CN101465516A - 一种大功率半导体激光器及其制备方法 - Google Patents

一种大功率半导体激光器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种大功率半导体激光器及其制备方法，包括铜支撑块、正极铜片、负极铜片和芯片，铜支撑块上设有台阶且其两端各设有一个凸台，凸台上开有螺孔，芯片与陶瓷片焊接，陶瓷片贴在铜支撑块上，正极铜片和负极铜片分别焊接正极陶瓷片和负极陶瓷片，正极陶瓷片和负极陶瓷片焊接在铜支撑块的台阶上，芯片的负极贴铜连接片，铜连接片与正极铜片贴合，陶瓷片与负极铜片间采用金丝压焊。本发明结合C－mount和CT－mount，兼具导热和绝缘的优点。并且采用硬焊料焊接，激光器的可靠性高。陶瓷片与芯片的线膨胀系数比较匹配，且陶瓷片的厚度较小，因此激光器的体积更小。本发明主要应用于大功率半导体激光器，功率高于3瓦。

Description

一种大功率半导体激光器及其制备方法
技术领域
本发明属于激光器制造领域，涉及一种半导体激光器，尤其是一种单管大功率半导体激光器。
背景技术
半导体激光器又称激光二极管(LD)。进入八十年代，人们吸收了半导体物理发展的最新成果，采用了量子阱(QW)和应变量子阱(SL-QW)等新颖性结构，引进了折射率调制Bragg发射器以及增强调制Bragg发射器最新技术，同时还发展了MBE、MOCVD及CBE等晶体生长技术新工艺，使得新的外延生长工艺能够精确地控制晶体生长，达到原子层厚度的精度，生长出优质量子阱以及应变量子阱材料。于是，制作出的LD，其阈值电流显著下降，转换效率大幅度提高，输出功率成倍增长，使用寿命也明显加长。
随着半导体激光器的性能稳定性不断改善、转换效率和输出功率不断提高，半导体激光器在激光通信、光存储、光陀螺、激光打印、测距以及雷达等方面的应用更加广泛，市场需求巨大，发展前景更加广阔。
目前，虽然半导体激光器技术已经有了长足的发展，但是由于当今科技的快速发展，使得各应用领域对半导体激光器的性能要求更加苛刻，半导体激光器所面临的主要问题仍然是激光器的输出光功率和转换效率偏低，性能稳定性差以及成本较高等，这些不足严重制约了它的应用空间。激光器的性能除了与芯片有关外，还跟激光器的散热和封装有关。为了提高激光器的可靠性和性能稳定性，降低生产成本，设计高可靠性的封装结构和高效的散热结构是必须的。这也对封装结构的设计和制造提出了更高的要求，要求其具有更加简单、高效和低成本的特点。
目前，大部分商业化的大功率半导体激光器单芯片产品是C-mount(如图1a)和CT-mount(如图1b)封装形式，这两种形式都存在以下几方面的缺陷：
1).功率低：由于单管半导体激光器只有2-3瓦，采用C-mount和CT-mount的封装形式会因为散热受限而使功率较低。
2).制造成本高：一般CT-mount的封装形式会采用CuW合金作为单管的散热热沉，由于表面镀金的CuW合金价格比较昂贵，所以由其制造的激光器成本较高。
3).散热能力差：对于C-mount的封装结构，散热装置一般位于单管所在边紧邻的垂直侧面，激光器工作时会产生接近功率一半的热量，由于芯片距离热电制冷部位较远，热量不能及时导出去，从而产生热集中，致使激光器的光谱展宽、波长漂移，导致激光器的寿命下降，可靠性不高。
4).热沉带电：由于C-mount和CT-mount采用铟焊料焊接，热沉与Cu支撑块直接连接，从而使Cu支撑块带电，这样极易造成漏电现象，降低了激光器的安全性。
5).连接可靠性低：C-mount和CT-mount的Cu支撑块都只有一个螺丝孔，机械自由度较大，因此整个激光器的连接可靠性不高。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种单管大功率半导体激光器及其制备方法，这种激光器具有不仅输出功率和安全性高，而且寿命长、可靠性高，并且其制造简单，生产成本低，机械稳定性也比传统结构的激光器好。
本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：
