CN102255236A - 一种高功率半导体激光器线路封装结构及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高功率半导体激光器线路封装结构及其制备方法，包括芯片、绝缘高导热高导电线路板和散热器；所述绝缘高导热高导电线路板在高导热率的绝缘板的上下表面覆有高导电材料后，预制设计形成所需电路，芯片贴在线路板上可直接实现电连接，无需在通过打金线或者连接片等复杂形式进行电连接，减小了半导体激光器的体积，同时，其电连接方便且性能更可靠，且输出光功率高，可采用硬焊料焊接，工艺简单，成本低。本发明主要应用于高功率半导体激光器，功率可达上百瓦。

Description

一种高功率半导体激光器线路封装结构及制备方法

技术领域

本发明属于半导体激光器制造领域，涉及一种半导体激光器，尤其是一种高功率半导体激光器线路封装结构及制备方法。

背景技术

半导体激光器又称二极管激光器(DL)。随着半导体激光器输出功率、电光转换效率、可靠性和性能稳定性的不断提高、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。

随着半导体激光器的输出功率、电光转换效率、可靠性和性能稳定性不断提高，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，发展前景广阔。激光器的性能除了与芯片有关外，还与激光器的散热和封装有关。为了提高激光器的可靠性和稳定性，降低生产成本，设计高效的散热结构是必须的。此外，还要求封装结构设计和制造简单成本低、散热效率高。

目前，尽管半导体激光器技术已经有了长足的进步，但是随着各应用领域的发展，对半导体激光器的性能要求更加苛刻。很多应用中要求半导体激光器具有长寿命、高稳定性、高可靠性和长储存时间的特点。如何确保半导体激光器在长时间的使用中仍然保持高效的工作，这给半导体激光器本身和封装技术带来了极大的挑战。

目前，大部分商业化的单发射腔大功率半导体激光器产品的封装类型是C-mount和CT-mount。但是这两种结构存在功率低、成本高、散热能力差和热沉带电等缺点，尤其无法同时保证芯片的绝缘性和高效散热。

如中国专利：一种大功率半导体激光器及其制备方法，专利号为ZL200910020854.5，该专利公开了一种单管大功率半导体激光器，采用F-mount封装结构，此结构中陶瓷板上镀有较厚贵金属，导致价格昂贵。同时，金属层厚度较小，受金属层厚度限制，导致发热功率较大的巴条芯片不适宜封装在该结构上，基本上只适用于小功率芯片，一般不大于20w。

目前多个巴条连接的封装，巴条之间需通过打金线或者电极连接片等复杂形式进行电连接。如图1为现有技术中多个巴条连接的封装形式示意图，芯片1和芯片2为串联，封装结构中没有设计电路，需通过电极连接片3实现芯片之间的电连接，芯片1的负极块通过电极连接片3与芯片2的正极块连接。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种高功率半导体激光器线路封装结构及制备方法，该种封装结构的线路板是在高导热率的绝缘板的上下表面覆有高导电材料后，预制设计形成所需电路，巴条芯片贴在线路板上可直接实现电连接，无需在通过打金线或者连接片等复杂形式进行电连接，减小了半导体激光器的体积，同时，其电连接方便且性能更可靠，成本更低。

本发明的明的目的是通过以下技术方案来解决的：

本发明的高功率半导体激光器线路封装结构，包括芯片和散热器，其特征在于，还包括线路板；所述的线路板为绝缘高导热表面可高导电的线路板，所述线路板设置在散热器上，所述芯片设置在线路板上。

