基于双波长的半导体激光器芯片封装
阅读说明：本技术 基于双波长的半导体激光器芯片封装 (Semiconductor laser chip package based on dual wavelength ) 是由 杨旭 刘哲 韩春霞 张岩松 于 2021-03-19 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种基于双波长的半导体激光器芯片封装,应用于两个不同波长的激光芯片,包括：一个基板,一个被设于所述基板的顶面的第一正极打线区域,一个被设于所述基板的顶面的第一贴片区域,一个被设于所述基板的顶面的第二贴片区域和一个被设于所述基板的顶面的第二正极打线区域,一个被设于所述基板的底面的第一正极贴片焊盘,一个被设于所述基板的底面的第一负极贴片焊盘,一个被设于所述基板的底面的第二正极贴片焊盘和一个被设于所述基板的底面的第二负极贴片焊盘,和一个坝,所述坝被设于所述基板的外围。(The invention provides a semiconductor laser chip package based on dual wavelength, which is applied to two laser chips with different wavelengths, and comprises: the packaging structure comprises a substrate, a first positive wire bonding area arranged on the top surface of the substrate, a first patch area arranged on the top surface of the substrate, a second positive wire bonding area arranged on the top surface of the substrate, a first positive patch pad arranged on the bottom surface of the substrate, a first negative patch pad arranged on the bottom surface of the substrate, a second positive patch pad arranged on the bottom surface of the substrate, a second negative patch pad arranged on the bottom surface of the substrate, and a dam, wherein the dam is arranged on the periphery of the substrate.)
技术领域
本发明涉及一种半导体激光器封装一体方案，尤其涉及一种基于双波长的半导体激光器芯片封装。
背景技术
VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser)，为垂直腔面发射激光器的英文缩写，这是一种基于半导体激光二极管，不同于传统的顶部和侧面发射光的LED及边缘发射激光器，VCSEL能够从其表面垂直发射更为高效的光束。
具有阈值低、远场发散角小、调制频率高、易实现单纵模工作和二维集成等突出优点，经过多年发展，VCSEL 已经在宽带以太网、高速数据通信、光互联、光集成元件等领域中得到了大量的应用，具有广阔的市场前景和不菲的商业价值。
市场上的垂直腔面发射激光器（Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers,VCSEL）现有封装主要为单颗单波长的半导体激光器芯片加上光电探测器，现有封装的尺寸大多为3535（3.5mmX3.5mm）和3532(3.5mmX3.2mm)。上述产品的主要问题凸显于，第一，单波长的发光限制了针对不同探测物或应用场景的范围；第二，由于终端设备（诸如手表、健康手环）等体积有限，现有较大的封装尺寸封装限制了其在设备里的应用。
目前市场传感器采用LED封装的方案，LED由于光谱宽，其灵敏度远不如激光器，而用于传感的激光器多采用单波长方案，对探测的物质范围具有局限性。
