CN111370991A - 一种绝缘型热沉的半导体激光器、叠阵阵列和水平阵列 - Google Patents
一种绝缘型热沉的半导体激光器、叠阵阵列和水平阵列 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种绝缘型热沉的半导体激光器、叠阵阵列和水平阵列，属于半导体激光器技术领域，包括热沉，热沉包含有上下对称散热的微通道，所述热沉上下分别对称设置有第一绝缘层和第二绝缘层，第一绝缘层上表面设置有第一导电层，第一导电层前端设置有第一芯片，第一芯片后端设置有第一绝缘片，在第一芯片和第一绝缘片上设置有第一导电片；第二绝缘层下端设置有第二导电层，第二导电层前端设置有第二芯片，第二芯片后端设置有第二绝缘片。采用在热沉的上下两端对称双芯片的结构，大幅度提高半导体激光器的输出功率，将双芯片产生的热量快速带走，降低产品工作时整体的热量，从而保证产品的可靠性，而且双芯片的封装结构可以大幅度的降低生产成本。
Description
技术领域
本发明属于半导体激光器技术领域，具体地涉及一种绝缘型热沉的半导体激光器、叠阵阵列和水平阵列。
背景技术
半导体激光器具有体积小、重量轻、可靠性高、使用寿命长等优点，目前已经广泛应用于国民经济的各个领域。
现有绝缘型热沉的半导体激光器普遍存在叠阵功率密度低，生产成本高的问题，目前的大功率半导体激光器热沉都采用微通道结构，其至少包含五层薄片结构，通过热压合的方式整合。从下往上(封装芯片的一面为上面)分别是最下层、进水层、中间隔挡层、出水层和最上层，每个热沉的设计至少要包括此五部分的功能层，为了保证热沉具有一定的强度每层厚度不小于0.2mm；而绝缘型半导体激光器热沉是在原有的微通道半导体激光器热沉上下表面附着一定厚度的氮化铝陶瓷等绝缘材料，更是加厚了热沉自身厚度，而且在做垂直方向叠阵功率扩展时还需要解决电路连接问题，造成叠阵后功率密度低、生产成本高的问题；
本文注意到专利CN 206575010 U通过在现有的微通道半导体激光器热沉上面正贴(芯片P面贴热沉)下表面反贴(芯片N面贴热沉)来提高功率密度，但工作时芯片80％以上的热量产生在芯片的P面(正贴面)此类方式无法保证产品下表面反贴封装产品的散热，产品性能不可靠，且上述方案只能应用于现有的微通道半导体激光器热沉，这种结构激光器热沉存在激光器工作时带电，使用过程中会存在制冷液电化学反应，从而产生的金属氧化堵塞物微通道进而失效；专利CN 105703213 A所述一种热沉绝缘的液体制冷半导体激光器及其叠阵，其提供了一种绝缘型半导体激光器产品封装及电路连接方式，但其垂直叠阵后发光芯片间距大，功率密度低，成本高；专利CN 107565376 A提供了另一种绝缘型半导体激光器产品封装及电路连接方式，由于其在热沉同一面左边和右边来实现正极和负极导通，然绝缘MCC的宽度有限，其芯片与之联通的金线数量减少无法实现大电流工作，其专利虽然叙述了一个液体制冷器上键合两个激光芯片的封装方式，但其无具体说明其芯片封装的形式(正贴或反贴)叠阵及其电路连接方式。
以上专利的封装结构及叠阵电联接方案无法同时解决产品可靠性、高功率密度、垂直叠阵电路连接、水平阵列电路连接、高电流下工作、生产成本高等问题。
发明内容
本发明的目的在于：为了解决现有技术中叠阵功率密度低，生产成本高的问题，通过在绝缘型半导体激光器正面及反面分别以正贴的结构来各自封装芯片，从而解决了上述专利中的垂直叠阵或水平阵列功率密度低、生产成本高、可靠性差、高电流高功率稳定工作等问题，同时通过电路连接设计可以实现叠阵产品中单个芯片加电工作，可实现后续叠阵中单个芯片测试筛选、光学整形的需求。
本发明采用的技术方案如下：
一种绝缘型热沉的半导体激光器，包括热沉，热沉包含有上下对称散热的微通道，所述热沉上下分别对称设置有第一绝缘层和第二绝缘层，第一绝缘层上表面设置有第一导电层，第一导电层前端设置有第一芯片，第一芯片后端设置有第一绝缘片，在第一芯片和第一绝缘片上设置有第一导电片；
第二绝缘层下端设置有第二导电层，第二导电层前端设置有第二芯片，第二芯片后端设置有第二绝缘片，在第二芯片和第二绝缘片上设置有第二导电片。
本发明的进一步优选，所述第一导电层和第二导电层为镀金陶瓷结构，即含有镀金层或进行覆铜后镀金。
本发明的进一步优选，所述第一芯片和第二芯片通过焊料直接焊接在第一导电层和第二导电层的前端面。
本发明的进一步优选，所述第一芯片和第二芯片的P面设置在靠近热沉的一侧。
