用于半导体侧面发射激光的气密表面贴装封装及形成气密表面贴装封装的方法与流程

用于半导体侧面发射激光的气密表面贴装封装及形成气密表面贴装封装的方法
1.相关申请的交叉参引
2.本技术要求于2020年4月15日提交的标题为“hermetic surface mount package for semiconductor side emitting laser and method forming same(用于半导体侧面发射激光的气密表面贴装封装及形成气密表面贴装封装的方法)”、序列号为63/010,460的美国临时专利申请的权益，该美国临时专利申请的全部内容通过参引并入本文中。
技术领域
3.本发明涉及电子电路，并且更具体地涉及用于半导体发射器的表面贴装封装。


背景技术：

4.表面贴装技术(smt)是指将电气部件直接贴装至印刷电路板(pcb)的表面上。以这种方式贴装的电气部件被称为表面贴装器件(smd)。smd可以与用于将部件贴装至pcb的通孔技术构造形成对比，这在很大程度上是因为smt允许提高制造自动化。当前用于侧面发射激光的smd封装未被气密密封，所以激光芯片使用寿命和包装性能显著地受到影响。
5.目前，用于激光二极管的气密封装不是用于侧面发射激光的smd封装，而是用于俯视激光的通孔封装、比如图1a中示出的金属罐封装160。这些通孔封装160具有高材料成本和制造成本、高电感和高热阻，从而使得通孔封装160不适于某些应用。
6.当前用于侧面发射激光的无引线芯片承载件(lcc)封装不是气密封装。例如，如图1b中所示，当前smd封装100被示为具有贴装在基板120上并用透明树脂150、例如环氧树脂包封的四个侧面发射半导体激光140的芯片阵列。然而，包封件150例如能够被水分和/或污染物渗透，并且因此smd封装100可能不会随着时间的推移而可靠地操作。此外，当前的smd封装100可以具有高电感和高热阻。因此，工业中需要克服该领域中的不足。


技术实现要素：

7.本发明的实施方式提供了一种用于半导体侧面发射激光的气密表面贴装封装以及用于形成气密表面贴装封装的方法。简要而言，本发明涉及一种用于制造气密侧视激光表面贴装器件(smd)封装的方法。玻璃盖由第一玻璃晶圆和第二玻璃晶圆形成。成阵列的凹穴形成在第一玻璃晶圆中并且通过将第二玻璃晶圆结合至第一玻璃晶圆来密封。玻璃盖通过对经密封的成阵列的凹穴进行切割来释放。
8.本发明的其他系统、方法和特征对于本领域普通技术人员来说通过查看以下附图和详细描述将是显而易见的或变得显而易见。所有这些附加的系统、方法和特征意在被包括在本说明书内、本发明的范围内，并且受到所附权利要求的保护。
附图说明
9.附图被包括以提供对本发明的进一步理解并且被并入本说明书中并构成本说明
书的一部分。附图图示了本发明的实施方式，并与描述一起用于说明本发明的原理。
10.图1a是现有技术气密密封的俯视激光二极管通孔封装的示意图。
11.图1b是现有技术包封的侧视激光表面贴装封装的示意图。
12.图2是从立体图来看的气密密封的侧面发射激光表面贴装设计封装的第一实施方式的示意图。
13.图3a从俯视图示出了图2的封装。
14.图3b从侧视图示出了图2的封装。
15.图3c从正(发射侧)视图示出了图2的封装。
16.图3d从底(pcb侧)视图示出了图2的封装。
17.图4a是从侧视图来看的图2的封装的剖视示意图。
18.图4b是图4a的封装的替代性实施方式的剖视示意图。
19.图5是从立体图来看的图2的封装的盖部分的示意图。
20.图6是用于制造smd激光封装的方法实施方式的示例性流程图。
21.图7a是根据图6的方法在第一制造阶段用于smd激光封装的玻璃盖的示意图。
22.图7b是根据图6的方法在第二制造阶段用于smd激光封装的玻璃盖的示意图。
23.图7c是指示两个切割平面的图7b的玻璃盖的示意图。
