一种光学模组的制作方法

1.本发明涉及光电技术领域，特别是涉及一种光学模组。


背景技术：

2.目前，市面上的半导体激光器根据出光方式可以分为两种，一种是图1a所示的面发射激光器，另一种是图1b所示的边发射激光器，图中箭头表示出光方向。
3.边发射激光器得益于其较高的输出光功率，经常用于需要大功率激光光源的场景中，但因为出光方向的特殊性和固有成熟的封装方式的限制，需要借助额外的光学辅助部件来改变其出光方向。如图2所示，边发射激光器中的半导体10安装在线路板11上，所述线路板11通过粘接剂12设置在散热平面13上，利用一个具有光反射面的反射部件r，将边发射激光器的出光方向调整为垂直出光。但这种方法，会因为反射部件与边发射激光器在位置固定过程中的精度失配、以及所选择的反射部件的材料特性，而损失掉一部分的光功率，导致实际从垂直方向上输出的光功率低于直接从激光器端面输出的光功率。
4.另外，现有技术通常是将多个边发射激光器贴片在二维平面上，比如图3所示的单行贴片方式，这种贴片方式虽然保证激光器之间的出光互不影响，但难以通过贴封多行激光器来增加器件密度，在增加器件密度的同时，也会增加激光器的贴片难度。因此，有研究者提出如图4所示的贴片方式，将相邻两行边发射激光器错位排列贴片，以减少多行并列贴片导致激光器出光的互相影响，然而，受限于激光器所用线路板的尺寸以及相邻激光器的必要间距，这种贴片方式也不能满足更大功率出光、器件密度更高的多行激光器的封装要求。
5.其次，从散热效果来看，图3和图4的贴片方式是将所有激光器都贴装在同一个散热平面13上，则所有激光器共同产生的热量会积聚在这个散热平面13上，造成热量不能及时疏散，也会导致激光器的输出光功率下降，并且，由于激光器之间的热串扰，位于中间的激光器的温度会高于位于边缘的激光器的温度，故在使用过程中往往最先发生故障或损坏。
6.再者，因为图3和图4中的所有激光器都贴装于同一个散热平面13，在该散热平面13上方实施打线工艺以实现电气连接时，为了防止引线交叉碰触而造成短路，会避免进行跳跃性打线，在符合安规要求的情况下，激光器往往只能全部串联，或者，每行激光器串联而各行激光器并联，可选的电气连接方式比较少。由此，一旦位于中间的激光器因过热而损坏，所有激光器就随之失效。同时，激光器之间可选的电气连接方式较少，会导致整个激光光学模组的输出电压固定，从而不能自由选择电源。
7.除了半导体激光器以外，其他具有类似特征的发光器件也存在上述的出光方向受限、贴片密度低、散热不良、电气连接方式固定等缺陷。


技术实现要素：

8.本发明的目的在于克服前述现有技术中的至少一个缺陷，提供一种光学模组，其
采取三维立体的器件布置方式，有利于实现边发射器件的垂直出光，以及提高器件密度和散热效果。
9.本发明采取的技术方案如下：
10.一种光学模组，包括散热基座、多个散热柱以及多个发光器件，所述散热基座与所述多个散热柱为一体式结构，所述多个散热柱分别竖立于所述散热基座的表面；所述多个发光器件均以出光方向平行于所述散热基座的表面的法线方向来布置，并分别设置在所述多个散热柱的顶部。
11.进一步地，所述多个发光器件均为贴片式的边发射光电子器件，分别贴片在所述多个散热柱的顶部侧面，且贴片方向一致，有利于在生产制备中提高多个发光器件的贴片效率，简化工艺和设备，降低生产成本。
12.进一步地，所述多个散热柱的高度沿所述贴片方向呈现从低到高的分布趋势。此设置可减少器件贴片时相邻散热柱对其的阻碍，有利于贴片操作顺利进行，还有利于自由打线。
13.进一步地，所述多个散热柱在所述散热基座的表面上纵横排列，每一列散热柱的高度沿所述贴片方向呈现从低到高的趋势，每一行散热柱的高度相同或者按规律布置。
14.进一步地，每一列散热柱中，相邻两个散热柱之间的高度差d1大于发光器件的最大高度d2，使贴片操作更顺利地进行。
