CN110764203A - 一种光器件用激光器固定封装结构及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光通信模块制造技术领域，尤其涉及一种光器件用激光器固定封装结构及其制造方法。包括气密封壳体，气密封壳体上设有贯穿壳体底部的安装固定孔，安装固定孔内嵌设有散热基板；散热基板边缘通过焊接与气密封壳体密封连接，还设置有设于气密封壳体内部的激光芯片组件；激光芯片组件贴装在散热基板上表面。本发明还提供了光器件用激光器固定封装结构制造方法。本发明通过改进光器件用激光器固定封装结构上用于固定、封装在气密封壳体结构及其制造方法，在保证激光器热源高速散热的同时，有效控制材料以及加工成本，实现改善激光器的固定封装性能同时降低生产制造成本的双效合一。
Description
技术领域
本发明属于光通信模块制造技术领域，尤其涉及一种光器件用激光器固定封装结构及其制造方法。
背景技术
光模块广泛应用于光通信领域，TOSA，ROSA光器件是光模块中的核心组成部分。光器件中电路板PCBA给激光器提供电源(电路板通过金线和激光器连接)，激光器发光，光通过透镜准直耦合到光纤中。所以激光器、透镜、光纤组件之间的位置精度直接决定光传输的优劣，光器件的散热也直接影响激光器的工作性能，同时散热效率的优劣也会通过热变形影响与光路相关的位置精度。现有技术结构采用可伐合金整体气密壳体1来固定封装电路板PCBA、激光器、透镜及光纤组件来完成光路的固定准直，在光器件中激光器贴装区域的散热要求很高，贴装区域的散热效率直接决定光模块性能的好坏，综合成本、材料以及加工难度的考量，市场上现有的光器件封装壳体主要分为两类，一类具有高散热性、热膨胀CTE与芯片材料高匹配性的钨铜材料气密壳体产品，钨铜是一种热导率很好且CTE与激光器芯片CTE匹配度良好的材料，但钨铜材料价格比可伐合金高很多，市场价钨铜约1200RMB/KG，可伐合金约200RMB/KG，同时钨铜材料硬度很高，机加工成本高，钨铜的激光焊接性能也比可伐合金差，而且光模块封装气密壳体1结构特征一般为深腔，机加工量和材料耗损比较大，因此此类产品材料以及加工成本非常高，难以大范围普及。另一类是可伐合金气密壳体产品，可伐合金材料的特点是CTE与激光器芯片匹配度很好，此材料与光纤组件激光焊接性能良好，但热导率不好，因此此类产品散热性差，激光器及气密壳体1难以快速散热，导致激光器光电转换效率稳定性不高。
发明内容
本发明创造的目的在于，提供一种具有较高的热膨胀系数匹配度，同时散热效率高，成本低的光器件用激光器固定封装结构，并提供光器件用激光器固定封装结构的制造方法。
一种光器件用激光器固定封装结构，包括气密壳体1，气密壳体1，上设有贯穿壳体底部的安装固定孔1a，安装固定孔1a内嵌设有散热基板3；散热基板3边缘通过焊接与气密壳体1密封连接，还设置有设于气密壳体1内部的激光芯片组件2；激光芯片组件2贴装在散热基板3上表面。
通过设置贯穿式安装固定孔1a以及散热基板3，可以使得激光芯片组件2产生的热量通过散热基板3直接传导至密封壳体外部，减少热量在气密壳体内部的滞留，大幅提高激光芯片的散热效率，降低激光器芯片的工作温度，提升光器件的性能。散热基板3的规格尺寸很小，一般规格大小在5mmX5mmX0.5mm以内，结构简单，制造成本比较低，对整个气密壳体的制造成本影响很小。
对前述光器件用激光器固定封装结构的进一步改进内容还包括，气密壳体1的底部设有与安装固定孔1a正对且连通的散热槽1e，散热基板3的边缘与散热槽1e相适应，散热槽1e的槽底内设有与槽底形状相适应的银铜焊料预制片9，散热基板3嵌入并焊接在散热槽1e中；散热基板3的上表面设置有安装槽3a，安装槽3a尺寸与形状与激光芯片组件2下端相适应；激光芯片组件2从安装固定孔1a穿过后焊接在安装槽3a中。
