一种人眼安全型小尺寸vcsel封装结构及其制造方法
阅读说明：本技术 一种人眼安全型小尺寸vcsel封装结构及其制造方法 (Human eye safety type small-size VCSEL packaging structure and manufacturing method thereof ) 是由 李彬亭 梁盼 刘琦 于 2020-05-27 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种人眼安全型小尺寸VCSEL封装结构及其制造方法,该VCSEL封装结构中,反射镜B设置在VCSEL芯片的一侧；反射镜B的第二反射面与载板之间成一定夹角；反射镜A的顶部固定在盖板上,反射镜A的顶部开设有凹槽；监控芯片设置在盖板上,且监控芯片位于凹槽的内部；反射镜A的第二反射面与第一反射面相互平行,第一反射面与第二反射面之间形成VCSEL芯片发射光的光路通道。本发明通过两个45°反射镜,将VCSEL出光方向调整为与载板垂直,方便消费电子中的装配使用；监控芯片位于反射镜凹腔内部,且两个反射镜错位排布大大降低了产品尺寸,适应了消费电子对产品尺寸微型化的要求。(The invention relates to an eye-safe small-size VCSEL packaging structure and a manufacturing method thereof, wherein in the VCSEL packaging structure, a reflector B is arranged on one side of a VCSEL chip; a certain included angle is formed between the second reflecting surface of the reflector B and the carrier plate; the top of the reflector A is fixed on the cover plate, and a groove is formed in the top of the reflector A; the monitoring chip is arranged on the cover plate and is positioned in the groove; the second reflecting surface of the reflector A is parallel to the first reflecting surface, and a light path channel for emitting light of the VCSEL chip is formed between the first reflecting surface and the second reflecting surface. According to the invention, the light-emitting direction of the VCSEL is adjusted to be vertical to the carrier plate through the two 45-degree reflectors, so that the assembly and the use in consumer electronics are facilitated; the monitoring chip is positioned in the reflector cavity, and the two reflectors are arranged in a staggered manner, so that the product size is greatly reduced, and the requirement of consumer electronics on product size miniaturization is met.)
技术领域
本发明涉及一种人眼安全型小尺寸VCSEL封装结构及其制造方法，属于半导体封装技术领域。
背景技术
3D人脸识别功能在消费电子智能手机中获得成功应用，未来几年3D人脸识别将有爆发式发展，在3D人脸识别实现方式上主要有3D结构光和TOF两类技术，无论哪一种技术均需要VCSEL(垂直面发射激光器)，但是由于需要向人脸投射激光束，人眼安全问题变得尤为重要。
