CN209913231U

CN209913231U - 免热沉激光泵浦源封装结构

Info

Publication number: CN209913231U
Application number: CN201921007493.6U
Authority: CN
Inventors: 郝自亮; 胡慧璇; 宋克江
Original assignee: Wuhan Raycus Fiber Laser Technologies Co Ltd
Current assignee: Wuhan Raycus Fiber Laser Technologies Co Ltd
Priority date: 2019-07-01
Filing date: 2019-07-01
Publication date: 2020-01-07
Anticipated expiration: 2029-07-01

Abstract

本实用新型涉及半导体激光器技术领域，公开了一种免热沉激光泵浦源封装结构，包括多个半导体芯片，还包括呈台阶状的绝缘底座，每个第一台阶面上均间隔设置有第一导电层和第二导电层，第一台阶面上的第一导电层与相邻一侧的第一台阶面上的第二导电层通过设于绝缘底座的第三导电层电连接；半导体芯片的一端固接于第一导电层的上表面，半导体芯片的另一端通过金线电连接于第二导电层的上表面。该免热沉激光泵浦源封装结构取消了含有热沉的COS模组结构以及铝线键合结构，无需外部提供电连接结构，简化了封装工艺，改善了封装结构，提高了封装可靠性，同时，半导体芯片直接固定于绝缘底座上，两者之间的界面热阻更小。

Description

免热沉激光泵浦源封装结构

技术领域

本实用新型涉及半导体激光器技术领域，尤其涉及一种免热沉激光泵浦源封装结构。

背景技术

半导体激光器是以半导体材料为工作物质的具有光反馈功能的P-N结二极管，其与固体激光器和气体激光器相比，具有结构紧凑、可靠性高、高效稳定等优点，已经被广泛应用于机械加工、材料处理、武器制造和激光显示等行业。而为了得到更大的输出功率，通常将许多单个半导体激光器组合在一起形成阵列，得到大功率半导体激光器。目前大功率半导体激光器的电光转化效率较低，存在大部分电功率转化为热功率的现象，而半导体激光器的光学特性、输出功率以及可靠性均与器件的工作温度密切相关，因此，要保证激光器有较高的效率、较好的光谱和较高的输出功率，必须对大功率半导体激光器的封装技术进行优化。

目前由于半导体激光泵浦源底座采用的是金属底座，金属底座是无法实现热电隔离的。在现有封装结构中，需要实现热电隔离的地方，会在底座上粘接一块陶瓷，再在陶瓷上放置导电块实现电连接。由于底座无法实现热电隔离，并且其热膨胀系数与芯片相差较大，因此芯片是无法直接固定在底座上，所以必须制作芯片模组(Chip On Submount，简称COS模组)，即将芯片与陶瓷热沉封装成模组，然后再与底座实现机械连接，保证散热要求。同样的，因为金属底座的热膨胀系数比较大，因此透镜、反射镜与金属底座的CTE失配过大，存在失效的风险，因此透镜、反射镜需要通过陶瓷衬底粘接在金属底座上，防止热膨胀系数失配，反射镜碎裂。同时，COS模组之间还需要采用铝线实现多个模组的串联结构，而铝线机比较昂贵，且铝线存在失效的风险。

实用新型内容

本实用新型实施例提供一种免热沉激光泵浦源封装结构，用以解决现有的半导体激光泵浦源封装结构使用含有热沉的COS模组且采用铝线串联多个模组所导致的成本过高、容易失效的问题，以提高封装结构的可靠性、经济性。

本实用新型实施例提供一种免热沉激光泵浦源封装结构，包括多个半导体芯片，还包括呈台阶状的绝缘底座，每个第一台阶面上均间隔设置有第一导电层和第二导电层，所述第一台阶面上的第一导电层与相邻一侧的第一台阶面上的第二导电层通过设于所述绝缘底座的第三导电层电连接；所述半导体芯片的一端固接于所述第一导电层的上表面，所述半导体芯片的另一端通过金线电连接于所述第二导电层的上表面。

