一种基于衬底散热的VCSEL阵列芯片封装结构的制作方法

一种基于衬底散热的vcsel阵列芯片封装结构
技术领域
[0001]
本发明涉及半导体激光芯片封装技术领域，具体涉及一种基于衬底散热的vcsel阵列芯片封装结构。


背景技术：

[0002]
与边发射半导体激光器相比，垂直腔面发射激光器(vcsel)具有体积小、光斑为圆形、阈值电流低、单纵模输出、耦合效率高、易实现二维列阵集成等优越性能，高功率vcsel广泛应用于激光打印、激光医疗、芯片光刻、焊接加工等领域。
[0003]
而由于gaas衬底对800nm波段光的吸收作用，使得这个范围内的vcsel激光器只能采取顶发射方式。顶发射vcsel阵列离热沉较远，散热能力较倒装底发射vcsel差，使用常规的散热装置很难起到良好的散热效果。


技术实现要素：

[0004]
针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种基于衬底散热的vcsel阵列芯片封装结构。
[0005]
本发明公开了一种基于衬底散热的vcsel阵列芯片封装结构，包括：自顶部至底部依次设置的顶发射vcsel阵列芯片、衬底层、焊料层和热沉；
[0006]
所述衬底层被刻蚀为片状结构，所述焊料层上设有过水结构，所述热沉上设有过水槽、进水口和至少一个出水口；所述片状结构、过水结构和过水槽构成了连续的水冷通道，所述水冷通道具有一个进水端和至少一个出水端；
[0007]
所述水冷通道的进水端与所述进水口相连、至少一个出水端与至少一个所述出水口对应相连。
[0008]
作为本发明的进一步改进，所述衬底层为散热片状衬底层，所述焊料层为可过水的多孔筛状结构，其构成的所述水冷通道为螺旋的连续的水冷通道。
[0009]
作为本发明的进一步改进，所述水冷通道为一个进水端、两个出水端，所述热沉上对应设有一个进水口和两个出水口。
[0010]
作为本发明的进一步改进，经所述进水口的水进入所述水冷通道内，流经至所述衬底层后进行分流，分成两个相对称的水冷支通道；其中，分流后的任一支流向下流入热沉、向上流入衬底层，循环至少一次后，从一个出水口处流出。
[0011]
作为本发明的进一步改进，所述热沉底部的中部位置设有一个所述进水口，底部两侧各设有一个所述出水口。
[0012]
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
[0013]
本发明使用水流散热系统代替传统的固体热沉散热片装置，将水冷和固体热沉相结合，弥补了传统的固体热沉散热片装置在工作一段时间后散热效果变差的缺陷，有效地改善了顶发射vcsel阵列芯片散热问题。
附图说明
[0014]
图1为本发明一种实施例公开的基于衬底散热的vcsel阵列芯片封装结构的示意图。
[0015]
图中：
[0016]
1、顶发射vcsel阵列芯片；2、衬底层；3、焊料层；4、热沉；5、水冷通道；6、入水口；7、出水口。
具体实施方式
[0017]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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的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。
[0018]
下面结合附图对本发明做进一步的详细描述：
[0019]
如图1所示，本发明提供一种基于衬底散热的vcsel阵列芯片封装结构，包括：自顶部至底部依次设置的顶发射vcsel阵列芯片1、衬底层2、焊料层3和热沉4；其中，
[0020]
本发明的顶发射vcsel阵列芯片1位于衬底层2的顶部，衬底层2的底部通过焊料层3焊接在热沉4上。如图1所示的截面图，本发明的衬底层2被刻蚀为片状结构，焊料层3上设有过水结构，热沉4上设有过水槽、进水口6和至少一个出水口7；片状结构、过水结构和过水槽构成了连续的水冷通道5，水冷通道5具有一个进水端和至少一个出水端；水冷通道5的进水端与进水口6相连、至少一个出水端与至少一个出水口7对应相连。
[0021]
具体的：
[0022]
本发明的衬底层2为散热片状衬底层，焊料层3为可过水的多孔筛状结构，其构成的水冷通道5为螺旋的连续的水冷通道。其中，水冷通道5为一个进水端、两个出水端，热沉4上对应设有一个进水口6和两个出水口7；且优选热沉4底部的中部位置设有一个进水口6，底部两侧各设有一个出水口7；水冷通道5与进水口6、出水口7、水源等构成整体的水冷系统。
[0023]
使用时，经进水口6的水进入水冷通道5内，流经至衬底层2后进行分流，分成两个相对称的水冷支通道；其中，分流后的任一支流向下流入热沉、向上流入衬底层，循环至少一次后，从一个出水口7处流出。
[0024]
本发明的制备方法为：
[0025]
步骤1、制备散热片状衬底层2；
[0026]
本发明的散热片状衬底层2通过光刻蚀工艺将衬底层刻蚀出排状连续的沟槽；其具体制备方法为：
[0027]
对gaas衬底进行清洗、脱水烘焙、用hmds在衬底顶面进行成膜处理；采用旋转涂覆的方法涂上液相正光刻胶材料；在90℃～100℃下进行软烘，之后在冷板上进行降温；将掩膜版与gaas衬底对准，并进行深紫外曝光；在100℃～110℃的热板上进行烘焙；将显影液旋转喷涂在光刻胶上，溶解光刻胶可溶的区域；在120℃～140℃下烘焙，挥发掉存留的光刻胶溶液；用干法刻蚀技术去除没有光刻胶覆盖区域的gaas材料；研磨gaas衬底中间区域，使其低于边缘区域。
[0028]
步骤2、制备热沉4；
[0029]
本发明的热沉4的结构可为3d打印形成，其通过控制3d打印激光扫描路径，制造具有能够与上述衬底层沟槽相对应的水流通道的热沉。
[0030]
步骤3、本发明制备出散热片状衬底层2和热沉4后，将衬底层2通过焊料焊接到热沉4上，并在焊料层3上打孔，使沟槽与水流通道相连；最后将顶发射vcsel阵列芯片1键合到衬底层2顶部。
[0031]
本发明的优点为：
[0032]
本发明提供的基于衬底散热的vcsel阵列芯片封装结构，使用水流散热系统代替传统的固体热沉散热片装置，将水冷和固体热沉相结合，弥补了传统的固体热沉散热片装置在工作一段时间后散热效果变差的缺陷，有效地改善了顶发射vcsel阵列芯片散热问题，并且设置对称结构的水冷系统，防止了横向温差的产生。
[0033]
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。