一种宽温低功耗集成光发射组件的制作方法

本发明涉及一种能工作在-40℃～85℃带热电制冷的光发射组件，主要应用于100g光模块中，本发明属于通信以及光电子领域。

背景技术：

随着4g进入规模商用阶段，未来的第五代移动通信(5g)已成为全球研发热点。从未来移动互联网和物联网主要应用场景、业务需求及挑战出发，5g的主要技术场景有四大特点：连续广域覆盖、热点高容量、低功耗大连接和低时延高可靠。其中低功耗大连接场景主要面向智慧城市、环境监测、智能农业、森林防火等以传感和数据采集为目标的应用场景，具有小数据包、低功耗、海量连接等特点。这类终端分布范围广、数量众多，不仅要求网络具备超千亿连接的支持能力，满足100g连接数密度指标要求，而且还要保证终端的超低功耗和超低成本，在这种大环境下，对满足宽温(-40℃～85℃)的发射组件有了大量的市场需求。

在现有技术的条件下，集成eml光发射组件的应用环境主要是-5℃～70℃，如图1、图2，不能满足在恶劣温度条件下的工作要求。造成不能够在宽温工作的主要原因有：由金丝热传导带来的被动热载太大；多个物料用焊料或胶粘接在一起，热阻较大，导致工作温度受限；tec单位面积制冷效率有限，使得器件不能够在宽温(-40℃～85℃)条件下工作。综上，一种能满足宽温低功耗集成光发射组件的应用前景十分广泛。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是克服现在技术的不足，提供一种宽温低功耗集成光发射组件。

一种宽温低功耗集成光发射组件，包括热敏感元件、tec、管壳，所述管壳上设置有引脚；所述tec包括由上至下依次排列的第二层冷面、第二层半导体制冷元件、第一层冷面、第一层半导体制冷元件、tec热面组成的双层制冷器单元，所述热敏感元件固定于tec的第二层冷面上，所述第一层冷面上设置有隔热体，该隔热体分别与第二层冷面、引脚连接，第一层半导体制冷元件通过电极与第二层半导体制冷元件连接。

进一步包括准直光学单元、合波组件、管壳、输出单元，热敏感元件、背光探测器、半导体激光器芯片、热敏电阻，所述背光探测器、半导体激光器芯片、热敏电阻固定于tec的第二层冷面上，所述半导体激光器芯片的发射光通过光学准直单元传输至合波组件。

所述隔热体采用隔热垫块，隔热垫块设置于第二层冷面上。

所述背光探测器、半导体激光器芯片、热敏电阻固定于第二层冷面上，第二层冷面一端连接到管壳，另一端连接过渡块上。

所述半导体激光器芯片安装在过渡块上，过渡块与第二层冷面固定。

所述隔热垫块采用导热系数低的材料。

所述光学准直单元设置于tec的第一层冷面上。

进一步包括光隔离器、汇聚光学组件、插针组件、管盖，所述合波光学元件固定在管壳底部，隔离器固定在管壳的光窗上；汇聚光学元件固定在管壳上，插针组件固定在汇聚光学元件上。

所述管壳采用具有高频传输线结构的管壳，壳体采用可伐材料，管壳底部采用钨铜，管壳上设置有蓝宝石密封光窗。

所述第二层冷面采用al2o3或者aln，该冷面设置有设计图案。

本发明装置具有如下优点：

1)本发明精确控制整个有源芯片的工作温度，并使其可以工作在-40℃～85℃宽温范围内；

2)本发明装置采用双层tec结构，相对现有同类器件封装结构，单位面积内制冷制热效率更高，功耗更低，可工作在更宽的温度范围；

3)本发明采用双层tec结构，减少了用于高度控制及导热的金属热沉，减少了器件的装配元件，工艺更简单。

4)本发明装置整个组件的结构被动热载跟传统结构相比有大幅下降；，热阻跟传统结构相比也大大降低。

5)器件集成度越高，本发明装置降低功耗的效果越明显。

6)本发明采用了用于隔热的过渡块，减少了金丝传导带来的被动热载。

附图说明

图1是现有技术一种带有单层tec以及单层热沉的光器件内部结构的部分横向剖视图；

图2是现有技术一种带有双层tec以及双层热沉的光器件内部结构的部分横向剖视图；

图3是本发明一种带有双层tec且不带钨铜热沉的光器件整体封装结构的横向剖视图；

图4是本发明一种带有双层tec且不带钨铜热沉的光器件整体封装结构的纵向剖视图；

图5是本发明一种带有双层tec且带钨铜热沉的光器件整体封装结构的横向剖视图；

图6是本发明一种带有双层tec且带钨铜热沉的光器件整体封装结构的纵向剖视图；

图7是本发明采用的双层tec结构；

图8是现有技术单层tec结构；

其中：

1、隔热垫块；2、钨铜热沉；

3、热敏电阻；4、背光探测器；

5、半导体激光器芯片；6、过渡块；

7、准直光学单元；8、制冷器；

9、合波组件；10、光隔离器；

11、汇聚光学组件；12、插针组件；

13、管壳；14、管盖；

15、金属热沉；16、第二层冷面；

17、第二层半导体制冷元件；18、第一层冷面；

19、第一层半导体制冷元件；20、tec热面；

具体实施方式

下面结合实例和附图对本发明的器件封装原理封装结构做详细说明。

本发明装置需要包含具备下述核心的功能单元：双层制冷器温控单元，该制冷器第一层和第二层有温度差。制冷器的第二层冷面采用氧化铝陶瓷或氮化铝陶瓷，直接在上层制冷器的冷面设计图案，放置芯片和高频电路，或放置表面贴装了芯片、背光探测器及表面包含高频电路的aln过渡块，以减少用于高度匹配及导热的金属热沉；在第二层制冷器的冷面上添加一个具有隔热功能的隔热垫块，用于减少金丝热传导带来的被动热载；这种结构减少了金属热沉，降低了组件的热容和热阻，又降低金丝传热导致的被动热载。双层tec温控单元使得有效面积内tec的用于热搬运的晶体数量得到增加，使组件具有更大的工作温度差，热容热阻和被动热载的减少也降低了整体组件的功耗。

