CN101841127B - 一种可替换芯片的水平阵列大功率半导体激光器 - Google Patents
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本发明公开了一种可替换芯片的水平阵列大功率半导体激光器，包括内设有液体通道的制冷器，制冷器的上端面是水平安装面，水平安装面上有多个相互平行且独立的激光器芯片安装组件，激光器芯片安装组件由芯片以及自下而上依次层叠固定的下绝缘片、正极热沉、上绝缘片、芯片负极连接片和电极连接片组成，芯片的正极面与正极热沉连接，芯片的负极面与电极连接片连接；多个激光器芯片安装组件的上端设有固定板。本发明以多个独立激光器芯片(巴条)为核心，在水平方向排列成激光器芯片安装组件阵列，多个激光器芯片安装组件共用一个制冷器，可以降低热阻提高散热能力，增加激光器的输出光功率，在外加准直系统的条件下可大大提高激光光束质量。
Description
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，尤其是一种可替换芯片的水平阵列大功率半导体激光器。
背景技术
随着半导体激光器输出功率、转换效率和性能稳定性的不断提高，大功率半导体激光器在工业，医疗和军事中的应用更加广泛，市场需求巨大，发展前景更加广阔。目前，大功率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、转换效率、可靠性、性能稳定性差以及成本较高等问题，这些不足严重制约了它的应用空间。激光器的性能除与芯片有关外，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，设计高质量的高效散热结构是必须的。这也对简单、高效和低成本的封装结构设计和制造提出了更高的要求。
目前，水平阵列大功率半导体激光器已经有商业化产品出现。但是现有产品仍存在以下几方面的缺陷：
1)散热能力差：对于传导冷却型大功率半导体激光器阵列(E.Deichsel；D.
J.Meusel，etc.，High Reliable qcw Laser Bars andStacks，Proceedings of SPIE，2008.6876(68760K))，该激光器发出的光是竖直向上的。多个巴条之间的距离非常近，在高重频模式下工作时会产生较多的热量，这些热量仅依靠两侧的金属热沉导出，散热路径比较长，很容易导致芯片内的有源区产生热集中，使激光器的热变得不均匀，最终导致激光器的波长漂移，光谱展宽，性能稳定性下降，可靠性差、使用寿命缩短。而且，多个巴条要在水平方向使发光面处于同一水平位置，制作难度很大。
2)可替换性差：对于传导冷却型大功率半导体激光器阵列和液体制冷水平阵列大功率半导体激光器阵列(一种大功率半导体激光器，中国发明专利，公开号CN101071933，公开日期2007年11月14日)，由于水平阵列结构是由多个巴条焊接在一起的，一旦一个巴条烧毁、短路或者不能正常工作就直接影响到整个激光器的输出功率和输出光束，因此不能够替换。同时，阵列中未损坏的巴条也会随之浪费掉，因此，制造成本非常高。
3)无法对每个芯片进行单独老化：由于已有水平阵列产品采用多个巴条直接一次回流成型的方法制成，因此组装前无法对每个芯片进行单独老化，只能组装好之后对整个器件进行整体老化。这样，若其中某一个或几个巴条烧毁、短路或者不能正常工作，整个器件也将全部失效。
4)芯片数有限制：由于已有专利产品采用多个巴条一次回流成型的方法制成，因此在生产时芯片数量不能太大，否则很难保证安装精度和发光的一致性，所以芯片数量通常控制在3-4以内，这就限制了水平阵列半导体激光器的功率扩展。
5)成本高：由于已有水平阵列产品采用多个巴条一次回流成型的方法制成，若整体老化中某一个或几个巴条烧毁、短路或者不能正常工作，整个器件就无法工作。因此激光器的制造成本很高。
6)使用寿命短：在激光器工作的过程中，现有水平阵列产品产生的热量散热效果不高，易使激光器产生比较严重的热集中，导致激光器输出波长发生漂移、光谱展宽、性能稳定性下降，最终导致激光器的可靠性和使用寿命短。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种可替换芯片的水平阵列大功率半导体激光器，这种半导体激光器由多个独立的芯片安装组件组成，多个芯片安装组件共用一个制冷器，且各芯片安装组件之间的散热不会互相影响。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
