高速25G半导体激光器芯片的封装结构及封装方法与流程

高速25g半导体激光器芯片的封装结构及封装方法
技术领域
1.本发明涉及激光器芯片处理领域，尤其涉及一种高速25g半导体激光器芯片的封装结构及封装方法。


背景技术：

2.近年来，半导体激光器因其具有激光技术得以迅猛发展，在当今社会中扮演着至关要的作用。半导体激光器以其体积小、重量轻、可靠性高、耗电少、效率高、寿命长等优点，在军事、工业、通信、医学、科研等诸多领域获得了广泛的应用，是未来最具发展前景的激光光源。芯片封装是把芯片直接焊接在不同结构、不同材料的热沉上的一种方法。
3.目前通常采用蝶形封装10gb/s以上的高速光发射器，以提高器件的性能，然而现有的半导体激光器封装结构的散热性不好，造成激光器芯片所处环境温度异常，导致激光光束质量降低，从而导致器件的性能降低。
4.上述内容仅用于辅助理解本发明的技术方案，并不代表承认上述内容是现有技术。


技术实现要素：

5.本发明的主要目的在于提供一种高速25g半导体激光器芯片的封装结构及封装方法，旨在解决现有的半导体激光器封装结构的散热性不好，造成激光器芯片所处环境温度异常，从而导致激光光束质量降低的技术问题。
6.为实现上述目的，本发明提供一种高速25g半导体激光器芯片的封装结构，所述高速25g半导体激光器芯片的封装结构包括：封装壳体及嵌合于所述封装壳体内部的半导体激光器本体组成；
7.所述封装壳体内部的上下两面焊接有具有多个热传热系数的两个复合衬底，所述两个复合衬底之间设有至少两个垂直于所述复合衬底的过渡热沉块，所述相邻两个过渡热沉块之间设有一个半导体激光器本体。
8.优选地，所述过渡热沉块由两个基础热沉和一个绝缘热沉组成，其中，所述绝缘热沉嵌合于所述两个基础热沉之间。
9.优选地，所述相邻两个过渡热沉块与所述两个复合衬底之间组成四周密封的密封封装空腔，所述密封封装空腔内填充有惰性气体。
10.优选地，所述半导体激光器本体由半导体激光器芯片，光耦合器及基板组成，其中，所述半导体激光器芯片固定在基板上，所述激光器芯片的一侧与所述光耦合器连接。
11.优选地，所述半导体激光器本体的边模抑制比处于55db至80db之间。
12.本发明还提供一种高速25g半导体激光器芯片的封装方法，所述方法应用于上述的高速25g半导体激光器芯片的封装结构，所述高速25g半导体激光器芯片的封装方法包括：
13.利用焊料将至少两个过渡热沉块垂直键合到具有多个热传热系数的一个复合衬
底上，形成含有半密闭封装空腔的半封装壳体；
14.将半导体激光器本体嵌合于所述半密闭封装空腔中，并将具有多个热传热系数的另一个复合衬底通过焊料垂直键合到所述过渡热沉块上，形成含有密闭封装空腔的封装壳体，并向所述封装壳体的密闭封装空腔内填充惰性气体。
15.优选地，所述利用焊料将至少两个过渡热沉块垂直键合到具有多个热传热系数的一个复合衬底上的步骤之前，还包括：
16.利用焊料将一个绝缘热沉键合于两个基础热沉之间，形成过渡热沉块。
17.优选地，所述焊料包括ausn薄膜焊料。
18.本发明提出的高速25g半导体激光器芯片的封装结构包括：封装壳体及嵌合于所述封装壳体内部的半导体激光器本体组成；所述封装壳体内部的上下两面焊接有具有多个热传热系数的两个复合衬底，所述两个复合衬底之间设有至少两个垂直于所述复合衬底的过渡热沉块，所述相邻两个过渡热沉块之间设有一个半导体激光器本体，由此，通过将半导体激光器本体封装至具有多个热传热系数的两个复合衬底及过渡热沉块之间，提高了半导体激光器本体的散热效率，进而提高了激光器的激光光束质量。
附图说明
19.图1是本发明实施例方案涉及的高速25g半导体激光器芯片的封装结构一刨面示意图；
20.图2是本发明实施例方案涉及的复合衬底结构示意图；
21.图3是本发明实施例方案涉及的过渡热沉块结构示意图；
22.图4是本发明实施例方案涉及的高速25g半导体激光器芯片的封装方法的一流程示意图。
23.附图标号及名称
24.标号名称标号名称b半导体激光器本体a1004第四层基板a100复合衬底a1005第五层基板a1001第一层基板a200过渡热沉块a1002第二层基板a2001基础热沉a1003第三层基板a2002绝缘热沉
25.本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
