CN112864793A - 一种激光器芯片气密封装结构及封装方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光器芯片气密封装结构及封装方法。所述激光器芯片气密封装结构，包括相配合的管座与管帽，以及封装设置于所述管座与管帽之间的激光器芯片，所述管帽包括一体成型的管帽本体和透镜，所述管座的第一表面设置有凹槽结构，所述凹槽结构的侧面设置有反射层，所述反射层能够使所述激光器芯片发出的光反射至所述透镜，所述管座上还设置有贯穿所述管座第一表面和第二表面的通孔，并且所述通孔内填充设置有与所述通孔形状匹配的导电金属件，所述激光器芯片通过所述导电金属件与所述管帽外部电连接。本发明提供的激光器芯片气密性封装结构，体积大大减小；同时本发明的封装方法，可以使激光器芯片可以水平贴装，大大降低了工艺难度。
Description
技术领域
本发明属于半导体制造技术领域，具体涉及一种激光器芯片气密封装结构及封装方法。
背景技术
目前在光通信、光传感等工业领域大量使用的激光器芯片，大量使用金属管壳封装，如TO-46，TO-5等。这种封装一般由金属管座，金属管帽以及烧结在管帽上的透镜/窗口三部分组成。接收/探测芯片首先被贴装在管座上，然后通过金属引线的方式将正负极引出。之后，再将金属管帽与管座进行储能焊进行焊接，形成气密性封装。对于这种封装方式，由于激光器一般是端面发射出光，因此管座上要加入一个与底面垂直的端面，激光器需要贴装在这个垂直端面上然后再引线，工艺较难实现。此外，由于受到机械加工条件限制，造成体积较大，精度不高。在焊接之前，需要将两者进行对准耦合，封装效率较低。此外，由于玻璃透镜使用烧结的方式固定到管帽上，因此精度不高，耦合效率较差。此外，玻璃透镜的焦距较大，使得封装后的体积也无法进一步缩小。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种激光器芯片气密封装结构及封装方法，以克服现有技术的不足。
为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：
本发明实施例提供了一种激光器芯片气密封装结构，其包括相配合的管座与管帽，以及封装设置于所述管座与管帽之间的激光器芯片，所述管帽包括一体成型的管帽本体和透镜，所述管座的第一表面设置有凹槽结构，所述凹槽结构的侧面设置有反射层，所述反射层能够使所述激光器芯片发出的光反射至所述透镜，所述管座上还设置有贯穿所述管座第一表面和第二表面的通孔，并且所述通孔内填充设置有与所述通孔形状匹配的导电金属件，所述激光器芯片通过所述导电金属件与所述管帽外部电连接，所述第一表面与第二表面相背对设置。
进一步的，所述管座的第一表面一体成型有所述凹槽结构，所述凹槽结构的侧面与底面呈45°角，所述凹槽结构至少用于容置一激光器芯片。
进一步的，所述激光器芯片气密封装结构，包括由一体设置的两个以上管座组成的管座晶圆、由一体设置的两个以上管帽组成的管帽晶圆，所述管帽晶圆与管座晶圆焊接固定，其中每一管座与相配合的一个管帽以及被封装于该管座和管帽之间的至少一激光器芯片形成一封装单元，各封装单元能够被分割形成彼此独立的器件。
本发明实施例还提供了一种激光器芯片气密封装结构的封装方法，其包括：
提供管座和管帽，所述管帽包括一体成型的管帽本体和透镜，所述管座的第一表面设置有凹槽结构，所述凹槽结构的侧面设置有反射层，所述管座上设置有贯穿所述管座的第一表面和第二表面的通孔，并且所述通孔内填充设置有与所述通孔形状匹配的导电金属件；
将激光器芯片安装于所述管座的凹槽结构内，所述激光器芯片通过所述导电金属件与所述管帽外部电连接，所述激光器芯片与所述透镜对应设置；