也就是说，现有的垂直腔面发射激光器为单波长的发光，单波长发光较为有限的感测范围限制了其适用场合，即其探测物应用场景受限。
也就是说，受限于市场上流行的终端设备的实际体积，如手表、健康手环等，具备自身体积较小的特点，这就使得此类终端设备能够提供的内部组装空间更为有限，市场上现有的垂直腔面发射激光器的现有封装的尺寸相比此类终端设备而言较大，从而双方无法实现适配，也就是说，现有的垂直腔面发射激光器的现有封装的较大尺寸限制了能够被适用的终端产品的种类及范围，从而，对进一步提高垂直腔面发射激光器在市场上占有的份额、商业价值的持续发展造成了阻碍。
发明内容
本发明的一个优势在于提供一种基于双波长的半导体激光器芯片封装，其中，本发明的封装整体尺寸为1.0mmX0.5mm，有利于被适配于小型终端设备，从而扩大本发明的适用范围，有益于提高市场份额和提升商业价值。
本发明的另一优势在于提供一种基于双波长的半导体激光器芯片封装，其中，本发明的激光器的芯片尺寸被控制。
本发明的另一优势在于提供一种基于双波长的半导体激光器芯片封装，其中，本发明的整体光电转换效率在20%-40%，能耗较低，较为环保。
本发明的另一优势在于提供一种基于双波长的半导体激光器芯片封装，其中，本发明的激光芯片和封装使用寿命被延长，一般可达10年以上。
本发明的另一优势在于提供一种基于双波长的半导体激光器芯片封装，其中，本发明引入两颗不同波长的半导体激光器，感测范围被扩大，适用场合较多，探测应用场景被拓展。
本发明的另一优势在于提供一种基于双波长的半导体激光器芯片封装，其中，本发明引入两颗不同波长的半导体激光器，不同波段针对气体烟雾报警（如，实施针对大颗粒粉尘的探测）、可穿戴设备的血氧传感等应用场景可以起到互补的作用。
为实现上述目的，本发明提供一种基于双波长的半导体激光器芯片封装，包括：
一个基板；
一个被设于所述基板的顶面的第一正极打线区域，一个被设于所述基板的顶面的第一贴片区域，一个被设于所述基板的顶面的第二贴片区域和一个被设于所述基板的顶面的第二正极打线区域，其中所述第一正极打线区域、所述第一贴片区域、第二正极打线区域和第二贴片区域被对应地、间隔地设置，其中所述第一正极打线区域和所述第一贴片区域适于与一个第一激光芯片相对应，所述第二贴片区域和所述第二正极打线区域适于与一个第二激光芯片相对应；
一个被设于所述基板的底面的第一正极贴片焊盘，一个被设于所述基板的底面的第一负极贴片焊盘，一个被设于所述基板的底面的第二正极贴片焊盘和一个被设于所述基板的底面的第二负极贴片焊盘，所述第一正极贴片焊盘、所述第一负极贴片焊盘、所述第二正极贴片焊盘和所述第二负极贴片焊盘被间隔地设置于所述封装底部，其中所述第一正极贴片焊盘和所述第一负极贴片焊盘与所述第一激光芯片相对应，所述第二正极贴片焊盘和所述第二负极贴片焊盘与所述第二激光芯片相对应；和
一个坝，所述坝被设于所述基板的外围，所述第一正极打线区域、所述第二贴片区域、所述第一贴片区域和所述第二正极打线区域被设于所述坝的内部。
根据本发明的一个实施例，所述第一激光芯片的波长范围在800-1000nm，所述第二激光芯片的波长范围在400-700nm。
根据本发明的一个实施例，所述第一激光芯片为单孔发光或阵列发光，功率在1-300毫瓦，远场发散角在18-23°。
根据本发明的一个实施例，所述第二激光芯片的功率在1-20毫瓦，远场发散角在18-26°。
根据本发明的一个实施例，两个所述激光芯片均为P面朝上，N面朝下，两个所述激光芯片的底部通过银胶被贴在所述第一负极贴片焊盘和所述第二负极贴片焊盘。
根据本发明的一个实施例，所述封装的整体尺寸为1.0mmX0.5mm。
根据本发明的一个实施例，所述封装的上方加盖一个透镜或一个匀光片。
根据本发明的一个实施例，所述坝的主要材料为陶瓷或金属。
根据本发明的一个实施例，所述第一贴片区域和所述第二贴片区域通过导电银胶实现粘贴所述第一激光芯片和所述第二激光芯片。
根据本发明的一个实施例，所述第一正极打线区域的范围为0.55mm×0.2mm，所述第一正极打线区域与所述坝的间隔为0.1mm。
根据本发明的一个实施例，所述第一贴片区域的范围为0.55×0.5mm，所述第一正极打线区域和所述第一贴片区域的间隔为0.05mm。
根据本发明的一个实施例，所述第二贴片区域的范围为0.55×0.5mm，所述第一贴片区域和所述第二贴片区域的间隔为0.15mm。