15.进一步地，每一列散热柱中，相邻两个散热柱的间距w1大于发光器件的最大厚度w2。此设置为引线的弯曲或下垂留出了足够的空间，防止其接触到相邻散热柱而造成短路。
16.进一步地，至少有一行散热柱的高度按以下规律布置：相邻两个散热柱的高度差d3大于发光器件的最大高度d2，且每间隔一个或以上的散热柱的高度相同。通过上述规律布置，每一行中相邻两个散热柱拉开了一个器件高度的距离，有利于相邻两个散热柱上的激光器通过两组不同高度的引线实现电气连接，同时避免互相干扰。
17.进一步地，每一行散热柱中，高度相同的散热柱上的发光器件电气连接；和/或，每一列散热柱上的发光器件电气连接。
18.进一步地，所述发光器件包括线路板以及设置在所述线路板上的发光结构，所述线路板上设有电极；各发光器件之间的电气连接通过连接到线路板上的电极的引线实现。
19.进一步地，所述光学模组为激光光学模组，所述发光器件为边发射激光器。所述发光器件还可以是其他边发射光电子器件。
20.相对于前述现有技术将发光器件贴片在二维平面上的做法，本发明设计了三维立体的器件贴片方式，将多个发光器件分别设置在彼此分离的散热柱的顶部，可以实现边发射类型的发光器件的垂直出光，改善各个器件出光的互相干扰，提高器件的贴片密度以满足更大功率的出光要求。
21.本发明所述光学模组工作时，每个发光器件的热量传递到各自所在的散热柱的顶部，再由散热柱沿竖直方向迅速传递到底部一体的散热基座，一方面能将发光器件的热量及时地传导出去，避免热量在发光器件附近积累，保证了器件工作的可靠性，延长其使用寿命，另一方面能将每个发光器件的热量通过各自所在的散热柱独立地传导出去，有效减少了各个发光器件之间的热串扰。
22.而且，所述多个散热柱竖立在散热基座的表面，各个散热柱之间形成的间隔通道
能够增加散热柱内热量与环境(例如外部空气)之间的对流面积，很大程度地提高了散热效率，进一步降低了各个发光器件之间的热串扰。
附图说明
23.图1a为面发射激光器的出光示意图，图1b为边发射激光器的出光示意图。
24.图2示出了边发射激光器借助光学辅助部件来调整出光方向。
25.图3示出了现有技术中多个边发射激光器在二维平面上的一种贴片方式。
26.图4示出了现有技术中多个边发射激光器在二维平面上的另一种贴片方式。
27.图5为本发明实施例1的激光光学模组的结构示意图。
28.图6a为图5激光光学模组的z反方向视图，图6b为图5激光光学模组的x方向视图，图6c为激光光学模组的y反方向视图。
29.图7示出了本发明实施例1的激光光学模组中每一列散热柱的高度和间距。
30.图8示出了将图5中的散热柱倒置以便于激光器贴片。
31.图9a为图5激光光学模组的一种电气连接图，图9b为图5激光光学模组的另一种电气连接图。
32.图10为本发明实施例2中一种实施方式的激光光学模组的结构示意图。
33.图11示出了图10激光光学模组中第一行散热柱的高度分布。
34.图12a为图10激光光学模组的一种电气连接图，图12b为图10激光光学模组的另一种电气连接图。
35.图13示出了本发明实施例2中另一种实施方式的激光光学模组中的一行散热柱的高度分布。
36.图14a和图14b示出了本发明实施例3的激光光学模组的结构，并分别示出了其两种电气连接方式，图14c为本发明实施例3的激光光学模组的z反方向视图，图14d为本发明实施例3的激光光学模组的y方向视图。
37.图15为本发明实施例4的激光光学模组的结构示意图。
具体实施方式
38.本发明提供的光学模组包括散热基座、多个散热柱以及多个发光器件。所述散热基座与所述多个散热柱为一体式结构，所述多个散热柱分别竖立于所述散热基座的表面。所述多个发光器件均以出光方向平行于所述散热基座的表面的法线方向来布置，并分别设置在所述多个散热柱的顶部。所述发光器件具体为贴片式的边发射光电子器件，可以是边发射激光器。
