CN111224314A - 一种自指示贴片半导体激光器及其封装方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自指示贴片半导体激光器及其封装方法，包括管座及设置在管座上的管帽，在所述管座与管帽形成的空间内，在所述管座上沿光路依次设置有COS、45°直角半反射台、晶体、45°直角全反射台；管座上有2个45°反光模块，第一个45°反光模块(45°直角半反射台)反射50％的激光使光路实现90°改变，垂直管座出射，还可以透过50％的激光，光路上有晶体，使808nm激光泵浦成1064nm激光然后再经过倍频晶体产生532nm激光绿色激光，绿色激光经过第二个45°反光模块(45°直角全反射台)之后，光路发生90°改变，垂直管座出射。

Description

一种自指示贴片半导体激光器及其封装方法

技术领域

本发明涉及一种自指示贴片半导体激光器及其封装方法，属于半导体激光器的封装制造技术领域。

背景技术

半导体激光器具有体积小、重量轻、成本低、寿命长、波长可选择、输出功率稳定、电源驱动***简单等优点,近年来半导体激光技术的发展的更加成熟，在工业等领域应用也越来越广泛。半导体激光器具有体积小、寿命长等优点，并可采用简单的注入电流的方式来泵浦其工作电压和电流与集成电路兼容，因而可与之单片集成。并且，还可以用高达GHz的频率直接进行电流调制以获得高速调制的激光输出。由于这些优点，半导体二极管激光器在激光通信、光存储、光陀螺、激光打印、测距以及雷达等方面以及获得了广泛的应用。在临床医学上半导体激光器应用覆盖的范围也越来越广泛。因此，在市场上所占的份额也越来越大，具有十分广阔的发展前景。半导体激光设备的研制主要集中在美国、欧洲、日本等发达国家，仪器研发向着小型化、集成化、多功能、智能化方向发展。

半导体激光器目前主要两种封装形式，一种是TO封装结构，一般功率较小应用的都是采用TO封装，由于其可插拔的形式适用于大多数的应用场合，但是，因为其封装结构，出光方向上且管舌比较长，导致无法应用于空间狭小尤其是扁平的空间，不利于模块的小型化设计；另一种是C-mount封装，一般是W级以上大功率的封装，其优点是高可靠性、高稳定性、高精密机械加工、高热导率材料，其缺点是虽然结构扁平，但是外壳带电无法直接贴片PCB版，因而无法达到小模块化的要求，而且没有保护窗口，无法应用于一些特定的恶劣环境。现有的半导体激光器大多数都是单波长激光器，在后续对接光纤耦合输出应用时需要再配备指示光，而指示光激光器工作电流比较小，具体使用过程中容易以为光路反馈的高能量红外光与漏电导致失效，影响设备激光***的正常工作。

中国专利文献CN103633552B公开的一种贴片式激光器封装结构及其在光电电路中的封装方法，公开了一种L型贴片封装的激光器及其封装方法。贴片式激光器封装结构，包括半导体激光器管芯和L形热沉；所述L形热沉，包括L形的负极层、L形的绝缘层和L形的正极层，在所述的L形的负极层的内表面设置有L形凹槽，所述的L形的正极层嵌入设置在所述的L形凹槽内，所述L形的负极层和L形的正极层之间设置有L形的绝缘层；所述半导体激光器管芯安装在所述L形的负极层内表面且无L形凹槽的部位。具有体积小、可靠性高、焊点缺陷率低等优点，但是该结构的激光器发光方向只能平行于PCB版发射，而且激光器电极从管芯直接焊接到PCB版上，金线在拉长之后可靠性急剧下降，没有管帽的保护也不利于一些恶劣环境的使用，而且这种纯贴片式的封装不易更换，不利于后期的维修保养。

中国专利文献CN103904533B公开的贴片式激光器，涉及一种贴片式激光器，由以下几部分组成：正极导电块；负极导电块；定位槽；内部正极导线；LD芯片；各部件之间的位置及连接关系是：正极导电块与负极导电块作为2个底层导电兼散热块，LD芯片则胶粘在负极导电块的上表面，内部正极导线在LD芯片与正极导电块之间连接起导电连接作用；定位槽包裹住正、负极导电块以及LD芯片，这样就组成一个贴片式激光器；使用时所述激光器焊在电路板正、负极焊盘上。该发明的激光器具有体积极小，利于贴片封装等优点，但是，其是水平方向发射，无法满足与垂直方向的应用，而且纯贴片封装在后期维修比直插焊接难度大。