对前述光器件用激光器固定封装结构的进一步改进内容还包括，还包括设于气密壳体1内部的第一光学透镜4、第二光学透镜；以及嵌设在气密壳体1上的电路板5；气密壳体1上设有安装口1c，电路板5从安装口1c中***后固定；气密壳体1上还设有光纤孔1d，第二光学透镜盖在光纤孔1d上；第一光学透镜4设置于激光芯片组件2与第二光学透镜之间；光纤孔1d处设有光纤；激光芯片组件2、第一光学透镜4、第二光学透镜共线设置以使激光沿第一光学透镜4、第二光学透镜直射入光纤孔1d。
对前述光器件用激光器固定封装结构的进一步改进内容还包括，还包括设于气密壳体1内部的第一光学透镜4、第二光学透镜；以及嵌设在气密壳体1上的电路板5；气密壳体1上设有安装口1c，电路板5从安装口1c中***后固定；气密壳体1上还设有光纤孔1d，第二光学透镜盖在光纤孔1d上；第一光学透镜4设置于激光芯片组件2与第二光学透镜之间；光纤孔1d处设有光纤；还包括设置在激光芯片组件2与第一光学透镜4之间，和/或设置在第一光学透镜4与第二光学透镜之间的光路径控制装置；
对前述光器件用激光器固定封装结构的进一步改进内容还包括，散热基板3是采用钨铜制作；第一光学透镜4是指耦合透镜，第二光学透镜是指准直透镜；光路径控制装置是指反射镜或者折射镜。
本发明还提供一种光器件用激光器固定封装结构制造方法，包括如下步骤：
S1、加工气密壳体1，其中第一光学透镜4的安装面留余量0.1～0.2mm，光纤孔1d留余量单边0.1～0.2mm；
S2、加工散热基板3，上表面留余量0.1～0.2mm；
S3、散热基板3表面预镀镍0.5～2μm处理；
前述步骤S1、S2中，将激光芯片组件***安装固定孔1a的部分加工至配合尺寸即可，由于保留加工余量，因此加工工艺要求降低；
S4、焊接气密壳体1与散热基板3；
S5、精加工散热基板3上表面和第一光学透镜4的安装面及安装固定孔1a，清除焊渣以及加工缺陷，确保散热基板3上表面和第一光学透镜4的安装面的平行度以及尺寸精度；
S6、气密壳体组件表面镀镍、镀金处理；
本方法通过钎焊气密壳体1和散热基板3后精修加工可以把流淌的焊料CNC加工掉，A面芯片贴装区域就不会存在焊渣等多于结构，消除由于焊料导致贴装不平的风险，钎焊导致的高温烘烤变形及夹具固定误差导致的尺寸精度超差问题可以通过后续的CNC精修来确保最终产品完全满足图纸尺寸要求。保证产品的可靠性，此制造方法能批量稳定保证质量。
对前述光器件用激光器固定封装结构制造方法的进一步细化还包括，散热基板3上表面和第一光学透镜4的安装面的平行度0.015mm，尺寸精度±0.01mm。由于精修加工散热基板3上表面(激光芯片组件安装面)的时候，刀具会同时加工到钨铜材料和四周少部分可伐(Kovar)材料，要保证焊接后钨铜材料和可伐材料的封接强度能抵抗住刀具精修时的切削力，不会导致钨铜块的松动或脱落，经过试验，焊片厚度0.02～0.05mm及散热基板3上表面留余量0.1～0.2mm能更好的满足要求。
其有益效果在于：
本发明通过改进光器件用激光器固定封装结构(TOSA，ROSA)上用于固定、封装在气密壳体结构及其制造方法，在保证激光器热源高效散热的同时，有效控制材料以及加工成本，实现改善激光器的固定封装性能同时降低生产制造成本的双效合一。本发明在热源区域用热导率和CTE能很好满足要求的钨铜材料，并且采用贯穿式结构设计，这种方式相对于一体化可伐壳子，仅增加一个薄片结构的散热基板3，不是深腔结构，耗费材料很少，因此加工成本增加很少，但却有效改善了原有结构的散热性，实现了低成本与高精度高性能的协调，配合本发明提供的制造方法，在保证产品精度能批量满足器件性能和光路要求的同时，利用两部加工，抛除余量同时清理焊渣，实现芯片贴装区域表面干净，无残留，保证了产品的高精度高性能。