以及，将相配合的管座和管帽对准焊接，以将所述激光器芯片封装于管座和管帽之间，同时，所述激光器芯片发出的光能够通过所述凹槽结构的反射层反射至所述透镜。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明提供的激光器芯片气密性封装结构，封装后的器件体积可以大大减小，集成的微型透镜精度高、性能好、对准精确，可以有效提高系统性能；同时本发明的封装方法，可以使激光器芯片可以水平贴装，大大降低了工艺难度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，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的附图。
图1是本发明实施例1中一种激光器芯片气密封装结构的结构示意图；
图2是本发明实施例1中制作形成管座的流程示意图；
图3是本发明实施例1中制作形成管帽的流程结构示意图；
图4是本发明实施例2中一种激光器芯片气密封装结构的结构示意图。
附图标记说明：1-管座，2-管帽，3-激光器芯片，4-引线，11-凹槽结构，12-导电图形，13-导电金属件，14-反射层，21-透镜，131-引出电极区域，132-引出电极区域，100-管座晶元，200-管帽晶元。
具体实施方式
鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
本发明实施例的一个方面提供了一种激光器芯片气密封装结构，其包括相配合的管座与管帽，以及封装设置于所述管座与管帽之间的激光器芯片，所述管帽包括一体成型的管帽本体和透镜，所述管座的第一表面设置有凹槽结构，所述凹槽结构的侧面设置有反射层，所述反射层能够使所述激光器芯片发出的光反射至所述透镜，所述管座上还设置有贯穿所述管座第一表面和第二表面的通孔，并且所述通孔内填充设置有与所述通孔形状匹配的导电金属件，所述激光器芯片通过所述导电金属件与所述管帽外部电连接，所述第一表面与第二表面相背对设置。
进一步的所述管座的第一表面一体成型有所述凹槽结构，所述凹槽结构的侧面与底面呈45°角，所述凹槽结构至少用于容置一激光器芯片。
进一步的，所述凹槽结构中设置有导电图形，所述激光器芯片的电极通过引线与所述导电图形电连接，所述导电图形通过引线与所述通孔内的导电金属件实现电连接。
在一些较为具体的实施方案中，所述管帽本体远离管座的一侧一体成型设置有所述透镜。
在一些较为具体的实施方案中，所述激光器芯片的电极通过引线与所述通孔内的导电金属件电连接。
在一些较为具体的实施方案中，所述管座与管帽至少通过直接键合焊接、焊料预制片焊接、玻璃焊料焊接中的任意一种方式相互结合。
在一些较为具体的实施方案中，所述管座的材质包括绝缘硅片，且不限于此。
进一步的，所述反射层的材料包括Al和/或Au，且不限于此。
进一步的，所述管帽的材质包括硅、玻璃、熔融石英中的任意一种，且不限于此。
在一些较为具体的实施方案中，所述激光器芯片气密封装结构包括由一体设置的两个以上管座组成的管座晶圆、由一体设置的两个以上管帽组成的管帽晶圆，所述管帽晶圆与管座晶圆焊接固定，其中每一管座与相配合的一个管帽以及被封装于该管座和管帽之间的至少一激光器芯片形成一封装单元，各封装单元能够被分割形成彼此独立的器件。
本发明实施例的另一个方面还提供了一种激光器芯片气密封装结构的封装方法，其包括：
提供管座和管帽，所述管帽包括一体成型的管帽本体和透镜，所述管座的第一表面设置有凹槽结构，所述凹槽结构的侧面设置有反射层，所述管座上设置有贯穿所述管座的第一表面和第二表面的通孔，并且所述通孔内填充设置有与所述通孔形状匹配的导电金属件；
将激光器芯片安装于所述管座的凹槽结构内，所述激光器芯片通过所述导电金属件与所述管帽外部电连接，所述激光器芯片与所述透镜对应设置；
以及，将相配合的管座和管帽对准焊接，以将所述激光器芯片封装于管座和管帽之间，同时，所述激光器芯片发出的光能够通过所述凹槽结构的反射层反射至所述透镜。
在一些较为具体的实施方案中，所述封装方法包括：采用光刻和/或湿法腐蚀在所述管座的第一表面一体成型设置所述凹槽结构，所述凹槽结构的侧面与底面呈45°角。
