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一种可主动控温的VCSEL 激光器TO封装结构

阅读：1033发布：2020-05-23

专利汇可以提供一种可主动控温的VCSEL 激光器TO封装结构专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开一种可主动控温的VCSEL 激光器 TO封装结构，应用于空间光学测量类单机的激光器封装、散热或加热。通过VCSEL激光器、热沉、热电制冷器、TO封装底座，构成热回路；热沉上方还固定有测温元件。罩体粘贴固定在TO封装底座上，匀光片固定粘接至罩体的表面开窗处。本发明通过热电制冷器和测温元件，实现VCSEL激光器的主动温控；通过热沉上布置的器件和TO封装管脚之间绑定金线连接，实现了VCSEL激光器的小型化TO封装；通过罩体和匀光片的设计，实现了VCSEL激光器的波段扩展；本发明可以实现VCSEL激光器的高可靠安装，保证散热通路上各界面良好接触，具有较高的制冷或加热效率，满足不同温度环境使用要求。，下面是一种可主动控温的VCSEL 激光器TO封装结构专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种VCSEL 激光器TO封装结构，其特征在于，包含：VCSEL激光器(4)、热沉(3)、热电制冷器(2)、TO封装底座(1)、罩体(6)和匀光片(7)；
所述热电制冷器(2)固定连接在TO封装底座(1)和热沉(3)之间；所述VCSEL激光器(4)固定连接在热沉(3)上；通过所述VCSEL激光器(4)、热沉(3)、热电制冷器(2)、TO封装底座(1)，构成热传导的路径；
所述罩体(6)与TO封装底座(1)固定连接，将所述VCSEL激光器(4)、热沉(3)、热电制冷器(2)，以及TO封装底座(1)的上部，都置于罩体(6)内部；所述匀光片(7)设置在罩体(6)的表面开窗处。
2.如权利要求1所述的VCSEL激光器TO封装结构，其特征在于，
所述热电制冷器(2)的一端与所述TO封装底座(1)之间焊接；
所述热电制冷器(2)的另一端涂覆导热胶后与热沉(3)粘接；
所述热电制冷器(2)与主动控温电路连接；
所述VCSEL激光器(4)与热沉(3)之间共晶焊接。
3.如权利要求1所述的VCSEL激光器TO封装结构，其特征在于，
所述热沉(3)上还设置有测温元件(5)，将实时采集的温度反馈给热电制冷器(2)。
4.如权利要求3所述的VCSEL激光器TO封装结构，其特征在于，
所述测温元件(5)是表贴式热敏电阻；
所述测温元件(5)环布在VCSEL激光器(4)的激光光源附近，测得的温度近似为VCSEL激光器(4)发热部位的温度。
5.如权利要求3或4所述的VCSEL激光器TO封装结构，其特征在于，
所述热沉(3)的表面覆有绝缘层，将所述VCSEL激光器(4)和测温元件(5)隔开。
6.如权利要求3所述的VCSEL激光器TO封装结构，其特征在于，
所述TO封装底座(1)有多个管脚(11)，分别和所述VCSEL激光器(4)、测温元件(5)、热电制冷器(2)各自的正负极连接；
所述管脚(11)与TO封装底座(1)的本体结构之间设有绝热层。
7.如权利要求6所述的VCSEL激光器TO封装结构，其特征在于，
所述热电制冷器(2)的正负极可切换。
8.如权利要求6所述的VCSEL激光器TO封装结构，其特征在于，
所述TO封装底座(1)包含侧壁和底板；
所述管脚(11)分布地穿设在TO封装底座(1)的侧壁中，且管脚(11)上端和下端，分别超出TO封装底座(1)侧壁的上表面和下表面。
9.如权利要求8所述的VCSEL激光器TO封装结构，其特征在于，
所述VCSEL激光器(4)和测温元件(5)各自的正负极，与TO封装底座(1)的管脚(11)之间通过绑定的金线连接。
10.如权利要求1所述的VCSEL激光器TO封装结构，其特征在于，
所述罩体(6)内壁喷涂消光黑漆；
所述匀光片(7)是石英玻璃，允许不同波长的激光透过。

