CN107196186A - 一种热沉绝缘型半导体激光器及其叠阵 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种热沉绝缘型半导体激光器，包括：激光芯片、导电衬底、液体制冷器、绝缘间隔层、第一导电层；其中，所述激光芯片键合于所述导电衬底上，形成激光芯片模块；所述激光芯片模块经绝缘间隔层键合在所述液体制冷器的侧端面；所述第一导电层设置于所述液体制冷器的上表面，与所述液体制冷器彼此绝缘，并与所述激光芯片实现电连接。基于本发明提供的热沉绝缘型半导体激光器及其叠阵，在实现热沉绝缘的情况下，能够有效地提高半导体激光器的散热能力，并且模块化的设计，为进一步实现功率成倍扩展奠定了基础。

Description

一种热沉绝缘型半导体激光器及其叠阵

技术领域

本发明涉及半导体激光器领域，尤其涉及一种热沉绝缘型的半导体激光器及其叠阵。

背景技术

目前，高功率半导体激光器的封装结构主要可以分为：液体制冷型和传导冷却型。传导冷却型由于散热原理的限制，在功率的实现上受到了制约，很难实现大功率器件；液体制冷型的封装结构是目前实现高功率半导体激光器的主要封装形式。

液体制冷型的封装结构目前主要包括：微通道液体制冷、宏通道液体制冷。

对于微通道液体制冷方式来说，巴条直接键合到微通道热沉（液体制冷器）上。这种封装方式中，热沉不仅需要作为散热介质，还需要作为激光芯片的电极（一般为正极）使用。

微通道液体制冷的封装方式有如下缺点：

第一，微通道容易由于水通道狭窄而造成堵塞；

第二，微通道热沉本身带电，所以必须采用去离子水进行冷却，对离子浓度有很高的要求；

第三，带电的微通道热沉在使用过程中很容易造成电化学腐蚀，破坏微通道结构，造成堵塞，导致产品失效；

第四，微通道热沉的整体强度与刚度缺乏，容易在组装和制造过程中发生折弯、变形，影响封装质量。

另外，巴条可以先键合在热膨胀系数相匹配的导电衬底上，再与微通道热沉进行封装，但是却增加了散热路径，降低了散热能力。

对于宏通道液体制冷方式来说，其优点是通道较大，不易产生通道堵塞，液体的流速相对较低，可以减少通道的侵蚀。同时，这也造成了宏通道封装器件的散热能力差、通道内温度不均匀的问题，并且其热沉也是带电的；这种封装一般适合在功率较低的应用场合。

根据上述分析可知，由于热沉带电，直接或间接地限制了半导体激光器的散热能力和封装质量，因此，迫切需要一种热沉绝缘的、具有高散热能力的半导体激光器。

发明内容

本发明实施例的主要目的在于提供一种热沉绝缘型半导体激光器及其叠阵，在实现热沉绝缘的情况下，能够有效地提高半导体激光器的散热能力，并且模块化的设计，为进一步实现功率成倍扩展奠定了基础。

本发明的技术方案如下：

本发明实施例提供一种热沉绝缘型半导体激光器，包括：激光芯片、导电衬底、液体制冷器、绝缘间隔层、第一导电层；其中，所述激光芯片键合于所述导电衬底上，形成激光芯片模块；所述激光芯片模块经绝缘间隔层键合在所述液体制冷器的侧端面；所述第一导电层设置于所述液体制冷器的上表面，与所述液体制冷器彼此绝缘，并与所述激光芯片实现电连接。

上述方案中，所述半导体激光器还包括：第二导电层；所述第二导电层设置于所述液体制冷器的下表面，与所述液体制冷器彼此绝缘，第二导电层与所述导电衬底的下表面相接触，并经所述导电衬底与所述激光芯片实现电连接。

上述方案中，所述激光芯片的正极键合于所述导电衬底上，所述第一导电层与所述激光芯片的负极实现电连接，所述第二导电层经所述导电衬底与所述激光芯片的正极实现电连接。

上述方案中，所述半导体激光器还包括：第一绝缘层、第二绝缘层；所述第一绝缘层设置于所述第一导电层与液体制冷器之间，用于实现第一导电层与液体制冷器之间的绝缘；所述第二绝缘层设置于所述第二导电层与液体制冷器之间，用于实现第二导电层与液体制冷器之间的绝缘。

