一种VCSEL芯片封装结构及其制作方法

技术领域

本发明涉及光电技术领域，尤其涉及一种VCSEL芯片封装结构及其制作方法。

背景技术

VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，垂直腔面发射激光器)是新一代半导体激光器,其在机器视觉、3D识别、激光雷达、室内导航等领域具有广泛的应用，为了匹配接收端(RX)的传感器(sensor)以及提高能量利用效率，通常需要将VCSEL发散角较小的圆形光斑整形成发散角更大的方形光斑。

现有的VCSEL模组使用扩束片(diffuser)来进行光斑整形，diffuser的制作需要使用到纳米压印等技术，成本较高。Molding(注塑)是LED中常用的封装形式，具有成本低，工艺成熟等优点，能大大提升器件在恶劣环境中的可靠性，且具有光学整形功能。但是，由于VCSEL自身发散角较小，因此molding技术应用于VCSEL的光斑整形存在较大限制。示例性的，图1和图2是VCSEL在常规molding下的模型与光斑示意图，VCSEL光斑仅发生较小的角度偏折，若增大表面斜率，则会出现全反射。根据理论计算，VCSEL出射光的角度最大只能达到±30°左右。

发明内容

本发明提供了一种VCSEL芯片封装结构及其制作方法，结构简单，无需使用昂贵的扩束片即可完成对VCSEL的光束整形。

根据本发明的一方面，提供了一种VCSEL芯片封装结构，该VCSEL芯片封装结构包括：基板、VCSEL芯片、第一封装层和第二封装层；

所述VCSEL芯片位于所述基板的一侧；

所述第一封装层位于所述VCSEL芯片远离所述基板的一侧且覆盖所述VCSEL芯片；

所述第二封装层位于所述第一封装层远离所述VCSEL芯片的一侧且覆盖所述第一封装层；

所述第一封装层的折射率和所述第二封装层的折射率均大于1；

当所述第一封装层的折射率小于所述第二封装层的折射率时，所述第一封装层的出光区远离所述VCSEL芯片的表面为凸面，同时所述第二封装层的出光区远离所述第一封装层的表面为凹面，或者，所述第一封装层的出光区远离所述VCSEL芯片的表面为凹面，同时所述第二封装层的出光区远离所述第一封装层的表面为凸面；

当所述第一封装层的折射率大于所述第二封装层的折射率时，所述第一封装层的出光区远离所述VCSEL芯片的表面和所述第二封装层的出光区远离所述第一封装层的表面均为凸面或凹面。

可选的，所述第一封装层的出光区远离所述VCSEL芯片的表面为第一自由曲面；

所述第二封装层的出光区远离所述第一封装层的表面为第二自由曲面。

可选的，所述第一封装层的折射率的范围为1.4～1.6；

所述第二封装层的折射率的范围为1.4～1.6。

可选的，所述第一封装层的熔点大于所述第二封装层的熔点。

可选的，所述第一封装层的材料包括硅橡胶或树脂；

所述第二封装层的材料包括硅橡胶或树脂。

可选的，所述第一自由曲面的公式为：

其中，

所述第二自由曲面的公式为：

其中，

可选的，所述VCSEL芯片通过引线与所述基板连接。

可选的，所述VCSEL芯片包括第一引脚和第二引脚；

所述第一引脚和所述第二引脚位于所述基板靠近VCSEL芯片的表面且与所述基板电连接。

根据本发明的另一方面，提供了一种VCSEL芯片封装结构的制作方法，该制作方法包括：

提供一基板；

将VCSEL芯片设置与所述基板的一侧；

形成第一封装层，其中，所述第一封装层位于所述VCSEL芯片远离所述基板的一侧且覆盖所述VCSEL芯片；

形成第二封装层，其中，所述第一封装层的折射率和所述第二封装层的折射率均大于1；所述第二封装层位于所述第一封装层远离所述VCSEL芯片的一侧且覆盖所述第一封装层；当所述第一封装层的折射率小于所述第二封装层的折射率时，所述第一封装层的出光区远离所述VCSEL芯片的表面为凸面，同时所述第二封装层的出光区远离所述第一封装层的表面为凹面，或者，所述第一封装层的出光区远离所述VCSEL芯片的表面为凹面，同时所述第二封装层的出光区远离所述第一封装层的表面为凸面；当所述第一封装层的折射率大于所述第二封装层的折射率时，所述第一封装层的出光区远离所述VCSEL芯片的表面和所述第二封装层的出光区远离所述第一封装层的表面均为凸面或凹面。