24.图8a是切割后的图2的封装的玻璃盖的示意图。
25.图8b是示出了可选金属化层的图8a的玻璃盖的示意图。
26.图9是具有十六个激光的smd激光封装的替代性实施方式的示意图。
具体实施方式
27.以下限定对于解释应用于本文中所公开的实施方式的特征的术语是有用的，并且仅意味着限定本公开内的元件。
28.如在本公开内所使用的，“基本上”是指“非常接近”或在正常制造公差内。例如，基本平行的表面可以是在可接受的公差内平行，或者基本平坦的表面是在规定的平坦度测量内平坦。类似地，基本不受干扰的激光束是指超过可接受的操作公差而没有显著或明显改变(扭曲或转向)的激光束。
29.如在本公开内所使用的，“凹穴”指的是在实体物体内形成的凹部、例如在玻璃基板内形成的凹部。特别地，该凹部可以在实体物体的第一平面表面内形成，因此凹穴在实体物体的第一平面表面内具有单个连续的开口，而不延伸穿过实体物体的任何其他表面。
30.如在本公开内所使用的，“晶圆”指的是基板，通常指单一材料的基板、例如玻璃晶圆。
31.现在将详细参照本发明的实施方式，本发明的实施方式的示例在附图中被图示出。在可能的情况下，在附图和说明书中使用相同的附图标记来指代相同或类似的部分。
32.本发明的示例性实施方式包括用于生产一个或更多个侧面发射激光所用的气密smd封装的装置和方法。这样的实施方式适于高可靠性要求、比如在高温度与高湿度下操作，作为非限制性示例，在85℃和85％相对湿度的数量级上操作1000小时。图2示出了具有激光阵列裸片240的气密smd封装200的示例性第一实施方式的立体图，该激光阵列裸片240具有四个侧面发射器激光二极管，每个激光二极管具有用于在与封装基板220贴装表面基
本平行的方向上发射激光束的侧开孔242。基板220用作下述承载件：该承载件用于激光裸片240和与激光阵列裸片240结合使用的相关电路、例如控制电路和用以提供足够的功率以操作激光阵列裸片的电路。基板220可以由气密材料形成，例如但不限于具有170w/m-k至250w/m-k的热导率范围的玻璃或陶瓷、比如aln(氮化铝)。激光裸片240可以在基板220上所设置的传导裸片附接焊盘241处附接至基板220。
33.封装200包括盖250、例如对由基板220所附接的激光裸片阵列240发射的光而言是透明的玻璃盖。盖250包括腔270，该腔270布置成将激光阵列裸片240和相关电路封围在由盖250和基板220界定的气密密封室内。盖250可以在该盖250的将腔270至基板220的部件贴装表面的周缘围绕的底部部分处附接并密封至基板220。例如，盖250可以利用熔块玻璃或通过激光焊接直接地附接至基板220。可选地，金属化层260可以添加至盖250的将腔270围绕的底部部分，使得金属化层260可以通过将金属化层260焊接至金属化基板220来附接至基板220。例如，金属化层260可以通过溅射过程施加至盖250。
34.与激光裸片240相关联的附加电路也可以在腔270内位于基板220上，附加电路例如为附接至基板220的多个引线键合部焊盘246，以及将激光阵列裸片240电连接至引线键合部焊盘246的多个键合部引线244。在替代性实施方式、例如如图9中所示的具有十六个激光芯片的替代性实施方式中，smd封装900可以包括贴装在腔270内的其他电路部件，例如电容器948、驱动器电路949例如晶体管等。
35.图3a至图3d示出了第一实施方式封装200的不同视图。图3a从俯视图示出了封装200。图3b从侧视图示出了封装200。图3c从正(发射侧)视图示出了封装200。图3d从仰(贴装侧)视图示出了封装200。
