CN116742468A - 一种半导体激光器的封装结构及封装方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种半导体激光器的封装结构及封装方法。其中，半导体激光器的封装结构包括散热底座以及激光芯片；所述及散热底座为一体式铜铝复合体，包括铝基座及铝基座内部嵌入的至少一个铜制热沉；所述铝基座是由熔融的铝材料互补填充于所述至少一个铜制热沉外部而制成，与铜制热沉形成互嵌式结构；所述激光芯片贴片在铜制热沉上，利用铜的高导热率，迅速将发热源芯片表面的热量导出。本发明通过模内压铸工艺，熔融的高性改制铝料与铜制热沉完全互补填充，形成互嵌式结构，铜制热沉与铝基座之间的接触热传递速度更高；由于铜制热沉体积小，且模内压铸工艺成熟，该种结构的成本相对低廉。
Description
技术领域
本发明涉及半导体激光器件的封装技术领域，尤其是一种半导体激光器的封装结构及封装方法。
背景技术
目前市场泵浦源底座的材料往往采用纯铝或者纯铜，但这两种材料用于泵浦源底座制造都有各自的缺陷：纯铜泵源重量重、成本高；纯铝泵源热传导率低。随着单个泵浦源出光功率不断提升，芯片数量和热源不断集中，导致泵浦源底座不能迅速将芯片产生的热量传导，因此对泵浦源底座的散热性能提出了更高的要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种半导体激光器的封装结构及封装方法，解决现有半导体激光器的封装结构存在因芯片无法快速散热而导致芯片表面热过高且集中的问题。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种半导体激光器的封装结构，包括散热底座以及激光芯片；所述散热底座为一体式铜铝复合体，包括铝基座及铝基座内部嵌入的至少一个铜制热沉；所述铝基座是由熔融的铝材料互补填充于所述至少一个铜制热沉外部而制成，与铜制热沉形成互补嵌合的复合铜铝结合体；所述激光芯片贴片在所述铜制热沉上；激光芯片产生的热量由所述铜制热沉传导至所述铝基座进行辐射散热。
进一步地，所述散热底座是通过在安装有所述至少一个铜制热沉的型腔内填充熔融的铝材料，经模内压铸成型而获得的铜铝复合体；所述铜制热沉与所述铝基座之间形成接触传热；所述散热底座表面形成有镀银层或镀金层，所述激光芯片焊接在铜制热沉的镀银层或镀金层上。
在一些实施例中，铜制热沉的上表面形成多个呈阶梯分布的台阶面；所述台阶面与所述激光芯片相适配，用于贴片焊接所述激光芯片；铝基座的上表面形成有凹腔；所述至少一个铜制热沉嵌入在所述铝基座内部，所述台阶以及台阶上贴片的所述激光芯片位于所述凹腔内；所述凹腔的开口由上盖密封，实现对激光芯片的封装；所述铜制热具有一个或多个切割形状，熔融的铝材料与所述铜制热的一个或多个切割形状互补填充；所述凹腔内形成有镀银层或镀金层，或者，所述散热底座整体表面形成有镀银层或镀金层。
在一些实施例中，多条所述铜制热沉间隔的平行布置，以便于激光器泵浦源的光路布局；所述至少一个铜制热沉贯通凹腔的底部至铝基座的下表面；所述切割形状包括燕尾槽、半圆和穿孔中的一种或多种以增加与熔融铝材互补填充的结合强度。
在一些实施例中，所述铝材料为铝或铝合金。
本发明提供激光器泵浦的封装方法，包括以下步骤：
S1，制备铜铝复合散热底座：将至少一个铜制热沉固定于压铸模的型腔内，向型腔内填充熔融的铝材料，通过模内压铸工艺获得铝基座，所述至少一个铜制热沉嵌入所述铝基座内形成一体式铜铝复合体；
S2，在铜铝复合散热底座的铜制热沉上贴片激光芯片；
S3，用上盖密封所述铜铝复合散热底座上表面，将激光芯片封装在铜制热沉上。
在一些实施例中，所述步骤S1进一步包括以下步骤：