上述方案中，所述导电衬底为热膨胀系数与激光芯片相匹配的导热导电材料，所述导电导热材料为：铜金刚石、和/或铜钨、和/或石墨铜、和/或石墨铝、和/或石墨烯。

上述方案中，所述绝缘间隔层的材料为：金刚石、和/或氮化铝、和/或氧化铝、和/或氧化铍。

本发明实施例还提供一种热沉绝缘型半导体激光器叠阵，所述叠阵由多个上述的半导体激光器作为单元叠加而成。

上述方案中，在构成所述叠阵的多个半导体激光器单元中，各半导体激光器单元的激光芯片上还设置有辅助衬底，或者，除首端的半导体激光器单元之外，每个半导体激光器单元的激光芯片上表面还设置有辅助衬底；其中，所述辅助衬底为热膨胀系数与激光芯片相匹配的导电材料，所述导电材料为：铜钨、和/或铜金刚石、和/或石墨铜、和/或石墨铝、和/或石墨烯，用于在传导电流的同时，保护激光芯片。

上述方案中，在构成所述叠阵的多个半导体激光器单元中，末端的半导体激光器单元还包括：第二导电层；所述第二导电层设置于所述液体制冷器的下表面，与所述液体制冷器彼此绝缘，第二导电层与所述导电衬底的下表面相接触，并经所述导电衬底与所述激光芯片实现电连接。

本发明的有益效果如下：

第一，通过使用高导热材料作为导电衬底与绝缘间隔层，实现了能够与微通道产品可比拟的连续高功率输出；

第二，激光芯片与导电衬底之间利用硬焊料进行封装，提高了半导体激光器的可靠性，使得产品能够适应更加苛刻的使用条件；

第三，液体制冷器与激光芯片模块之间绝缘，使得可以不使用去离子水进行冷却，在降低对水质要求的同时，还降低了通道侵蚀、堵塞的风险；

第四，每个半导体激光器单元进行模块化设计，可以按模块进行无缝联接，实现功率的扩展，功率密度高；并且每个模块可以单独测试、老化、筛选，为实现最终产品的最优化性能提供了保证。

附图说明

图1为本发明热沉绝缘型半导体激光器结构示意图一；

图2为本发明热沉绝缘型半导体激光器结构示意图二；

图3为本发明热沉绝缘型半导体激光器叠阵结构示意图一；

图4为本发明热沉绝缘型半导体激光器叠阵结构示意图二。

附图标号说明：1为金线，2为导电衬底，3为绝缘间隔层，4为激光芯片，5为第一导电层，6为第一绝缘层，7为第二导电层，8为第二绝缘层，9为液体制冷器，10为进水孔，11为出水孔，12为辅助衬底，13为液体制冷器侧端面。

具体实施方式

本发明实施例提供一种热沉绝缘型半导体激光器，图1、图2为本发明热沉绝缘型半导体激光器的结构示意图，如图1、图2所示，所述半导体激光器可以包括：激光芯片4、导电衬底2、液体制冷器9、绝缘间隔层3、第一导电层5。

其中，所述激光芯片4键合于所述导电衬底2上（具体可以为激光芯片4的正极键合于导电衬底2上），形成激光芯片模块；所述激光芯片模块经绝缘间隔层3键合在所述液体制冷器9的侧端面13；所述第一导电层5设置于所述液体制冷器9的上表面，与所述液体制冷器9彼此绝缘，并与所述激光芯片4实现电连接；这里所述第一导电层5可以通过金线1与所述激光芯片4的负极实现电连接。

需说明的是，本发明实施例中，所述液体制冷器可以为：导电型液体制冷器（液体制冷器由导电材料制成，包括但不限于：铜、金、银、铜金刚石）、或绝缘型液体制冷器（液体制冷器由绝缘材料制成，包括但不限于：陶瓷、金刚石、氮化铝）。

当所述液体制冷器为导电型时，所述热沉绝缘型半导体激光器还可以包括：第一绝缘层6，所述第一绝缘层6设置于所述第一导电层5与液体制冷器9上表面之间，用于实现第一导电层5与液体制冷器9之间彼此绝缘。

当所述液体制冷器为绝缘型时，液体制冷器本身绝缘，使得第一导电层5与液体制冷器9之间实现彼此绝缘，因此在第一导电层5与液体制冷器9上表面之间的第一绝缘层6为非必要，即可以设置第一绝缘层6，也可以不设置。

本发明实施例中，所述激光芯片可以通过硬焊料键合到所述导电衬底2上，所述硬焊料可以包括但不限于：金锡、金锗。这里采用硬焊料进行封装，提高了半导体激光器的可靠性，使其能够适应更加苛刻的使用条件。

优选的，所述导电衬底2为与激光芯片的热膨胀系数相匹配的高导热导电材料，所述导电导热材料为：铜金刚石、和/或铜钨、和/或石墨铜、和/或石墨铝、和/或石墨烯，例如，导电衬底2可以为铜-金刚石合金材料；所述绝缘间隔层3可以为高导热的绝缘材料，该高导热的绝缘材料可以为：金刚石、和/或氮化铝、和/或氧化铝、和/或氧化铍。基于高导热材料作为导电衬底与绝缘间隔层，能够实现半导体激光器连续条件下的高功率输出，并且能够达到甚至超过微通道热沉的散热能力。

