CN108336640B - 一种高功率半导体激光器及其制备方法 - Google Patents

一种高功率半导体激光器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种高功率半导体激光器及其制备方法。该半导体激光器，包括底座、绝缘层和激光器模块；底座上设置有绝缘层；绝缘层上面设置有正电极、激光器模块和负电极，激光器模块包括至少一个激光器发光单元，激光器发光单元由激光器芯片及其两侧的过渡热沉构成，其中一侧的过渡热沉为带有台阶的L型过渡热沉。其制备方法包括以下步骤：（1）形成激光器发光单元；（2）将所需数量的激光器发光单元通过焊料进行连接，形成激光器模块；（3）将绝缘层、底座、正电极、负电极以及激光器模块键合成型。本发明增加了激光器发光单元与绝缘层的接触面积，便于键合，减少了键合空洞，键合牢固，同时增加了激光器单元正负电极的距离，减小了短路概率。

Description

一种高功率半导体激光器及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种高功率的半导体激光器的结构及其制备方法，属于半导体激光器技术领域。
背景技术
因半导体激光器具有体积小、功率大、性能稳定等优点，其应用范围也越来越广泛。随着半导体激光器输出功率越来越高，半导体激光器在激光焊接、激光切割、激光打孔、激光医疗等工业领域的应用也飞速发展。同样的对激光器的性能要求也越来越高。激光器的性能除跟外延材料有关以外，还跟激光器的散热、封装有关。
目前常用的传导冷却的高功率半导体激光器的封装工艺主要有图1和图2所示的两种。图1所示方案是将多个芯片和多个导电导热的过渡热沉(如铜、铜钨等)同时焊接后，再整体焊接在绝缘导热基片上，然后将该模块键合在底座上，固定电极，完成激光器的制备。或者直接一次将所有的组件按需求放置到特定夹具中一次键合完成。
图2为目前主流的高功率半导体激光器制作方法。将单个激光器芯片、导电导热过渡热沉及绝缘导热片同时焊接，制成半导体激光器发光单元，对激光器单元进行测试，然后将合格的激光器单元键合在底座上，制成高功率半导体激光器。
但是上述工艺都存在如下缺点：
(1)图1方案的工艺过程中芯片、热沉、绝缘层及底座可以同时键合或者先后两次键合成型，一旦芯片的一致性差将会造成整个器件无法使用，器件合格率低，造成巨大材料及人工浪费；
(2)图2方案中，虽然避免了图1方案中的筛选问题，但是同样存在工艺要求高合格率低问题。两种方案中因为若干个半导体激光器发光单元键合时，需要精密夹具并对位，同时激光器芯片的厚度只有0.1mm左右，过渡热沉的厚度一般也只有1mm左右。两个相邻的发光单元通过焊料键合时存在短路的极大风险，同时发光单元键合到绝缘层上时也因为尺寸小存在焊接空洞或者焊接不牢的隐患，导致器件散热差，可靠性及寿命降低。
发明内容
为了克服现有高功率半导体激光器封装技术存在的不足，本发明提出一种高功率半导体激光器及制备方法，可以有效解决现有结构方案中激光器合格率低、键合质量差以及可靠性不高等问题，推进高功率半导体激光器的快速发展。
本发明的高功率半导体激光器，技术方案如下：
该半导体激光器，包括底座、绝缘层和激光器模块；底座上设置有绝缘层；绝缘层上面设置有正电极、激光器模块和负电极，激光器模块处于正电极和负电极之间，正电极和负电极分别与激光器模块连接；激光器模块包括至少一个激光器发光单元，各激光器发光单元在绝缘层上水平排列；激光器发光单元由激光器芯片及设置在激光器芯片两侧的过渡热沉构成，其中一侧的过渡热沉为带有台阶的L型过渡热沉，激光器芯片与另一过渡热沉置于L型过渡热沉的台阶之上，L型过渡热沉的底边宽度小于激光器发光单元的宽度。
所述底座内设置有冷却水腔。
所述L型过渡热沉的底边宽度比激光器发光单元的宽度小0.2mm-0.6mm，以防止键合时短路。
所述正电极设置在L型过渡热沉一侧。
所述绝缘层与激光器模块结合的区域带有周期性刻槽，刻槽的周期与激光器模块中激光器发光单元的宽度一致。所述刻槽的宽度为L型过渡热沉的底边宽度与激光器发光单元的宽度之差。
所述绝缘层与激光器模块接触的区域设置有带有周期性隔离槽的焊料层，隔离槽的周期与激光器发光单元的宽度一致，隔离槽宽度为L型过渡热沉底边宽度与激光器发光单元的宽度之差。
所述底座、正电极、负电极和过渡热沉的表面设置有镀金层。
上述高功率半导体激光器的制备方法，包括以下步骤：
(1)在L型过渡热沉的台阶上方放置激光器芯片和另一个过渡热沉，激光器芯片与其两侧的过渡热沉对应的键合区域设置铟焊料，三者一起放置到烧结夹具中，通过焊料进行一次键合，形成激光器发光单元；
两种过渡热沉与激光器芯片对应的键合区域采用铟焊料、金锡焊料或者其他满足键合要求的焊料。