S11，提供压铸模：根据激光器泵浦设计适配的散热底座，进而提供模内压铸成型所述散热底座所用的压铸模；
S12，制备铜制热沉；将铜材经切割形成一种或多种切割形状，获得预定的铜制热沉；
S13，模内压铸，首先将预定数量的铜制热沉固定于所述压铸模的型腔内，然后向型腔内填充熔融的铝材料，使铜制热沉的一种或多种切割形状与熔融的铝材料互补填充，形成铜铝复合体，冷却后获得铜铝复合底座半成品；
S14，将制作好的铜铝复合底座半成品进后加工处理，使复合底座安装芯片的位置符合贴片要求，获得铜铝复合散热底座。
在一些实施例中，所述步骤S13中，用注塑机向压铸模的型腔内填充熔融的铝料；熔融的铝材料温度为700~800℃，保温5~10秒，使铜制热沉上的对应切割形状与熔融的铝材料完全互补填充。
在一些实施例中，所述步骤S12中：铜制热沉材料为无氧铜，将铜材进行切割，切割形状包括燕尾槽、半圆和穿孔中的一种或多种；获得切割完成的铜制热沉进行清洗和干燥；所述步骤S14具体为：将制作好的铜铝复合底座半成品进行冲切或打磨或经CNC加工，冷却处理后，使复合底座安装芯片的位置符合贴片要求，获得铜铝复合散热底座。
在一些实施例中，所述步骤S2中，在铜铝复合散热底座的上表面的凹腔进行镀银或镀金处理，或者对铜铝复合散热底座整体进行镀银或镀金处理；然后在镀银或镀金表面刷锡银铜锡膏，放置芯片并过高温隧道炉完成焊接；由所述激光器泵浦的封装方法获得上述任一实施例所述的半导体激光器的封装结构。
本发明的有益效果是：
本发明半导体激光器的封装结构及封装方法中，通过模内压铸工艺，熔融的铝料与铜制热沉完全互补填充，形成互嵌式结构，铜制热沉与铝基座之间的接触热传递速度更高；由于铜制热沉体积小，且模内压铸工艺成熟，该种结构的成本相对低廉。
附图说明
图1是本发明实施例的半导体激光器的封装结构的立体图。
图2是本发明实施例的半导体激光器的封装结构的背面图。
图3是本发明实施例的半导体激光器的封装结构的***图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本申请的示例性实施方式。虽然附图中显示了本申请的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本申请而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本申请，并且能够将本申请的范围完整的传达给本领域的技术人员。
应理解的是，文中使用的术语仅出于描述特定示例实施方式的目的，而无意于进行限制。除非上下文另外明确地指出，否则如文中使用的单数形式“一”、“一个”以及“所述”也可以表示包括复数形式。术语“包括”、“包含”、“含有”以及“具有”是包含性的，并且因此指明所陈述的特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除存在或者添加一个或多个其它特征、步骤、操作、元件、部件、和/或它们的组合。文中描述的方法步骤、过程、以及操作不解释为必须要求它们以所描述或说明的特定顺序执行，除非明确指出执行顺序。还应当理解，可以使用另外或者替代的步骤。
为了便于描述，可以在文中使用空间相对关系术语来描述如图中示出的一个元件或者特征相对于另一元件或者特征的关系，这些相对关系术语例如为“内部”、“外部”、“内侧”、“外侧”、“下面”、“下方”、“上面”、“上方”、“前端”、“后侧”等。这种空间相对关系术语意于包括除图中描绘的方位之外的在使用或者操作中装置的不同方位。例如，如果在图中的装置翻转，那么描述为“在其它元件或者特征下面”或者“在其它元件或者特征下方”的元件将随后定向为“在其它元件或者特征上面”或者“在其它元件或者特征上方”。因此，示例术语“在……下方”可以包括在上和在下的方位。装置可以另外定向(旋转90度或者在其它方向)并且文中使用的空间相对关系描述符相应地进行解释。
