xué)灌封膠。
9.如權(quán)利要求7或8所述的高功率VCSEL激光器，其特征在于: 所述光學(xué)窗口是平面光窗、光學(xué)透鏡、光學(xué)棱鏡或?qū)Ч忮F中的任意一種。
10.如權(quán)利要求9所述的高功率VCSEL激光器，其特征在于: 所述光學(xué)窗口的出射面鍍有增透膜。
【文檔編號(hào)】H01S5/022GK104362510SQ201410643997
【公開日】2015年2月18日 申請(qǐng)日期:2014年11月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月10日
【發(fā)明者】李陽, 李德龍 申請(qǐng)人:李德龍