激光半导体封装结构和激光雷达模块的制作方法

1.本实用新型涉及激光雷达领域，具体而言，涉及一种激光半导体封装结构和激光雷达模块。


背景技术：

2.车载电子产品的多功能化和小型化，要求激光雷达模块的封装密度越来越高。同时，考虑到车载工况条件运行复杂且车载产品生命周期长等特点，对激光半导体芯片及模组的封装质量都提出了更高的要求。
3.常规的封装激光半导体芯片器件，为了改变光的传播路径需加入反光棱镜，但反光棱镜通常通过导电胶或绝缘胶直接粘贴在基板上，这种设置方式一方面在高温工作时反光棱镜与基板之间的粘接强度极差，使得反光棱镜的固定效果较差，另一方面由于反光棱镜的体积较大，导致整体封装高度较高，不利于产品的小型化和轻薄化。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的在于提供一种激光半导体封装结构和激光雷达模块，其能够降低封装高度，提升结构稳定性且安装方便，有利于产品的小型化和轻薄化。
5.本实用新型的实施例是这样实现的：
6.第一方面，本实用新型提供一种激光半导体封装结构，包括：
7.基板；
8.设置在所述基板上的半导体激光芯片；
9.设置在所述基板上，并与所述半导体激光芯片对应的反光镜片；
10.设置在所述基板上，并罩设在所述半导体激光芯片和所述反光镜片外的封装盖体；
11.设置在所述基板底侧，并与所述半导体激光芯片电连接的导电引脚；
12.其中，所述基板上还设置有容置槽，所述反光镜片贴装在所述容置槽中，以使所述反光镜片下沉设置在所述基板上。
13.在可选的实施方式中，所述容置槽贯穿设置于所述基板，且所述基板的底侧还设置有结构引脚，所述结构引脚设置在所述容置槽处，并与所述导电引脚间隔设置，所述反光镜片贴装在所述结构引脚上。
14.在可选的实施方式中，所述容置槽的形状与所述反光镜片的形状相适配，且所述结构引脚封堵设置于所述容置槽，所述反光镜片与所述结构引脚之间设置有粘接胶层，以使所述反光镜片固定在所述结构引脚上。
15.在可选的实施方式中，所述导电引脚部分向上贯穿所述基板，且所述导电引脚贯穿所述基板的部分设置有键合指，所述基板上还设置有布线导带层，所述半导体激光芯片和所述键合指均与所述布线导电层电连接，以使所述半导体激光芯片与所述导电引脚电连接。
16.在可选的实施方式中，所述基板上还设置有激光驱动器件，所述激光驱动器件与所述半导体激光芯片间隔设置，并与所述布线导带层电连接。
17.在可选的实施方式中，所述布线导带层包括若干相互间隔设置的电性导带，每个所述电性导带均为表面镍金层的钨布线层，所述电性导带的一端与所述键合指键合连接，另一端与所述激光驱动器件电连接或与所述半导体激光芯片键合连接。
18.在可选的实施方式中，所述封装盖体包括墙体和盖板，所述墙体设置在所述基板周缘，所述盖板盖设在所述墙体上，且所述盖板上设置有透明天窗，所述透明天窗与所述反射镜片对应。
19.在可选的实施方式中，所述墙体密封焊接在所述基板上，所述盖板密封焊接在所述墙体上，所述透明天窗和所述盖板焊接为一体，且所述基板、所述墙体和所述盖板围合形成一具有气密性的密封腔体，所述半导体芯片和所述反射镜片均容置在所述密封腔体内。
20.在可选的实施方式中，所述基板包括单层陶瓷，且所述基板的表面设置有第一金属镀层，所述墙体包括可伐合金，所述墙体的表面设置有第二金属镀层，所述第一金属镀层和所述第二金属镀层钎焊在一起，以在所述基板和所述墙体之间形成第一焊接层。
21.在可选的实施方式中，所述盖板包括可伐合金，所述盖板上设置有与所述透明天窗形状相适配的开口，所述透明天窗包括蓝宝石，所述透明天窗的边缘设置有第三金属镀层，所述第三金属镀层与所述开口的边缘焊接为一体。
22.第二方面，本实用新型实施例提供了一种激光雷达模块，包括模块本体和前述的激光半导体封装结构，所述基板贴装在所述模块本体上。
23.本实用新型实施例的有益效果包括：