常规的VCSEL激光器模块，体积大，装配不易实现自动化，中国专利文献CN209561862U公开了一种垂直腔面发射激光器封装结构，该结构包括基板、贴于基板一侧表面的VCSEL芯片及罩设于所述VCSEL芯片外侧的封装支架，所述基板为氮化铝陶瓷基板，氮化铝陶瓷基板表面还成型有金属层，在所述金属层形成有线路，VCSEL芯片通过纳米银胶层粘贴于氮化铝陶瓷基板的表面并通过绑定线与线路导通连接，封装支架上还组装有正对VCSEL芯片的出光面以对VCSEL芯片发射出的激光光束进行扩散处理的扩散片。该专利提供的垂直腔面发射激光器封装结构，一般VCSEL激光芯片与衍射镜片正对安装，不能实现激光芯片输出功率的监控，存在人眼安全隐患。
中国专利文献CN208384176U公开了一种带背光监控的光传输组件及装置，包括VCSEL芯片、透镜基体和出射聚焦透镜，还包括：半反半透镜和背光监控芯片，所述半反半透镜包含入射准直透镜和背光反射镜，所述VCSEL芯片的出射光经过半反半透镜形成反射光路和透射光路，在所述反射光路上设置有背光反射镜和背光监控芯片，在所述透射光路上设置有入射准直透镜、透镜基体及出射聚焦透镜。但是该结构出光方向为器件的侧面，不满足消费电子对产品出光方向以及厚度的要求。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明公开了一种人眼安全型小尺寸VCSEL封装结构，该封装结构中，通过设置两个反射镜，将封装体出光方向与VCSEL出光方向同向，满足消费电子一般采用表面贴装且出光方向垂直于贴装面的要求；监控芯片位于反射镜内部，且反射镜错位排布，大大减少了封装体的体积。
本发明还公开了上述人眼安全型小尺寸VCSEL封装结构的制造方法。
本发明的技术方案为：
一种人眼安全型小尺寸VCSEL封装结构，该VCSEL封装结构包括VCSEL芯片、监控芯片、反射镜B、反射镜A、衍射镜片、载板、支撑框和盖板；
所述载板上围设有支撑框，支撑框的上设置有盖板，所述载板、支撑框、盖板共同围设成VCSEL封装腔体；
在VCSEL封装腔体中，VCSEL芯片和反射镜B均设置在所述载板上，所述反射镜B设置在VCSEL芯片的一侧；所述反射镜B靠近VCSEL芯片的侧面为第二反射面，所述第二反射面与载板之间成一定夹角；
所述反射镜A的顶部固定在所述盖板上，且反射镜A设置在VCSEL芯片的上方；
所述反射镜A的顶部开设有凹槽；监控芯片设置在所述盖板上，且监控芯片位于所述凹槽的内部；
所述反射镜A靠近VCSEL芯片的侧面为第一反射面，且第二反射面与第一反射面相互平行，所述第一反射面与第二反射面之间形成VCSEL芯片发射光的光路通道；
所述盖板上还开设有出光孔，且所述出光孔上设置有衍射镜片；
监控芯片与控制电路相连，控制电路与VCSEL芯片相连；
VCSEL芯片的发射光入射到反射镜A，一部分发射光通过反射镜A的第一反射面反射到反射镜B的第二反射面上，经第二反射面的反射后，通过衍射镜片、出光孔输出到VCSEL封装腔体外；VCSEL芯片的另一部分发射光透过反射镜A到达监控芯片，当监控芯片的感光电流I超过设定感光电流Imax时，触发控制电路，控制电路发射控制信号切断VCSEL芯片供电。
本发明中，两个反射镜的存在将封装体出光方向与VCSEL出光方向同向，满足消费电子一般采用表面贴装且出光方向垂直于贴装面的要求；监控芯片位于反射镜内部，且反射镜错位排布，大大减少了封装体的体积，方便智能手机、平板电脑中的应用。
根据本发明优选的，所述第二反射面与载板之间成45°夹角。此设计的好处在于，保证激光从第二反射面射出方向与激光射向第一反射面方向相同，且垂直射向衍射镜片。
根据本发明优选的，VCSEL芯片输出的波长范围为850-980nm。
根据本发明优选的，第一反射面的表面蒸镀有850～980nm高反膜，850～980nm高反射率膜的反射率为85％～89％。
根据本发明优选的，第二反射面表面蒸镀有850～980nm高反膜，850～980nm高反膜的反射率≥98％。
根据本发明优选的，监控芯片位于所述VCSEL芯片的上方，且监控芯片的中心线与VCSEL芯片的中心线偏差为±25μm。
根据本发明优选的，监控芯片的电极与盖板上设置的电极相连接，且盖板上设置的电极与支撑框顶部设置的导电金属柱的位置相对应。将监控芯片正负极引线导通至载板上的电极；保证所有与外部电路连接的电极均在载板底部。
根据本发明优选的，载板的材质为氧化铝基板或氮化铝基板。
上述人眼安全型VCSEL封装结构的制造方法，包括步骤：
(1)将VCSEL芯片粘接在载板上；
(2)将反射镜B粘接在载板上，并使得反射镜B的第二反射面与所述载板成一定角度；
(3)通过自动焊线机台将VCSEL芯片的电极与载板的电极进行连接；
(4)将预制的支撑框粘接在所述载板上；
(5)将监控芯片粘接在盖板上，并进行烘烤固化；
(6)通过自动焊线机台将监控芯片的电极与盖板的电极进行连接；
(7)将反射镜A固定在盖板上，使得监控芯片位于反射镜A顶部开设的凹槽中，且反射镜A的第一反射镜的第一反射面与反射镜B的第一反射镜的第二反射面平行；
(8)将衍射镜片粘接于盖板上的出光孔；
(9)通过粘接剂将步骤(8)输出半成品倒扣于步骤4得到的载板上，形成人眼安全型VCSEL单体。