由上述可知，对于单个的半导体激光器单元来说，通过绝缘间隔层3的设计，并结合第一导电层与液体制冷器之间彼此绝缘，使得液体制冷器9的上表面与侧端面均与激光芯片绝缘（即，液体制冷器9成为不带电的热沉模块），基于此实现本发明所述的热沉绝缘型半导体激光器。

进一步的，本发明所述的热沉绝缘型半导体激光器还可以进一步包括：第二导电层7；所述第二导电层7设置于所述液体制冷器9的下表面，与所述液体制冷器9彼此绝缘，第二导电层7相对于液体制冷器9具有延伸部，该延伸部使得第二导电层7与所述导电衬底2的下表面相接触，并经所述导电衬底2与所述激光芯片4的正极实现电连接。

类似的，当所述液体制冷器为导电型时，所述热沉绝缘型半导体激光器还可以包括：第二绝缘层8，所述第二绝缘层8设置于所述第二导电层7与液体制冷器9下表面之间，用于实现第二导电层7与液体制冷器9之间彼此绝缘。

当所述液体制冷器为绝缘型时，液体制冷器本身绝缘，使得第二导电层7与液体制冷器9之间实现彼此绝缘，因此在第二导电层7与液体制冷器9下表面之间的第二绝缘层8为非必要，即可以设置第二绝缘层8，也可以不设置。

对于单个的半导体激光器单元来说，基于上述第二导电层7与液体制冷器9之间彼此绝缘的设计，实现了液体制冷器的下表面与激光芯片绝缘，结合前述的绝缘间隔层3、以及第一导电层与液体制冷器之间彼此绝缘的设计，实现了本发明所述的热沉绝缘型半导体激光器。

本发明实施例中，由于液体制冷器不带电，这使得对水质的要求降低，即液体制冷器内部流通的制冷介质可以不必使用去离子水，例如，还可以采用液氮、氟利昂、液态金属等。

本发明所述的液体制冷器内部具有液体制冷回路，可以为微通道，也可以为宏通道，不带电的液体制冷器大大降低了通道被腐蚀、堵塞的风险。

图3为本发明热沉绝缘型半导体激光器叠阵的结构示意图一，图3所示的半导体激光器叠阵由多个以上所述的半导体激光器作为单元叠加而成，所述半导体激光器单元的液体制冷器9的侧端面13以及上表面均与激光芯片绝缘。

需说明的是，在图3所示的叠阵中，每个半导体激光器单元的激光芯片上还可以设置有辅助衬底12，其中，首端的半导体激光器单元的激光芯片上可设置辅助衬底12（第一导电层通过金线，经辅助衬底12与激光芯片实现电连接），也可不设置。

具体的，所述辅助衬底12为热膨胀系数与激光芯片相匹配的导电材料，该导电材料可以为：铜钨、和/或铜金刚石、和/或石墨铜、和/或石墨铝、和/或石墨烯等。辅助衬底12的作用一方面是保护激光芯片，降低叠阵封装时相邻半导体激光器单元压坏激光芯片的风险；另一方面的作用是传导电流。

在实际应用中，图3中的叠阵方案在通电时，由于液体制冷器与激光芯片模块绝缘，电流在各个半导体激光器单元之间，仅沿衬底-激光芯片-辅助衬底-衬底-激光芯片-…的方式从液体制冷器的前端流过，从而实现了完全不带电热沉。

基于上述，由于电流仅从液体制冷器的前端流过，因此在实际应用中，除首端的半导体激光器单元之外，其他半导体激光器单元中的第一绝缘层和第一导电层为非必要，即可以保留，也可以去掉，或者也可以采用其他材料填充在其他各半导体激光器单元之间进行替代，只需保证各半导体激光器单元的高度满足封装要求即可。

进一步的，图3中，处于叠阵末端的半导体激光器单元还可以包括：第二导电层7；所述第二导电层7设置于所述液体制冷器9的下表面处，与所述液体制冷器9彼此绝缘（与前述类似，可根据液体制冷器的类型，考虑通过是否设置第二绝缘层8来实现第二导电层7与液体制冷器9之间彼此绝缘，这里不再赘述），第二导电层7与所述导电衬底2的下表面相接触，并经所述导电衬底2与所述激光芯片4的正极实现电连接。

图3中的叠阵方案，在除末端半导体激光器单元外的半导体激光器单元中，均未在其液体制冷器下表面设置第二绝缘层8和第二导电层7，这使得每个半导体激光器的厚度减小，这种方案适用于对单位面积功率密度要求较高的场景。

图4为本发明热沉绝缘型半导体激光器叠阵的结构示意图二，图4所示的半导体激光器叠阵由以上所述多个半导体激光器作为单元叠加而成，所述半导体激光器单元中液体制冷器9的上表面、下表面、侧端面均与激光芯片绝缘。