24.本实用新型提供了一种激光半导体封装结构，将半导体激光芯片和反光镜片均设置在基板上，并且在基板上罩设封装盖体，形成封装结构，其中，在基板上设置有容置槽，反光镜片贴装在该容置槽中，从而使得反光镜片下沉设置在基板上，以降低反光镜片的封装高度。通过在基板上挖槽后贴装反光镜片，可以使得反光镜片的高度降低，进而降低整个封装结构的封装高度，并且利用容置槽来容纳反光镜片，也提升了反光镜片的结构稳定性，提升其固定效果，同时便于反光镜片的安装。相较于现有技术，本实用新型能够降低封装高度，提升结构稳定性且安装方便，有利于产品的小型化和轻薄化。
附图说明
25.为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
26.图1为本实用新型第一实施例提供的激光半导体封装结构的分解结构示意图；
27.图2为本实用新型第一实施例提供的激光半导体封装结构的局部结构示意图；
28.图3为本实用新型第一实施例提供的激光半导体封装结构的在第一视角下的结构示意图；
29.图4为本实用新型第一实施例提供的激光半导体封装结构的在第二视角下的结构示意图；
30.图5为本实用新型第一实施例提供的激光半导体封装结构的内部结构示意图；
31.图6为图5中a-a处的截面示意图。
32.图标:
33.100-激光半导体封装结构；110-基板；111-容置槽；113-第二焊接层；120-半导体激光芯片；130-反光镜片；140-封装盖体；141-墙体；143-盖板；145-透明天窗；147-第一焊接层；150-导电引脚；151-键合指；160-结构引脚；161-粘接胶层；170-激光驱动器件；171-驱动元件；173-驱动器件；180-布线导带层；181-电性导带。
具体实施方式
34.为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
35.因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
36.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
37.在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
38.此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
39.在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
40.正如背景技术中所公开的，现有的激光半导体芯片器件的封装结构，存在一些问题。
41.具体地，目前，常见的发射端光电半导体器件采用的是插装式引脚的晶体管外形(transistor outline，to)封装形式，这种插装式的封装形式有以下几种问题：1)引脚尺寸和间距大，导致封装密度低；2)不适合表面贴装技术，生产效率低；3)过长的引脚会在基板另一侧突出，给基板热沉的设计带来难题；4)为了改变光的传播路径需加入反光棱镜，但反
光棱镜通常通过导电胶或绝缘胶直接粘贴在基板上，在高温工作时反光棱镜与基板之间的粘接强度极差。
42.进一步地，近年来，系统级封装(system in a package，sip)被用来提高元器件的封装密度。为了提高封装密度，激光半导体芯片也常采用板上芯片(chips on board，cob)和其它元器件一起以sip形式封装在基板上，但cob封装存在以下三个问题：(1)大大增加了基板布线设计和生产工艺开发的难度，(2)如果封装结构设计不合理很容易产生电、热、力、磁等可靠性问题，(3)中小批量生产时，cob方案经常会导致生产成本的增加。