根据本发明的一个实施例，所述第二正极打线区域的范围为0.55mm×0.2mm，所述第二正极打线区域和所述第二贴片区域的间隔为0.05mm，所述第二正极打线区域和所述坝的间隔为0.1mm。
根据本发明的一个实施例，所述第一激光芯片和所述第二激光芯片的范围为0.4mm×0.45mm。
根据本发明的一个实施例，所述坝围成的内部区域范围为0.65mm×1.85mm，所述坝的外沿围成的整体区域范围为0.8mm×2mm。
依本发明的另一方面，本发明进一步提供一种制造基于双波长的半导体激光器芯片封装的方法，包括以下步骤：
（A）制备一个基板；
（B）形成一个第一正极打线区域、一个第二正极打线区域、一个第一贴片区域和一个第二贴片区域在所述基板的顶面， 其中所述第一正极打线区域、所述第一贴片区域、所述第二正极打线区域和所述第二贴片区域被对应地、间隔地生成于所述封装的顶部，其中所述第一正极打线区域和所述第一贴片区域适于与一个第一激光芯片相对应，所述第二贴片区域和所述第二正极打线区域适于与一个第二激光芯片相对应；
（C）形成一个第一正极贴片焊盘、一个第二正极贴片焊盘、一个第一负极贴片焊盘和一个第二负极贴片焊盘在所述基板的底面，其中所述第一正极贴片焊盘、所述第一负极贴片焊盘、所述第二正极贴片焊盘和所述第二负极贴片焊盘被间隔地生成于所述封装的底部，其中所述第一正极贴片焊盘和所述第一负极贴片焊盘与所述第一激光芯片相对应，所述第二正极贴片焊盘和所述第二负极贴片焊盘与所述第二激光芯片相对应；和
（D）制备一个坝在所述基板的外围，所述第一正极打线区域、所述第二正极打线区域、所述第一贴片区域和所述第二贴片区域被围在所述坝的内部。
依本发明的又一方面，本发明进一步提供一种激光信号处理方法，包括以下步骤：
（a）通过给一个第一激光芯片加电，所述激光器发射一个激光，所述激光被一个被探测物体反射，所述激光被一个探测器接收，所述探测器转换一个光信号，以得到一个电信号；和
（b）通过给一个第二激光芯片加电，所述激光器发射另一激光，另一所述激光被所述被探测物体反射，另一所述激光被另一探测器接收，另一所述探测器转换所述光信号，以得到所述电信号。
根据本发明的一个实施例，所述步骤（a）进一步包括子步骤：当所述第一激光芯片被加电时，所述第二激光芯片处于不工作状态。
根据本发明的一个实施例，所述步骤（a）进一步包括子步骤：所述激光经由所述被探测物反射。
根据本发明的一个实施例，所述步骤（b）进一步包括子步骤：所述第二激光芯片的波长与所述第一激光芯片的波长不同。
根据本发明的一个实施例，所述步骤（b）进一步包括子步骤：另一所述探测器的波长与步骤（a）的所述探测器的波长不同。
本发明的其它优势和特点通过下述的详细说明得以充分体现并可通过所附权利要求中特地指出的手段和装置的组合得以实现。
通过对随后的描述和附图的理解，本发明进一步的目的和优势将得以充分体现。
本发明的这些和其它目的、特点和优势，通过下述的详细说明，附图和权利要求得以充分体现。
附图说明
图1是根据本发明的一个实施例的基于双波长的半导体激光器芯片封装的俯视示意图。
图2是根据本发明的上述实施例的基于双波长的半导体激光器芯片封装的底部示意图。
具体实施方式
以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。
本领域技术人员应理解的是，在本发明的揭露中，术语“纵向”、 “横向”、 “上”、“下”、 “前”、 “后”、 “左”、 “右”、 “竖直”、 “水平”、 “顶”、 “底”、 “内”、 “外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，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，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。
可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。
