CN105182548A - 一种便于光纤整形的高性能半导体激光器及其封装方法 - Google Patents

一种便于光纤整形的高性能半导体激光器及其封装方法 Download PDF

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Abstract

一种便于光纤整形的高性能半导体激光器及其封装方法，该半导体激光器，包括铜热沉、芯片、次热沉和整形光纤，铜热沉的上表面焊接有次热沉，芯片焊接在芯片焊接区；铜热沉上表面的两侧均焊接有绝缘片，两个绝缘片上分别焊接有正电极片和负电极片；正电极片与次热沉上表面之间、负电极片与次热沉上的负极连接区之间以及芯片负极与负极连接区之间均用金线连接；整形光纤固定在铜热沉上，置于芯片的发光区前方。本发明结构简单，操作方便，实现了芯片与铜热沉绝缘，解决了铜热沉带电的问题，可提高半导体激光器可靠性和使用寿命，可避免紫外固化胶对半导体激光器腔面的污染及半导体激光器在工作过程中整形光纤移位的问题，提高了产品的可靠性和成品率。

Description

一种便于光纤整形的高性能半导体激光器及其封装方法
技术领域
本发明涉及一种便于光纤整形的高性能半导体激光器及其封装方法，属于半导体激光器技术领域。
背景技术
半导体激光器由于体积小、重量轻、转换效率高、使用寿命长等优点，在医疗、显示、泵浦、工业加工等领域有广泛的应用。在这些应用中，要求半导体激光器具有长寿命、高稳定性、高可靠性的特点。近年来，随着半导体材料外延生长技术、半导体激光波导结构优化技术和腔面钝化技术的飞速发展，半导体激光器的性能得到了很大的提升，可实现的光功率密度也越来越高，更高的光功率输出也对半导体激光器的散热提出了更高的要求，因此，对半导体激光器的封装结构和工艺也就提出了更高的要求。
由于半导体激光器本身的特点，形成了输出光束快轴发散角远大于慢轴发散角的光斑模式，在应用过程中需要将快轴进行压缩。整形柱镜是快轴压缩的重要方法，但由于整形柱镜尺寸较大，限制了半导体激光器的使用空间，且整形柱镜成本较高，对于市场上用量较大的中功率半导体激光器来说，经济效益不可观。而采用整形光纤对半导体激光器进行快轴压缩是目前最简便、最经济的方式。传统C-Mount型封装结构的半导体激光器如图1所示,芯片直接焊接在铜热沉上，芯片的负极通过一负电极片引出，然后将整形光纤固定在铜热沉的两端，从而实现对快轴的压缩，但由于芯片与铜热沉的热膨胀系数不匹配，这种封装形式只能采用软焊料铟进行焊接，而铟焊料由于存在易氧化、在高温烧结时易形成铟须造成激光器短路或遮挡发光区等问题，严重影响了激光器的长期可靠性和稳定性。而且，这种封装结构，铜热沉会带正电，使用中存在带电的安全问题。
中国专利文献CN204243452U公开了一种热沉绝缘的传导冷却型高功率半导体激光器，通过在激光芯片和热沉之间增加绝缘垫片设计，实现了热沉不带电工作，解决了传统C-mount型封装结构的半导体激光器热沉带电导致的安全问题。但由于该结构只能将整形光纤固定在绝缘垫片上，而绝缘垫片的导热率远小于铜热沉，在激光器工作过程中，绝缘片的温度较高，会造成固定整形光纤的紫外胶软化，从而导致光斑偏移原来的位置。而且，由于绝缘片尺寸较小，整形过程中，紫外胶极易污染发光区，造成激光器失效，影响产品的成品率。
中国专利文献CN103532006A公开了一种半导体激光器，包括热沉、芯片及设置在热沉上的负极带，在热沉上焊接绝缘导热层，芯片焊接在绝缘导热层上，在绝缘导热层上焊接有焊片，焊片连接有与负极带对应的正极带，通过使用双极带电极结构引入供电源，解决了传统C-mount型封装结构的半导体激光器热沉带电的问题。但由于该结构中绝缘导热层直接焊接到热沉的上表面，管芯发光面距离热沉上表面较远，必须用较多的紫外胶才能将整形光纤固定在热沉上，这样会导致整形光纤悬空太严重，不牢固，在后期工作中会出现移位、脱落的情况。
发明内容
针对现有半导体激光器在封装结构及整形技术上存在的问题，本发明提供一种操作简便，便于光纤整形的高性能半导体激光器及其封装方法。
本发明的便于光纤整形的高性能半导体激光器，采用以下技术方案：