进一步的，采用光刻-回流-刻蚀工艺在所述管帽本体远离管座的一侧一体成型设置所述透镜。
进一步的，采用金属沉积的方法在所述凹槽结构中沉积形成导电图形，再使用引线将所述激光器芯片的电极与所述导电图形电连接。
进一步的，采用金属沉积的方法在所述凹槽结构的侧面沉积形成反射层。
进一步的，采用通孔刻蚀、通孔填充的方式在所述管座上形成通孔并填充与所述通孔形状匹配的导电金属件，之后通过引线实现所述导电图形与导电金属件的电连接。
在一些较为具体的实施方案中，所述封装方法包括：采用无源对准和/或有源对准的方式将相配合的管帽和管座对准，之后至少通过直接键合焊接、焊料预制片焊接、玻璃焊料焊接中的任意一种方式相互结合。
进一步的，采用光刻/金属层沉积/剥离和/或金属层沉积/光刻/刻蚀的方法，在所述管座与管帽相对应的地方沉积焊料层；优选的，所述焊料层的材质包括Cr、Ni、Ti、Al、Au、Sn中的任意一种或两种以上的组合。
在一些较为具体的实施方案中，所述封装方法还包括：
提供由一体设置的两个以上管座组成的管座晶圆、由一体设置的两个以上管帽组成的管帽晶圆；
在所述管座晶圆上固定两个以上激光器芯片，并将所述管帽晶圆与管座晶圆焊接固定，且使其中每一管座与相配合的一个管帽以及被封装于该管座和管帽之间的至少一激光器芯片形成一封装单元；
将各封装单元分割形成彼此独立的器件。
下面结合若干优选实施例及附图对本发明的技术方案做进一步详细说明，本实施例在以发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
下面所用的实施例中所采用的实验材料，如无特殊说明，均可由常规的生化试剂公司购买得到。
实施例1
请参阅图1，一种激光器芯片气密封装结构，其包括相配合的管座1与管帽2，以及封装设置于所述管座1与管帽2之间的激光器芯片3，所述管帽2包括一体成型的管帽本体和透镜21，所述管座的第一表面设置有凹槽结构11，所述凹槽结构11的侧面设置有反射层14，所述反射层14能够使所述激光器芯片3发出的光反射至所述透镜21，所述管座1上还设置有贯穿所述管座第一表面和第二表面的通孔，并且所述通孔内填充设置有与所述通孔形状匹配的导电金属件13，所述激光器芯片3通过所述导电金属件13与所述管帽2外部电连接，所述第一表面与第二表面相背对设置。所述激光器芯片3的电极通过引线4与所述导电图形12连接，所述导电金属件13的引出电极区域131与导电图形12连接或者直接与所述引线4连接，所述导电金属件13的引出电极区域132设置于管帽2的外侧，管帽2与相应的管座1的接触面/线之间焊接密封。
具体的，一种激光器芯片气密封装结构的封装方法可以包括以下步骤：
请参阅图2，管座加工的具体步骤包括：
(1)选用绝缘的硅片，作为管座材料，通过使用光刻或湿法腐蚀的方法，在管座中心腐蚀出凹槽结构11，通过选择晶向合适的硅晶圆，并且控制光刻图形的晶向方向，可以使凹槽结构的侧面与凹槽结构的底面呈45度角；
(2)使用光刻、金属沉积的方法，在45度的侧面上沉积金属形成反射层14，金属可以是Al或Au等；
(3)在凹槽结构11的底面进行图形金属化，制作正面电极引出图形，一般可使用半导体光刻的方法形成光刻胶图案，并使用电子束蒸发、热蒸发等加工方法沉积金属层，最后剥离光刻胶形成金属图形化的金属层，即导电图形12，金属层的材质可以是Cr、Ni、Ti、Al、Au中的任意一种或两种以上的金属组成，该层同时制备用于贴片对准的对准标记；
(4)使用光刻(干法刻蚀或湿法刻蚀)，在凹槽结构11底面上刻蚀通孔，并使用金属沉积方法填充通孔，实现将电极引出至管座另外一侧，形成导电金属件13以及导电金属件13两端的引出电极区域(可理解为pad区域)131、132；
(5)使用光刻/金属层沉积/剥离或者金属层沉积/光刻/刻蚀的方法，沉积焊料层；焊料层的材质包括Cr、Ni、Ti、Al、Au、Au、Sn中的任意一种或两种以上的组合，或者采用常用的低温焊料金属的组合作为焊料层，或者不需要形成焊料层；该层同时制备用于焊接对准的对准标记。