这种大功率半导体激光器，包括铜支撑块、正极铜片、负极铜片和芯片，其特征在于：所述铜支撑块的一边侧面上设有台阶，铜支撑块两端还各设有一个凸台，所述凸台上垂直开设有螺孔，所述芯片的正极面与陶瓷片上侧面的中部焊接，陶瓷片的下侧面贴在铜支撑块的两凸台之间，所述正极铜片和负极铜片的内端分别焊接有正极陶瓷片和负极陶瓷片，所述正极陶瓷片和负极陶瓷片分别焊接在铜支撑块的台阶上，且正极铜片和负极铜片之间保持0.5-1mm的距离，所述芯片的负极贴有铜连接片，所述铜连接片的一端还与正极铜片的一端贴合，所述陶瓷片与负极铜片间采用金丝压焊。
上述陶瓷片的上下两面均镀有金层，所述金层厚度为2-5微米。
上述芯片为单管芯片、微型巴条或者由多个单管芯片并联组成。
上述大功率半导体激光器的制备方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
1)首先准备铜支撑块、陶瓷片、负极陶瓷片、正极陶瓷片、负极铜片、正极铜片和铜连接片；
2)将陶瓷片用有机溶液和去离子水清洗干净，烘干后在陶瓷片的上下两面镀金，金层厚度控制在2-5微米，将镀金后的陶瓷片放入氮气柜中储存；
3)利用金锡焊料将芯片的正极贴在镀金的陶瓷片上，其中芯片的发光腔面与陶瓷片的长边侧面平齐，芯片的发光方向与陶瓷片的长边垂直；
4)在正极陶瓷片的一面镀铟膜，负极陶瓷片的一面镀铟膜，铜连接片的一面镀铟膜，将正极铜片和正极陶瓷片镀铟膜的一面焊接在一起，将负极铜片和负极陶瓷片镀铟膜的一面焊接在一起；
5)将焊接好的正极铜片和正极陶瓷片以及焊接好的负极铜片和负极陶瓷片一起焊接在铜支撑块上的台阶上，正极铜片和负极铜片之间保持0.5-1mm的距离，以防短路；所述正极陶瓷片和负极陶瓷片与铜支撑块也可用导电胶粘合；
6)将贴有芯片的镀金陶瓷片放置在铜支撑块上的两个凸台之间；
7)将铜连接片镀有铟膜一面的一端贴在芯片的负极上，另一端贴在正极铜片上；
8)用回流焊将陶瓷片、铜支撑块、铜连接片和正极铜片焊接在一起；
9)最后用金丝压焊在陶瓷片和负极铜片的一端，将它们连接在一起，制成大功率半导体激光器。
本发明具有以下优点：
(1)激光输出功率高。本发明中单管芯片直接贴片在镀金的陶瓷片上，而陶瓷片下部直接是散热铜块，芯片与散热部位的距离更近，因此散热能力大大增强，这种增加了散热能力的结构，可显著提高激光输出的功率而不用担心散热的问题；
(2)制造简单，生产成本低。本发明采用镀金的陶瓷片代替镀金的CuW热沉，两者热导率相当，而镀金的CuW热沉价格比镀金的陶瓷贵，在达到同样效果的同时，本发明采用镀金的陶瓷大大降低了激光器的生产制造成本；
(3)机械稳定性高。本发明有两个固定的螺孔，可有效提高激光器的机械稳定性；
(4)安全性高。本发明采用镀金的陶瓷片代替了镀金的CuW热沉，由于陶瓷片具有良好的绝缘效果，因此激光器的散热块不会带电，这样大大提高了激光器的安全性；
(5)寿命长、可靠性高。本发明的大功率半导体激光器由于在热沉材料上采用了陶瓷片，结构上设计了双紧固螺孔，可有效延长激光器的使用寿命，提高激光器的可靠性和稳定性，并且本发明的激光器在结构上还具有体型小巧的优点。
附图说明
图1为现有技术C-mount和CT-mount的封装形式示意图；
图2为本发明的大功率半导体激光器的各部件拆解示意图；
图3为本发明的大功率半导体激光器整体结构图；
其中：1为铜支撑块；2为螺孔；3为陶瓷片；4为正极铜片；5为芯片；6为负极陶瓷片；7为正极陶瓷片；8为铜连接片；9为负极铜片；10为金丝；11为凸台；12为台阶。
图4为808nm单管半导体激光器样品的P-I曲线；
图5为808nm单管半导体激光器样品的LIV曲线；
图6为808nm单管半导体激光器样品的光谱测试结果；
图7为脉冲条件下808nm单管半导体激光器样品的P-I曲线；