中国专利文献CN2457763公开了一种半导体激光器的封装结构，具有一金属正极导线架，其具有一第一接脚，第一接脚上结合一基座，基座上结合一激光晶片，正极导线架的一侧具有一负极导线架,该负极导线架的后端具有一第二接脚，该负极导线架与正极导线架之间具有一预定间距，且该负极导线架上连接一导线的一端,该导线的另一端则连接至该激光晶片上,正、负极导线架于结合该基座、激光晶片及导线一端的外侧包覆一透明外罩，具有结构简单的优点。该封装结构实现了一种激光器自指示封装形式，但是，该专利所述封装结构中增加了半导体激光器芯片的定位，以实现金属正极导线架和金属负极导线架之间产生固定尺寸间隔，需要很高的装配精度，且发光方向依然是水平方向无法满足垂直光的要求。

中国专利文献CN102662240A提供一种带指示的多发光单元半导体激光器模块耦合装置。该多发光单元半导体激光器模块耦合装置包括在电路板上固定设置的多个半导体激光器模块和一个指示模块，所述指示模块采用可见光半导体激光器芯片；每个半导体激光器模块组中的每一个发光单元的输出分别接入与之一一对应的光纤跳线，指示模块的输出也接入单独的光纤跳线；所有的光纤跳线以物理汇聚方式形成合束输出。本发明使激光器模块无需进行复杂的光束整形，以较低的成本、简便的设置实现了高功率输出、光斑均匀。但是，该装置指示光与工作激光是不同激光器，不能达到同时供电，增加了因电路故障造成不能正常工作的可能。

综上所述，现有的市场上，尤其是小型化应用的市场上所用的激光器，带指示光的一般是两只激光器通过光学合束来实现，由于是独立的两个激光器需要独立供电，大功率激光器与指示光激光器所需工作电流不一致，大功率激光器漏电极容易烧死指示激光器，造成设备故障影响稳定性。而且封装形式上一般是TO封装的激光器，其结构较高，不能满足一些扁平的特定需求；还有像LED贴片封装的激光器，虽然满足了扁平的设计，但是其出光方向是平行于PCB板，无法满足垂直出光的要求，而且这种贴片式在后期的维修中不如现有的直插式的管座更换方便。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种新型的自指示贴片封装激光器；

本发明还提供了上述自指示贴片封装激光器的封装方法。

术语解释：

1、COS，指chip on submount，是封装在次热沉上的激光器。

2、Nd:YVO4晶体，是指掺钕钒酸钇晶体；

3、KTP晶体，是指磷酸钛氧钾晶体。

本发明的技术方案如下：

一种自指示贴片半导体激光器，包括管座及设置在管座上的管帽，在所述管座与管帽形成的空间内，在所述管座上沿光路依次设置有COS、45°直角半反射台、晶体、45°直角全反射台。

808nm激光器管芯通电之后发出激光，激光出射之后打在45°直角半反射台上，一部分激光被反射，光路改变90°垂直管座出射，另一部分激光透过反射台打在晶体上，通过晶体之后产生532nm绿色激光，绿色激光打在后续45°直角全反射台上，光路发生90°改变，垂直管座出射，进而同一只激光器产生了两种不同波长的激光，由于532nm是绿色激光可见光，可以用来指示激光器工作状态。

管座上有2个45°反光模块，第一个45°反光模块(45°直角半反射台)反射50％的激光使光路实现90°改变，垂直管座出射，还可以透过50％的激光，光路上有晶体，使808nm激光泵浦成1064nm激光然后再经过倍频晶体产生532nm激光绿色激光，绿色激光经过第二个45°反光模块(45°直角全反射台)之后，光路发生90°改变，垂直管座出射。

根据本发明优选的，所述COS平行贴片在管座上。减小了激光器整体的垂直高度，使结构变得扁平，满足一些扁平空间的应用。所用材料是银胶。管座上有COS定位凹槽，便于COS贴片时的精准定位。

根据本发明优选的，所述COS包括热沉及烧结在所述热沉上的管芯，所述管芯倒装在所述热沉上。可以使管芯发出的热量更快的散热出去。激光器粘管芯的焊料是金锡焊料，有强度高，抗氧化性能好，抗热疲劳和蠕变性能优良，熔点低，流动性好等特点。

根据本发明优选的，所述热沉为绝缘热沉。使管壳不带电，在后续应用时减少静电击穿激光器的概率。

管座不同于普通的TO管座，管座没有常规管座的管舌，缩短了激光器垂直方向的长度，使结构变得扁平化，能够适应空间比较狭小的应用。

根据本发明优选的，所述晶体为Nd:YVO4晶体或KTP晶体，所述晶体通过光学紫外胶固定在所述管座上。固化快速便于操作。

根据本发明优选的，所述管帽上设置有镀膜视窗。可以增加激光的增透过率。管帽在封装的过程中是在氮气的环境中封帽的，这样激光器在无氧的环境下工作，减少激光器的氧化，同时密闭的空间还可以防尘。