本发明的有益效果为：
1.本发明提供的VCSEL封装结构，通过两个45°反射镜，将VCSEL出光方向调整为与载板垂直，方便消费电子中的装配使用；监控芯片位于反射镜凹腔内部，且两个反射镜错位排布大大降低了产品尺寸，适应了消费电子对产品尺寸微型化的要求。
2.通过在VCSEL激光芯片发光区顶部设置探测芯片，达到了实时探测激光器发光功率的目的，避免了由于电路故障、模块故障等造成的VCSEL发光功率超出设计值，使用过程中造成人眼损伤的问题。
3.产品制造封装过程中整条制作，最后将组装好的整条产品通过切割，形成单体，适合批量化生产。
附图说明
图1为本发明提供的VCSEL封装结构剖面示意图；
1、VCSEL芯片，2、金线A，3、反射镜A，4、金线B，5、监控芯片，6、盖板，7、衍射镜片，8、支撑框，9、反射镜B，10、载板，11、第一反射面，12、第二反射面。
具体实施方式
下面结合实施例和说明书附图对本发明做进一步说明，但不限于此。
实施例1
一种人眼安全型小尺寸VCSEL封装结构，如图1所示，该VCSEL封装结构包括VCSEL芯片1、监控芯片5、反射镜B9、反射镜A3、衍射镜片7、载板10、支撑框8和盖板6；
VCSEL芯片1输出的波长范围为850-980nm。
载板10的材质为氧化铝基板或氮化铝基板。
载板10上围设有支撑框8，支撑框8的上设置有盖板6，载板10、支撑框8、盖板6共同围设成VCSEL封装腔体；
在VCSEL封装腔体中，VCSEL芯片1和反射镜B9均设置在载板10上，反射镜B9设置在VCSEL芯片1的一侧；反射镜B9靠近VCSEL芯片1的侧面为第二反射面12，第二反射面12与载板10之间成一定夹角；
本实施例中，第二反射面12与载板10之间成45°夹角。此设计的好处在于，保证激光从第二反射面12射出方向与激光射向第一反射面11方向相同，且垂直射向衍射镜片7。
第二反射面12表面蒸镀有850～980nm高反膜，850～980nm高反膜的反射率≥98％。
反射镜A3的顶部固定在盖板6上，反射镜A3的顶部开设有凹槽；
监控芯片5设置在盖板6上，且监控芯片5位于凹槽的内部；监控芯片5位于VCSEL芯片1的上方，且监控芯片5的中心线与VCSEL芯片1的中心线偏差为±25μm。
反射镜A3靠近VCSEL芯片1的侧面为第一反射面11，且第二反射面12与第一反射面11相互平行，第一反射面11与第二反射面12之间形成VCSEL芯片1发射光的光路通道；
第一反射面11的表面蒸镀有850～980nm高反膜，850～980nm高反射率膜的反射率为85％～89％。
盖板6上还开设有出光孔，且出光孔上设置有衍射镜片7；
监控芯片5与控制电路相连，控制电路与VCSEL芯片1相连；
VCSEL芯片1的发射光入射到反射镜A3，一部分发射光通过反射镜A3的第一反射面11反射到反射镜B9的第二反射面12上，经第二反射面12的反射后，通过衍射镜片7、出光孔输出到VCSEL封装腔体外；VCSEL芯片1的另一部分发射光透过反射镜A3到达监控芯片5，当监控芯片5的感光电流I超过设定感光电流Imax时，触发控制电路，控制电路发射控制信号切断VCSEL芯片1供电，达到保护人眼安全的目的。
监控芯片5的电极焊线通过布线与盖板6上设置的电极相连接，且盖板6上设置的电极与支撑框8顶部设置的导电金属柱的位置相对应。将监控芯片5正负极引线导通至载板10上的电极；保证所有与外部电路连接的电极均在载板10底部。
本发明中，两个反射镜的存在将封装体出光方向与VCSEL出光方向同向，满足消费电子一般采用表面贴装且出光方向垂直于贴装面的要求；监控芯片5位于反射镜内部，且反射镜错位排布，大大减少了封装体的体积，方便智能手机、平板电脑中的应用。
实施例2
实施例1提供的一种人眼安全型小尺寸VCSEL封装结构的制造方法，包括步骤：
(1)载板10上通过到点银浆将VCSEL芯片1粘接于设计位置，并进行烘烤固化；
(2)将反射镜B9通过胶水粘接于载板10并完成光固化，反射镜B9表面存在45°反射面，反射面蒸镀高反射率膜增加反射率；
(3)通过自动焊线机台将VCSEL芯片1的电极与载板10的电极通过金线A2进行连接；
(4)将预制的支撑框8粘接在载板10上；
(5)将监控芯片5粘接在盖板6上，并进行烘烤固化；
(6)通过自动焊线机台将监控芯片5的电极与盖板6的电极通过金线B4进行连接；
(7)将反射镜A3固定在盖板6上，使得监控芯片5位于反射镜A3顶部开设的凹槽中，且反射镜A3的第一反射镜的第一反射面11与反射镜B9的第一反射镜的第二反射面12平行；
(8)通过粘接剂将衍射镜片7粘接于盖板6出光孔；
(9)通过粘接剂将步骤(8)输出半成品倒扣于步骤4得到的载板10上，形成人眼安全型VCSEL单体。
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：一种半导体激光泵浦源光学镜片装配方法