(2)将所需数量的激光器发光单元通过焊料进行连接，形成激光器模块；
(3)正电极与激光器模块之间以及负电极与激光器模块之间采用焊料进行连接，正电极、负电极和激光器模块三者与绝缘层之间采用焊料进行连接；在绝缘层上刻上周期性的刻槽，或在绝缘层的焊料上设置周期性隔离槽；激光器模块中相邻激光器发光单元之间的接缝处于绝缘层的刻槽上或处于绝缘层焊料的隔离槽上；将绝缘层、底座、正电极、负电极以及激光器模块组装固定到夹具中进行键合成型。
所述绝缘层的两面除刻槽之外的区域均带有焊料，该焊料的键合温度低于激光器芯片与过渡热沉键合所需焊料的温度(如银锡铜焊料)。
所述激光器发光单元之间、正负电极与激光器发光单元之间以及正负电极与绝缘层之间的焊料键合温度低于过渡热沉与激光器芯片之间焊料的键合温度。
本发明的优势在于通过设计带有台阶的L型过渡热沉，增加了激光器发光单元与绝缘层的的接触面积，便于键合，减少了键合空洞及因为接触面积小键合不牢的问题。同时增加了激光器单元正负电极的距离，减小了短路的概率。通过该发明的实施，能够总体上提升高功率激光器模块的成品率并提高一致性。
附图说明
图1是第一种现有半导体激光器制备工艺的过程示意图。
图2是第二种现有半导体激光器制备工艺的过程示意图。
图3是本发明高功率半导体激光器的结构示意图。
图中：1、底座；2、负电极；3、L型过渡热沉；4、普通过渡热沉；5、激光器芯片；6、正电极；7、绝缘层；8、刻槽；A、激光器发光单元的宽度；B、L型过渡热沉3的底边宽度。
具体实施方式
实施例1
本发明的高功率半导体激光器，如图3所示，包括底座1、绝缘层7和激光器模块。底座1上设置有绝缘层7。底座1采用铜等高热导率材料，其内设置有冷却水腔，带有通水冷却孔。绝缘层7的上方设置有激光器模块，绝缘层7的两侧在激光器模块之间设置有正电极6和负电极2。激光器模块、绝缘层7和底座1通过焊料键合成完整的半导体激光器。激光器模块包括至少一个激光器发光单元(图3中有三个激光器发光单元)，各激光器发光单元在绝缘层7的上方水平排列在一起。激光器发光单元由激光器芯片5及设置在激光器芯片5两侧的过渡热沉构成，激光器芯片5与两侧的过渡热沉通过焊料键合在一起。其中一侧的过渡热沉为带台阶的L型过渡热沉3，一侧为普通过渡热沉4(长方块形)。激光器芯片5与普通过渡热沉4置于L型过渡热沉3的台阶之上，且两者不与L型过渡热沉3的台阶面接触。L型过渡热沉3的底边宽度B小于激光器发光单元的宽度A 0.2mm-0.6mm，以防止键合时短路。
正电极6设置在L型过渡热沉3一侧，负电极2设置在普通过渡热沉4一侧。正电极6和负电极2为铜、银等高导电导热的材料，可以通过焊料或者物理固定的方式与激光器模块进行连接。
L型过渡热沉3和普通过渡热沉4的材料可以是铜或者是钨铜。两种过渡热沉与激光器芯片5对应的键合区域采用的焊料为铟焊料、金锡焊料或者其他满足键合要求的焊料。
绝缘层7为AlN陶瓷材料，表面镀金。绝缘层7与激光器模块结合的区域带有周期性刻槽8，刻槽8的周期与激光器发光单元的宽度一致。刻槽8的宽度为L型过渡热沉3的底边宽度A与激光器发光单元的宽度B之差。绝缘层7的两面除刻槽8之外的区域均带有带有键合温度低于过渡热沉键合焊料所需温度的焊料，如铟焊料或银锡铜焊料。
底座1、正电极6、负电极2、L型过渡热沉3和普通过渡热沉4的表面均镀金。
上述高功率半导体激光器的制备过程如下所述：
1.将激光器芯片5置于L型过渡热沉3和普通过渡热沉4之间，激光器芯片5和普通过渡热沉4置于L型过渡热沉3的台阶上方且不与台阶面接触，三者一起放置到烧结夹具中，通过焊料进行一次键合，形成激光器发光单元。两种过渡热沉与激光器芯片5对应的键合区域采用铟焊料、金锡焊料或者其他满足键合要求的焊料。
2.对激光器发光单元进行测试筛选，将所需数量的多个(以2-6个为佳)合格的激光器发光单元水平排列在一起形成激光器模块，激光器发光单元之间通过铟焊料进行连接。激光器发光单元之间的焊料键合温度低于过渡热沉与激光器芯片之间焊料的键合温度。
3.按照图3设计的位置，将绝缘层7、底座1、正电极6、负电极2以及激光器模块组装固定到夹具中。正电极6与激光器模块之间以及负电极2与激光器模块之间采用铟焊料进行连接，正电极6、负电极2和激光器模块三者与绝缘层7之间采用焊料进行连接。激光器模块中相邻激光器发光单元之间的接缝处于绝缘层7的刻槽8上。将夹具放入回流烧结炉中根据焊料的键合温度进行键合成型。
正负电极与激光器发光单元之间以及正负电极与绝缘层之间的焊料键合温度低于过渡热沉与激光器芯片之间焊料的键合温度。
实施例2
本实施例与实施例1的不同之处在于，绝缘层7与激光器模块接触的一面上的焊料带有周期性的隔离槽。隔离槽的周期与激光器发光单元的宽度A一致，隔离槽宽度为L型过渡热沉3底边宽度A与激光器发光单元的宽度A之差。