上述线路板是在高导热率的绝缘板的上下表面覆有高导电率材料后，预制设计形成电路。

以上在绝缘板上下表面所覆的高导电率材料的厚度大于10μm。

上述的高导热率的绝缘板为导热率大于120W/m.K的材料。

对高导热率的绝缘板的进一步限定为：高导热率的绝缘板为陶瓷材料、金刚石或金刚石铜复合材料。

上述散热器是由高导热率材料制成的散热块或者使用水冷、风冷、热电制冷的散热器或者结合以上两种或两种以上散热方式的散热器。

上述芯片为单管芯片即单发光单元芯片、巴条芯片或微型巴条芯片即多发光单元芯片。或者上述芯片是多个巴条芯片、多个微型巴条芯片或多个单管芯片连接组成。

本发明提出一种上述高功率半导体激光器线路封装结构的制备方法，包括如下步骤：

1)准备高导热率的绝缘板，在高导热率的绝缘板上下表面均覆厚度为10um以上的高导电材料；

2)在覆有高导电率材料的高导热率绝缘板上，预制形成电路制成绝缘高导热高导电线路板；

3)将芯片安装在线路板上；

4)将线路板安装在散热器上。

本发明还提出另一种上述高功率半导体激光器线路封装结构的制备方法，包括如下步骤：

(1)选用预制好电路的绝缘高导热高导电线路板；

(2)将芯片安装在线路板上；

(3)将线路板安装在散热器上。

本发明具有以下有益效果：

(1)电连接可靠，体积小，本发明中绝缘高导热高导电的线路板集成了电连接设计，芯片贴在线路板上就可实现电连接，无须进行打金线或者电极连接片的形式进行电连接，使得电连接结构简单，降低了电虚接问题的出现，使半导体激光器的电连接更可靠，体积较小。

(2)可使用硬焊料，本发明中线路板由于使用了与bar CTE匹配的基材，减少了热应力造成的问题。

(3)工艺简单，成本低，本发明中由于电连接集成，使工艺步骤减少，降低了工艺风险以及成本。

附图说明

图1为现有技术中多个巴条连接的封装形式示意图；

图2为本发明中的绝缘高导热高导电线路板结构示意图；

图3本发明中两个巴条连接的封装形式示意图；

图4本发明的整体结构图；

图5为本发明的各部件拆解示意图；

图6为本发明实施例一结构示意图；

图7为本发明实施例一拆解示意图；

图8为本发明实施例二结构示意图；

图9为本发明实施例二拆解示意图。

具体实施方式

本发明的高功率半导体激光器线路封装结构，包括芯片、散热器以及线路板。其中线路板为绝缘高导热高导电的线路板，该线路板设置在散热器上，芯片设置在线路板上。本发明采用的线路板是在高导热率的绝缘板的上下表面覆有高导电率材料后，预制设计形成电路。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

图2为本发明中绝缘高导热高导电线路板，在高导热率的绝缘材料上覆有高导电率材料，根据需要制备好电路ABCD，ABCD均可导电，空隙之处绝缘。图中8、9为芯片放置位置，C为正极，E为负极，放置在8位置上的芯片的负极通过D与放置在B位置上的芯片正极连接。

图3为本发明两个巴条连接的封装形式示意图，在图3中，线路板中直接设计了芯片的串联连接，芯片11和芯片12贴在线路板上，C为正极，E为负极，芯片12的正极与C连接，芯片12的负极通过D与芯片11的正极连接，芯片11的负极与E连接，实现芯片11和芯片12的串联。

参见图4和图5，本发明的高功率半导体激光器线路封装结构，包括芯片15、绝缘高导热高导电线路板14、散热器13。其中绝缘高导热高导电线路板14置于散热器13上，芯片15置于绝缘高导热高导电线路板14上。本发明中，要求形成绝缘高导热高导电线路板14的高导热率的绝缘板为导热率大于120W/m.k的材料，如陶瓷材料。因此，该处的绝缘高导热高导电线路板14可以在氮化铝、氧化铍、碳化硅、金刚石或金刚石铜复合材料板的上下表面覆厚度为10um(或者大于10um)的高导电率的材料后，预制设计形成所需电路；也可以直接选用已经预制好电路的绝缘高导热高导电线路版。

芯片15可以是单管芯片(即单发光单元芯片)、巴条芯片或者微型巴条(即多发光单元芯片)，芯片15也可以由多个单管芯片连接组成或者多个巴条芯片连接组成，亦或者芯片15也可以由多个微型巴条连接组成。

