一种VCSEL激光芯片的封装方法与流程

一种vcsel激光芯片的封装方法
技术领域
1.本发明涉及一种封装方法，特别是指一种对vcsel激光芯片的封装方法。


背景技术：

2.在光通信领域，其光电模块中一般都封装有垂直腔面发射器激光器（vcsel），由于vcsel激光芯片属于微米级的零部件，所以在对其进行装配焊接封装的时候都需要借助高精度的自动化设备进行。这类自动化设备一般需要通过多个高清摄像头进行多次呈像、定位，并辅助高端光学定位器件才能够完成对激光芯片的装配焊接，特别是这类自动化设备的机械传动部分，需要的结构精度要求相当之高，这样势必造成这类设备的购买成本相当昂贵，而为了满足大批量生产的需要，生产厂家往往需要购买多台设备才能够满足其产量要求，如此，必然大大的提升了产品的生产成本。而此是为现有技术的主要缺点。


技术实现要素：

3.本发明所采用的技术方案为：一种vcsel激光芯片的封装方法，其特征在于，包括如下步骤。
4.第一步、制备激光芯片。
5.该激光芯片包括第一拓扑结构、第二拓扑结构以及衬底，将该第一拓扑结构以及该第二拓扑结构同时设置在该衬底上，该第一拓扑结构包括第一有源区、第一电极焊盘以及第一导线，该第一导线连接在该第一有源区与该第一电极焊盘之间，该第二拓扑结构包括第二有源区、第二电极焊盘以及第二导线，该第二导线连接在该第二有源区与该第二电极焊盘之间。
6.第二步、同时将若干个该激光芯片焊接在电路板上，其具体包括如下步骤。
7.步骤a、在每一个该激光芯片的该第一电极焊盘以及该第二电极焊盘上分别设置芯片焊层。
8.步骤b、在该电路板上制作若干个焊盘单元，每个该焊盘单元都包括两个对接焊盘，在每个该对接焊盘上都设置对接焊层。
9.该焊盘单元与该激光芯片一一对应，每个该焊盘单元中的两个该对接焊盘都分别与一个该激光芯片上的该第一电极焊盘以及该第二电极焊盘相对应。
10.步骤c、将若干个该激光芯片同时放置在该电路板上，使每一个该激光芯片的上的该芯片焊层都对接叠设在该电路板的该对接焊层上。
11.步骤d、对步骤c中的该电路板以及若干个该激光芯片进行整体升温，使该芯片焊层与该对接焊层融化并热熔在一起。
12.步骤e、对步骤d中的该电路板以及若干个该激光芯片进行整体降温，使该芯片焊层以及该对接焊层冷却并连接成一整体。
13.第三步、对完成第二步焊接的若干个该激光芯片进行封装。
14.第四步、切割该电路板得到若干个单独的激光芯片成品。
15.本发明的有益效果为：本发明提供一种vcsel激光芯片的封装方法，其方法能够支持大批量的激光芯片焊接封装，本发明的方法中所使用到的设备成本低廉，能够大大降低激光芯片焊接封装的成本。
附图说明
16.图1为本发明激光芯片的示意图。
17.图2为本发明激光芯片的主视图。
18.图3为本发明步骤c的示意图。
19.图4为本发明若干个激光芯片封装在电路板上的俯视示意图。
20.图5为本发明芯片焊层对接叠设在对接焊层上的示意图。
21.图6为本发明步骤d、步骤e的过程示意图。
22.图7为本发明若干边界单元排布在晶圆上的示意图。
23.图8为本发明边界单元的示意图。
24.图9为本发明若干边界单元的排布示意图。
具体实施方式
25.如图1至图6所示，一种vcsel激光芯片的封装方法，其包括如下步骤。
26.第一步、制备激光芯片10。
27.如图1至图2所示，该激光芯片10包括第一拓扑结构100、第二拓扑结构200以及衬底300，将该第一拓扑结构100以及该第二拓扑结构200同时设置在该衬底300上。
28.该第一拓扑结构100包括第一有源区110、第一电极焊盘120以及第一导线130，该第一导线130连接在该第一有源区110与该第一电极焊盘120之间。