43.而针对适合表面贴装工艺，现阶段提出了适合表面贴装的方形扁平无引脚(quad flat no-leads package，qfn)封装激光半导体芯片器件，然而，常规的封装激光半导体芯片器件，为了改变光的传播路径需加入反光棱镜，但反光棱镜通常通过导电胶或绝缘胶直接粘贴在基板上，这种设置方式一方面在高温工作时反光棱镜与基板之间的粘接强度极差，使得反光棱镜的固定效果较差，另一方面由于反光棱镜的体积较大，导致整体封装高度较高，不利于产品的小型化和轻薄化。
44.为了解决上述问题，本实用新型提供了一种新型的激光半导体封装结构，下面对该激光半导体封装结构进行详细描述。
45.第一实施例
46.请参照图1至图6，本实施例提供了一种激光半导体封装结构100，能够降低封装高度，提升结构稳定性，有利于产品的小型化和轻薄化。同时封装气密性好，可靠性高。
47.本实施例提供的激光半导体封装结构100，包括基板110、半导体激光芯片120、反光镜片130、封装盖体140和导电引脚150，半导体激光芯片120设置在基板110上，反光镜片130设置在基板110上，并与半导体激光芯片120对应设置；封装盖体140设置在基板110上，并罩设在半导体激光芯片120和反光镜片130外，导电引脚150设置在基板110底侧，并与半导体激光芯片120电连接，其中，基板110上还设置有容置槽111，反光镜片130贴装在容置槽111中，以使反光镜片130下沉设置在基板110上。
48.值得注意的是，本实施例提供的激光半导体封装结构100，适用于激光雷达模块，具体可以是激光雷达发射端的激光半导体器件封装结构。其中半导体激光芯片120和反光镜片130均设置在基板110上，并且在基板110上罩设封装盖体140，形成封装结构，半导体激光芯片120用于发射激光，并通过反光镜片130反射后朝向封装盖体140射出(其中封装盖体140至少局部透明)，其中，在基板110上设置有容置槽111，反光镜片130贴装在该容置槽111中，从而使得反光镜片130下沉设置在基板110上，以降低反光镜片130的封装高度。通过在基板110上挖槽后贴装反光镜片130，可以使得反光镜片130的高度降低，进而降低整个封装结构的封装高度，并且利用容置槽111来容纳反光镜片130，也提升了反光镜片130的结构稳定性，提升其固定效果。
49.在本实施例中，容置槽111贯穿设置于基板110，且基板110的底侧还设置有结构引脚160，结构引脚160设置在容置槽111处，并与导电引脚150间隔设置，反光镜片130贴装在结构引脚160上。具体地，反光镜片130可以是反光棱镜，此处将反光镜片130放置在器件的结构引脚160上，能够进一步实现封装元器件的轻薄化封装。
50.在本实用新型其他较佳的实施例中，容置槽111的深度也可以小于基板110的厚度，即容置槽111并未贯穿基板110，其同样能够实现降低反光镜片130封装高度和提升反光
镜片130安装稳固性的作用。
51.需要说明的是，本实施例中导电引脚150可以实现器件的外部电连，且导电引脚150可以是多个，从而实现了多引脚数量的表面贴装，提高了封装密度和生产效率。而结构引脚160不起到电连接作用，其与导电引脚150分设在基板110的底侧两边，在焊接时起到焊接平衡的作用。
52.在本实施例中，容置槽111的形状与反光镜片130的形状相适配，且结构引脚160封堵设置于容置槽111，反光镜片130与结构引脚160之间设置有粘接胶层161，以使反光镜片130固定在结构引脚160上。具体地，反光镜片130和结构引脚160之间可以通过环氧树脂粘接胶实现牢固结合，并且反光镜片130的投影形状和容置槽111的形状均呈矩形，能够通过容置槽111来对反光镜片130进行进一步的稳固安装。
53.在本实施例中，导电引脚150部分向上贯穿基板110，且导电引脚150贯穿基板110的部分设置有键合指151，基板110上还设置有布线导带层180，半导体激光芯片120和键合指151均与布线导电层电连接，以使半导体激光芯片120与导电引脚150电连接。具体地，导电引脚150贯穿至基板110的顶侧表面，并在顶侧表面设置键合指151，键合指151与布线导带层180之间通过引线键合方式实现电连接，而半导体激光芯片120与布线导电层之间也通过引线键合的方式实现电连接。