其中，所述第三导电层设置于所述第一台阶面的台阶侧壁的外表面，所述第三导电层的一端连接于所述第一台阶面上的第一导电层，所述第三导电层的另一端连接于相邻一侧的第一台阶面上的第二导电层。

其中，所述第三导电层预埋于所述绝缘底座内，所述第三导电层的一端连接于所述第一台阶面上的第一导电层，所述第三导电层的另一端连接于相邻一侧的第一台阶面上的第二导电层。

其中，所述第一导电层的上表面设有金锡焊料区，所述半导体芯片焊接于所述金锡焊料区。

其中，所述第一导电层和所述第二导电层均为沉金层。

其中，所述绝缘底座为陶瓷底座。

其中，所述半导体芯片为垂直结构，且所述半导体芯片的表面设有镀金层。

其中，还包括与所述半导体芯片一一对应的透镜和反射镜，所述透镜和所述反射镜固接于所述绝缘底座。

其中，所述绝缘底座上还设有平行于所述第一台阶面的多个第二台阶面和多个第三台阶面，所述第一台阶面、所述第二台阶面和所述第三台阶面的高度依次递减；所述透镜固接于所述第二台阶面，所述反射镜固接于所述第三台阶面。

其中，所述透镜和所述反射镜均通过紫外固化胶粘接于所述绝缘底座。

本实用新型实施例提供的免热沉激光泵浦源封装结构，包括多个半导体芯片，还包括呈台阶状的绝缘底座，每个第一台阶面上均直接连接有一个半导体芯片，以形成半导体激光器阵列。半导体芯片的下端直接固接于第一导电层的上表面，半导体芯片的上端通过金线电连接于第二导电层的上表面，利用第一台阶面的第一导电层和第二导电层实现与半导体芯片的电连接，同时利用设于绝缘底座的第三导电层实现相邻的半导体芯片之间的串联。该免热沉激光泵浦源封装结构取消了含有热沉的COS模组结构以及铝线键合结构，无需外部提供电连接结构，简化了封装工艺，改善了封装结构，提高了封装可靠性，同时，半导体芯片直接固定于绝缘底座上，两者之间的界面热阻更小。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型实施例中的一种免热沉激光泵浦源封装结构的等轴测视图；

图2是图1中的免热沉激光泵浦源封装结构在第一台阶面处的剖视图；

附图标记说明：

1：半导体芯片； 2：绝缘底座； 3：第一台阶面；

31：第一导电层； 32：第二导电层； 33：第三导电层；

4：第二台阶面； 5：第三台阶面； 6：金线；

7：金锡焊料区； 8：透镜； 9：反射镜。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“第一”“第二”“第三”是为了清楚说明产品部件进行的编号，不代表任何实质性区别。“上”“下”“左”“右”均以附图所示方向为准。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型实施例中的具体含义。

需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在实用新型实施例中的具体含义。

图1是本实用新型实施例中的一种免热沉激光泵浦源封装结构的等轴测视图，图2是图1中的免热沉激光泵浦源封装结构在第一台阶面处的剖视图，如图1-2所示，本实用新型实施例提供的一种免热沉激光泵浦源封装结构，包括多个半导体芯片1，还包括呈台阶状的绝缘底座2，每个第一台阶面3上均间隔设置有第一导电层31和第二导电层32，左侧的第一台阶面3上的第一导电层31与右侧的相邻的第一台阶面3上的第二导电层32通过设于绝缘底座2的第三导电层33电连接。半导体芯片1的下端固接于第一导电层31的上表面，半导体芯片1的上端通过金线6电连接于第二导电层32的上表面。

具体地，绝缘底座2采用绝缘材料制作，例如陶瓷底座，陶瓷底座具有耐热性能优良、耐腐蚀性好、机械强度高和重量轻等性能优势，在封装领域应用越来越广泛。由于陶瓷底座绝缘性能优良，因此可以通过局部金属化实现热电隔离，其热膨胀系数与玻璃接近，因此满足还可以透镜和反射镜的粘接需求。此外，绝缘底座2也可以采用其他热导率满足半导体芯片1的散热需求的、同时热膨胀系数与透镜和反射镜接近的绝缘底座，此处不做限制。