这种可替换芯片的水平阵列大功率半导体激光器，包括内设有液体通道的制冷器，所述制冷器的上端面是水平安装面，水平安装面上有多个相互平行且独立的激光器芯片安装组件，所述激光器芯片安装组件由芯片以及自下而上依次层叠固定的下绝缘片、正极热沉、上绝缘片、芯片负极连接片和电极连接片组成，所述芯片的正极面与正极热沉连接，芯片的负极面与电极连接片连接；所述多个激光器芯片安装组件的上端设有固定板，所述固定板将多个激光器芯片安装组件连接为一体。
上述制冷器为条状块体，制冷器的内部轴向开设有一条或者多条液体通道。
上述液体通道的横截面形状为矩形、圆形或椭圆形。
上述制冷器由导热率高的材料制成。
上述制冷器由铜、铝或铜钨合金材质制成。
上述制冷器的水平安装面上垂直设有多组螺孔，所述下绝缘片、正极热沉、上绝缘片、芯片负极连接片和电极连接片上均相应设有通孔，固定板上对应设有固定孔，固定孔上有螺栓穿过；多个激光器芯片安装组件通过螺栓、固定孔、各部件上的通孔以及水平安装面的螺孔的配合固定于水平安装面上。
上述的正极热沉为铜、铜钨合金或者陶瓷材质。
以上所述激光器芯片安装组件的上的电极连接片由两片铜片拼合组成，相邻激光器芯片安装组件上的电极连接片相互连接，处于两外侧的激光器芯片安装组件上的电极连接片上垂直设有引出电极；所述固定板的两端设有电极卡槽。
上述固定板为绝缘材质。
本发明具体有以下几点有益效果：
(1)可替换性强：由于采用每个芯片单独封装然后组装的制造工艺，每个激光器互相独立，并可在损坏的条件下迅速被替换掉，因此不会直接影响到其他激光器的正常工作。
(2)可修复性强：由于本发明的各独立发光的激光器芯片安装组件相互独立，可在损坏时被单独替换，所以修复性强，这样可使整体的使用成本降低。
(3)激光的输出波长可选择性强：由于本发明在制备过程中，可对各个独立的半导体激光器芯片进行单独的老化和测试，所以可进行波长的选择，从而提高激光器的波长一致性。
(4)散热能力强：本发明采用液体制冷的主动散热方式，芯片距离制冷器之间的间距小，这可大大提高阵列的散热能力，可使激光器的功率大大扩展，满足侧泵和特殊用途对大功率的要求。
附图说明
图1为本发明的结构拆解示意图；
图2为本发明的完整装配示意图。
其中：1为制冷器；2为下绝缘片；3为正极热沉；4为芯片；5为上绝缘片；6为芯片负极连接片；7为电极连接片；8为引出电极；9为固定孔；10为制冷器出水口；11为制冷器进水口；12为电极卡槽；13为固定板；14为水平安装面；15为螺孔。
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1，本发明的可替换芯片的水平阵列大功率半导体激光器，包括一个制成条状块体的制冷器1，制冷器1的内部轴向开设有一条或者多条相互平行的液体通道，液体通道在制冷器1的两端分别设有制冷器进水口11和制冷器出水口10，液体通道的横截面形状为矩形、圆形或椭圆形。当制冷器1内部设有多条液体通道时，多条液体通道也可以公用一组进出水口，也可以分别在制冷器1的两端设置多组进出水口。为了提高散热效果，该制冷器1由导热率高的材料制成，如铜、铝或者铜钨合金等材质。制冷器1上端面是水平安装面14，水平安装面14上阵列排布有多个相互平行且独立的激光器芯片安装组件(图中是具有三个激光器芯片安装组件情况)，其中激光器芯片安装组件由用于激光器的芯片4以及自下而上依次层叠固定的下绝缘片2、正极热沉3、上绝缘片5、芯片负极连接片6和电极连接片7组成，芯片4的正极面与正极热沉3连接，芯片4的负极面、电极连接片7和引出电极8连接。多个阵列的激光器芯片安装组件上端共同设有一个固定板13。制冷器1的水平安装面14上垂直设有多组螺孔15，下绝缘片2、正极热沉3、上绝缘片5、芯片负极连接片6、电极连接片7、引出电极8和固定板13上均相应设有通孔，固定板13上对应设有固定孔9，固定孔9上有螺栓穿过，多个激光器芯片安装组件通过螺栓、固定孔9、各部件上的通孔以及水平安装面14的螺孔15的配合固定于水平安装面14上。从而可以通过固定板13和螺栓将多个激光器芯片安装组件连接为一体。上述正极热沉3可以设置为图示具有台阶的片状结构以补偿由于芯片4和上绝缘片5的厚度不同造成的厚度差，当芯片4和上绝缘片5是相同厚度时，正极热沉3设置为没有台阶的片状结构，该正极热沉3采用铜、铜钨合金或者陶瓷材质。
如图1和图2，激光器芯片安装组件上的电极连接片7由两片铜片拼合组成，相邻激光器芯片安装组件上的电极连接片7相互连接，处于两外侧的激光器芯片安装组件上电极连接片7上垂直设有引出电极8；固定板13的两端设有电极卡槽12。当固定板13安装时，引出电极8从电极卡槽12穿过，伸出到固定板13的上方两端，固定板13由透明绝缘材质制作，便于观察各激光器芯片安装组件的状态。