54.在本实施例中，基板110上还设置有激光驱动器件170，激光驱动器件170与半导体激光芯片120间隔设置，并与布线导带层180电连接。具体地，激光驱动器件170包括驱动器件173和驱动元件171，驱动器件173和驱动元件171可以通过回流焊的方法焊接固定在基板110上。
55.需要说明的是，此处将驱动器件173和驱动元件171可以通过sip封装技术集成设置在基板110上，从而使得整个封装器件通过sip封装集成了激光半导体芯片发光相关的驱动元器件，生产效率和封装密度得到了提高。
56.在本实施例中，布线导带层180包括若干相互间隔设置的电性导带181，每个电性导带181均为表面镍金层的钨布线层，电性导带181的一端与键合指151键合连接，另一端与激光驱动器件170电连接或与半导体激光芯片120键合连接。具体地，电性导带181为表面镀镍金层的钨布线层，钨布线层由钨浆在氧化铝基板110上印刷和共烧得到，通过电性导带181的合理布置，能够简化布线设计，并且可靠性高，成本低。驱动器件173和驱动元件171可以在基板110上的电性导带181上进行布置和固定。
57.在本实施例中，电性导带181可以直接与驱动器件173和驱动元件171连接，并在另一端设置焊盘，再将焊盘通过引线键合的方式与键合指151电连接，实现与外部导电引脚150的电连接。同时，其中一个电性导带181还可以通过焊盘和引线键合的方式实现与半导体激光芯片120的电连接。其中，用于连接激光半导体芯片、驱动器件173和驱动元件171的电性导电之间相互间隔，并连接于不同的导电引脚150。导电引脚150与电性导带181之间通过引线(金丝)键合的方式实现电气和信息连接。
58.封装盖体140包括墙体141和盖板143，墙体141设置在基板110周缘，盖板143盖设在墙体141上，且盖板143上设置有透明天窗145，透明天窗145与反射镜片对应。具体地，墙体141为围挡结构，并围设在基板110的边缘，盖板143上的透明天窗145用于向外射出反射镜片反射的激光。
59.在本实施例中，墙体141密封焊接在基板110上，盖板143密封焊接在墙体141上，透明天窗145和盖板143焊接为一体，且基板110、墙体141和盖板143围合形成一具有气密性的密封腔体，半导体芯片和反射镜片均容置在密封腔体内。通过焊接结构，实现了封装的气密性，避免了外部的杂质或灰尘等进入到封装腔体，有效地保护了半导体激光芯片120。
60.在本实施例中，基板110包括单层陶瓷，且基板110的表面设置有第一金属镀层，墙体141包括可伐合金，墙体141的表面设置有第二金属镀层，第一金属镀层和第二金属镀层钎焊在一起，以在基板110和墙体141之间形成第一焊接层147。
61.在本实施例中，盖板143包括可伐合金，盖板143上设置有与透明天窗145形状相适配的开口，透明天窗145包括蓝宝石，透明天窗145的边缘设置有第三金属镀层，第三金属镀层与开口的边缘焊接为一体。
62.下面对本技术实施例提供的激光半导体封装结构100的封装过程实现进行说明，值得注意的是，具体而言，基板110可以采用氧化铝高温共烧陶瓷(high temperature co-firing ceramic，htcc)单层陶瓷基板110，厚度1mm；同时导电引脚150和结构引脚160的材质为均为可伐合金(铁镍合金)，由精密机床通过机加工制备，同时表面镀镍金层(镀镍6.0μm,再镀金0.4μm)以提高其可焊性。单层陶瓷基板110生坯可以通过冲压方式加工出一个矩形开槽或通孔结构，以形成容置槽111，容置槽111配合结构引脚160可用来安置和固定反光镜片130，结构引脚160和反光镜片130之间通过环氧树脂粘接胶实现牢固结合。激光半导体芯片发射的光线经反光镜片130反射后经蓝宝石玻璃的透明天窗145(蓝宝石玻璃天窗位于可伐合金的盖板143上)射出封装器件。