26.应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
27.本发明实施例提供一种高速25g半导体激光器芯片的封装结构，其中，本实施例中，高速25g半导体激光器芯片的封装结构包括封装壳体及嵌合于封装壳体内部的半导体激光器本体b，需要说明的是，目前通常采用蝶形封装10gb/s以上的高速光发射器，以提高器件的性能，然而现有的半导体激光器封装结构的散热性不好，造成激光器芯片所处环境温度异常，导致激光光束质量降低，从而导致器件的性能降低，因此本实施例中，为了解决现有的半导体激光器封装结构的散热性不好，造成激光器芯片所处环境温度异常，从而导
致激光光束质量降低的技术问题，采用上述封装壳体来平衡半导体激光器本体b工作时的散热量，以此维持半导体激光器本体b处于最优工作状态，从而提高半导体激光器本体b的激光光束质量。
28.以下结合附图及具体实施例对本发明涉及的高速25g半导体激光器芯片的封装结构的技术方案作进一步详细说明。
29.具体地，参考图1，本实施例中，封装壳体内部的上下两面焊接有具有多个热传热系数的两个复合衬底a100，具体而言，上述复合衬底a100指代由多种具有不同热传热系数的材料所组成的衬底，优选地，在一实施例中，复合衬底a100由多层具有不同热传热系数的基板焊接而成，且呈热传热系数梯度变化的方式焊接多个不同热传热系数的基板，如图2，复合衬底a100由五层具有不同热传热系数的基板焊接而成，依次为第一层基板a1001、第二层基板a1002、第三层基板a1003、第四层基板a1004及第五层基板a1005，其中，五层基板的热传热系数大小依次是：a1005>a1004>a1003>a1002>a1001，即本实施例中，复合衬底a100的最内层基板(如第五层基板a1005)的热传热系数最大，复合衬底a100的最外层基板(如第一层基板a1001)的热传热系数最大，具体而言，上述复合衬底a100的最内层基板指代与封装壳体内部封装的半导体激光器本体b相邻的基板，上述复合衬底a100的最内层基板指代与封装壳体暴露在外界环境中的基板，进一步需要说明的是，为了提高半导体激光器本体b的散热效率，本实施例中，设置与封装壳体内部封装的半导体激光器本体b相邻的复合衬底a100的最内层基板的热传热系数最大，此外为了避免半导体激光器本体b受外界环境温度的影响，设置与封装壳体内部封装的半导体激光器本体b相邻的复合衬底a100的最外层基板的热传热系数最小，由此维持半导体激光器本体b处于最优工作状态，从而提高半导体激光器本体b的激光光束质量。
30.此外，本实施例中，复合衬底a100之间设有至少两个垂直于复合衬底a100的过渡热沉块a200，且相邻两个过渡热沉块a200之间设有一个半导体激光器本体b，其中，本实施例中，半导体激光器本体b数量不做限制，具体而言，本实施例中，过渡热沉块a200指代它的温度不随传递到它的热能的大小变化二变化的物质，本实施例中，过渡热沉块a200用于冷却半导体激光器本体b的温度，即平衡半导体激光器本体b工作时的散热量。
31.进一步地，为了提高冷却效果，参考图3，本实施例中，过渡热沉块a200由两个基础热沉a2001和一个绝缘热沉a2002组成，其中，绝缘热沉a2002嵌合于两个基础热沉a2001之间，容易理解地，由于任意相邻两个过渡热沉块a200之间均设有一个半导体激光器本体b，因此，为了避免多个半导体激光器本体b之间相互影响，本本实施例中，通过在过渡热沉块a200中间设置一个绝缘热沉a2002来削弱相邻两个半导体激光器本体b之间的影响。
32.此外，为了保证半导体激光器本体b的长期稳定性，本实施例中，相邻两个过渡热沉块a200与两个复合衬底a100之间组成四周密封的密封封装空腔内填充有惰性气体，其中，惰性气体在封装壳体密封后气压为1个标准大气压，且惰性气体的水汽含量在100℃的条件下不超过5000ppm，由此能够为封装壳体内各器件提供一个稳定的工作环境，保证器件的长期稳定性。
33.进一步地，本实施例中，半导体激光器本体b由半导体激光器芯片，光耦合器及基板组成，其中，半导体激光器芯片固定在基板上，激光器芯片的一侧与所述光耦合器连接，此外，需要说明的是，半导体激光器本体b的边模抑制比处于55db至80db之间，且在常温及