29.该第二拓扑结构200包括第二有源区210、第二电极焊盘220以及第二导线230，该第二导线230连接在该第二有源区210与该第二电极焊盘220之间。
30.第二步、同时将若干个该激光芯片10焊接在电路板b上，其具体包括如下步骤。
31.如图3、图5所示，步骤a、在每一个该激光芯片10的该第一电极焊盘120以及该第二电极焊盘220上分别设置芯片焊层510。
32.步骤b、在该电路板b上制作若干个焊盘单元400，每个该焊盘单元400都包括两个对接焊盘610，在每个该对接焊盘610上都设置对接焊层520。
33.该焊盘单元400与该激光芯片10一一对应，每个该焊盘单元400中的两个该对接焊盘610都分别与一个该激光芯片10上的该第一电极焊盘120以及该第二电极焊盘220相对应。
34.如图3所示，步骤c、将若干个该激光芯片10同时放置在该电路板b上，使每一个该激光芯片10的上的该芯片焊层510都对接叠设在该电路板b的该对接焊层520上。
35.步骤d、对步骤c中的该电路板b以及若干个该激光芯片10进行整体升温，使该芯片焊层510与该对接焊层520融化并热熔在一起。
36.在进行步骤d的过程中，该芯片焊层510以及该对接焊层520首先融化，并借助液体的表面张力作用进行自行找准对位的动作，而后热熔在一起，由于该芯片焊层510以及该对接焊层520都为微米级结构，所以其物理尺寸能够支持两者进行上述自行找准对位的动作。
37.步骤e、对步骤d中的该电路板b以及若干个该激光芯片10进行整体降温，该芯片焊层510以及该对接焊层520冷却并连接成一整体。
38.如图4所示，第三步、对完成第二步焊接的若干个该激光芯片10进行封装。
39.通过封装胶同时对该电路板b上的若干个该激光芯片10进行封装。
40.第四步、切割该电路板b得到若干个单独的激光芯片成品。
41.如图3、图5所示，在具体实施的时候，步骤a中，该第一电极焊盘120以及该第二电极焊盘220都具有焊盘接触面511。
42.该芯片焊层510具有焊层顶面512以及焊层底面513，其中，该焊层顶面512连接在该焊盘接触面511上。
43.该焊层顶面512的面积等于该焊盘接触面511的面积，该焊层底面513的面积小于该焊层顶面512的面积。
44.该芯片焊层510包括溢流区514，该溢流区514环设在该芯片焊层510的四周边缘处。
45.步骤b中，该对接焊盘610具有接触面521，该对接焊层520具有顶面522以及底面523，其中，该顶面522对接在该芯片焊层510的该焊层底面513上，该底面523连接在该对接焊盘610的该接触面521上。
46.该接触面521、该顶面522以及该底面523的面积都小于该焊层底面513的面积。
47.该对接焊盘610包括盘柱611以及底盘612，其中，该底盘612与该芯片焊层510的该溢流区514相对应，该底盘612环设在该盘柱611四周。
48.如图6所示，步骤d中，该对接焊层520的熔点高于该芯片焊层510的熔点，该芯片焊层510与该对接焊层520融化并热熔在一起的过程按照如下的步骤进行。
49.步骤一、该电路板b以及该激光芯片10整体升温后，该芯片焊层510首先融化，借助该激光芯片10的重力作用，该激光芯片10整体向下移动。
50.该对接焊层520进入到融化的该芯片焊层510中，该芯片焊层510的该溢流区514融化沿该盘柱611向下流动，并在该底盘612上方形成支撑。
51.步骤二、整体温度继续升高，该对接焊层520融化，该芯片焊层510与该对接焊层520融合在一起。
52.步骤二中，借助该溢流区514融化后对该对接焊层520形成的包裹能够加速该对接焊层520的融化。