说明书全文

一种可主动控温的VCSEL激光器TO封装结构

技术领域

[0001] 本发明提出一种可主动控温的VCSEL激光器TO封装结构，应用于VCSEL激光器的封装，可实现VCSEL激光器的高可靠安装，满足不同温度环境使用要求。

背景技术

[0002] 空间激光测量类单机，需要使用VCSEL激光器为光源，实现测距、定位等功能(VCSEL指垂直腔面发射激光器；Vertical Cavity Surface Emitting Laser)。现有VCSEL激光芯片的绑定线裸露在外部，较为脆弱，安全风险大，安装/焊接不方便，安装平面度不易保证，另外，在宇航空间应用时，温度适应性较差(低温工作时，芯片出光效率低)。

发明内容

[0003] 本发明的目的在于提供一种可主动控温的VCSEL激光器TO封装结构，主要应用于空间光学测量类单机的激光器封装，实现激光器的高可靠安装，同时可保证激光光源的工作温度环境。

[0004] 为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供一种VCSEL激光器TO封装结构，包含：VCSEL激光器、热沉、热电制冷器、TO封装底座、罩体和匀光片；

[0005] 所述热电制冷器固定连接在TO封装底座和热沉之间；所述VCSEL激光器固定连接在热沉上；通过所述VCSEL激光器、热沉、热电制冷器、TO封装底座，构成热传导的路径；

[0006] 所述罩体与TO封装底座固定连接，将所述VCSEL激光器、热沉、热电制冷器，以及TO封装底座的上部，都置于罩体内部；所述匀光片设置在罩体的表面开窗处。

[0007] 可选地，所述热电制冷器的一端与所述TO封装底座之间焊接；

[0008] 所述热电制冷器的另一端涂覆导热胶后与热沉粘接；

[0009] 所述热电制冷器与主动控温电路连接；

[0010] 所述VCSEL激光器与热沉之间共晶焊接。

[0011] 可选地，所述热沉上还设置有测温元件，将实时采集的温度反馈给热电制冷器。

[0012] 可选地，所述测温元件是表贴式热敏电阻；

[0013] 所述测温元件环布在VCSEL激光器的激光光源附近，测得的温度近似为VCSEL激光器发热部位的温度。

[0014] 可选地，所述热沉的表面覆有绝缘层，将所述VCSEL激光器和测温元件隔开。

[0015] 可选地，所述TO封装底座有多个管脚，分别和所述VCSEL激光器、测温元件、热电制冷器各自的正负极连接。

[0016] 可选地，所述管脚与TO封装底座的本体结构之间设有绝热层。

[0017] 可选地，所述热电制冷器的正负极可切换。

[0018] 可选地，所述TO封装底座包含侧壁和底板；

[0019] 所述管脚分布地穿设在TO封装底座的侧壁中，且管脚上端和下端，分别超出TO封装底座侧壁的上表面和下表面。

[0020] 可选地，所述VCSEL激光器和测温元件各自的正负极，与TO封装底座的管脚之间通过绑定的金线连接。

[0021] 可选地，所述罩体内壁喷涂消光黑漆。

[0022] 可选地，所述匀光片是石英玻璃，允许不同波长的激光透过。

[0023] 本发明提出所述的VCSEL激光器TO封装结构，其优点和有益效果是：

[0024] 本发明从VCSEL激光器TO封装结构本身、装配工艺等方面，进行了优化，同时采用热电制冷器为主动控温器件，可以更好地满足空间激光产品的实际应用需求。通过热电制冷器和测温元件，实现VCSEL激光器的主动温控；通过热沉上布置的器件和TO封装管脚之间飞金线连接，实现了VCSEL激光器的小型化TO封装；通过罩体和匀光片的设计，实现了VCSEL激光器的波段扩展；此外，该结构可保证散热通路上各界面良好接触，具有较高的制冷或加热效率。附图说明

[0025] 图1为本发明所述封装结构的爆炸图；

[0026] 图2为本发明所述封装结构的外形图；

[0027] 图3为本发明所述封装结构的剖视图；

[0028] 图4a、图4b、图4c为TO封装底座和热电制冷器装配后俯视图、侧剖视图、仰视方向立体图；

[0029] 图5为TO封装底座的管脚和其他元器件的连接图；

[0030] 图6a、图6b为罩体和匀光片装配后的俯视和仰视方向的立体图；

[0031] 图6c为罩体和匀光片装配后的侧剖视图。

具体实施方式

[0032] 以下结合附图对本发明的具体实施方式进行说明。

[0033] 如图1～图3所示，本发明提出的可主动控温的VCSEL激光器TO封装结构，包含以下零部件：VCSEL激光器4、测温元件5、热沉3、热电制冷器2、TO封装底座1、罩体6和匀光片7。TO封装是在封装后管脚外露的直插形式。