下述实例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
本发明所披露的端点值的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应视为在本文中具体公开。
本申请暂以图1中的泵源封装结构所处的状态对各个零部件进行上、下、左和右的方位定义。
请参照图1-图3所示，本发明涉及半导体激光器的封装结构100包括铜铝复合散热底座10、激光芯片3以及上盖（未图示）。激光芯片3贴片在铜铝复合散热底座10上表面形成的凹腔12内，上盖密封地盖合于复合底座10的凹腔12的开口，实现对激光芯片3的封装。示例的，上盖材料为铝材，防氧化处理。较佳地，凹腔12内形成有镀银层或镀金层，或者铜铝复合散热底座10整体表面形成有镀银层或镀金层。激光芯片3直接焊接在对应镀银层或镀金层上。镀金层或镀银层均具有优良的导电性及导热性，对于激光芯片发出的光源具有很好的塑造性，可使光源不散光。镀金层或镀银层均对激光芯片焊接会强化附着力以及流通性，使激光芯片与镀金层或镀银层完全贴合，无焊接空洞。此外，镀银层相较于镀金层，成本更低，可使激光器泵浦源的成本更具有竞争优势。
特别地，本案的铜铝复合散热底座10是通过熔融的高性改制铝材料互补填充于至少一个铜制热沉2外形成的互嵌式结构；是通过模内压铸工艺制成的一体式复合结构，其包括铝基座1及其内部嵌入的至少一个铜制热沉2。铝基座1形成大面积辐射散热；激光芯片3贴片在铜制热沉2上，利用铜的高导热率，迅速将激光芯片3产生的热量导出，通过大面积铝基座1辐射传导，实现高效率散热，解决芯片热量过高且集中问题。铜铝复合散热底座10的结构形式可适用于不同种类、不同功率范围的激光器泵浦源，例如，可适用于小功率激光器泵浦源，这类激光器泵浦源的激光芯片较少，可以只设置一个铜制热沉2即可满足要求。而对于中高功率及超高功率的激光器泵浦源，往往需要更多激光芯片，一个铜制热沉2满足不了要求，则需要设置多个铜制热沉2。
铜制热沉2相对铝基座1而言体积较小，一般采用无氧铜制成。发热源芯片即激光芯片3贴片在铜制热沉2上，利用铜的高导热率，迅速将激光芯片3产生热量导出。铜制热沉2切割有一种或多种形状，包括燕尾槽21、半圆23和穿孔22，以增加与熔融铝材互补填充的结合强度。示例的，铜制热沉2的边沿形成一圈燕尾槽21，两侧各形成一排穿孔22，两端切割有半圆23。熔融铝材填充于燕尾槽21、半圆23和穿孔22这些拉胶结构内形成牢固的结合。铜制热沉2的上表面形成多个呈阶梯分布的台阶面20，这些台阶面20与激光芯片3排列的形状及尺寸相适配，用于贴片焊接激光芯片3。可选地，在其他实施例中，铜制热沉2的上表面仅仅形成平整的平面，平面和激光芯片3排列的形状及尺寸相适配，用于贴片焊接激光芯片3。铜制热沉2嵌入在铝基座1内部，其上表面（台阶面20）暴露于铝基座1顶面的凹腔12内，便于贴片激光芯片3。示例的，多条铜制热沉2间隔的平行布置，以便于激光器泵浦源的光路布局，使得在散热底座10体积不变的前提下，铜制热沉2上能够布置更多的激光芯片3，以提升泵浦的功率。
铝基座1具体是通过在安装有铜制热沉2的压铸模内填充熔融的铝材料，经模内压铸成型而获得：首先在压铸模内埋入铜制热沉2，向型腔内填充熔融的高性改制铝材料进行模内压铸成型；铜制热沉2嵌入在铝基座1的安装孔11内，完全填充式形成牢固的结合。示例的，安装孔11贯通铝基座1的上下表面；多个安装孔11间隔的平行布置；多个铜制热沉2分别紧密嵌合于安装孔11内，同样也呈间隔的平行布置。铝基座1的上表面形成有整体凹陷的凹腔12，安装孔11位于凹腔12内，且从凹腔12的底部贯通铝基座1的下表面。铜制热沉2嵌入在安装孔11内相互紧密贴合，铜制热沉2的台阶面20正好位于凹腔12内。