附图说明
图1是本发明的光器件用激光器固定封装结构的内部结构装配示意图；
(为便于展示内部结构已拆除壳体顶部盖板)；
图2是本发明的光器件用激光器固定封装结构的气密壳体1的仰视图。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明创造作详细说明。
本发明涉及一种光器件用激光器固定封装结构，包括TOSA，ROSA等，光器件用激光器固定封装结构是光纤通信等行业的核心硬件之一，主要用于保护光学器件，保证激光持续有效的准直耦合进光纤等结构，一般情况下，光器件生产厂商在外部采购或自己生产气密壳体1(分成盒状壳体以及顶部的盖板)，之后将激光芯片组件以及光学元件等或固定在气密壳体1内部；常用的光器件用激光器固定封装结构主要材料及性能见表1：
表1光器件用激光器固定封装结构常用材料性能
光器件气密壳体的一种常规设计采用整体可伐合金材料，但由表1可知，可伐合金热导率不佳，芯片组件附近的热量很难高效的传导出去，同时激光器芯片组件2由于位于气密壳体1内部，导致热量聚集在密闭的壳体内部难以传到出去，因此虽然成本低，但产品散热性能差，很难应用于高功率散热要求高的产品。另一种常规设计采用钨铜材料制作封装壳体，此方案散热性能以及和芯片组件贴装热膨胀系数的匹配性能很好，但是制造成本很高，批量实用性不强。
本发明中，改变传统结构设计方案，通过在激光芯片组件2的贴装区域设置贯穿结构，并将散热基板3焊接在贯穿结构之中，相对于全结构纯钨铜材质的气密壳体1，可以有效控制批量制造的生产升本，相对于全结构可伐合金材质的起密封结构，可以大大改善器件的散热性能，提成激光芯片的光电转化效率及稳定性。
结合具体实施例说明：
实施例一
如图1所示，为此本发明提供一种改进的光器件用激光器固定封装结构，特别之处在于，包括气密壳体1，气密壳体1上设有贯穿壳体底部的安装固定孔1a，安装固定孔1a内嵌设有散热基板3；散热基板3边缘通过焊接与气密壳体1密封连接，散热基板3是采用钨铜制作；还设置有设于气密壳体1内部的激光芯片组件2；激光芯片组件2贴装在散热基板3上表面；散热基板3边缘通过焊接与安装固定孔1a边缘密封连接以保证气密壳体1密封性；
在具体实施过程中，为便于加工，气密壳体1是在后期完成整体密封，生产时线加工出盒状壳体部分，最后在壳体部分上固定密封盖(为便于展示内部结构，图1中仅包括壳体部分)。
传统结构中，大部分热量均需要通过气密壳体1传导出去，激光器发出的热量长时间停留在气密壳体1内，得不到有效降温，本发明设置了散热基板3，激光器芯片通过焊接的方式设置在散热基板3上而不是直接焊接在气密壳体1底部，这个改变使得激光芯片组件能够将大部分热量直接传导至散热基板3，并利用直接与外部气体等冷却介质或结构直接接触的散热基板3实现快速散热，大部分热量能够快速的直接导出至气密壳体1外部，不会长时间的滞留在气密壳体1内部，进而极大的提升散热效率。经过测，采用本发明结构和制造方法获得的产品，在激光器工作过程中，各项性能具有明显提升，实际情形如表3所示：
表3现有产品与本发明的成本与性能比较
实施例二
如图2所示，进一步地，为提高光器件用激光器固定封装结构的定位精度，降低加工难度，同时提高散热性能，本实施例中，气密壳体1的底部设有与安装固定孔1a正对且连通的散热槽1e，散热基板3的边缘与散热槽1e相适应，散热槽1e的槽底内设有与槽底形状相适应的银铜焊料预制片9，散热基板3嵌入并焊接在散热槽1e中；散热基板3的上表面设置有安装槽3a，安装槽3a尺寸与形状与激光芯片组件2下端相适应；激光芯片组件2从安装固定孔1a穿过后焊接在安装槽3a中。