请参阅图3，管帽加工的具体步骤包括：：
(6)选用折射率和透光率好的材料(如硅片、熔融石英片等)作为管帽材料，采用光刻-回流-刻蚀的方法在管帽材料的其中一面(例如第一表面)上制作出微型透镜(即透镜21)，微型透镜可以是球透镜或者非球透镜；
(7)采用光刻/金属层沉积/剥离或者金属层沉积/光刻/刻蚀的方法沉积焊料层，焊料层的材质可以是Cr、Ni、Ti、Al、Au、Au、Sn中的任意一种或两种以上的组合；或者，焊料层的材质还可以采用常用的低温焊料金属的组合，或者不需要焊料；以上的微型透镜、焊料层、内凹腔的设计与管座上的芯片存在对准关系；同时还可以在管座上加工用于对准的对准标记；
贴片和引线的具体步骤包括：
使用贴片机，将激光器芯片3与对准标记对准后，贴装在凹槽结构11底部，激光器出光方向对准凹槽结构11的45度反射层14，并采用引线机提供引线4将引线一端与芯片(即激光器芯片3)电连接，另一端与导电图形12的电连接；并使用引线机引出引线至内pad(pad焊盘)上。
焊接的具体步骤包括：
9)使用键合设备，将管帽和管座对准以后，使管帽和管座固定连接进而将激光器芯片(封装于管座与管帽的内凹腔形成的封装腔体内，如图1所示。
需要说明的是，可以采用直接键合或焊接的方式将使管帽和管座固定连接；焊接可以使用焊料预制片、玻璃焊料等进行焊接；焊接可以在真空或者充保护气体氛围内进行；焊接可以使用器件-器件、器件-晶圆、晶圆-晶圆的方式进行焊接。
实施例2
请参阅图1和图4，一种激光器芯片气密封装结构包括由一体设置的两个以上管座组成的管座晶圆100、由一体设置的两个以上管帽组成的管帽晶圆200，所述管帽晶圆200与管座晶100圆焊接固定，其中每一管座1与相配合的一个管帽2以及被封装于该管座1和管帽2之间的至少一激光器芯片3形成一封装单元，各封装单元能够被分割形成彼此独立的器件。
管帽2包括一体成型的管帽本体和透镜21，所述管座的第一表面设置有凹槽结构11，所述凹槽结构11的侧面设置有反射层14，所述反射层14能够使所述激光器芯片3发出的光反射至所述透镜21，所述管座1上还设置有贯穿所述管座第一表面和第二表面的通孔，并且所述通孔内填充设置有与所述通孔形状匹配的导电金属件13，所述激光器芯片3通过所述导电金属件13与所述管帽2外部电连接，所述第一表面与第二表面相背对设置。所述激光器芯片3的电极通过引线4与所述导电图形12连接，所述导电金属件13的引出电极区域131与导电图形12连接或者直接与所述引线4连接，所述导电金属件13的引出电极区域132设置于管帽2的外侧，管帽2与相应的管座1的接触面/线之间焊接密封。
具体的，一种激光器芯片气密封装结构的封装方法可以包括如下步骤：
本实施例中的激光器芯片气密封装结构的封装方法的步骤与实施例1步骤(1)-(9)基本一致，以及本实施例中的激光器芯片气密封装结构的封装方法还包括步骤(10)：
(10)切割：
请再次参阅图4，将管座晶圆100与管帽晶圆200焊接之后需要进行切割，以将管座晶圆切开形成单个器件。
需要说明的是若焊接的方式是器件-器件方式，则不需要切割；若焊接的方式是器件-晶圆方式，则需要将管座晶圆切开，形成单个器件。
基由本发明实施例提供的光电子芯片的集成透镜和气密封装方法封装后的器件体积可以大大减小，焊接时可以无需进行耦合，可以有效降低成本，提高效率；集成的微型透镜精度高、性能好、对准精确，可以有效提高系统性能。
应当理解，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种激光器芯片气密封装结构，其特征在于包括相配合的管座与管帽，以及封装设置于所述管座与管帽之间的激光器芯片，所述管帽包括一体成型的管帽本体和透镜，所述管座的第一表面设置有凹槽结构，所述凹槽结构的侧面设置有反射层，所述反射层能够使所述激光器芯片发出的光反射至所述透镜，所述管座上还设置有贯穿所述管座第一表面和第二表面的通孔，并且所述通孔内填充设置有与所述通孔形状匹配的导电金属件，所述激光器芯片通过所述导电金属件与所述管帽外部电连接，所述第一表面与第二表面相背对设置。