根据本发明优选的，所述45°直角半反射台、所述45°直角全反射台的材质为透明玻璃，根据不同的用途，所述透明玻璃上镀有全反膜或半透膜。

根据本发明优选的，所述45°直角半反射台、所述45°直角全反射台的反射面为平镜面或凹镜面。可以汇聚光并实现光路改变，可以省去激光器后面的透镜，直接实现光路的汇聚或者准直。

上述自指示贴片封装激光器的封装方法的封装方法，包括以下步骤：

(1)将烧结好的COS装配到管座上；

进一步优选的，将烧结好的COS通过银胶固定在管座上，在140-150℃的温度条件下烘烤50-70min后固化。

进一步优选的，将烧结好的COS装配到管座对应的COS定位凹槽内，用对光设备对准位置，保证光路的平行。

进一步优选的，所述步骤(1)，通过粘管芯设备将管芯装配到热沉上，组成COS，将COS进行合金烧结。

(2)将管芯的正、负极分别用金线键合到管座上的正、负极管腿上；

(3)将45°直角半反射台装配到管座上对应的凹槽内，点胶固定；

(4)装配晶体，点亮激光器，并调节晶体，使晶体产生绿光，点紫外胶照射固定。

(5)将45°直角全反射台装配到管座上对应的凹槽内，点胶固定。

(6)在充氮气的环境下，对激光器进行封装管帽，即得。可以减少使用过程中激光器的氧化，延长使用寿命。

本发明的有益效果在于：

1、本发明的激光器采用特殊的管座设计，去掉了原TO管座的管舌，将COS直接贴片到管座上减小了激光器整体的垂直高度，使结构变得扁平，满足一些扁平空间的应用。

2、本发明采用45°直角反射台可以实现光路的90°改变，还可以通过镀膜调节45度反射台的透过率，做到即可以反射又可以透射，透射的808nm激光经过晶体之后产生绿色激光，绿色激光经过另一个反射台之后光路90°改变垂直出射。

3、本发明的激光器后续光路加聚焦透镜之后，可以将光束进行汇聚或准直，进而直接应用激光；也可以将汇聚后的激光耦合进光纤，通过光纤传导之后做进一步的应用。这样不可见光808nm可以通过观察绿色激光来判定工作与否，防止误伤人眼。

4、本发明45°直角反射台还可以做成内凹型镜面，实现光路的汇聚，可以省去后续光路中的汇聚透镜，进一步减小光路的距离，利于后续应用的扁平化与微型化。

5、本发明采用充氮气环境下封帽，可以使激光器管芯工作在无氧环境下，延长激光器的使用寿命；

6、管帽上的视窗采用对应激光器波长增透镀膜，提升激光器的出射率。

附图说明：

图1为本发明自指示贴片半导体激光器整体外观示意图；

图2为本发明自指示贴片半导体激光器剖面示意图；

图3为本发明自指示贴片半导体激光器封帽前的结构示意图；

图4为本发明平镜面反射台结构示意图。

1、管座，2、管帽，3、镀膜视窗，4、45°直角半反射台，5、管芯，6、热沉，7、晶体，8、45°直角全反射台。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明本发明，但不限于此。

实施例1

一种自指示贴片半导体激光器，包括管座1及设置在管座1上的管帽2，整体外观示意图如图1所示。在管座1与管帽2形成的空间内，在管座1上沿光路依次设置有COS、45°直角半反射台4、晶体7、45°直角全反射台8；剖面示意图如图2所示。封帽前的结构示意图如图3所示。

45°直角半反射台4，反光面上镀有808nm半透膜，通过调节镀膜可以调节透过率与反射率，可以实现管芯5发出的808nm激光50％透过水平射出，50％光改变光路垂直出射。光路上有晶体7，使808nm激光泵浦成1064nm激光然后再经过倍频晶体产生532nm激光绿色激光，绿色激光经过45°直角全反射台8，使绿色激光光路发生90°反转，垂直管座1出射。

实施例2

根据实施例1所述的一种自指示贴片半导体激光器，其区别在于，COS包括热沉6及烧结在热沉6上的管芯5，管芯5倒装在热沉6上。可以使管芯5发出的热量更快的散热出去。激光器粘管芯5的焊料是金锡焊料，有强度高，抗氧化性能好，抗热疲劳和蠕变性能优良，熔点低，流动性好等特点。热沉6为绝缘热沉。使管壳不带电，在后续应用时减少静电击穿激光器的概率。COS平行贴片在管座1上。减小了激光器整体的垂直高度2mm左右，使结构变得扁平，满足一些扁平空间的应用。所用材料是银胶。管座1上有COS定位凹槽，便于COS贴片时的精准定位。