Claims (10)

1.一种高功率半导体激光器，包括底座、绝缘层和激光器模块；其特征是：底座上设置有绝缘层；绝缘层上面设置有正电极、激光器模块和负电极，激光器模块处于正电极和负电极之间，正电极和负电极分别与激光器模块连接；激光器模块包括至少一个激光器发光单元，各激光器发光单元在绝缘层上水平排列；激光器发光单元由激光器芯片及设置在激光器芯片两侧的过渡热沉构成，其中一侧的过渡热沉为带有台阶的L型过渡热沉，激光器芯片与另一过渡热沉置于L型过渡热沉的台阶之上，L型过渡热沉的底边宽度小于激光器发光单元的宽度。
2.根据权利要求1所述的高功率半导体激光器，其特征是：所述底座内设置有冷却水腔。
3.根据权利要求1所述的高功率半导体激光器，其特征是：所述L型过渡热沉的底边宽度比激光器发光单元的宽度小0.2mm-0.6mm。
4.根据权利要求1所述的高功率半导体激光器，其特征是：所述正电极设置在L型过渡热沉一侧。
5.根据权利要求1所述的高功率半导体激光器，其特征是：所述绝缘层与激光器模块结合的区域带有周期性刻槽，刻槽的周期与激光器模块中激光器发光单元的宽度一致。
6.根据权利要求5所述的高功率半导体激光器，其特征是：所述刻槽的宽度为L型过渡热沉的底边宽度与激光器发光单元的宽度之差。
7.根据权利要求1所述的高功率半导体激光器，其特征是：所述绝缘层与激光器模块接触的区域设置有带有周期性隔离槽的焊料层，隔离槽的周期与激光器发光单元的宽度一致，隔离槽宽度为L型过渡热沉底边宽度与激光器发光单元的宽度之差。
8.根据权利要求1所述的高功率半导体激光器，其特征是：所述底座、正电极、负电极和过渡热沉的表面设置有镀金层。
9.一种权利要求1所述高功率半导体激光器的制备方法，其特征是：包括以下步骤：
(1)在L型过渡热沉的台阶上方放置激光器芯片和另一个过渡热沉，激光器芯片与其两侧的过渡热沉对应的键合区域设置铟焊料，三者一起放置到烧结夹具中，通过焊料进行一次键合，形成激光器发光单元；
(2)将所需数量的激光器发光单元通过焊料进行连接，形成激光器模块；
(3)正电极与激光器模块之间以及负电极与激光器模块之间采用焊料进行连接，正电极、负电极和激光器模块三者与绝缘层之间采用焊料进行连接；在绝缘层上刻上周期性的刻槽，或在绝缘层的焊料上设置周期性隔离槽；激光器模块中相邻激光器发光单元之间的接缝处于绝缘层的刻槽上或处于绝缘层焊料的隔离槽上；将绝缘层、底座、正电极、负电极以及激光器模块组装固定到夹具中进行键合成型。
10.根据权利要求9所述高功率半导体激光器的制备方法，其特征是：所述激光器发光单元之间、正负电极与激光器发光单元之间以及正负电极与绝缘层之间的焊料键合温度低于过渡热沉与激光器芯片之间焊料的键合温度。
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