可选的，所述形成第一封装层具体包括：

采用注塑工艺形成第一封装层；

所述形成第二封装层具体包括：

采用注塑工艺形成第二封装层。

本实施例提供了一种VCSEL芯片封装结构，该封装结构包括第一封装层和第二封装层，第一封装层的折射率与第二封装层的折射率不同，且第一封装层的折射率和第二封装层的折射率均大于1。当第一封装层的折射率小于第二封装层的折射率时，设置第一封装层的出光区远离VCSEL芯片的表面与第二封装层的出光区远离第一封装层的表面其中一个为凹面，另一个为凸面，可以增大光束的发散角。当第一封装层的折射率大于第二封装层的折射率时，设置第一封装层的出光区远离VCSEL芯片的表面与第二封装层的出光区远离第一封装层的表面均为凹面或凸面，也可以增大光束的发散角度。综上，本实施例提供的VCSEL芯片封装结构，结构简单，无需使用昂贵的扩束片即可完成对VCSEL的光束整形。

应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本发明的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1现有的一种VCSEL芯片封装结构的结构示意图；

图2是根据现有的VCSEL芯片封装结构出射的光斑示意图；

图3是根据本发明实施例提供的一种VCSEL芯片封装结构的结构示意图；

图4是根据本发明实施例提供的又一种VCSEL芯片封装结构的结构示意图；

图5是根据本发明实施例提供的又一种VCSEL芯片封装结构的结构示意图；

图6是根据本发明实施例提供的又一种VCSEL芯片封装结构的结构示意图；

图7是根据本发明实施例提供的一种VCSEL芯片封装结构出射的光斑示意图；

图8是根据本发明实施例提供的又一种VCSEL芯片封装结构的结构示意图；

图9是根据本发明实施例提供的一种VCSEL芯片封装结构的制作方法的流程示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

图3是根据本发明实施例提供的一种VCSEL芯片封装结构的结构示意图，

图4是根据本发明实施例提供的又一种VCSEL芯片封装结构的结构示意图，

图5是根据本发明实施例提供的又一种VCSEL芯片封装结构的结构示意图，

图6是根据本发明实施例提供的又一种VCSEL芯片封装结构的结构示意图，参考图3-图6，本实施例提供的VCSEL芯片封装结构包括：基板110、VCSEL芯片120、第一封装层130和第二封装层140；VCSEL芯片120位于基板110的一侧；第一封装层130位于VCSEL芯片120远离基板110的一侧且覆盖VCSEL芯片120；第二封装层140位于第一封装层130远离VCSEL芯片120的一侧且覆盖第一封装层130；第一封装层130的折射率和第二封装层140的折射率均大于1；当第一封装层130的折射率小于第二封装层140的折射率时，参考图3，第一封装层130的出光区远离VCSEL芯片120的表面为凸面，同时第二封装层140的出光区远离第一封装层130的表面为凹面，或者，参考图4，第一封装层130的出光区远离VCSEL芯片120的表面为凹面，同时第二封装层140的出光区远离第一封装层130的表面为凸面；当第一封装层130的折射率大于第二封装层140的折射率时，第一封装层130的出光区远离VCSEL芯片120的表面和第二封装层140的出光区远离第一封装层130的表面均为凹面(参考图5)或凸面(参考图6)。

具体的，第一封装层130和第二封装层140可以保护VCSEL芯片120不受外界空气、水汽等的腐蚀和污染。第一封装层130覆盖VCSEL芯片120，即第一封装层130与VCSEL芯片120之间没有空腔，VCSEL芯片120出射的激光可以直接入射到第一封装层130中。

第一封装层130的出光区为VCSEL芯片120发出的激光经过第一封装层130的区域。第二封装层140的出光区为VCSEL芯片120发出的激光经过第二封装层140的区域。第一封装层130的出光区和第二封装层140的出光区在基板110上的垂直投影均覆盖VCSEL芯片120在基板110上的垂直投影。第一封装层130和第二封装层140均具有透光性。

将第一封装层130的折射率记为n1，第二封装层140的折射率记为n2。将VCSEL芯片120与基板110的层叠方向记为第三方向z。第一方向X、第二方向Y和第三方向Z相互垂直。