实施例3

根据实施例1或2所述的一种自指示贴片半导体激光器，其区别在于，

管座1不同于普通的TO管座，管座1没有常规管座的管舌，缩短了激光器垂直方向的长度，使结构变得扁平化，能够适应空间比较狭小的应用。

晶体7为Nd:YVO4晶体或KTP晶体，晶体7通过光学紫外胶固定在管座1上。固化快速便于操作。

管帽2上设置有镀膜视窗3。可以增加激光的增透过率。管帽2在封装的过程中是在氮气的环境中封帽的，这样激光器在无氧的环境下工作，减少激光器的氧化，同时密闭的空间还可以防尘。

45°直角半反射台4、45°直角全反射台8的材质为透明玻璃，根据不同的用途，玻璃镀银、镀金，透明玻璃上镀有全反膜或半透膜。

45°直角半反射台4、45°直角全反射台8的反射面为平镜面。平镜面反射台结构如图4所示。使管芯5发出的光实现90°改变，最后垂直管座1出射。

实施例4

根据实施例3所述的一种自指示贴片半导体激光器，其区别在于，

45°直角半反射台4、45°直角全反射台8的反射面为凹镜面。内凹面可以使管芯5发出的光实现90°改变，还可以汇聚光路省去后续的透镜，减小垂直高度10mm左右，使结构变的更加扁平化与小型化。最后垂直管座1出射。

实施例5

实施例1-4任一所述自指示贴片封装激光器的封装方法的封装方法，包括以下步骤：

(1)通过粘管芯5设备将管芯5装配到热沉6上，组成COS，将COS进行合金烧结。

将烧结好的COS装配到管座1对应的定位凹槽内，用对光设备对准位置，保证光路的平行，COS与管座1之间有银胶，高温145℃烘烤60min后固化。

(2)将管芯5的正、负极分别用金线键合到管座1上的正、负极管腿上；

(3)将45°直角半反射台4装配到管座1上对应的凹槽内，点胶固定；

(4)装配晶体7，点亮激光器，并调节晶体7，使晶体7产生绿光，点紫外胶照射固定。

(5)将45°直角全反射台8装配到管座1上对应的凹槽内，点胶固定。

(6)在充氮气的环境下，对激光器进行封装管帽2，即得。可以减少使用过程中激光器的氧化，延长使用寿命。

Claims (10)

1.一种自指示贴片半导体激光器，其特征在于，包括管座及设置在管座上的管帽，在所述管座与管帽形成的空间内，在所述管座上沿光路依次设置有COS、45°直角半反射台、晶体、45°直角全反射台。

2.根据权利要求1所述的一种自指示贴片半导体激光器，其特征在于，所述COS平行贴片在管座上。

3.根据权利要求1所述的一种自指示贴片半导体激光器，其特征在于，所述COS包括热沉及烧结在所述热沉上的管芯，所述管芯倒装在所述热沉上。

4.根据权利要求3所述的一种自指示贴片半导体激光器，其特征在于，所述热沉为绝缘热沉。

5.根据权利要求1所述的一种自指示贴片半导体激光器，其特征在于，所述晶体为Nd:YVO4晶体或KTP晶体，所述晶体通过光学紫外胶固定在所述管座上。

6.根据权利要求1所述的一种自指示贴片半导体激光器，其特征在于，所述管帽上设置有镀膜视窗。

7.根据权利要求1所述的一种自指示贴片半导体激光器，其特征在于，所述45°直角半反射台、所述45°直角全反射台的材质为透明玻璃，所述透明玻璃上镀有全反膜或半透膜。

8.根据权利要求1所述的一种自指示贴片半导体激光器，其特征在于，所述45°直角半反射台、所述45°直角全反射台的反射面为平镜面或凹镜面。

9.一种权利要求1-8任一所述自指示贴片封装激光器的封装方法的封装方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将烧结好的COS装配到管座上；

(2)将管芯的正、负极分别用金线键合到管座上的正、负极管腿上；

(3)将45°直角半反射台装配到管座上，点胶固定；

(4)装配晶体，点亮激光器，并调节晶体，使晶体产生绿光，点紫外胶照射固定；

(5)将45°直角全反射台装配到管座上，点胶固定；

(6)在充氮气的环境下，对激光器进行封装管帽，即得；

进一步优选的，所述步骤(1)中，将烧结好的COS通过银胶固定在管座上，在140-150℃的温度条件下烘烤50-70min后固化；

进一步优选的，所述步骤(1)中，将烧结好的COS装配到管座对应的COS定位凹槽内，用对光设备对准位置，保证光路的平行。

10.根据权利要求9所述的自指示贴片封装激光器的封装方法的封装方法，其特征在于，所述步骤(1)，通过粘管芯设备将管芯装配到热沉上，组成COS，将COS进行合金烧结。

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