53.如图6所示，步骤e中，该芯片焊层510以及该对接焊层520冷却并连接成一整体后，该溢流区514包裹在该盘柱611四周，该溢流区514被架设在该底盘612上方。
54.通过上述的结构能够使焊点位置异常坚固，其焊接结构大大优于现有技术。
55.在具体实施的时候，该激光芯片10的该衬底300的顶面面积为s1, 该第一电极焊盘120以及该第二电极焊盘220的该焊盘接触面511的面积为s2，s1与s2的关系式为：1/16
×
s1《s2《1/10
×
s1，通过上述的关系式能够确定s1与s2之间的面积对应关系，从而使该激光芯片10的放置更为稳定，且使融化热熔过程更为顺利。
56.在具体实施的时候，该芯片焊层510、该对接焊层520的材料、熔点选择属于现有技术，其材料可以选取金、银、锡等，或者其混合物加入其它添加剂制得，这里不再累述。
57.利用本发明的方法在进行批量化生产的时候，可以采用传送带输送至升温炉、降
温炉中的方式进行，以提升生产效率，降低生产成本，比如，可以通过传送带将若干该激光芯片10、该电路板b输送到升温炉中以完成上述步骤d的制作，同时通过传送带将若干该激光芯片10、该电路板b输送到降温炉中以完成上述步骤e的制作。
58.如图7至图9所示，值得强调的是，实践中可以通过下述的步骤完成对第一步中激光芯片10的制备，其包括如下步骤。
59.第1步、在晶圆上排布芯片边界阵列。
60.该芯片边界阵列包括若干边界单元20，若干该边界单元20排布在该晶圆上形成该芯片边界阵列。
61.每一个该边界单元20都包括横边以及竖边，该横边的长度为l，该竖边的长度为w。
62.该横边包括顶边11以及底边12，该竖边包括左边13以及右边14，由该顶边11、该底边12、该左边13以及该右边14围绕形成一单元面15。
63.第2步、在第一步中每一个该边界单元20的单元面15上都排布设置该第一拓扑结构100以及该第二拓扑结构200。
64.该边界单元20与该第一拓扑结构100、该第二拓扑结构200满足如下平面几何关系。
65.一个该边界单元20中的该第一有源区110与该第一电极焊盘120中心点之间的连接线为第一倾斜线131，该第一倾斜线131与该横边相交形成第一夹角a1。
66.一个该边界单元20中的该第二有源区210与该第二电极焊盘220中心点之间的连接线为第二倾斜线231，该第二倾斜线231与该横边相交形成第二夹角a2。
67.一个该边界单元20中的该第一有源区110与该第二有源区210中心点之间的间距为间距d1。
68.该芯片边界阵列中任意左右相邻的两个该边界单元20，其中一个该边界单元20的该第一有源区110与另外一个该边界单元20的该第二有源区210中心点之间的间距为间距d2。
69.该芯片边界阵列中任意上下相邻的两个该边界单元20，其中一个该边界单元20的该第一有源区110与另外一个该边界单元20的该第一有源区110中心点之间的间距为间距d3。
70.一个该边界单元20中的该第一电极焊盘120与该第二电极焊盘220中心点之间的间距为间距d4。
71.该第一电极焊盘120以及该第二电极焊盘220的直径为直径d5。
72.一个该边界单元20中的该第一有源区110以及该第二有源区210的中心点与最近该横边的垂直距离为间距d6。
73.一个该边界单元20中的该第一电极焊盘120以及该第二电极焊盘220的中心点与最近该横边的垂直距离为间距d7。
74.一个该边界单元20中的该第一电极焊盘120与该第二电极焊盘220边缘最近的间距为间距d8。
75.如上所述，a1、a2、w、l、d1、d2、d3、d4、d5、d6、d7、d8之间的平面几何计算关系式为。
76.d1为固定值，l=d1 d2，w=d3，d4=d5 d8。
77.w=d6 d7 [（d1-d4）/2]