39.相对于前述现有技术将发光器件贴片在二维平面上的做法，本发明设计了三维立体的器件贴片方式，将多个发光器件分别设置在彼此分离的散热柱的顶部，既能够实现边发射类型的发光器件的垂直出光，又改善了各个器件出光的互相干扰，还保证了每个器件的出光不被其所在的散热柱遮挡。
40.其次，前述现有技术在二维平面上贴片所能达到的器件密度，受限于发光器件中线路板的尺寸以及相邻器件的必要间距，明显不如本发明采取的三维立体贴片方式所能达到的器件密度。本发明的所述光学模组提高了器件密度，可以满足更大功率的出光要求。
41.再者，本发明所述光学模组的使用过程中，每个发光器件工作产生的热量传递到各自所在的散热柱的顶部，再由散热柱沿竖直方向迅速传递到底部一体的散热基座，散热基座可通过常规的主动降温冷却方法保持在常温。此自上而下的热量传导路径，一方面能将发光器件的热量及时地传导出去，避免热量在发光器件附近积累，保证了器件工作的可靠性，延长其使用寿命，另一方面能将每个发光器件的热量通过各自所在的散热柱独立地传导出去，有效减少了各个发光器件之间的热串扰。
42.而且，所述多个散热柱竖立在散热基座的表面，形成了类似于换热装置的翅片的结构，各个散热柱之间形成的间隔通道能够增加散热柱内热量与环境(例如外部空气)之间的对流面积，很大程度地提高了散热效率，进一步降低了各个发光器件之间的热串扰。
43.作为进一步的优化，所述多个发光器件分别贴片在所述多个散热柱的顶部侧面，且贴片方向一致，有利于在生产制备中提高多个发光器件的贴片效率，简化生产工艺和设备，降低生产成本。
44.作为更进一步的优化，所述多个散热柱的高度沿所述贴片方向呈现从低到高的分布趋势。
45.散热柱的上述高度分布，可减少发光器件贴片时相邻散热柱对其的阻碍，有利于贴片操作顺利进行，比如说，利用机械臂沿贴片方向将发光器件贴片于散热柱时，由于沿贴片方向的后一个散热柱比前一个散热柱更高，所以在对后一个更高的散热柱实施贴片操作时，不容易受到前一个散热柱的阻碍和限制。
46.另外，因为沿贴片方向的相邻散热柱之间存在高度差，沿贴片方向的相邻发光器件之间也存在高度差，所以在散热柱之间打线以实现各器件的电气连接时，是在三维立体空间中操作的，在满足安规要求的前提下，这比现有技术在二维平面上打线的自由度更高，得到的引线布置三维立体化，其中相邻的引线因高度差可以交叉但互不碰触，故可以进行跳跃性打线，则多个发光器件能够以串联、并联或串并联混合的多种方式电气连接，使得光学模组的输出电压为多种，由此可以自由选择电源，有利于光学模组产品的多样化设计。
47.为了更好地理解和实施，下面结合实施例1-4和附图详细说明本发明。
48.实施例1
49.请参阅图5和图6a至图6c，本实施例的光学模组为激光光学模组，包括散热基座20、多个散热柱21以及多个半导体边发射激光器30。
50.所述散热基座20的表面200为平面，以其作为x-y平面建立三维直角坐标系，则所述表面200的法线方向为z方向，如图5所示。
51.所述散热基座20与所述多个散热柱21为一体式结构，采用导热性能好的材料加工制作，一般可由金属经过切割等工艺加工而成。
52.所述多个散热柱21彼此分离且相互平行，分别从散热基座20的表面200沿z方向延伸形成。
53.所述多个激光器30均以出光方向l平行于散热基座20的表面200的法线方向来布置，即所述多个激光器30的出光方向l与z方向一致，如图5。所述多个激光器30分别绑定于所述多个散热柱21的顶部，一个散热柱21上对应绑定一个激光器30。
54.所述激光器30具体可以是ld芯片等激光器件。见图5右上方所示的放大局部，所述激光器30包括发光结构31和线路板32，所述发光结构31安装在线路板32上，所述线路板32