当n1＜n2时，参考图3，第一封装层130中的激光入射到第二封装层140后会发生折射，根据折射率公式，光在第二封装层140中的折射角小于光在第一封装层130中的入射角，由于第一封装层130的出光区远离VCSEL芯片120的表面为凸面，因此，在第二封装层140中发生折射的光与第三方向z的夹角大于第一封装层130中的光与第三方向z的夹角。可见，光从第一封装层130出射到第二封装层140后，光束的发散角将增大。第二封装层140中的光出射到空气后，根据折射率公式，出射到空气中的光会发生折射，且折射角大于入射角。由于第二封装层140的出光区远离第一封装层130的表面为凹面，因此，在空气中发生折射的光与第三方向z的夹角大于第二封装层140中的光与第三方向z的夹角，可见，本实施例提供的激光器封装结构，将VCSEL芯片120发出的光束进行两次扩散，最终增大了发散角。

当n1＜n2时，参考图4，若第一封装层130的出光区远离VCSEL芯片120的表面为凹面，则第一封装层130中的光入射到第二封装层140后，光会发生汇聚，即第二封装层140的光的偏折方向与第一封装层130中光的偏折方向相反，示例性的，若第一封装层130中的光向左偏，则第二封装层140中的光将向右偏。当第二封装层140中的光出射到空气后，光会发生折射，且由于第二封装层140的出光区远离第一封装层130的表面为凸面，因此，入射到空气中的光会再次汇聚，且入射到空气中的光与第三方向z的夹角大于第二封装层140中的光与第三方向z的夹角，可见，本实施例提供的激光器封装结构，也会增大光束的发散角。

当n1＞n2时，参考图5，第一封装层130中的激光入射到第二封装层140后会发生折射，根据折射率公式，光在第二封装层140中的折射角大于光在第一封装层130中的入射角，由于第一封装层130的出光区远离VCSEL芯片120的表面为凹面，因此，在第二封装层140中发生折射的光与第三方向z的夹角大于第一封装层130中的光与第三方向z的夹角，因此，光从第一封装层130出射到第二封装层140后，光束的发散角将增大。第二封装层140中的光出射到空气后，根据折射率公式，出射到空气中的光会发生折射，且折射角大于入射角。由于第二封装层140的出光区远离VCSEL芯片120的表面为凹面，因此，在空气中发生折射的光与第三方向z的夹角大于第二封装层140中的光与第三方向z的夹角，可见，本实施例提供的激光器封装结构，将VCSEL芯片120发出的光束进行两次扩散，最终增大了发散角。

当n1＞n2时，参考图6，若第一封装层130的出光区远离VCSEL芯片120的表面为凸面，则第一封装层130中的光入射到第二封装层140后，光会发生汇聚，即第二封装层140的光的偏折方向与第一封装层130中光的偏折方向相反，示例性的，若第一封装层130中的光向左偏，则第二封装层140中的光将向右偏。当第二封装层140中的光出射到空气后，光会发生折射，且由于第二封装层140的出光区远离VCSEL芯片120的表面为凸面，因此，入射到空气中的光会再次汇聚，且入射到空气中的光与第三方向z的夹角大于第二封装层140中的光与第三方向z的夹角，可见，本实施例提供的激光器封装结构，也会增大光束的发散角。

图7是根据本发明实施例提供的一种VCSEL芯片封装结构出射的光斑示意图，参考图7，图7中的横坐标表示光斑在第一方向X上的发散角，图7中的纵坐标表示光斑在第二方向Y上的发散角，图7中的光斑的发散角可达到±45°，相比于现有技术提供的VCSEL芯片封装结构，本实施例提供的VCSEL芯片封装结构可以增大光束的发散角，且光斑为方形光斑，扩大VCSEL芯片封装结构的应用范围。

本实施例提供了一种VCSEL芯片封装结构，该封装结构包括第一封装层和第二封装层，第一封装层的折射率与第二封装层的折射率不同，且第一封装层的折射率和第二封装层的折射率均大于1。当第一封装层的折射率小于第二封装层的折射率时，设置第一封装层的出光区远离VCSEL芯片的表面与第二封装层的出光区远离第一封装层的表面其中一个为凹面，另一个为凸面，可以增大光束的发散角。当第一封装层的折射率大于第二封装层的折射率时，设置第一封装层的出光区远离VCSEL芯片的表面与第二封装层的出光区远离第一封装层的表面均为凹面或凸面，也可以增大光束的发散角度。综上，本实施例提供的VCSEL芯片封装结构，结构简单，无需使用昂贵的扩束片即可完成对VCSEL的光束整形。