一种绝缘型热沉的半导体激光器叠阵阵列，由至少三个半导体激光器沿着其慢轴方向上依次竖直排列而成。
一种绝缘型热沉的半导体激光器水平阵列，由至少三个半导体激光器沿着其慢轴方向上依次水平排列而成。
工作原理：热沉上端的电流由第一导电层引入，流向第一芯片的P面到N面，最后经过第一芯片背面的第一导电片导出；
热沉上端的电流由第二导电层引入，流向第二芯片的P面到N面，最后经过第二芯片背面的第二导电片导出；
芯片的发光区处于芯片的P面，其在工作过程中产生的大量热量，由于P面直接焊接在靠近热沉的一侧，可以通过热沉的微通道将芯片产生的大量热量快速带走，从而保证半导体激光工作的稳定可靠性。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1.本发明采用在热沉的上下两端对称双芯片的结构，可以大幅度提高半导体激光器的输出功率，同时又依靠绝缘性热沉的微通道结构，将双芯片产生的热量快速带走，降低整体的热量，从而保证产品的可靠性，而且双芯片的封装结构可以大幅度的降低生产成本，平衡芯片焊接时所产生的封装应力，提高产品可靠性及光学性能。
2.垂直叠阵的电路连接方式及电极设计可以实现叠阵产品中单个芯片加电工作，方便后续叠阵中单个芯片的工作测试筛选、光学整形的需求
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的叠阵阵列的结构示意图；
图3是本发明的水平阵列的结构示意图；
图4是本发明的水平阵列的结构示意图。
附图标记：1-第一芯片，2-第二芯片，3-第一导电片，4-第二导电片，5-第一绝缘片， 6-第二绝缘片，7-第一绝缘层，8-第二绝缘层，9-热沉，10-正极固定块，11-负极固定块， 12-转接连接片，13-转接连接片，14-固定块，15-U型电极，16-转接连接片，17-固定块二，21-第一半导体激光器，22-第二半导体激光器，23-第三半导体激光器，24-第四半导体激光器，25-第五半导体激光器，26-上压盖板，27-上压盖板二，28-负极电极片,29-绝缘片，30-正极电极片。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例,本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
需要说明的是，术语“长度”、“宽度”、“高度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“头”、“尾”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
下面结合图1、图2和图3对本发明作详细说明。
实施案例一：一种绝缘型热沉的半导体激光器，包括热沉9，热沉9包含有上下对称散热的微通道，热沉9上下分别对称设置有第一绝缘层7和第二绝缘层8，第一绝缘层7上表面设置有第一导电层，第一导电层前端设置有第一芯片1，第一芯片1后端设置有第一绝缘片5，在第一芯片1和第一绝缘片5上设置有第一导电片3；
第二绝缘层8下端设置有第二导电层，第二导电层前端设置有第二芯片2，第二芯片2 后端设置有第二绝缘片6，在第二芯片2和第二绝缘片6上设置有第二导电片4。
第一导电层和第二导电层为镀金陶瓷结构，即含有镀金层或进行覆铜后镀金，第一芯片1和第二芯片2通过焊料直接焊接在第一导电层和第二导电层的前端面，第一芯片1和第二芯片2的P面设置在靠近热沉9的一侧。
绝缘型热沉的半导体激光器单面工作原理：热沉9上端的电流由第一导电层引入，流向第一芯片1的P面到N面，最后经过第一芯片1背面的第一导电片3导出；
热沉9下端的电流由第二导电层引入，流向第二芯片2的P面到N面，最后经过第二芯片2背面的第二导电片4导出；
芯片的发光区处于芯片的P面，其在工作过程中产生的大量热量，由于P面直接焊接在靠近热沉9的一侧，可以通过热沉9的微通道将芯片产生的大量热量快速带走，从而保证半导体激光工作的稳定可靠性。
实施案例二：一种绝缘型热沉的半导体激光器的叠阵阵列，由至少三个半导体激光器沿着其慢轴方向上依次竖直排列而成，半导体激光器加上转接连接片、U型电极及绝缘片垂直组合而成，其电连接方式为先串联叠阵各个半导体激光器的上表面工作区域、然后在末端通过U型电极转接，串联各个半导体激光器另一侧的下表面工作区域。以下以5个绝缘型热沉9半导体激光器进行叠阵举例说明:
如图2所示，电流通过正极固定块10，连接转接连接片12，导入第一半导体激光器21 的上表面第一导电层开始，经由第一芯片1的P面到N面，流入到第一导电片3，然后通过转接连接片13(上表面设有绝缘片)流入第二半导体激光器22的下表面的第一导电层，以此类推经过第二半导体激光器22、第三半导体激光器23、第四半导体激光器24、第五半导体激光器25的上表面工作区域，然后电流从第五半导体激光器25的第一导电片3处,导入到固定块14(上表面附有绝缘片)；如图3所示在叠阵另一侧通过U型电极15(下表面附有绝缘片)转入到第五半导体激光器25下表面的第二导电层，经由第二芯片2的P面到N 面，流入到第二导电片4，通过转接连接片16(下表面附有绝缘片)流入第四半导体激光器24下表面的第二导电层，以此类推依次经过第四半导体激光器24、第三半导体激光器 23、第二半导体激光器22、第一半导体激光器21下表面的第二导电层工作区域，最后在第一半导体激光器21的第二导电片4处导入固定块二17流入到负极固定块11，完成整个叠阵电路导通。
综上，上述连接电极皆可以在其螺纹孔中加螺丝固定导入电极实现每个发光源单独工作的功能。
实施案例三：如图4所示，一种绝缘型热沉的半导体激光器水平阵列，由至少三个半导体激光器沿着其慢轴方向上依次水平排列而成。其电连接方式为先连接半导体激光器的上下工作区域然后在于其于水平排布的半导体激光器进行串接，以下以3个绝缘半导体激光器组成的水平阵列举例说明：
电流通过正极电极片30进入到第一半导体激光器21，下表面的第二导电层，经由第二芯片2的P面到N面，流入到第二导电片4，通过转接连接片10，流入第一半导体激光器21上表面的第一导电层，经由第一芯片1的P面到N面，流入到第一导电片3，然后通过上压盖板26流入到转接电极片13(电极片13的下表面与转接电极10之间有绝缘片进行绝缘)，然后通过转接电极片13进入第二半导体激光器22下表面的第二导电层。以此类推依次经过第二半导体激光器22、第三半导体激光器23；最后由第三半导体激光器23的上压盖板二27导入到负极电极片28流出，完成水平阵列电路连接。
所述固定连接、固定安装或固定设置方式包括现有的常用技术，如螺栓固定、焊接、铆接等，均为了起到固定作用，并不影响本装置整体的效果。
所述上压盖板和上压盖板二为铜或其他导电材料构成。
所述叠阵及水平阵列的通水底座为工程塑料等绝缘材料构成。
尽管这里参照本发明的多个解释性实施例对本发明进行了描述，但是，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。更具体地说，在本申请公开和权利要求的范围内，可以对主题组合布局的组成部件和/或布局进行多种变型和改进。除了对组成部件和/或布局进行的变型和改进外，对于本领域技术人员来说，其他的用途也将是明显的。
Claims (6)
1.一种绝缘型热沉的半导体激光器，包括热沉(9)，热沉(9)包含有上下对称散热的微通道，其特征在于，所述热沉(9)上下分别对称设置有第一绝缘层(7)和第二绝缘层(8)，第一绝缘层(7)上表面设置有第一导电层，第一导电层前端设置有第一芯片(1)，第一芯片(1)后端设置有第一绝缘片(5)，在第一芯片(1)和第一绝缘片(5)上设置有第一导电片(3)；
第二绝缘层(8)下端设置有第二导电层，第二导电层前端设置有第二芯片(2)，第二芯片(2)后端设置有第二绝缘片(6)，在第二芯片(2)和第二绝缘片(6)上设置有第二导电片(4)。
2.根据权利要求1所述的绝缘型热沉的半导体激光器，其特征在于，所述第一导电层和第二导电层为镀金陶瓷结构，即含有镀金层或进行覆铜后镀金。
3.根据权利要求1所述的绝缘型热沉的半导体激光器，其特征在于，所述第一芯片(1)和第二芯片(2)通过焊料直接焊接在第一导电层和第二导电层的前端面。
4.根据权利要求1所述的绝缘型热沉的半导体激光器，其特征在于，所述第一芯片(1)和第二芯片(2)的P面设置在靠近热沉(9)的一侧。
5.一种绝缘型热沉的半导体激光器叠阵阵列，其特征在于，由至少三个半导体激光器沿着其慢轴方向上依次竖直排列而成。
6.一种绝缘型热沉的半导体激光器水平阵列，其特征在于，由至少三个半导体激光器沿着其慢轴方向上依次水平排列而成。
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