第一导电层31、第二导电层32可采用沉金层，也可以采用其他可以导电的层状结构。更具体地，可以采用光刻显影或不锈钢掩膜，结合磁控溅射工艺完成在绝缘底座2上设置第一导电层31和第二导电层32工作。第三导电层33设于绝缘底座2上，第三导电层33的一端电连接于第一导电层31，第三导电层33的另一端电连接于第二导电层32。

本实施例提供的一种免热沉激光泵浦源封装结构，包括多个半导体芯片，还包括呈台阶状的绝缘底座，每个第一台阶面上均直接连接有一个半导体芯片，以形成半导体激光器阵列。半导体芯片的下端直接固接于第一导电层的上表面，半导体芯片的上端通过金线电连接于第二导电层的上表面，利用第一台阶面的第一导电层和第二导电层实现与半导体芯片的电连接，同时利用设于绝缘底座的第三导电层实现相邻的半导体芯片之间的串联。该免热沉激光泵浦源封装结构取消了含有热沉的COS模组结构以及铝线键合结构，无需外部提供电连接结构，简化了封装工艺，改善了封装结构，提高了封装可靠性，同时，半导体芯片直接固定于绝缘底座上，两者之间的界面热阻更小。

进一步地，如图1和图2所示，第三导电层33设置于第一台阶面3的台阶侧壁的外表面，第三导电层33为竖直方向上的层状结构，第三导电层33的上端连接于左侧的第一台阶面3上的第一导电层31，第三导电层33的下端连接于右侧的相邻的第一台阶面3上的第二导电层32。

具体地，第三导电层33可采用沉金层。更具体地，可以采用光刻显影或不锈钢掩膜，结合磁控溅射工艺完成在绝缘底座2的第一台阶面的台阶上设置第三导电层33工作，可以与第一导电层31和第二导电层32一起完成。

另外，除了上述方式外，第三导电层33还可以预埋于绝缘底座2内，第三导电层33的上端连接于左侧的第一台阶面3上的第一导电层31，第三导电层33的下端连接于右侧的相邻的第一台阶面3上的第二导电层32。

具体地，第三导电层33可以为嵌设于第一台阶内部的L形或者U形金属板。第三导电层33也可以采用其他形状的导电结构，只要能够实现导电功能即可。

进一步地，第一导电层31的上表面设有金锡焊料区7，半导体芯片1焊接于金锡焊料区7。

进一步地，半导体芯片1为垂直结构，且半导体芯片1的表面设有镀金层。半导体芯片1的下端(即P端)可以与金锡焊料区7共晶焊接，半导体芯片1的上端(即N端)可通过金线6与第二导电层32实现线路导通。

进一步地，第一导电层31和第二导电层32均为沉金层。此外，当第三导电层33设置于第一台阶面的台阶侧壁时，也可以采用沉金层。

进一步地，如图1所示，还包括与半导体芯片1一一对应的透镜8和反射镜9，透镜8和反射镜9固接于绝缘底座2上的非导电层的部分。通过采用绝缘底座2，因而无需再在透镜8和反射镜9的底部设置陶瓷衬底，可以直接将透镜8和反射镜9固接于绝缘底座2上，简化了封装工艺。同时非导电层的部分与透镜8和反射镜9的热膨胀系数匹配，可以减少热失效。

更进一步地，绝缘底座2上还设有平行于第一台阶面3的多个第二台阶面4和多个第三台阶面5，第一台阶面3、第二台阶面4和第三台阶面5的高度依次递减。透镜8固接于第二台阶面4，反射镜9固接于第三台阶面5。

更进一步地，透镜8和反射镜9通过紫外固化胶粘接于绝缘底座2。通过紫外固化的方式简化了透镜8和反射镜9的固化过程，提高了其位置精度。

在一个具体的实施例中，还提供了一种免热沉激光泵浦源封装结构工艺流程，具体包括：

步骤S1：采用模具成型、精密雕刻完成具有多个第一台阶面3、第二台阶面4和第三台阶面5的陶瓷的绝缘底座2的外形轮廓；

步骤S2：采用光刻显影或不锈钢掩膜，结合磁控溅射工艺完成绝缘底座2的局部金属化，在第一台阶面3上设置第一导电层31和第二导电层32，在第一台阶面3的台阶侧壁上设置第三导电层33；