该半导体激光器，包括铜热沉、正电极片、负电极片、芯片、次热沉和整形光纤，铜热沉的上表面中间处设置有凹槽，该凹槽中焊接有次热沉，次热沉上设置有负极连接区和芯片焊接区，芯片焊接在芯片焊接区；铜热沉上表面的两侧均焊接有绝缘片，两个绝缘片上分别焊接有正电极片和负电极片；正电极片与次热沉上的芯片焊接区之间、负电极片与次热沉上的负极连接区之间以及芯片负极与负极连接区之间均用金线连接；整形光纤固定在铜热沉的前侧面上部的两端，置于芯片的发光区前方，且与绝缘片宽度方向平行。
所述铜热沉的表面镀有金层。
所述正电极片和负电极片均为镀金铜片。
所述绝缘片是在绝缘体的上下表面镀金属层而成。
所述次热沉为一绝缘体，且该绝缘体下表面镀有金属层，上表面在负极连接区与芯片焊接区镀有金属层。
所述整形光纤上镀有光学增透膜。
上述便于光纤整形的高性能半导体激光器的封装方法，包括以下步骤：
(1)在次热沉的芯片焊接区中预制金锡焊料，将芯片焊接在金锡焊料上；
(2)在铜热沉的上表面的两侧及凹槽处预制低温焊料(铟焊料、铟锡焊料、锡铋焊料或铟银焊料)；
(3)在两个绝缘片上分别焊接正电极片和负电极片，然后与次热沉一起焊接在铜热沉上的对应位置；
(4)采用金线将芯片负极与次热沉上的负极连接区相连；
(5)采用金线将次热沉上的负极连接区与负电极片以及次热沉上的芯片焊接区与正电极片相连；
(6)在半导体激光器工作电流条件下，将整形光纤放置在芯片出光区，调整到所需的光斑位置；
(7)将整形光纤固定到铜热沉上。
本发明结构简单，操作方便，通过在铜热沉上表面中间处开凹槽加次热沉的形式，实现了芯片与铜热沉绝缘，解决了铜热沉带电的问题。而且，次热沉上预制金锡焊料，可提高半导体激光器可靠性和使用寿命。同时，采用将整形光纤固定在铜热沉两端的整形方式，可避免紫外固化胶对半导体激光器腔面的污染及半导体激光器在工作过程中整形光纤移位的问题，提高了产品的可靠性和成品率。
附图说明
图1是传统C-Mount型封装结构的半导体激光器的示意图。
图2是本发明便于光纤整形的高性能半导体激光器的示意图。
图3是本发明中焊接有芯片的次热沉的结构示意图。
其中，1、铜热沉，2、负电极片，3、正电极片，4、次热沉，5、芯片，6、金线，7、凹槽，8、绝缘片，9、整形光纤、10、固化胶、11、负极连接区、12、芯片焊接区、13、沉孔。
具体实施方式
如图2和图3所示，本发明的便于光纤整形的高性能半导体激光器，包括铜热沉1、正电极片3、负电极片2、次热沉4、芯片5、绝缘片8和整形光纤9。铜热沉1的表面镀有金层，其上表面中间处设有凹槽7，前侧面设置有沉孔13。凹槽7的中心处设置有次热沉4，次热沉4的长和宽均小于凹槽7的长和宽，厚度与凹槽7的深度一致；次热沉4的上表面设有负极连接区11和芯片焊接区12，次热沉4为一绝缘体(可采用氮化铝、氧化铝、金刚石或氮化硅)，且该绝缘体下表面镀有金属层，上表面在负极连接区11与芯片焊接区12镀有金属层，负极连接区11与芯片焊接区12之间无金属层。芯片5焊接在次热沉4的芯片焊接区12上。铜热沉1上表面的两侧均焊接有绝缘片8，绝缘片8是在绝缘体(可采用氮化铝、氧化铝、金刚石或氮化硅)的上下表面镀金属层而成。两个绝缘片8上分别设置有正电极片3和负电极片2，正电极片3和负电极片2均为镀有金层的铜片。整形光纤9放置在芯片5的发光区前方，且与绝缘片8的宽度方向平行。整形光纤9通过固化胶10固定在铜热沉1的前侧面上部两侧，并通过在沉孔13中置入螺钉固定铜热沉1。整形光纤9镀有光学增透膜；固化胶10为紫外固化胶。正电极片3与次热沉4上表面之间、负电极片2与次热沉上的负极连接区11之间以及芯片负极与负极连接区11之间均用金线6连接。
上述半导体激光器的封装方法，如下所述：
(1)在次热沉的芯片焊接区中预制金锡焊料，将芯片焊接在金锡焊料上；
(2)在铜热沉的上表面的两侧及凹槽处预制低温焊料(铟焊料、铟锡焊料、锡铋焊料或铟银焊料)；
(3)在两个绝缘片上分别焊接正电极片和负电极片，然后与次热沉一起焊接在铜热沉上的对应位置；
(4)采用金线将芯片负极及次热沉上的负极连接区相连；
(5)采用金线将次热沉上的负极连接区与负电极片以及次热沉上的芯片焊接区与正电极片相连；
(6)在半导体激光器工作电流条件下，将整形光纤放置在芯片出光区，调整到所需的光斑位置；
(7)将整形光纤通过固化胶固定到铜热沉上，用紫外灯照射至固化胶固化为止，并通过在沉孔13中置入螺钉固定铜热沉1。