2.根据权利要求1所述的激光器芯片气密封装结构，其特征在于：所述管座的第一表面一体成型有所述凹槽结构，所述凹槽结构的侧面与底面呈45°角，所述凹槽结构至少用于容置一激光器芯片。
3.根据权利要求2所述的激光器芯片气密封装结构，其特征在于：所述凹槽结构中设置有导电图形，所述激光器芯片的电极通过引线与所述导电图形电连接，所述导电图形通过引线与所述通孔内的导电金属件实现电连接。
4.根据权利要求1所述的激光器芯片气密封装结构，其特征在于：所述管帽本体远离管座的一侧一体成型设置有所述透镜；
和/或，所述激光器芯片的电极通过引线与所述通孔内的导电金属件电连接；
和/或，所述管座与管帽至少通过直接键合焊接、焊料预制片焊接、玻璃焊料焊接中的任意一种方式相互结合。
5.根据权利要求1所述的激光器芯片气密封装结构，其特征在于：所述反射层的材料包括Al和/或Au；
和/或，所述管座的材质包括绝缘硅片；
和/或，所述管帽的材质包括硅、玻璃、熔融石英中的任意一种。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的激光器芯片气密封装结构，其特征在于包括由一体设置的两个以上管座组成的管座晶圆、由一体设置的两个以上管帽组成的管帽晶圆，所述管帽晶圆与管座晶圆焊接固定，其中每一管座与相配合的一个管帽以及被封装于该管座和管帽之间的至少一激光器芯片形成一封装单元，各封装单元能够被分割形成彼此独立的器件。
7.一种激光器芯片气密封装结构的封装方法，其特征在于包括：
提供管座和管帽，所述管帽包括一体成型的管帽本体和透镜，所述管座的第一表面设置有凹槽结构，所述凹槽结构的侧面设置有反射层，所述管座上设置有贯穿所述管座的第一表面和第二表面的通孔，并且所述通孔内填充设置有与所述通孔形状匹配的导电金属件；
将激光器芯片安装于所述管座的凹槽结构内，所述激光器芯片通过所述导电金属件与所述管帽外部电连接，所述激光器芯片与所述透镜对应设置；
以及，将相配合的管座和管帽对准焊接，以将所述激光器芯片封装于管座和管帽之间，同时，所述激光器芯片发出的光能够通过所述凹槽结构的反射层反射至所述透镜。
8.根据权利要求7所述的封装方法，其特征在于包括：采用光刻和/或湿法腐蚀在所述管座的第一表面一体成型设置所述凹槽结构，所述凹槽结构的侧面与底面呈45°角；
和/或，采用光刻-回流-刻蚀工艺在所述管帽本体远离管座的一侧一体成型设置所述透镜；
和/或，采用金属沉积的方法在所述凹槽结构中沉积形成导电图形，再使用引线将所述激光器芯片的电极与所述导电图形电连接；
和/或，采用金属沉积的方法在所述凹槽结构的侧面沉积形成反射层；
和/或，采用通孔刻蚀、通孔填充的方式在所述管座上形成通孔并填充与所述通孔形状匹配的导电金属件，之后通过引线实现所述导电图形与导电金属件的电连接。
9.根据权利要求8所述的封装方法，其特征在于包括：
采用无源对准和/或有源对准的方式将相配合的管帽和管座对准，之后至少通过直接键合焊接、焊料预制片焊接、玻璃焊料焊接中的任意一种方式相互结合；
和/或，采用光刻/金属层沉积/剥离和/或金属层沉积/光刻/刻蚀的方法，在所述管座与管帽相对应的地方沉积焊料层；优选的，所述焊料层的材质包括Cr、Ni、Ti、Al、Au、Sn中的任意一种或两种以上的组合。
10.根据权利要求7所述的封装方法，其特征在于还包括：
提供由一体设置的两个以上管座组成的管座晶圆、由一体设置的两个以上管帽组成的管帽晶圆；
在所述管座晶圆上固定两个以上激光器芯片，并将所述管帽晶圆与管座晶圆焊接固定，且使其中每一管座与相配合的一个管帽以及被封装于该管座和管帽之间的至少一激光器芯片形成一封装单元；
将各封装单元分割形成彼此独立的器件。
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