ꢀ×
tana1。
[0078]
其中，当a1=a2时，a1取值a1或a2。
[0079]
当a1≠a2时，a1取a1与a2中绝对值大的角度值。
[0080]
第3步、将若干该边界单元20从该晶圆上切割下来得到若干独立的该激光芯片10。
[0081]
对于第2步中的计算关系式具体计算举例说明如下。
[0082]
d1的较佳取值为250μm ，且恒定不变。
[0083]
d2的尺寸可变，但d2不是a1、a2的函数，从有利于生产以及成本（高效利用晶圆面积）两方面考虑，d2取值范围控制在100μm至200μm之间，d2取值过小则晶圆无法切割，d2取值过大则面积增大成本增加，d2的较佳取值为130μm。
[0084]
l的尺寸可变，l=d1 d2，与上述原理一致，l取值范围控制在350μm至450μm之间, l的较佳取值为380μm。
[0085]
w的尺寸可变，w=d3，w是a1、a2的变化参数, w=d6 d7 [（d1-d4）/2]
ꢀ×
tana1,w的较佳取值为180μm。
[0086]
d5的尺寸可变， d5取值范围控制在50μm至90μm之间，d5取值过小则金线不容易加工，d5取值过大则焊盘面积增大不利于成本控制，d5的较佳取值为70μm。
[0087]
d8的尺寸可变，d8取值范围控制在20μm至40μm之间，d8取值过小则生产设备以及工艺目前无法加工（pad间距太小无法生产），d8取值过大则影响成本，d8的较佳取值为30μm。
[0088]
d4=d5 d8，根据d8确定d4的数值，d4取值范围控制在70μm至130μm之间，d4的较佳取值为100μm。
[0089]
d6的尺寸可变，d6取值范围控制在50μm至80μm之间，d6取值过小则晶圆无法切割，d6取值过大则影响成本，d6的较佳取值为65μm。
[0090]
d7的尺寸可变，d7取值范围控制在50μm至90μm之间，d7取值过小则晶圆无法切割，d7取值过大则影响成本，d7的较佳取值为72μm。
[0091]
a1、a2的取值范围限定在(-90o, 90o),也即大于负90度，小于正90度，a1=a2。
[0092]
a1、a2的较佳取值为大于20度，小于40度，或者，小于负20度，大于负40度，a1、a2的取值过小会导致d8过小无法生产，取值过大则会导致w、d3过大，影响成本，a1、a2的较佳取值为正负30度。
[0093]
将d6，d7, d1, d4, a1的较佳取值代入到w的方程式中。
[0094]
d1为固定值，l=d1 d2，w=d3，d4=d5 d8。
[0095]
w=d6 d7 [（d1-d4）/2]
ꢀ×
tana1。
[0096]
d6=65μm，d7=72μm，d1=250μm，d4=100μm，d5=70μm，d8=30μm，a1=a2=30 o
。
[0097]
计算得到w=d3=65 72 [（250-100）/2]
ꢀ×
tan30 o
=180μm，其为w的较佳取值。
[0098]
将d6，d7, d1, d4, a1的取值范围代入到w的方程式中。
[0099]
50 μm 《 d6《80 μm，50 μm 《 d7《90 μm，d1=250μm。
[0100]
70 μm 《 d4《130 μm，20 o 《 a1《40 o
。
[0101]
得到w=d3的取值范围在140μm至320μm之间，其为w的较佳取值范围。
[0102]
值得说明的是，当a1≠a2时，a1取a1与a2中绝对值大的角度值，代入上述w=d3的方程式中，其方程式依然成立。
[0103]
通过上述的方式完成对第一步中激光芯片10的制备能够充分利用晶圆面积，大幅
度降低激光芯片10的制作成本。