85℃下，半导体激光器本体b在60ma注入电流情况下分别实现了大约23ghz和18ghz的3db调制带宽，由此实现高速25g传输速率。
34.本发明提出的高速25g半导体激光器芯片的封装结构包括：封装壳体及嵌合于所述封装壳体内部的半导体激光器本体组成；所述封装壳体内部的上下两面焊接有具有多个热传热系数的两个复合衬底，所述两个复合衬底之间设有至少两个垂直于所述复合衬底的过渡热沉块，所述相邻两个过渡热沉块之间设有一个半导体激光器本体，由此，通过将半导体激光器本体封装至具有多个热传热系数的两个复合衬底及过渡热沉块之间，提高了半导体激光器本体的散热效率，进而提高了激光器的激光光束质量。
35.基于上述的一种高速25g半导体激光器芯片的封装结构，提出本发明高速25g半导体激光器芯片的封装方法，具体地，参考图4，所述高速25g半导体激光器芯片的封装方法包括：
36.步骤s10：利用焊料将至少两个过渡热沉块垂直键合到具有多个热传热系数的一个复合衬底上，形成含有半密闭封装空腔的半封装壳体；
37.步骤s20：将半导体激光器本体嵌合于所述半密闭封装空腔中，并将具有多个热传热系数的另一个复合衬底通过焊料垂直键合到所述过渡热沉块上，形成含有密闭封装空腔的封装壳体；
38.步骤s30：向所述封装壳体的密闭封装空腔内填充惰性气体，并密封所述封装壳体。
39.优选地，本实施例中，上述焊料为ausn薄膜焊料，即降低了高速25g半导体激光器芯片的封装成本，又避免焊料在熔化中沿半导体激光器本体蔓延而导致污损或者短路。
40.具体地，本实施例中，先利用焊料将至少两个过渡热沉块垂直键合到具有多个热传热系数的一个复合衬底上，其中，该步骤中，复合衬底上键合的过渡热沉块数量取决于要封装的半导体激光器本体数量，容易理解地，本实施例中，任意相邻两个过渡热沉块之间均设有一个半导体激光器本体，因此本实施例中，过渡热沉块数量与半导体激光器本体数量之间的函数关系为：m＝n+1，其中，m为过渡热沉块数量，n为半导体激光器本体数量，此外，本实施例中，过渡热沉块之间等间距的焊接在复合衬底上，且相邻过渡热热沉块之间的间距取决于半导体激光器本体的厚度。
41.此外，在一实施例中，过渡热沉块由两个基础热沉和一个绝缘热沉组成，因此本实施例中，在执行上述利用焊料将至少两个过渡热沉块垂直键合到具有多个热传热系数的一个复合衬底上的步骤之前，还包括：
42.利用焊料将一个绝缘热沉键合于两个基础热沉之间，形成过渡热沉块。
43.在利用焊料将过渡热沉块垂直键合到具有多个热传热系数的一个复合衬底上，形成含有半密闭封装空腔的半封装壳体之后，将半导体激光器本体嵌合于半密闭封装空腔中，并将具有多个热传热系数的另一个复合衬底通过焊料垂直键合到过渡热沉块上，形成含有密闭封装空腔的封装壳体。
44.此外，在一实施例中，为了保证半导体激光器本体的长期稳定性，向封装壳体的密闭封装空腔内填充惰性气体，其中，惰性气体在封装壳体密封后气压为1个标准大气压，且惰性气体的水汽含量在100℃的条件下不超过5000ppm，由此能够为封装壳体内各器件提供一个稳定的工作环境，保证器件的长期稳定性。
45.此外，需要说明的是，为了实现高速25g传输速率，本实施例中，半导体激光器本体的边模抑制比处于55db至80db之间，且在常温及85℃下，半导体激光器本体在60ma注入电流情况下分别实现了大约23ghz和18ghz的3db调制带宽。
46.本实施例中，通过利用焊料将至少两个过渡热沉块垂直键合到具有多个热传热系数的一个复合衬底上，形成含有半密闭封装空腔的半封装壳体；将半导体激光器本体嵌合于所述半密闭封装空腔中，并将具有多个热传热系数的另一个复合衬底通过焊料垂直键合到所述过渡热沉块上，形成含有密闭封装空腔的封装壳体；向所述封装壳体的密闭封装空腔内填充惰性气体，并密封所述封装壳体，由此获得散热效率更好，激光器的激光光束质量更高的高速25g半导体激光器芯片的封装结构。
47.需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者系统中还存在另外的相同要素。
48.上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
49.以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。