散热器13可以采用高导热率材料制成的散热块，也可以使用水冷、风冷、热点制冷的散热器或者结合以上两种或两种以上散热方式的散热器。

以上所述的高功率半导体激光器线路封装结构的制备方法，按照以下步骤进行：

(1)准备高导热率的绝缘板，将高导热率的绝缘板上下表面均覆有10um以上的高导电材料；

(2)在覆有高导电率材料的高导热率绝缘板上，预制形成所需电路制成绝缘高导热高导电线路板；

(3)将芯片安装在线路板上；

(4)将线路板安装在散热器上。

如果选用预制好的绝缘高导热高导电线路板14，则以上的高功率半导体激光器线路封装结构的制备方法，按照以下步骤进行：

(1)选用预制好电路的绝缘高导热高导电线路板；

(2)将芯片安装在线路板上；

(3)将线路板安装在散热器上。

本发明的工作原理如下：

通电后，通过绝缘高导热高导电线路板14到芯片15，芯片15受激发光，芯片15所产生的热量传递到绝缘高导热高导电线路板14上，最后传到散热器13上散掉。

以下结合实施例对本发明进一步说明：

实施例一

参见图6和图7，本实施例的高功率半导体激光器线路封装结构，包括绝缘高导热高导电线路板20，芯片16和芯片17和散热器21，其中绝缘高导热高导电线路板20置于散热器21上，所述的芯片16和芯片17置于绝缘高导热高导电线路板20上。其中绝缘导热高导电线路板20是在陶瓷或者金刚石板的上下表面覆10um以上的铝，根据所需电路去掉多余铝，制成图6和图7中的串联电路ABCDE。

芯片选用两个巴条芯片16、17，安装在绝缘高导热高导电线路板20的芯片安装位置18、19上。散热器21可以采用高导热率材料制成的散热块，如铜、铜钨或者金刚石；其最高输出光功率可达到80W。

实施例二

如图8和图9所示，本实施例的高功率半导体激光器线路封装结构，包括芯片24、25、26、27，绝缘高导热高导电线路板23和散热器22。其输出功率可达上百瓦。

其中绝缘高导热高导电线路板23采用的是在氧化铍、氮化铝、碳化硅、金刚石或者铜金刚石板的上下表面覆10um以上的高导电材料，如铜或者金或者银等金属，根据所需电路去掉多余金属，制成图8和图9中的并联电路FGMN。芯片24的负极与N连接，芯片25的负极与N连接，芯片26的负极与G连接，芯片27的负极与F连接。

芯片24、25、26、27选用微型巴条芯片或者巴条芯片。

散热器22采用高导热率材料制成的散热块，也可以使用水冷、风冷、热点制冷的散热器或者结合以上两种或两种以上散热方式的散热器。

综上，本发明的高功率半导体激光器线路封装结构，具有导热和绝缘的优点，芯片贴在线路板上可直接实现电连接，无需在通过打金线或者连接片等复杂形式进行电连接，减小了半导体激光器的体积，同时，其电连接方便且性能更可靠，成本更低。

Claims (10)

1.一种高功率半导体激光器线路封装结构，包括芯片和散热器，其特征在于，还包括线路板；所述线路板为绝缘高导热表面可高导电的线路板，所述线路板设置在散热器上，所述芯片设置在线路板上。

2.根据权利要求1所述的高功率半导体激光器线路封装结构，其特征在于，所述线路板是在高导热率的绝缘板的上下表面覆有高导电率材料后，预制设计形成电路。

3.根据权利要求2所述的线路板，其特征在于，在绝缘板上下表面所覆的高导电率材料的厚度大于10μm。

4.根据权利要求2所述的线路板，其特征在于，所述的高导热率的绝缘板为导热率大于120W/m.k的材料。

5.根据权利要求2所述的线路板，其特征在于，所述的高导热率的绝缘板为陶瓷材料、金刚石或金刚石铜复合材料。

6.根据权利要求1所述的高功率半导体激光器线路封装结构，其特征在于，所述散热器是由高导热率材料制成的散热块或者使用水冷、风冷、热电制冷的散热器或者结合以上两种或两种以上散热方式的散热器。

7.根据权利要求1所述的高功率半导体激光器线路封装结构，其特征在于，所述芯片为单管芯片、巴条芯片或微型巴条芯片。

8.根据权利要求1或7所述的高功率半导体激光器线路封装结构，其特征在于，所述芯片是多个巴条芯片、多个微型巴条芯片或多个单管芯片连接组成。

9.一种权利要求1所述高功率半导体激光器线路封装结构的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)准备高导热率的绝缘板，在高导热率的绝缘板上下表面均覆厚度为10um以上的高导电材料；

2)在覆有高导电率材料的高导热率绝缘板上，预制形成电路制成绝缘高导热高导电线路板；

3)将芯片安装在线路板上；

4)将线路板安装在散热器上。

10.一种权利要求1所述高功率半导体激光器线路封装结构的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)选用预制好电路的绝缘高导热高导电线路板；

(2)将芯片安装在线路板上；

(3)将线路板安装在散热器上。

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