在发光结构31的两侧各设有一个电极，用于打线键合。所述线路板32一般选用sic、aln或者铜等作为基材，在基材上再加工绝缘层、电路层、焊料层等。
55.所述多个激光器30是以一致的贴片方向绑定到各自所在的散热柱21的顶部侧面21a上，所述贴片方向即为附图中所示的y方向。每个激光器30的出光端面310与对应的散热柱21的顶部端面21b齐平，避免出光被阻挡。
56.所述多个激光器30通过连接在线路板32上的电极之间的引线实现电气连接，所述引线可以是金线。
57.本实施例中，所述多个散热柱21在散热基座20的表面200上纵横排列，排列方式为m行
╳
n列，m和n均为大于或等于1的整数，两者的取值根据实际需要而定，不受限制。
58.具体地，如图6a所示，多个散热柱21采取4行
╳
5列的排列方式(m＝4，n＝5)，则散热柱21的数量为20个，激光器30的数量相应为20个。每一行散热柱21的位置沿x方向完全对齐，每一列散热柱21的位置沿y方向完全对齐。
59.如图6b，每一列散热柱21的高度沿y方向呈现从低到高的趋势。如图6c，每一行散热柱21的高度相同。
60.请参阅图7，该图清楚展示了每一列散热柱21的高度和间距，散热柱21的高度是指沿z方向从散热基座20的表面200到散热柱21的顶部端面21b的距离h。
61.为了使贴片更顺利地进行，每一列散热柱21中，相邻两个散热柱21之间的高度差d1，设置为大于散热柱21上的激光器30的最大高度d2，在本实施例中该最大高度d2即为线路板32的高度。
62.通过上述设置，只要利用机械臂沿y方向做直线运动，就能够顺利将激光器30贴片于散热柱21，由于沿y方向的后一个散热柱21比前一个散热柱21更高，所以对后一个更高的散热柱21贴片时，不会受到前一个散热柱21的阻碍。
63.为了避免打线后的引线因为弯曲或下垂接触到相邻的散热柱21而造成短路，每一列散热柱21中，相邻两个散热柱21的间距w1，设置为大于散热柱21上的激光器30的最大厚度w2，在本实施例中该最大厚度w2即为发光结构31与线路板32的总厚度。
64.通过上述设置，为引线的弯曲或下垂留出了足够的空间，防止其接触到相邻更低的散热柱21而造成短路。另外，也可以采用绝缘材料制成的散热柱21，或通过在散热柱21表面200设置绝缘层，来解决引线接触导致的短路，但会带来工序和成本的增加。
65.另外，每一行散热柱21中相邻两个散热柱21的间距，基本上取决于散热柱21与散热基座20的加工工艺，一般是越小越好，以增加激光器30的贴片密度，从而有利于满足更大功率出光、器件密度更高的封装要求。
66.本实施例的激光光学模组中每一列散热柱21上相邻激光器30的间距，与现有技术中贴装在同一平面上的相邻激光器的间距相当或者更小，而每一列散热柱21上相邻激光器30的间距，比现有技术中贴装在同一平面上的相邻激光器30的间距更小，并且可以达到小很多。由此可见，本实施例的激光光学模组显著地提高了激光器的贴片密度。
67.请参阅图8，将激光器30贴片时，倒置散热柱21使其顶部侧面21a朝上，并沿水平面方向放置，同时固定其位置，那么贴片方向(y方向)变为竖直方向，方便绑定设备完成尺寸识别和设定、涂覆焊料等步骤后，利用机械臂做竖直向下的直线运动，将激光器30绑定贴合在散热柱21的顶部侧面21a上，具体可以选用固晶胶粘、共晶、普通焊接等方式进行绑定。
68.贴片之后，在各个激光器30中线路板32上的电极之间进行常规的打线工艺，实现激光器30之间的电气连接。所述多个激光器30可以串联、并联或串并联混合的方式电气连接。
69.本发明的附图中，为了清晰显示打线方式，对所绘制的引线数量都进行了简化，引线的实际数量取决于线路板32上的具体电极设置。
70.本实施例所述激光光学模组的打线方式，包括例如图9a和图9b分别所示的两种，但不限于此。