36.如图3d中所示，封装200的底部表面具有贴装至基板220的底部表面(pcb贴装件)的多个金属焊盘280a～280e。金属焊盘280a～280e与激光阵列裸片240底部表面(与引线键合部连接件相反)并且与引线键合部焊盘246例如通过穿过基板220的经密封的贯通通路(未示出)进行电和/或热连通。金属焊盘280a～280e向封装200提供外部电和热连接性。
37.如由图4a所示，激光阵列裸片240的侧面发射激光二极管被定向成穿过盖250中的平坦窗口256(图3b)发射激光束440。平坦窗口256定向在与由激光阵列裸片240发射的激光束440的路径440基本上垂直(图4a)的平面中。平坦窗口256在盖250的内部(腔侧面)上的第一表面251(光接收表面251)和盖250的外部上的第二表面252(光发射表面252)两者上是光学平坦的，以便基本上不干扰激光440(图4a)，例如使得激光束440(图4a)不会被不利地扭曲、衍射和/或转向。平坦窗口256的第一表面251和/或第二表面252可以用抗反射(ar)涂层、例如二氧化硅处理以用于高透射率。
38.在图4b中所示的替代性实施方式中，封装1200基本上类似于图4a的封装200，除了在基板220与激光阵列裸片240之间设置有电和/或热传导金属激光阵列基座225。激光阵列基座225的厚度可以例如在100微米的数量级上，从而将激光阵列裸片240定位在基板220的其余部分上方100微米处，例如以避免激光光束440的被玻璃盖250的边缘或基板220的边缘夹持的下部部分或使该下部部分最小化。电和/或热传导裸片附接焊盘241可以设置在激光阵列裸片240与金属激光阵列基座225之间。其他基座、例如引线键合部基座226可以类似地被包括。基座225、226可以通过金属化的贯通通路285来电连接至金属焊盘280。
39.封装200、1200的替代性实施方式可以具有单个侧面发射激光二极管而不是激光
二极管阵列裸片240，或者可以具有带不同数目例如两个、八个或十六个或更多个的激光二极管的阵列裸片240，如图9中所示。
40.由气密密封封装200、1200提供的保护可以显著延长激光裸片阵列240的工作寿命和/或激光性能。这在一些应用中是期望的，例如来提高用于汽车lidar(光检测和测距)应用的侧面发射激光封装的性能和可靠性水平。
41.如由图5所示，玻璃盖250可以由结合在一起的两片或更多片玻璃、例如第一部分550和第二部分形成，其中，第二部分形成基本平坦窗口256。第一部分550例如通过蚀刻或机加工而被至少部分地挖空以形成腔270。如由图5所示，腔270的由盖250的第一部分550的玻璃所界定的边缘在至少两个侧面上可以被圆化。此外，由于激光400(图4a)没有被引导穿过盖250的第一部分550的任何表面，所以腔270的壁的位于盖250的第一部分550内的平面表面不需要(并且实际上不可能)与基本平坦窗口256一样平坦。
42.在第一示例性实施方式下，玻璃盖可以具有在3.5mm数量级上的长度、在2.5mm数量级上的宽度和1mm数量级上的高度。平坦窗口256可以具有在0.5mm数量级上的厚度。腔270可以具有在2.5mm数量级上的长度、在1.4mm数量级上的宽度和在0.6mm数量级上的深度。当然，封装和腔的尺寸可以根据封装中的激光裸片的数目及其手头上的应用来缩放和/或重新定比例。
43.图6是用于制造用于气密侧视激光smd封装的玻璃盖的第一示例性方法实施方式的流程图600。应当注意，流程图中的任何过程描述或框应当被理解为表示包括用于实现过程中的特定逻辑功能的一个或更多个指令的代码的模块、区段、部分或者步骤，并且替代性实施方案被包括在本发明的范围内，其中，功能可以根据所涉及的功能性而不以所示出或所论述的顺序执行，包括基本上同时发生或以相反的顺序执行，如将由本发明的领域的合理技术人员所理解的。该方法参照图7a至7c来描述。