在具体实施过程中，光器件用激光器固定封装结构还包括设于气密壳体1内部的第一光学透镜4、第二光学透镜；以及嵌设在气密壳体1上的电路板5；气密壳体1上设有安装口1c，电路板5从安装口1c中***后固定；气密壳体1上还设有光纤孔1d，第二光学透镜盖在光纤孔1d上；第一光学透镜4设置于激光芯片组件2与第二光学透镜之间；光纤孔1d处设有光纤；激光芯片组件2、第一光学透镜4、第二光学透镜共线设置以使激光沿第一光学透镜4、第二光学透镜直射入光纤孔1d。
较佳实施方式是，散热基板3采用钨铜基板以实现高散热性能；第一光学透镜4是指耦合透镜，第二光学透镜是指准直透镜。
实施例三
为满足更多功能需求以及结构方案；本实施例中，还包括设置在激光芯片组件2与第一光学透镜4之间，和/或设置在第一光学透镜4与第二光学透镜之间的光路径控制装置；光路径控制装置是指反射镜或者折射镜，通过光路径控制装置可以自由的对光传播路径以及分路等进行控制，以满足多样化的需求。
实施例四
为了降低生产制造的难度，提高产品精度以保证光器件用激光器固定封装结构的性能，本发明还提供一种光器件用激光器固定封装结构制造方法，包括如下步骤：
S1、加工气密壳体1，其中第一光学透镜4的安装面留余量0.1～0.2mm，光纤孔1d留余量单边0.1～0.2mm；
S2、加工散热基板3，上表面留余量0.1～0.2mm；
S3、散热基板3表面预镀镍0.5～2μm处理；
前述步骤S1、S2中，将激光芯片组件***安装固定孔1a的部分加工至配合尺寸即可，由于保留加工余量，因此加工工艺要求降低；
S4、焊接气密壳体1与散热基板3；
S5、精加工散热基板3上表面和第一光学透镜4的安装面及安装固定孔1a，清除焊渣以及加工缺陷，确保散热基板3上表面和第一光学透镜4的安装面的平行度以及尺寸精度；
S6、气密壳体组件表面镀镍、镀金处理；
在传统工艺中，一般厂商都是先把单独的两个零件做好了，最后钎焊气密封接成成品。这样精度很难做到足够高的精度。原因是有焊接时装配定位误差，还有银铜钎焊800℃高温烘烤的变形，而且焊接后在散热基板3上表面容易有焊料，这样生产成品良率很难达到90％以上，由于质量问题导致制造成本比较高。
本发明中通过保留足够余量，对夹具或定位模具等辅助设备的精度要求大幅下降；本实施例中，焊接时工艺为AgCu28钎焊，焊接温度800～820℃，保温3分钟，气密性＜1×10-9Pa·m3/s；为保证器件性能，散热基板3上表面和第一光学透镜4的安装面的平行度0.015mm，尺寸精度±0.01mm，焊接时焊片厚度0.02～0.05mm。
本发明的制造方法中，气密壳体1设置有安装固定孔1a，安装固定孔1a在制造过程中作为散热基板3以及激光芯片组件2与气密壳体1之间的定位基准，一方面省去了原有制造方法中额外的定位夹具等，另一方面使得制造时能够根据安装固定孔1a与气密壳体1以及激光芯片组件2之间的尺寸和位置，通过留余量的方式实现先粗定位焊接，后精加工至安装尺寸的效果。安装面保留余量的另一个重要目的是在后期焊接完毕后，通过消除余量直至达到尺寸的同时一次性完全清除表面焊渣以及加工缺陷；而传统工艺中先加工端面后焊接工艺会在安装面残留焊渣，影响激光器性能和外观，且非常难以清理，需要额外处理流程，增加了生产升本。
特别指出的，前述实施例中散热基板3是采用具有较好的热传导系数以及较高的热膨胀系数匹配度的材质，现有技术中一般是指钨铜或氮化铝等材质，根据材料技术的发展进步，也可能采用其他材料。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明创造的技术方案，而非对本发明创造保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明创造作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明创造的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明创造技术方案的实质和范围。