如图1所示，为本发明的一个实施例的基于双波长的半导体激光器芯片封装的俯视示意图， 其中所述基于双波长的半导体激光器芯片封装能够被用于两个激光芯片，分为一个第一激光芯片和一个第二激光芯片，所述基于双波长的半导体激光器芯片封装包括一个基板10，一个被设于所述基板10的顶面的第一正极打线区域1，一个被设于所述基板10的顶面的第二贴片区域3，一个被设于所述基板10的顶面的第一贴片区域2和一个被设于所述基板10的顶面的第二正极打线区域4，其中所述第一激光芯片对应所述第一正极打线区域1和所述第一贴片区域2，所述第二激光芯片对应所述第二贴片区域3和所述第二正极打线区域4，其中所述第一正极打线区域1被分布于所述基板10顶部的一个边缘区域，所述第一贴片区域2相邻于所述第一正极打线区域1被设于所述基板10顶部，其中所述第二贴片区域3相邻于所述第一贴片区域2被设于所述基板10顶部，所述第二正极打线区域4相邻于所述第二贴片区域3被设于所述基板10顶部，换句话说，所述第二正极打线区域4被设于所述基板10顶部的另一边缘区域，其中所述第一正极打线区域1、所述第一贴片区域2、所述第二贴片区域3和所述第二正极打线区域4被对应地、被交错地、间隔地设置于所述基板10顶部，彼此不会接触。
进一步的，所述第一激光芯片被压焊于所述第一正极打线区域1，所述第一激光芯片被贴于所述第一贴片区域2，所述第二激光芯片被压焊于所述第二正极打线区域4，所述第二激光芯片被贴于所述第二贴片区域3。
进一步的，所述第一正极打线区域1、所述第二贴片区域3、所述第一贴片区域2和所述第二正极打线区域4的厚度相等，被设于所述基板10顶部后，各个焊盘的高度一致，并不会造成高低起伏的状况。
进一步的，附图1所示黑色区域为一个坝9，所述坝9形成一个完整的围坝，所述坝9将所述封装体围起。进一步的，所述第一正极打线区域1、所述第二贴片区域3、所述第一贴片区域2和所述第二正极打线区域4被设于所述坝9的内部，所述第一正极打线区域1、所述第二贴片区域3、所述第一贴片区域2和所述第二正极打线区域4被所述坝9围住。
进一步的，所述坝9的主要材料为陶瓷或金属。
进一步的，所述第一贴片区域2通过一个导电银胶实现粘贴所述第一激光芯片。
进一步的，所述第二贴片区域3通过一个导电银胶实现粘贴所述第二激光芯片。
进一步的，所述第一正极打线区域1的范围为0.55mm×0.2mm，所述第一正极打线区域1与所述坝9的间隔为0.1mm。
进一步的，所述第一贴片区域2的范围为0.55×0.5mm，所述第一正极打线区域1和所述第一贴片区域2的间隔为0.05mm。
进一步的，所述第二贴片区域3的范围为0.55×0.5mm，所述第一贴片区域2和所述第二贴片区域3的间隔为0.15mm。
进一步的，所述第二正极打线区域4的范围为0.55mm×0.2mm，所述第二正极打线区域4和所述第二贴片区域3的间隔为0.05mm，所述第二正极打线区域4和所述坝9的间隔为0.1mm。
进一步的，所述第一激光芯片和所述第二激光芯片的范围为0.4mm×0.45mm。
进一步的，所述坝9围成的内部区域范围为0.65mm×1.85mm，所述坝9的外沿围成的整体区域范围为0.8mm×2mm。
参考附图2，为根据本发明的上述实施例的基于双波长的半导体激光器芯片封装的底部示意图，其中所述基于双波长的半导体激光器芯片封装进一步包括一个被设于所述基板10底面的第一正极贴片焊盘5，一个被设于所述基板10底面的第一负极贴片焊盘6，一个被设于所述基板10底面的第二正极贴片焊盘7和一个被设于所述基板10底面的第二负极贴片焊盘8，其中所述第一激光芯片对应所述第一正极贴片焊盘5和所述第一负极贴片焊盘6，所述第二激光芯片对应所述第二正极贴片焊盘7和所述第二负极贴片焊盘8，其中所述封装体的底部具有四个角落区域，其中所述第一正极贴片焊盘5被分布于所述封装底部的一个角落区域，所述第一负极贴片焊盘6相邻于所述第一正极贴片焊盘5被分布于所述封装底部的一个角落区域，所述第二正极贴片焊盘7相邻于所述第一正极贴片焊盘5和所述第二负极贴片焊盘8被分布于所述封装底部的一个角落区域，所述第二负极贴片焊盘8相邻于所述第一负极贴片焊盘6和所述第二正极贴片焊盘7被分布于所述封装底部的一个角落区域，其中所述第一正极贴片焊盘5、所述第一负极贴片焊盘6、所述第二正极贴片焊盘7和所述第二负极贴片焊盘8被间隔地设置于所述封装底部，彼此不会接触。
进一步的，所述第一正极贴片焊盘5、所述第一负极贴片焊盘6、所述第二正极贴片焊盘7和所述第二负极贴片焊盘8的厚度相等，被设于所述封装底部后，各个焊盘的高度一致，并不会造成高低起伏的状况。