63.单层陶瓷的基板110与导电引脚150以及结构引脚160均通过银铜合金钎焊在一起，形成第二焊接层113。可伐合金的墙体141表面镀镍，与单层陶瓷的基板110通过陶瓷基板110金属化镀层(材质与电性导带181相同)以银铜合金钎焊方式固定在一起，形成第一焊接层147。驱动器件173和驱动元件171通过回流焊的方法焊接固定在基板110上，激光半导体芯片通过引线键合的方式实现与电性导带181的焊盘之间的电气和信号连接。电子元器件和激光半导体芯片经过回流焊和引线键合后，通过平行缝焊将带有蓝宝石(主要成分是al2o3)透明天窗145的可伐合金的盖板143焊接在可伐合金的墙体141上。其中，蓝宝石玻璃的透明天窗145边缘因为采用了金属化处理(先镀铜再镀镍金层：镀镍6.0μm,再镀金0.4μm)，因此可通过锡基合金焊料与可伐合金的盖板143(镀有镍金层：镍6.0μm,再镀金0.4μm)焊接成一体，使得整个封装结构具有气密性特征。
64.需要说明的是，本实施例中将陶瓷的基板110与金属的封装盖体140焊接融为一体，且基板110采用的是单层陶瓷，封装结构简单，成本低，可靠性高。并且整个封装结构采用的是热膨胀系数接近的金属材料和陶瓷材料，没有采用聚合物封装材料，使得封装器件气密性更好。
65.综上所述，本实施例提供了一种激光半导体封装结构100，将半导体激光芯片120和反光镜片130均设置在基板110上，并且在基板110上罩设封装盖体140，形成封装结构，其中，在基板110上设置有容置槽111，反光镜片130贴装在该容置槽111中，从而使得反光镜片130下沉设置在基板110上，以降低反光镜片130的封装高度。通过在基板110上挖槽后贴装反光镜片130，可以使得反光镜片130的高度降低，进而降低整个封装结构的封装高度，并且利用容置槽111来容纳反光镜片130，也提升了反光镜片130的结构稳定性，提升其固定效
果。相较于现有技术，本实施例实现了多引脚数量的表面贴装，提高了封装密度和生产效率。同时通过在陶瓷基板110上设置容置槽111实现反光镜片130的限位固定，安装方便且提高了结构可靠性。并且将反光镜片130放在容置槽111内结构引脚160上方，可大大降低可伐合金的墙体141的高度，实现轻薄化封装。此外，整个封装结构采用的是热膨胀系数接近的金属材料和陶瓷材料，没有采用聚合物封装材料，封装器件具有气密性特征。最后本实施例采用了将陶瓷的基板110与金属的封装盖体140融为一体，且基板110采用的是单层陶瓷，封装结构简单，成本低，可靠性高。
66.第二实施例
67.本实施例提供了一种激光雷达模块，包括模块本体和激光半导体封装结构100，其中激光半导体封装结构100的基本结构和原理及产生的技术效果和第一实施例相同，为简要描述，本实施例部分未提及之处，可参考第一实施例中相应内容。
68.在本实施例中，模块本体上设置有热沉结构，激光半导体封装结构100包括基板110、半导体激光芯片120、反光镜片130、封装盖体140和导电引脚150，半导体激光芯片120设置在基板110上，反光镜片130设置在基板110上，并与半导体激光芯片120对应设置；封装盖体140设置在基板110上，并罩设在半导体激光芯片120和反光镜片130外，导电引脚150设置在基板110底侧，并与半导体激光芯片120电连接，其中，基板110上还设置有容置槽111，反光镜片130贴装在容置槽111中，以使反光镜片130下沉设置在基板110上。基板110贴装在模块本体上，并与热沉结构连接，有关于激光半导体封装结构100的贴装结构，具体可以参考现有技术。
69.以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。