熔融的铝材料可以是铝或铝合金，例如牌号如ADC12、DC6等的铝合金，按现有技术的方法加热铝或铝合金，获得熔融的铝材料。
本发明的激光器泵浦的封装方法，主要包括以下步骤：
S1，通过模内压铸制备上述实施例所述的铜铝复合散热底座10；
S2，在铜铝复合散热底座10的铜制热沉2的台阶面20或平面上焊接激光芯片3；
S3，在铜铝复合散热底座10的凹腔12的开口盖合上盖，实现对激光芯片3的封装。
其中，通过模内压铸制备上述实施例所述的铜铝复合散热底座10进一步包括以下步骤：
S11，提供制备上述铝基座1的压铸模，根据激光器泵浦设计适配的铝基座结构，进而提供模内压铸成型所述铝基座所用的压铸模；
S12，制备铜制热沉2；将铜材经现有技术的加工方法制成本发明上述实施例所述结构的若干个铜制热沉2；示例的，铜制热沉2材料为无氧铜，将无氧铜材料进行切割形成一种或多种拉胶结构，切割形状包括燕尾槽、半圆和穿孔等拉胶结构；去除切割产生的多余材料，获得切割完成的铜制热沉2；用清洗剂浸泡清洗，吹干后用密封袋封装，获得模内压铸所需的铜制热沉2；
S13，模内压铸，首先将若干条铜制热沉2放置于制作好的铝基座1的压铸模内固定，然后用注塑机向压铸模的型腔内填充熔融的铝料，示例的，材料温度700~800℃，保温5~10秒，使铜制热沉2上的各种切割形状的拉胶结构与熔融的高性改制铝材料完全互补填充，形成互嵌式结构；在模内冷却2~4秒，开模后待复合底座降温至室温后取出产品，获得铜铝复合底座半成品；
S14，将制作好的铜铝复合底座半成品进行冲切和打磨，去掉压铸所产生的水口料和披锋；然后用4轴CNC设备对半成品进行精密加工，用特制冷却液（防腐蚀和开裂）冷却，使复合底座安装芯片和镜片位置符合贴片所需要求，由此获得完成的铜铝复合散热底座10。
在铜制热沉2上贴片激光芯片3可采用现有贴片工艺实现。作为一种实施例，步骤S2在铜铝复合散热底座的铜制热沉上贴片激光芯片，具体为：首先将加工完成的铜铝复合散热底座10上表面的凹腔12的底面上进行镀银处理或者对整个铜铝复合散热底座10的表面进行镀银处理，作用是增强铜铝复合散热底座的散热性能以及与锡膏之间的焊接性能；然后在镀银表面刷锡银铜锡膏，放置芯片并过高温隧道炉完成焊接。使用锡银铜锡膏可提高芯片与铜铝复合散热底座之间的热传导。
本发明半导体激光器的封装结构100将发热源芯片贴片在铜制热沉上，利用铜的高导热率，迅速将发热源芯片表面的热量导出。由于铜制热沉体积小，且模内压铸工艺成熟，该种结构的成本相对低廉。由于材料铝的散热性能好，铜制热沉传导出的热量通过大面积铝基座辐射，实现高效率散热。本发明通过模内压铸工艺，熔融的高性改制铝料与铜制热沉完全互补填充，形成互嵌式结构（一体式结构），铜制热沉与铝基座之间的接触热传递速度更高；一体式铜铝复合散热底座10在安装上可节省安装工艺，更有利于激光器泵浦的封装操作。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的保护范围由所附权利要求及其等同范围限定。
Claims (10)
1.一种半导体激光器的封装结构，包括散热底座以及激光芯片；其特征在于：所述散热底座为一体式铜铝复合体，包括铝基座及铝基座内部嵌入的至少一个铜制热沉；所述铝基座是由熔融的铝材料互补填充于所述至少一个铜制热沉外部而制成，与铜制热沉形成互补嵌合的复合铜铝结合体；所述激光芯片贴片在所述铜制热沉上；激光芯片产生的热量由所述铜制热沉传导至所述铝基座进行辐射散热。