本发明的制造方法具体如下：
1)加工如图1所示的正极热沉3；
2)在正极热沉3贴芯片的上侧面镀金属膜，采用贴片工艺或者回流工艺将芯片4贴装在正极热沉3的上侧面上；
3)对每个贴片好的芯片4进行单独测试，对每个测试合格的芯片4分别进行48小时老化；老化后再进行一次测试；
4)在测试合格的芯片4中，根据热模拟的结果进行匹配，选择波长匹配的芯片4，采用贴片工艺或者回流工艺，将电极连接片7、芯片负极连接片6、上绝缘片5、正极热沉3、下绝缘片2和制冷器1焊接在一起，实现芯片4和电极连接片7、正极热沉3的互联，形成紧固电连接的激光器芯片安装组件；
5)并排设置多组激光器芯片安装组件，将多组(本发明以3个激光器为例)激光器芯片安装组件对应放置在制冷器1的水平安装面14上；
6)将固定板13放置在整个激光器芯片安装组件阵列上面；
7)最后利用螺栓将制冷器1、下绝缘片2、正极热沉3、芯片4、上绝缘片5、芯片负极连接片6、电极连接片7、引出电极8和固定板13连接在一起，形成紧固的电连接；制成1×N水平阵列大功率半导体激光器(N＞1)。
本发明的工作原理如下
以图1和图2所示的具有三个激光器芯片安装组件的水平阵列大功率半导体激光器结构图为例，连接在制冷器1上的每个激光器芯片安装组件上的芯片4(即p-n结半导体材料)通过电极连接片7和引出电极8与电源接通，芯片4就将电能转换成光能，以激光的形式发射出来。激光器工作时产生的热量通过正极热沉3垂直向下传导至下绝缘片2，这些热量再从下绝缘片2传导至最底层的制冷器1的水平安装面14上，这些热量通过制冷器1来散热，流过制冷器1的冷却液由制冷器进水口11进入制冷器1内的液体通道，然后由制冷器出水口10流出，冷却液将芯片4工作时发出的热量带出。
本发明以多个独立的大功率半导体激光器芯片(巴条)为核心，在水平方向排列成激光器芯片安装组件阵列，多个激光器芯片安装组件共用一个制冷器，可以提高散热能力，增加激光器的输出光功率，减小热阻，在外加准直系统的条件下可大大提高激光光束质量。
Claims (8)
1.一种可替换芯片的水平阵列大功率半导体激光器，包括内设有液体通道的制冷器(1)，其特征在于：所述制冷器(1)的上端面是水平安装面(14)，水平安装面(14)上有多个相互平行且独立的激光器芯片安装组件，所述激光器芯片安装组件由芯片(4)以及自下而上依次层叠固定的下绝缘片(2)、正极热沉(3)、上绝缘片(5)、芯片负极连接片(6)和电极连接片(7)组成，所述芯片(4)的正极面与正极热沉(3)连接，芯片(4)的负极面与电极连接片(7)连接；所述多个激光器芯片安装组件的上端设有固定板(13)，所述固定板(13)将多个激光器芯片安装组件连接为一体；所述正极热沉(3)在贴芯片(4)的上侧面镀金属膜。
2.根据权利要求1所述的可替换芯片的水平阵列大功率半导体激光器，其特征在于：所述制冷器(1)为条状块体，制冷器(1)的内部轴向开设有一条或者多条液体通道。
3.根据权利要求2所述的可替换芯片的水平阵列大功率半导体激光器，其特征在于：所述液体通道的横截面形状为矩形、圆形或椭圆形。
4.根据权利要求1所述的可替换芯片的水平阵列大功率半导体激光器，其特征在于：所述制冷器(1)由铜、铝或铜钨合金材质制成。
5.根据权利要求1所述的可替换芯片的水平阵列大功率半导体激光器，其特征在于：所述制冷器(1)的水平安装面(14)上垂直设有多组螺孔(15)，所述下绝缘片(2)、正极热沉(3)、上绝缘片(5)、芯片负极连接片(6)和电极连接片(7)上均相应设有通孔，固定板(13)上对应设有固定孔(9)，固定孔(9)上有螺栓穿过；多个激光器芯片安装组件通过螺栓、固定孔(9)、各部件上的通孔以及水平安装面(14)的螺孔(15)的配合固定于水平安装面(14)上。
6.根据权利要求1所述的可替换芯片的水平阵列大功率半导体激光器，其特征在于：所述的正极热沉(3)为铜、铜钨合金或者陶瓷材质。
7.根据权利要求1所述的可替换芯片的水平阵列大功率半导体激光 器，其特征在于：激光器芯片安装组件上的电极连接片(7)由两片铜片拼合组成，相邻激光器芯片安装组件上的电极连接片(7)相互连接，处于两外侧的激光器芯片安装组件上的电极连接片(7)上垂直设有引出电极(8)；所述固定板(13)的两端设有电极卡槽(12)。
8.根据权利要求1所述的可替换芯片的水平阵列大功率半导体激光器，其特征在于：所述固定板(13)为绝缘材质。
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