Claims (7)

1.一种便于光纤整形的高性能半导体激光器，包括铜热沉、正电极片、负电极片、芯片、次热沉和整形光纤，其特征是，铜热沉的上表面中间处设置有凹槽，该凹槽中焊接有次热沉，次热沉的上表面设置有负极连接区和芯片焊接区，芯片焊接在芯片焊接区；铜热沉上表面的两侧均焊接有绝缘片，两个绝缘片上分别焊接有正电极片和负电极片；正电极片与次热沉上的芯片焊接区之间、负电极片与次热沉上的负极连接区之间以及芯片负极与负极连接区之间均用金线连接；整形光纤固定在铜热沉的前侧面上部的两端，置于芯片的发光区前方，且与绝缘片宽度方向平行。
2.如权利要求1所述的便于光纤整形的高性能半导体激光器，其特征是，所述铜热沉的表面镀有金层。
3.如权利要求1所述的便于光纤整形的高性能半导体激光器，其特征是，所述正电极片和负电极片均为镀金铜片。
4.如权利要求1所述的便于光纤整形的高性能半导体激光器，其特征是，所述绝缘片是在绝缘体的上下表面镀金属层而成。
5.如权利要求1所述的便于光纤整形的高性能半导体激光器，其特征是，所述次热沉为一绝缘体，且该绝缘体下表面镀有金属层，上表面在负极连接区与芯片焊接区镀有金属层。
6.如权利要求1所述的便于光纤整形的高性能半导体激光器，其特征是，所述整形光纤上镀有光学增透膜。
7.一种权利要求1所述的便于光纤整形的高性能半导体激光器，其特征是，上述便于光纤整形的高性能半导体激光器的封装方法，包括以下步骤：
(1)在次热沉的芯片焊接区中预制金锡焊料，将芯片焊接在金锡焊料上；
(2)在铜热沉的上表面的两侧及凹槽处预制低温焊料；
(3)在两个绝缘片上分别焊接正电极片和负电极片，然后与次热沉一起焊接在铜热沉上的对应位置；
(4)采用金线将芯片负极及次热沉上的负极连接区相连；
(5)采用金线将次热沉上的负极连接区与负电极片以及次热沉上的芯片焊接区与正电极片相连；
(6)在半导体激光器工作电流条件下，将整形光纤放置在芯片出光区，调整到所需的光斑位置；
(7)将整形光纤固定到铜热沉上。
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