2.如权利要求1所述的半导体激光器的封装结构，其特征在于：所述散热底座是通过在安装有所述至少一个铜制热沉的型腔内填充熔融的铝材料，经模内压铸成型而获得的铜铝复合体；所述铜制热沉与所述铝基座之间形成接触传热；所述散热底座表面形成有镀银层或镀金层，所述激光芯片焊接在铜制热沉的镀银层或镀金层上。
3.如权利要求2所述的半导体激光器的封装结构，其特征在于：
铜制热沉的上表面形成多个呈阶梯分布的台阶面；所述台阶面与所述激光芯片相适配，用于贴片焊接所述激光芯片；
铝基座的上表面形成有凹腔；所述至少一个铜制热沉嵌入在所述铝基座内部，所述台阶以及台阶上贴片的所述激光芯片位于所述凹腔内；
所述凹腔的开口由上盖密封，实现对激光芯片的封装；
所述铜制热具有一个或多个切割形状，熔融的铝材料与所述铜制热的一个或多个切割形状互补填充；
所述凹腔内形成有镀银层或镀金层，或者，所述散热底座整体表面形成有镀银层或镀金层。
4.如权利要求3所述的半导体激光器的封装结构，其特征在于：多条所述铜制热沉间隔的平行布置，以便于激光器泵浦源的光路布局；所述至少一个铜制热沉贯通凹腔的底部至铝基座的下表面；所述切割形状包括燕尾槽、半圆和穿孔中的一种或多种以增加与熔融铝材互补填充的结合强度。
5.如权利要求1-4任一项所述的半导体激光器的封装结构，其特征在于：所述铝材料为铝或铝合金。
6.激光器泵浦的封装方法，包括以下步骤：
S1，制备铜铝复合散热底座：将至少一个铜制热沉固定于压铸模的型腔内，向型腔内填充熔融的铝材料，通过模内压铸工艺获得铝基座，所述至少一个铜制热沉嵌入所述铝基座内形成一体式铜铝复合体；
S2，在铜铝复合散热底座的铜制热沉上贴片激光芯片；
S3，用上盖密封所述铜铝复合散热底座上表面，将激光芯片封装在铜制热沉上。
7.如权利要求6所述的激光器泵浦的封装方法，其特征在于：所述步骤S1进一步包括以下步骤：
S11，提供压铸模：根据激光器泵浦设计适配的散热底座，进而提供模内压铸成型所述散热底座所用的压铸模；
S12，制备铜制热沉；将铜材经切割形成一种或多种切割形状，获得预定的铜制热沉；
S13，模内压铸，首先将预定数量的铜制热沉固定于所述压铸模的型腔内，然后向型腔内填充熔融的铝材料，使铜制热沉的一种或多种切割形状与熔融的铝材料互补填充，形成铜铝复合体，冷却后获得铜铝复合底座半成品；
S14，将制作好的铜铝复合底座半成品进后加工处理，使复合底座安装芯片的位置符合贴片要求，获得铜铝复合散热底座。
8.如权利要求7所述的激光器泵浦的封装方法，其特征在于：
所述步骤S13中，用注塑机向压铸模的型腔内填充熔融的铝料；熔融的铝材料温度为700~800℃，保温5~10秒，使铜制热沉上的对应切割形状与熔融的铝材料完全互补填充。
9.如权利要求7所述的激光器泵浦的封装方法，其特征在于：
所述步骤S12中：铜制热沉材料为无氧铜，将铜材进行切割，切割形状包括燕尾槽、半圆和穿孔中的一种或多种；获得切割完成的铜制热沉进行清洗和干燥；
所述步骤S14具体为：将制作好的铜铝复合底座半成品进行冲切或打磨或经CNC加工，冷却处理后，使复合底座安装芯片的位置符合贴片要求，获得铜铝复合散热底座。
10.如权利要求6-9任一项所述的激光器泵浦的封装方法，其特征在于：
所述步骤S2中，在铜铝复合散热底座的上表面的凹腔进行镀银或镀金处理，或者对铜铝复合散热底座整体进行镀银或镀金处理；然后在镀银或镀金表面刷锡银铜锡膏，放置芯片并过高温隧道炉完成焊接；
由所述激光器泵浦的封装方法获得权利要求1-6任一项所述的半导体激光器的封装结构。
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