[0034] 其中，通过VCSEL激光器4、热沉3、热电制冷器2、TO封装底座1，构成了本封装结构的热回路。

[0035] 所述TO封装底座1上方中央为热电制冷器2，二者连接界面焊接。热电制冷器2位于热沉3和TO封装底座1之间，其一端与TO封装底座1焊接，另一端涂覆导热胶后与热沉3粘接(参见图4a～图4c)。可以采用主动控温电路控制热电制冷器2的加热量或制冷量，从而保证VCSEL激光器4的工作温度恒定。

[0036] 所述热沉3上方的中央固定VCSEL激光器4，二者共晶焊接，可以保证界面间良好的热量传递，并通过定位装置保证安装定位的准确性。测温元件5也同时固定在热沉3上方。热沉3上表面覆有绝缘层，将VCSEL激光器4和测温元件5二者隔开，避免电路短路。

[0037] 所述测温元件5实时采集激光器温度，反馈给热电制冷器2，通过控制热电制冷器2的功率，调节热电制冷器2的加热量或制冷量，将VCSEL激光器4的温度控制在其适宜的温度范围，实现VCSEL激光器4的主动温控。

[0038] 示例的测温元件5，选用小型的表贴式热敏电阻，温度测量准确；其环布在VCSEL激光光源附近，测得温度可近似为VCSEL激光器4发热部位温度。

[0039] 所述TO封装底座1共有6根管脚11，分别和VCSEL激光器4、测温元件5、热电制冷器2各自的正负极连接，整个结构小型化、易安装。如图5所示，测温元件5的正极52和负极51，对应地连接管脚T1、管脚T2；VCSEL激光器4的正极53和负极54，对应地连接管脚T3、T4；其中，通过切换热电制冷器2的正负极，可以实现热电制冷器2的加热或制冷功能的转换。如图4a所示，热电制冷器2的正极和负极，分别通过导线55、56与管脚T5、T6连接。

[0040] 这些管脚11与TO封装底座1的本体结构之间还设有绝热层。示例地，TO封装底座1包含侧壁和底板，这些管脚11分布地穿设在TO封装底座1的侧壁中，并且管脚11上端和下端，分别超出TO封装底座1侧壁的上表面和下表面。

[0041] 示例地，VCSEL激光器4和测温元件5与TO封装底座1的管脚11之间通过绑定(bonding)的金线(俗称“飞金线”)连接，该方式牢固可靠，且由于管脚11和TO封装底座1结构之间绝热，避免了热回路的产生。

[0042] 所述罩体6粘贴固定在TO封装底座1上，将VCSEL激光器4、测温元件5、热沉3、热电制冷器2，及TO封装底座1的上部，都罩在其内部，实现对VCSEL激光器4等内部封装的保护，消除了周边杂散光的干扰。

[0043] 所述罩体6下部设有定位槽(见图6b)，用来与TO封装底座1固定。并且，罩体6与TO封装底座1上部还留有可供管脚11上端与绑定金线布置的空间。

[0044] 罩体6的上表面开窗口，匀光片7粘贴固定于开窗处(见图6a～图6c)。示例的罩体6选用轻质复合材料，罩体6内壁喷涂消光黑漆，以增加激光光源的发射效率。

[0045] 所述匀光片7采用定制的石英玻璃，可以透过不同波长的激光；通过罩体6和匀光片7的设计，实现了VCSEL激光器4的波段扩展，扩大了其应用范围。

[0046] 本发明的结构组装完成后，该结构可模块化安装在电路板上，保证散热通路上各界面良好接触，具有较高的制冷或加热效率。本发明形成VCSEL激光器4-热沉3-热电制冷器2-TO封装底座1的热传导路径，保证了VCSEL激光器4发热部位的热量能良好地传递到整个结构底面。

[0047] 尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

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