71.如图9a所示的打线方式中，每一行散热柱21上的五个激光器30高度相同，这五个激光器30通过一组高度相同或大致相同的引线41以串联方式电气连接，四行散热柱21上的激光器30还可通过这四组引线41并联，从而实现5串4并，解决了前述现有技术将所有激光器全并联或全串联造成的一个激光器损坏则其他激光器也随之失效的弊端。
72.如图9b所示的打线方式中，一组引线42逐列地连接激光器30，其布置三维立体化，实现所有激光器30全串联。
73.实施例2
74.请参阅图10和图11，本实施例提供一种激光光学模组，其与实施例1的激光光学模组基本相同，区别在于：至少一行散热柱21中，相邻两个散热柱21的高度不同，且两者的高度差d3大于散热柱21上的激光器30的最大高度d2，每间隔一个散热柱21的高度相同。
75.具体如图11所示，该图示出了图10中第一行散热柱21的高度分布，其中，相邻两个散热柱21的高度差d3，大于散热柱21上的激光器30的最大高度d2，且每间隔一个散热柱21的高度相同，其余行的散热柱21的高度同样按此规律布置。
76.按上述规律布置，本实施例所述激光光学模组，同样可以采用实施例1中图9a和图9b的打线方式，还可以采用图12a和图12b分别所示的两种打线方式，但不限于此。
77.结合图11和图12a所示，每一行中三个高度更低的散热柱21间隔设置，各自所贴装的激光器30通过一组高度相同或大致相同的引线43以串联方式连接；相应地，每一行中两个高度更高的散热柱21间隔设置，各自所贴装的激光器30通过一组高度相同或大致相同的引线44以串联方式连接。
78.图12b所示的打线方式，是在图12a的基础上增加了引线430和引线440，进行了跳跃性打线，其中，三列高度更低的散热柱21间隔设置，引线430将每一列高度更低的散热柱21上的激光器30以并联方式连接；相应地，两列高度更高的散热柱21间隔设置，引线440将每一列高度更高的散热柱21上的激光器30以并联方式连接。
79.可见，通过上述规律布置，每一行中相邻两个散热柱21之间拉开了一个器件高度的距离，有利于相邻两个散热柱21上的激光器30通过两组不同高度的引线实现电气连接，避免互相干扰。
80.另外，本实施例的激光光学模组，还可以具体采取如图13所示的规律来布置每一行散热柱21的高度，该图13所示的一行散热柱21中，相邻两个散热柱21的高度差，大于散热柱21上的发光器件的最大高度，且每间隔两个散热柱21的高度相同。由该图13可见，所述行的六个散热柱21上可以分别布置三组不同高度的引线。
81.实施例3
82.请参阅图14a至图14d，本实施例提供一种激光光学模组，其与实施例1的激光光学
模组的主要区别在于：每一行中相邻散热柱21的高度不同，且每行和每列散热柱21的位置不是完全对齐。
83.本实施例所述激光光学模组的打线方式，包括例如图14a和图14b分别所示的两种，但不限于此。如图14a所示，每一行散热柱21上的激光器30通过一组引线45以串联方式电气连接。如图14b所示，引线46逐行地连接激光器30，实现所有激光器30全串联。
84.实施例4
85.请参阅图15，本实施例提供的激光光学模组中，多个散热柱21的高度沿y方向呈现从低到高的趋势，该激光光学模组与实施例1的激光光学模组的区别在于：所述多个散热柱21在散热基座20的表面200上无规律地排列，而不是纵横排列。
86.本领域技术人员可以理解，本发明的光学模组中，散热柱的数量、形状和尺寸，发光器件的数量、形状和尺寸，以及散热基座的形状和尺寸等特征均是视实际需要而定，并不受以上所述实施例和附图的记载所限制。此外，多个发光器件可以是相同或不同类型的器件，可以具有相同或不同的输出功率，可以具有相同或不同的结构。一般来说，多个发光器件是完全相同的。
87.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。