可选的，第一封装层的出光区远离VCSEL芯片的表面为第一自由曲面；第二封装层的出光区远离第一封装层的表面为第二自由曲面。

具体的，将第一封装层的出光区远离VCSEL芯片的表面及第二封装层的出光区远离第一封装层的表面均设置为自由曲面，可以使第一封装层远离VCSEL芯片的表面在不同的区域有不同的曲率，也可以使第二封装层远离第一封装层的表面在不同的区域有不同的曲率，从而增加第一封装层和第二封装层的光学功能。第一自由曲面可以不包括围绕光轴旋转对称所得的曲面，第二自由曲面可以不包括围绕光轴旋转对称所得的曲面。

可选的，第一封装层的折射率的范围为1.4～1.6；第二封装层的折射率的范围为1.4～1.6。

具体的，将第一封装层和第二封装层的折射率设置在1.4～1.6的范围内，可以增加光束的发散角。

可选的，第一封装层的熔点大于第二封装层的熔点。

具体的，第一封装层和第二封装层均可以采用注塑工艺制作。采用注塑工艺制作的第一封装层可以与VCSEL芯片及基板紧密连接，改善VCSEL芯片封装结构在使用过程中发生第一封装层脱落的问题。同样的，采用注塑工艺制作的第二封装层可以与第一封装层及基板紧密连接，改善VCSEL芯片封装结构在使用过程中发生第二封装层脱落的问题。采用注塑工艺时，需要在高温高压环境下进行，设置第一封装层的熔点大于第二封装层的熔点，可以避免在制作第二封装层时第一封装层发生熔化变形的问题。

可选的，第一封装层的材料包括硅橡胶或树脂；第二封装层的材料包括硅橡胶或树脂。

具体的，硅橡胶及树脂具有成本低、易于获取、耐高温以及耐低温等特性，因此，采用硅橡胶或树脂制作的第一封装层和第二封装层既可以降低VCSEL芯片封装结构的制作成本，也可以提高VCSEL芯片封装结构的可靠性。

可选的，第一自由曲面的公式为：

其中，

第二自由曲面的公式为：

其中，

具体的，对于第一自由曲面，可以通过调整c

可选的，参考图3-图6中的任意一图，VCSEL芯片120通过引线121与基板110电连接。

具体的，引线121具有导电性，引线121的材料可以金。VCSEL芯片120通过引线121与基板110电连接，从而实现信息交互。

可选的，图8是根据本发明实施例提供的又一种VCSEL芯片封装结构的结构示意图，参考图8，VCSEL芯片120包括第一引脚122和第二引脚123；第一引脚122和第二引脚123位于基板110靠近VCSEL芯片120的表面且与基板110电连接。

具体的，VCSEL芯片120中的第一引脚122和第二引脚123直接与基板110电连接，实现VCSEL芯片120与基板110之间的信息交互。设置VCSEL芯片120的第一引脚122和第二引脚123直接与基板110电连接，无需通过引线与基板110电连接，从而无需采用打线工艺使VCSEL芯片120与基板110电连接，简化了VCSEL芯片封装结构的制作步骤，降低制作成本。

图9是根据本发明实施例提供的一种VCSEL芯片封装结构的制作方法的流程示意图，参考图9，本实施例提供的制作方法包括如下步骤：

S110、提供一基板。

S120、将VCSEL芯片设置与基板的一侧。

S130、形成第一封装层，其中，第一封装层位于VCSEL芯片远离基板的一侧且覆盖VCSEL芯片。

S140、形成第二封装层，其中，第二封装层位于第一封装层远离VCSEL芯片的一侧且覆盖第一封装层；第一封装层的折射率和第二封装层的折射率均大于1；当第一封装层的折射率小于第二封装层的折射率时，第一封装层的出光区远离VCSEL芯片的表面为凸面，同时第二封装层的出光区远离第一封装层的表面为凹面，或者，第一封装层的出光区远离VCSEL芯片的表面为凹面，同时第二封装层的出光区远离第一封装层的表面为凸面；当第一封装层的折射率大于第二封装层的折射率时，第一封装层的出光区远离VCSEL芯片的表面和第二封装层的出光区远离第一封装层的表面均为凸面或凹面。

可选的，形成第一封装层具体包括：采用注塑工艺形成第一封装层；形成第二封装层具体包括：采用注塑工艺形成第二封装层。

本实施例提供的VCSEL芯片封装结构的制作方法与本发明任意实施例提供的VCSEL芯片封装结构具有相应的有益效果，未在本实施例详尽的技术细节，详见本发明任意实施例提供的VCSEL芯片封装结构。

应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本发明中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本发明的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。

上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。