Claims (8)
1.一种光器件用激光器固定封装结构，其特征在于，包括气密壳体(1)，气密壳体(1)上设有贯穿壳体底部的安装固定孔(1a)，安装固定孔(1a)内嵌设有散热基板(3)；散热基板(3)边缘通过焊接与气密壳体(1)密封连接，还设置有设于气密壳体(1)内部的激光芯片组件(2)；激光芯片组件(2)贴装在散热基板(3)上表面。
2.根据权利要求1所述光器件用激光器固定封装结构，其特征在于，所述气密壳体(1)的底部设有与安装固定孔(1a)正对且连通的散热槽(1e)，所述散热基板(3)的边缘与散热槽(1e)相适应，散热槽(1e)的槽底内设有与槽底形状相适应的银铜焊料预制片(9)，散热基板(3)嵌入并焊接在散热槽(1e)中；散热基板(3)的上表面设置有安装槽(3a)，安装槽(3a)尺寸与形状与激光芯片组件(2)下端相适应；激光芯片组件(2)从安装固定孔(1a)穿过后焊接在安装槽(3a)中。
3.根据权利要求1所述光器件用激光器固定封装结构，其特征在于，还包括设于气密壳体(1)内部的第一光学透镜(4)、第二光学透镜；以及嵌设在气密壳体(1)上的电路板(5)；所述气密壳体(1)上设有安装口(1c)，电路板(5)从安装口(1c)中***后固定；气密壳体(1)上还设有光纤孔(1d)，第二光学透镜盖在光纤孔(1d)上；第一光学透镜(4)设置于激光芯片组件(2)与第二光学透镜之间；光纤孔(1d)处设有光纤；
所述激光芯片组件(2)、第一光学透镜(4)、第二光学透镜共线设置以使激光芯片组件发出的光沿第一光学透镜(4)、第二光学透镜直射入光纤孔(1d)。
4.根据权利要求1所述光器件用激光器固定封装结构，其特征在于，还包括设于气密壳体(1)内部第一光学透镜(4)、第二光学透镜；以及嵌设在气密壳体(1)上的电路板(5)；所述气密壳体(1)上设有安装口(1c)，电路板(5)从安装口(1c)中***后固定；气密壳体(1)上还设有光纤孔(1d)，第二光学透镜盖在光纤孔(1d)上；第一光学透镜(4)设置于激光芯片组件(2)与第二光学透镜之间；光纤孔(1d)处设有光纤；
还包括设置在激光芯片组件(2)与第一光学透镜(4)之间，和/或设置在第一光学透镜(4)与第二光学透镜之间的光路径控制装置。
5.根据权利要求3或4所述光器件用激光器固定封装结构，其特征在于，散热基板(3)采用钨铜制作，所述第一光学透镜(4)是指耦合透镜，第二光学透镜是指准直透镜；所述光路径控制装置是指反射镜或者折射镜。
6.一种光器件用激光器固定封装结构制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、加工气密壳体，其中第一光学透镜的安装面留余量0.1～0.2mm，光纤孔留余量单边0.1～0.2mm；
S2、加工散热基板，上表面留余量0.1～0.2mm；
S3、散热基板表面预镀镍0.5～2μm处理；
S4、焊接气密壳体与散热基板；
S5、精加工散热基板上表面和第一光学透镜的安装面及安装固定孔，清除焊渣以及加工缺陷，确保散热基板上表面和第一光学透镜的安装面的平行度以及尺寸精度；
S6、气密壳体表面镀镍、镀金处理。
7.根据权利要求6所述光器件用激光器固定封装结构制造方法，其特征在于，散热基板(3)上表面和第一光学透镜(4)的安装面的平行度0.015mm，尺寸精度±0.01mm。
8.根据权利要求6所述光器件用激光器固定封装结构制造方法，其特征在于，焊接时焊片厚度0.02～0.05mm。
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