步骤S3：采用金属剥离技术，结合蒸发技术，完成金锡焊料区7的制备；

步骤S4：表面设有镀金层的垂直结构的半导体芯片1的P端与绝缘底座2的金锡焊料区7通过共晶的方式完成焊接；

步骤S5：半导体芯片1的N端通过金线6与绝缘底座2的第二导电层32完成金丝球焊，实现电连接；

步骤S6：将透镜8与绝缘底座2的第二台阶面4(非导电层)、反射镜9与绝缘底座2的第三台阶面5(非导电层)，通过紫外固化的方式粘接在一起，完成免热沉激光泵浦源的封装。

通过以上实施例可以看出，本实用新型提供的免热沉激光泵浦源封装结构，包括多个半导体芯片，还包括呈台阶状的绝缘底座，每个第一台阶面上均直接连接有一个半导体芯片，以形成半导体激光器阵列。半导体芯片的下端直接固接于第一导电层的上表面，半导体芯片的上端通过金线电连接于第二导电层的上表面，利用第一台阶面的第一导电层和第二导电层实现与半导体芯片的电连接，同时利用设于绝缘底座的第三导电层实现相邻的半导体芯片之间的串联。该免热沉激光泵浦源封装结构取消了含有热沉的COS模组结构以及铝线键合结构，无需外部提供电连接结构，简化了封装工艺，改善了封装结构，提高了封装可靠性，同时，半导体芯片直接固定于绝缘底座上，两者之间的界面热阻更小。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种免热沉激光泵浦源封装结构，包括多个半导体芯片，其特征在于，还包括呈台阶状的绝缘底座，每个第一台阶面上均间隔设置有第一导电层和第二导电层，所述第一台阶面上的第一导电层与相邻一侧的第一台阶面上的第二导电层通过设于所述绝缘底座的第三导电层电连接；所述半导体芯片的一端固接于所述第一导电层的上表面，所述半导体芯片的另一端通过金线电连接于所述第二导电层的上表面。

2.根据权利要求1所述的免热沉激光泵浦源封装结构，其特征在于，所述第三导电层设置于所述第一台阶面的台阶侧壁的外表面，所述第三导电层的一端连接于所述第一台阶面上的第一导电层，所述第三导电层的另一端连接于相邻一侧的第一台阶面上的第二导电层。

3.根据权利要求1所述的免热沉激光泵浦源封装结构，其特征在于，所述第三导电层预埋于所述绝缘底座内，所述第三导电层的一端连接于所述第一台阶面上的第一导电层，所述第三导电层的另一端连接于相邻一侧的第一台阶面上的第二导电层。

4.根据权利要求1所述的免热沉激光泵浦源封装结构，其特征在于，所述第一导电层的上表面设有金锡焊料区，所述半导体芯片焊接于所述金锡焊料区。

5.根据权利要求1所述的免热沉激光泵浦源封装结构，其特征在于，所述第一导电层和所述第二导电层均为沉金层。

6.根据权利要求1所述的免热沉激光泵浦源封装结构，其特征在于，所述绝缘底座为陶瓷底座。

7.根据权利要求1所述的免热沉激光泵浦源封装结构，其特征在于，所述半导体芯片为垂直结构，且所述半导体芯片的表面设有镀金层。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的免热沉激光泵浦源封装结构，其特征在于，还包括与所述半导体芯片一一对应的透镜和反射镜，所述透镜和所述反射镜固接于所述绝缘底座。

9.根据权利要求8所述的免热沉激光泵浦源封装结构，其特征在于，所述绝缘底座上还设有平行于所述第一台阶面的多个第二台阶面和多个第三台阶面，所述第一台阶面、所述第二台阶面和所述第三台阶面的高度依次递减；所述透镜固接于所述第二台阶面，所述反射镜固接于所述第三台阶面。

10.根据权利要求8所述的免热沉激光泵浦源封装结构，其特征在于，所述透镜和所述反射镜均通过紫外固化胶粘接于所述绝缘底座。