本发明所述的第一导电层和第二导电层可以包括但不限于：铜箔，所述第一导电层具体可以为台阶式铜箔，台阶式的结构设计能够保证在进行叠阵封装时，相邻的半导体激光器单元可以避开金线（图4仅用于结构示意，并非表示实际尺寸）；所述第一绝缘层和第二绝缘层可以包括但不限于：柔性电路板（FPC）、聚酰亚胺（PI）膜等。

本发明所述半导体激光器还包括进水孔10、出水孔11。在实际应用中，可以在进水孔10、出水孔11的外沿设置凹槽结构，并在凹槽内放置密封圈，在多个半导体激光器单元进行叠阵组装时，密封圈可实现相邻单元之间的密封。

本发明实施例中，每个半导体激光器单元都为模块化的设计方式，这样可以按照模块进行各单元之间的无缝联接，即能够十分方便地将模块化的单元机械组装成叠阵，进而实现了功率的成倍扩展，并且功率密度高。进一步的，模块化的设计使得每个半导体激光器单元的性能参数可以单独进行测试、老化、筛选，经筛选合格的半导体激光器单元可以根据实际需要，按照一定的顺序或要求，利用密封圈或机械夹具组装成叠阵，为实现最终产品的最优化性能提供了保证。

需说明的是，本发明实施例中所涉及的“第一”、“第二”仅用于区分，并不构成对实际方案的限制，所涉及到的“上”、“下”为相对概念，仅用于说明，不构成对本发明技术方案的限制。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种热沉绝缘型半导体激光器，其特征在于，包括：激光芯片、导电衬底、液体制冷器、绝缘间隔层、第一导电层；其中，

所述激光芯片键合于所述导电衬底上，形成激光芯片模块；所述激光芯片模块经绝缘间隔层键合在所述液体制冷器的侧端面；

所述第一导电层设置于所述液体制冷器的上表面，与所述液体制冷器彼此绝缘，并与所述激光芯片实现电连接。

2.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述半导体激光器还包括：第二导电层；

所述第二导电层设置于所述液体制冷器的下表面，与所述液体制冷器彼此绝缘，第二导电层与所述导电衬底的下表面相接触，并经所述导电衬底与所述激光芯片实现电连接。

3.根据权利要求2所述的半导体激光器，其特征在于，所述激光芯片的正极键合于所述导电衬底上，所述第一导电层与所述激光芯片的负极实现电连接，所述第二导电层经所述导电衬底与所述激光芯片的正极实现电连接。

4.根据权利要求2所述的半导体激光器，其特征在于，所述半导体激光器还包括：第一绝缘层、第二绝缘层；

所述第一绝缘层设置于所述第一导电层与液体制冷器之间，用于实现第一导电层与液体制冷器之间的绝缘；

所述第二绝缘层设置于所述第二导电层与液体制冷器之间，用于实现第二导电层与液体制冷器之间的绝缘。

5.根据权利要求1至4任一项所述的半导体激光器，其特征在于，所述导电衬底为热膨胀系数与激光芯片相匹配的导热导电材料，所述导电导热材料为：铜金刚石、和/或铜钨、和/或石墨铜、和/或石墨铝、和/或石墨烯。

6.根据权利要求1至4任一项所述的半导体激光器，其特征在于，所述绝缘间隔层的材料为：金刚石、和/或氮化铝、和/或氧化铝、和/或氧化铍。

7.一种热沉绝缘型半导体激光器叠阵，其特征在于，所述叠阵由多个如权利要求1所述的半导体激光器作为单元叠加而成。

8.根据权利要求7所述的半导体激光器叠阵，其特征在于，在构成所述叠阵的多个半导体激光器单元中，各半导体激光器单元的激光芯片上还设置有辅助衬底，或者，除首端的半导体激光器单元之外，每个半导体激光器单元的激光芯片上表面还设置有辅助衬底；

其中，所述辅助衬底为热膨胀系数与激光芯片相匹配的导电材料，所述导电材料为：铜钨、和/或铜金刚石、和/或石墨铜、和/或石墨铝、和/或石墨烯，用于在传导电流的同时，保护激光芯片。

9.根据权利要求7所述的半导体激光器叠阵，其特征在于，在构成所述叠阵的多个半导体激光器单元中，末端的半导体激光器单元还包括：第二导电层；

所述第二导电层设置于所述液体制冷器的下表面，与所述液体制冷器彼此绝缘，第二导电层与所述导电衬底的下表面相接触，并经所述导电衬底与所述激光芯片实现电连接。

10.一种热沉绝缘型半导体激光器叠阵，其特征在于，所述叠阵由多个如权利要求2所述的半导体激光器作为单元叠加而成。