44.按照框610，提供第一玻璃晶圆710。第一玻璃晶圆具有第一平面表面711和基本上平行于第一平面表面的第二平面表面712。第二平面表面712沿基本上垂直于第一平面表面711的方向设置在距第一平面表面711的距离d处。如由框620所示，在第一玻璃晶圆第一表面711中形成具有多个凹穴770的阵列。凹穴770被切割到第一玻璃晶圆第一表面711中，但是深度不足以延伸至第一晶圆第二表面712。凹穴770中的每个凹穴的轮廓可以是基本上矩形的。如图7a中所示，凹穴770中的每个凹穴的边缘和拐角可以被圆化，然而在替代性实施方式中，边缘可以是边界清楚的。凹穴770不延伸穿过第一玻璃晶圆710的除第一玻璃晶圆第一平面表面711之外的任何表面。
45.如由框630所示，第二玻璃晶圆720(图7b)设置有第一平面表面251和基本上平行于第一平面表面的第二平面表面252。如由框640所示，成阵列的凹穴770通过将第二玻璃晶圆720结合至第一玻璃晶圆710来密封，从而形成成阵列的密封凹穴790。如下所述，多个玻璃盖250(图8a)可以通过对成阵列的密封凹穴790进行切割来形成。
46.如由图7c所示，在成阵列的密封凹穴790中限定有垂直于第一平面表面的第三平面703，从而对成密封凹穴790阵列中(图7b)的排780(图7b)进行等分，如由框650所示。如由框660所示，第四平面704(图7c)限定成垂直于第一平面表面711(图7a)并且垂直于第一凹穴771与第二凹穴772之间的第三平面703。如由框670所示，成阵列的密封凹穴790沿着第三平面703和第四平面704进行切割，从而将玻璃盖250从成阵列的密封凹穴790释放(图8a)。
47.图8a是根据图6在切割后的封装200的玻璃盖250的示意图。将图8a与第一实施方式200(图2)相关联，图8a示出了切割后的玻璃盖250。在切割之后，第二玻璃晶圆720的切割部分(图7b)形成玻璃盖250的平坦窗口256，并且第一玻璃晶圆710的切割部分(图7a)形成玻璃盖250的其余部分。经密封的成阵列的凹穴中的被等分的凹穴770形成玻璃盖250的腔270。图8b是示出了可选的金属化层260的玻璃盖250的示意图。
48.在将第二玻璃晶圆720结合至第一玻璃晶圆710之前，对第二玻璃晶圆720第一表面251和第二表面252中的至少一者施加抗反射涂层。应当注意，在实践中，基本平坦窗口256的表面251、252中的每者有利地比第一部分550的任何蚀刻部分更平坦，并且因此例如与通过第一部分550的任何蚀刻表面传送的光束相比，在通过基本平坦窗口256传送的光束中更不可能产生光学伪影。例如，第二玻璃晶圆第一表面251和第二表面252可以各自具有1微米或更小的平坦度，因为第二玻璃晶圆没有被刻蚀，而相比之下，由于刻蚀过程，玻璃盖的蚀刻表面具有显著大于1微米的平坦度。在切割之后，玻璃盖250可以附接至基板220(图2)，如先前所述。
49.返回图7c，应当注意，附加的玻璃盖250(图8a)可以通过成阵列的密封凹穴790的进一步切割而从成阵列的密封凹穴790释放。例如，玻璃盖250(图8a)可以通过沿着与位于第二凹穴772与第三凹穴773之间的第四平面704平行的第五平面(未示出)进行附加切割而从第二密封凹穴772释放。同样地，另外的附加玻璃盖250(图8a)还可以通过沿着平行于第三平面703和/或平行于第四平面704的平面进行附加切割而从成阵列的密封凹穴790释放。
50.虽然上述实施方式涉及用于侧面发射装置的封装，但在替代性实施方式中，封装可以适用于构造成接收电磁辐射而不是发射电磁辐射和/或除了发射电磁辐射之外还接收电磁辐射的侧面面向封装。
51.总之，对于本领域的技术人员而言将明显的是，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可以对本发明的结构做出各种修改和变型。鉴于上述，本发明旨在涵盖本发明的修改和变型，前提是它们落在以下权利要求及其等同方案的范围内。