进一步的，所述第一激光芯片的波长范围在800-1000nm。
进一步的，所述第二激光芯片的波长范围在400-700nm。
进一步的，所述第一激光芯片为单孔发光或阵列发光，光波长在800-1000nm，功率在1-300毫瓦，远场发散角在18-23°。
进一步的，所述第二激光芯片的光波长在400-700nm，功率在1-20毫瓦，远场发散角在18-26°。
进一步的，两个所述激光芯片均为P面朝上，N面朝下，底部通过银胶被贴在所述第一负极贴片焊盘和所述第二负极贴片焊盘。
进一步的，所述第一正极贴片焊盘和所述第二正极贴片焊盘，通过金线分别连接所述第一激光芯片和所述第二激光芯片的正面正极。
进一步的，所述基于双波长的半导体激光器芯片封装的上方能够根据应用场景，加盖一个透镜或一个匀光片，来获得相应的发散角。
进一步的，本发明通过控制激光器的芯片尺寸，在保证功率足够的情况下，将封装的整体尺寸缩小至1.0mmX0.5mm，有利于器件尺寸的缩小，扩大本发明的适用范围。
进一步的，本发明引入两颗不同波长的半导体激光器，不同波段针对气体烟雾报警（针对大颗粒粉尘）、可穿戴设备的血氧传感可以起到互补的作用。
进一步的，本发明的基于双波长的半导体激光器芯片封装的光电转换效率在20-40%，能耗优于市场上现有的LED的10%左右的传感方案。
进一步的，本发明的激光芯片和封装保障了使用寿命，正常工作条件下一般可达10年以上。
在本发明的基于双波长的半导体激光器芯片封装的制造场景中，首先，在贴片时，所述第一激光芯片和所述第二激光芯片的四周会产生一定程度的溢胶，胶水不得溢出至所述第一激光芯片和所述第二激光芯片的表面。
进一步的，针对两个芯片的设计，其中所述第一激光芯片的胶水不得溢出至所述第二激光芯片。一旦胶水溢出过多，至任一激光芯片表面，则会阻挡所述芯片的发光，进而导致光功率降低、所述芯片出现坏点。并且，一旦溢胶量过多，也会使两个芯片的胶水混在一起，最终导致两个芯片的背面产生电极串联，导致两个芯片被损毁。
进一步的，在工艺过程中，通过控制一个点胶量来防止胶水溢出量过多。也就是，在每次点胶时，通过控制一个流量计的流量来控制点胶量。
进一步的，在贴片时，溢胶量为导电胶的整体胶量的1/2-1/3，侧向溢出量为30-50微米，从而避免造成溢胶量过多，避免胶水的浪费，以及避免两个芯片的胶水融合到一起，影响产品性能。
进一步的，上述封装工艺保证了每个所述激光芯片对散热的需求，同时实现了良好导电性，使得每个所述激光芯片的光电转换效率不被影响，封装后的光电特性与裸芯的光电特性基本保持一致。
进一步的，通过给每个所述激光芯片加电，所述激光器发射一个激光，所述激光经由被探测物体反射，所述激光被对应波长的一个探测器接收，所述探测器将接收到的所述激光生成的一个光信号转化为一个电信号，通过监测所述光信号的改变，从而实现对血氧浓度变化的探测、空气粉尘数目改变的探测等诸多用途。
在本发明的基于双波长的半导体激光器芯片封装的使用场景中，首先，通过给任一所述激光器芯片加电，所述激光器发射所述激光，所述激光经由被探测物体反射，所述激光被其中一种波长的所述探测器接收，所述探测器将接收到的所述光信号转化为所述电信号，此时另一所述激光器芯片处于不工作状态；另一所述激光芯片被加电，所述激光器发射所述激光，所述激光经由被探测物体反射，所述激光被另外一种波长的所述探测器接收，所述探测器将接收到的所述光信号转化为所述电信号，此时任一所述激光器芯片处于不工作状态；当所述激光被不同波段的所述探测器接收时，另一所述激光器芯片处于不工作状态。也就是说，所述第一激光芯片被加电，所述激光器发射所述激光，所述激光经由被探测物体反射，所述激光被另外一种波长的所述探测器接收，所述探测器将接收到的所述光信号转化为所述电信号，此时所述第二激光器芯片处于不工作状态。详而言之，所述第一激光芯片和所述第二激光芯片使得所述激光器发射不同波段的激光，不同波段的所述激光能够分别被不同波段的所述探测器接收。因此，通过监测所述光信号和所述电信号的改变，能够实现对血氧浓度变化的探测、空气粉尘数目改变的探测以及其他。
本领域的技术人员应理解，上述描述及附图中所示的本发明的实施例只作为举例而并不限制本发明。本发明的目的已经完整并有效地实现。本发明的功能及结构原理已在实施例中展示和说明，在没有背离所述原理下，本发明的实施方式可以有任何变形或修改。