实施例一：如图3、图4、图5、图6是本发明的光器件整体封装的剖视图。如图3、图4、图5、图6所示，本发明装置结构中，包括隔热垫块1、钨铜热沉2、热敏电阻3、背光探测器4、半导体激光器芯片5、过渡块6、准直光学单元7、制冷器8(tec)、合波组件9、光隔离器10、汇聚光学组件11、插针组件12、管壳13、管盖14,管壳13是指具有高频传输线结构的管壳，壳体采用可伐材料，管壳底部为钨铜，传输线结构为多层高温共烧陶瓷组成，管壳包含蓝宝石密封光窗；管盖14用热阻焊的方式固定到管壳13上，起到密封效果。制冷器8是采用双层结构的制冷器，该制冷器包括双层制冷器第二层冷面16、第二层半导体制冷元件17、第一层冷面18、第一层半导体制冷元件19、tec热面20。该制冷器通过焊料或环氧胶固定在管壳13上，本发明装置通过设计使双层tec在第一层冷面18和双层tec第二层冷面16通过自适应产生一定的温度差，通过调整第二半导体制冷元件17和第一半导体制冷元件19的数量，可调整tec的第二层冷面16和第一层冷面18的温度差。本发明采用的双层tec结构如图7所示。该温度差跟制冷器两层半导体制冷元件数量及面积相关，改变上下两层半导体制冷元件的数量和面积，可有效改变第一层冷面和第二层冷面的温度差。背光探测器4、半导体激光器芯片5、热敏电阻3通过焊料或环氧胶固定到tec8的第二层冷面16上，或者先用焊料或环氧胶固定到过渡热沉2上，在通过焊料或环氧胶固定到tec8的第二层冷面16上；隔热垫块1是具有隔热效果的垫块，该垫块采用具有隔热效果的材料制成，该垫块上包含高频传输线结构，跟管芯一起构成高频电路回路。隔热垫块1一端通过金丝连接到管壳13，另一段通过金丝连接到制冷器8的第二层冷面16上或连接到第一层冷面18上的钨铜热沉2上；光学准直单元7放置在制冷器8的第一层冷面18上；合波光学元件9固定在管壳13底部。隔离器10固定在管壳13密封光窗上；汇聚光学元件11固定在管壳13上，插针组件12固定在汇聚光学元件11上。本实施例中半导体激光器芯片5也可以安装在过渡块6上，过渡块6与第二层冷面16固定。

图4中隔热垫块1是导热系数较低材料的垫块，该垫块上有高频电路，装配到制冷器8的第一层冷面18上，该隔热垫块采用导热系数较低的材料，目的是防止热量从tec的第一冷面18通过金丝传导到过渡块6的表面或钨铜热沉2的表面，增加被动热载。该隔热垫块一端由金丝跟管壳相连，另一端跟tec第二层冷面16相连。本结构中，在环境温度高的情况下，金丝是热的良导体，金丝将管壳13上的热量传导到tec表面造成被动热载，有效的降低金丝两端的温度差，可有效的降低热载，本结构中，将隔热垫块1置于tec的第二层冷面上，第二层温度高于第一层，跟普通单层tec结构相比较，有效减少了金丝两端的温度差，有效的减少了器件的被动热载。这种自适应结构使上下两层tec表面产生温度差，下层tec上温度高于上层。本结构中，跟传统器件相比减少了金属热沉15，减少了热阻，达到降低功耗的效果。将准直光学单元7放置到制冷器8的第一层冷面18上，跟传统结构相比，本发明装置也大大降低了热容，有效降低器件的功效。

实施例二：

本发明实施例中，背光探测器4、半导体激光器芯片5通过一个钨铜热沉2安装到制冷器8的第一层冷面18上，半导体激光器芯片5工作时发出的热直接由上层tec泵到下层tec上。

本发明利用双层tec结构，将激光器芯片或安装了激光器芯片及背光探测器的aln过渡块直接放置在第一层tec上，跟传统的封装结构相比，本发明的优点在于：第一、利用第一层和第二层tec的高度差，直接去掉了用于高度控制及导热的金属钨铜热沉元件，减少了激光器组件的元件，省略了该元件的装配工艺，有利于提高组件的制作效率，同时也减少了组件的热容及热阻，大大降低组件的功耗。第二、本发明利用双层tec封装结构，将或其他具有隔热效果的材料的过渡块装配在tec的第二层，因tec第一层和第二层有温度自适应功能，tec第二层结构的温度高于第一层，该过渡块由金丝一端连接到管壳，另一端连接到tec第一层结构的芯片或安装芯片的过渡块。金丝是热的良导体，因tec第二层结构温度高于第一层，跟传统工艺相比，例如图8的单层tec结构。这种结构大大降低了由于金丝导热造成的被动热载，大大降低组件的整体功耗。集成度越高的器件，降低功耗的效果越明显。

虽然本发明已经详细示例并描述了相关的特定实施例做参考，但对本领域的技术人员来说，在阅读和理解了该说明书和附图后，在不背离本发明的思想和范围特别是上述装置实施的功能上，可以在装置形式和细节上作出各种改变。这些改变都将落入本发明的权利要求所要求的保护范围。