图8为陶瓷片3的镀金层形状示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图2和图3，本发明的大功率半导体激光器，包括铜支撑块1、正极铜片4、负极铜片9和芯片5。其中铜支撑块1的一边侧面上设有台阶12，所述台阶12加工于整个铜支撑块1的一侧边，铜支撑块1两端还各设有一个凸台11，图中的凸台11为矩形结构并且每个凸台11上垂直开设有一个螺孔2，螺孔2用以固定激光器，所述芯片5的正极面与陶瓷片3上侧面的中部焊接，其中要求芯片5的发光腔面与陶瓷片3的长边侧面平齐，芯片5的发光方向与陶瓷片3的长边垂直；陶瓷片3的下侧面贴在铜支撑块1的两凸台11之间，陶瓷片3的上下两面均镀有金层。其中陶瓷片3的底面全部镀金，陶瓷片3的上面两端镀金，陶瓷片3上面镀金层的具体形状如图8所示，将镀金层的厚度控制在2-5微米。陶瓷片3上面的中部不镀金，是用于与芯片5进行金锡料贴合。陶瓷片3起到绝缘的作用，以保证电气连接的安全性。
以上所述的陶瓷片3可以是AlN，也可以是BeO或者直接采用更高导热率的金刚石材料替换陶瓷片3。陶瓷片3的上下两面镀金属层，不一定是金，也可以是铜或其他金属材料。
以上所述的铜支撑块1也可以用更高导热率的金刚石材料来替换。
所述正极铜片4和负极铜片9的一端分别焊接有正极陶瓷片7和负极陶瓷片6，所述正极陶瓷片7和负极陶瓷片6分别焊接在铜支撑块1的台阶12两端，且焊接时要保证正极铜片4和负极铜片9之间具有一定的距离，以防止两电极短路，一般正极铜片4和负极铜片9之间保持0.5-1mm的距离。所述芯片5的负极贴有铜连接片8，所述铜连接片8的一端还与正极铜片4的一端贴合，所述陶瓷片3与负极铜片9间采用金丝10压焊。上述芯片5可以为单管芯片或微型巴条(mini-bar)，芯片5也可以由多个单管芯片并联组成。为保证激光器的机械连接可靠性，可以用紧固螺钉通过铜支撑块1上的两个螺孔2与外固定块相连。
本发明的大功率半导体激光器的制备方法如下：
1)首先准备铜支撑块1、陶瓷片3、负极陶瓷片6、正极陶瓷片7、负极铜片9、正极铜片4和铜连接片8；
2)将陶瓷片3用有机溶液和去离子水清洗干净，烘干后在陶瓷片3的上下两面镀金，金层厚度为2-5微米，将镀金后的陶瓷片3放入氮气柜中储存；
3)利用金锡焊料将芯片5的正极贴在镀金的陶瓷片3上，其中芯片5的发光腔面与陶瓷片3的长边侧面平齐，芯片5的发光方向与陶瓷片3的长边垂直；
4)在正极陶瓷片7的一面镀铟膜，负极陶瓷片6的一面镀铟膜，铜连接片8的一面镀铟膜，将正极铜片4和正极陶瓷片7镀铟膜的一面焊接在一起，将负极铜片9和负极陶瓷片6镀铟膜的一面焊接在一起；
5)将焊接好的正极铜片4和正极陶瓷片7以及焊接好的负极铜片9和负极陶瓷片6一起焊接在铜支撑块1上的台阶上，正极铜片4和负极铜片9之间保持0.5-1mm的距离，以防短路；所述正极陶瓷片7和负极陶瓷片6与铜支撑块1用导电胶粘合。
6)将贴有芯片5的镀金陶瓷片3放置在铜支撑块1上的两个凸台11之间；
7)将铜连接片8镀有铟膜一面的一端贴在芯片5的负极上，另一端贴在正极铜片4上；
8)用回流焊将陶瓷片3、铜支撑块1、铜连接片8和正极铜片4焊接在一起；
9)最后用金丝10压焊在陶瓷片3和负极铜片9的一端，将它们连接在一起，制成大功率半导体激光器。
本发明的工作原理如下：
连接在陶瓷片3上的芯片5的p-n结半导体材料被加上正向偏压，p区接正极块，n区接负极块，正向电压的电场与p-n结的自建电场方向相反，它削弱了自建电场对晶体中电子扩散运动的阻碍作用，使n区中的自由电子在正向电压的作用下不间断地通过p-n结向p区扩散，同时在结区内存在大量导带中的电子和价带中的空穴时，它们将在注入区产生复合，当导带中的电子跃迁到价带时，多余的能量就以光的形式发射出来，半导体激光器工作时芯片5发出的热量穿过陶瓷片3到铜支撑块1上，由铜支撑块1将热量散去。
实施例
根据本发明的大功率半导体激光器结构及其制备方法，制作出了808nm单芯片大功率半导体激光器，即这种半导体激光器发出的光的波长是808nm，其结构也如图3所示，并且此激光器在连续波工作下输出光功率超过10W。
以下给出这种808nm单芯片大功率半导体激光器的各项测试结果：
(1)如图4所示为808nm单管半导体激光器样品的P-I曲线，其最高输出光功率为15W。
(2)为了保障808nm单芯片大功率半导体激光器的高可靠性，规定其工作在6瓦条件下的测试结果如图5所示。此时，激光器的工作电流为7.38A，工作电压为1.91V，阈值电流为0.65A，斜坡效率为0.87W/A，典型的电光转换效率为41.35％，最大电光转换效率为42.42％，串联电阻为40.16毫欧。
(3)图6所示为808nm单管半导体激光器样品的光谱测试结果，其峰值波长为804.24nm，中心波长为804.12nm，FWHM为1.61nm，FW90％E为2.48nm。
(4)在200us和400Hz条件下测试一个样品直到坏死，其最终光输出功率接近20瓦，如图7所示。
综上所述，本发明采用了复合型封装结构，结合了C-mount和CT-mount的优点，兼具导热和绝缘的优点。并且采用硬焊料(AuSn)焊接，激光器的可靠性更高。并且由于铜的线膨胀系数(CTE)比较大，一般用铟焊料焊接。陶瓷片与芯片(GaAs)的线膨胀系数比较匹配，陶瓷片的厚度一般较小，如小于0.5毫米。本发明主要应用于大功率半导体激光器，功率高于3瓦。

Claims (5)

1.一种大功率半导体激光器，包括铜支撑块(1)、正极铜片(4)、负极铜片(9)和芯片(5)，其特征在于：所述铜支撑块(1)的一边侧面上设有台阶(12)，铜支撑块(1)两端还各设有一个凸台(11)，所述凸台(11)上垂直开设有螺孔(2)，所述芯片(5)的正极面与陶瓷片(3)上侧面的中部焊接，陶瓷片(3)的下侧面贴在铜支撑块(1)的两凸台(11)之间，所述正极铜片(4)和负极铜片(9)的内端分别焊接有正极陶瓷片(7)和负极陶瓷片(6)，所述正极陶瓷片(7)和负极陶瓷片(6)分别焊接在铜支撑块(1)的台阶(12)上，所述芯片(5)的负极贴有铜连接片(8)，所述铜连接片(8)的一端还与正极铜片(4)的一端贴合，所述陶瓷片(3)与负极铜片(9)间采用金丝(10)压焊。
2.根据权利要求1所述的单管大功率半导体激光器，其特征在于：所述陶瓷片(3)的上下两面均镀有金层，所述金层厚度为2-5微米。
3.根据权利要求1所述的单管大功率半导体激光器，其特征在于：所述芯片(5)为单管芯片、微型巴条或者由多个单管芯片并联组成。
4.一种权利要求1所述大功率半导体激光器的制备方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
1)首先准备铜支撑块(1)、陶瓷片(3)、负极陶瓷片(6)、正极陶瓷片(7)、负极铜片(9)、正极铜片(4)和铜连接片(8)；
2)将陶瓷片(3)用有机溶液和去离子水清洗干净，烘干后在陶瓷片(3)的上下两面镀金，金层厚度为2-5微米，将镀金后的陶瓷片(3)放入氮气柜中储存；
3)利用金锡焊料将芯片(5)的正极贴在镀金的陶瓷片(3)上，其中芯片(5)的发光腔面与陶瓷片(3)的长边侧面平齐，芯片(5)的发光方向与陶瓷片(3)的长边垂直；
4)在正极陶瓷片(7)的一面镀铟膜，负极陶瓷片(6)的一面镀铟膜，铜连接片(8)的一面镀铟膜，将正极铜片(4)和正极陶瓷片(7)镀铟膜的一面焊接在一起，将负极铜片(9)和负极陶瓷片(6)镀铟膜的一面焊接在一起；
5)将焊接好的正极铜片(4)和正极陶瓷片(7)以及焊接好的负极铜片(9)和负极陶瓷片(6)一起焊接在铜支撑块(1)上的台阶上，正极铜片(4)和负极铜片(9)之间保持0.5-1mm的距离，以防短路；
6)将贴有芯片(5)的镀金陶瓷片(3)放置在铜支撑块(1)上的两个凸台(11)之间；
7)将铜连接片(8)镀有铟膜一面的一端贴在芯片(5)的负极上，另一端贴在正极铜片(4)上；
8)用回流焊将陶瓷片(3)、铜支撑块(1)、铜连接片(8)和正极铜片(4)焊接在一起；
9)最后用金丝(10)压焊在陶瓷片(3)和负极铜片(9)的一端，将它们连接在一起，制成大功率半导体激光器。
5.根据权利要求4所述的大功率半导体激光器的制备方法，其特征在于：步骤5)中所述正极陶瓷片(7)和负极陶瓷片(6)与铜支撑块(1)用导电胶粘合。
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