CN102290704A - 半导体激光器to封装结构及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种半导体激光器TO封装结构及方法。该封装结构包括半导体激光器芯片，该芯片的至少一侧面经至少一过渡热沉与至少一热沉固定连接，且该芯片、过渡热沉和热沉均固定在管座上，并被封装于由该管座和一封帽围合形成的封闭腔体中。该方法为：在半导体激光器芯片的至少一侧面上固定连接至少一过渡热沉，而后将每一过渡热沉分别与一热沉固定连接，其后将该芯片、过渡热沉及热沉均固定在管座上，并在保护气氛中封盖，形成半导体激光器封装结构。本发明采用高热导率过渡热沉与热沉组合的结构，尤其是采用双热沉结构，可有效增强TO封装的半导体激光器的散热能力，大幅地降低激光器有源区的节温，减小激光器的热阻，延长半导体激光器的寿命。

Description

半导体激光器TO封装结构及方法
技术领域
本发明涉及半导体激光器的封装技术，特别涉及一种半导体激光器TO封装结构及方法，适于GaAs基、InP基、GaN基和ZnO基半导体激光器的TO封装。
背景技术
半导体激光器由于制作简单，体积小，重量轻，寿命长，效率高等，在光通信、光泵浦、光存储和激光显示等领域得到广泛应用。而目前半导体激光器的输出功率偏小，限制了半导体激光器的应用，因此，业界一直致力于提高半导体激光器的输出功率。目前大功率半导体激光器面临的主要问题是大电流注入下激光器温度太高，导致半导体激光器的退化严重，严重影响了半导体激光器的稳定性和工作寿命。因此，如何有效地把激光器中的热量传导出去成为了半导体激光器封装中的技术难点。
目前半导体激光器一般采用TO管座进行封装，传统的TO管座包括管壳、管舌和管脚，管舌设在管壳的上面，其形状一般为六面柱，管舌上粘结芯片，在管舌上封装封帽。这种封装形式只能通过TO管舌把激光器芯片中的热量导向TO管座，散热效果非常有限，因此，一些公司开始采用激光器倒装封装的形式来改善激光器的散热，但是即使采用倒装的形式，激光器中的热量还是无法较好导出，激光器芯片中的温度还是较高，这影响了激光器的稳定性和寿命。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种半导体激光器TO封装结构，其能有效增强TO封装半导体激光器的散热能力，从而克服现有的半导体激光器TO管座封装形式散热不足、激光器稳定性较差等问题。
为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：
一种半导体激光器TO封装结构，包括半导体激光器芯片，其特征在于：所述半导体激光器芯片的至少一侧面经至少一过渡热沉与至少一热沉固定连接，且所述半导体激光器芯片、过渡热沉和热沉均固定在TO管座上，并被封装于由所述管座和一封帽围合形成的封闭腔体中。
进一步的讲，所述过渡热沉分别与半导体激光器芯片和热沉焊接固定，且由所述过渡热沉、半导体激光器芯片和热沉形成的整体结构亦与TO管座焊接固定。
所述半导体激光器芯片的两侧面分别固定连接一过渡热沉，该两个过渡热沉还分别与一热沉固定连接，且所述半导体激光器芯片、过渡热沉和热沉均固定在一TO管座上，并被封装于由所述TO管座和一封帽围合形成的封闭腔体中。
所述过渡热沉至少选自AlN陶瓷、Al2O3陶瓷、石墨烯、碳纳米管、AlN-Cu-AlN混合热沉、金刚石、BN和SiC中的任意一种。
所述热沉包括Cu块。
所述焊接中使用的焊料至少选自金-锡、铟、银浆、铜-锌、银-铜、锡-银-铜、锡-铅、金-镉和钎锡银中的任意一种。
一种半导体激光器TO封装方法，其特征在于，该方法为：首先在半导体激光器芯片的至少一侧面上固定连接至少一过渡热沉，而后将每一过渡热沉分别与一热沉固定连接，其后将所述半导体激光器芯片、过渡热沉及热沉均固定在TO管座上，最后在保护气氛中以封帽将所述半导体激光器芯片、过渡热沉及热沉封盖，形成半导体激光器封装结构。
优选的，该方法为：首先在半导体激光器芯片的两侧面上分别固定连接一过渡热沉，而后在该两个过渡热沉上分别固定连接一热沉，其后将所述半导体激光器芯片、过渡热沉及热沉均固定在TO管座上，最后在保护气氛中以封帽将所述半导体激光器芯片、过渡热沉及热沉封盖，形成半导体激光器TO封装结构。
该方法包括如下步骤：
（1）将半导体激光器芯片一侧面焊接在一过渡热沉上；
（2）将焊有半导体激光器芯片的过渡热沉焊接在一热沉上；
（3）将由前述半导体激光器芯片、过渡热沉和热沉形成的整体结构焊接在TO管座上；
（4）用金线将半导体激光器的正负极分别与TO管座上的接线柱相连；
（5）在保护气氛中封上封帽，形成半导体激光器TO封装结构。
10. 根据权利要求8所述的半导体激光器TO封装方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
（1）将半导体激光器芯片一侧面焊接在一过渡热沉上；
（2）将焊有半导体激光器芯片的过渡热沉焊接在一热沉上；
（3）在半导体激光器芯片的另一侧面上焊接另一过渡热沉；
（4）将该另一过渡热沉焊接在另一块热沉上；
（5）将由前述半导体激光器芯片、两个过渡热沉和两块热沉形成的整体结构焊接在TO管座上；
（6）用金线将半导体激光器的正负极分别与TO管座上的接线柱相连；
（7）在保护气氛中封上封帽，形成半导体激光器TO封装结构。
所述过渡热沉至少选自AlN陶瓷、Al2O3陶瓷、石墨烯、碳纳米管、AlN-Cu-AlN混合热沉、金刚石、BN和SiC中的任意一种。
所述热沉包括Cu块。
所述焊接中使用的焊料至少选自金-锡、铟、银浆、铜-锌、银-铜、锡-银-铜、锡-铅、金-镉和钎锡银中的任意一种。
所述保护气氛至少选自氮气、氩气和氦气中的任意一种。
与现有技术相比，本发明的优点在于：在半导体激光器TO封装中，采用高热导率过渡热沉与热沉组合的结构，可有效增强TO封装半导体激光器的散热特性，尤其是采用双热沉结构，更可将激光器芯片工作产生的热量通过N边和P边同时导向基座，进而更为有效地增强TO封装的半导体激光器的散热能力，大幅地降低激光器有源区的节温，减小激光器的热阻，延长半导体激光器的寿命。
附图说明
图1为本发明实施例1中半导体激光器TO封装工艺流程图；
图2为本发明实施例1中TO56封装的半导体激光器的立体图；
图3为本发明实施例1中TO56封装的半导体激光器的俯视图；
图4为本发明实施例1中TO56封装半导体激光器未封封帽时的侧视图；
图5为本发明实施例2中半导体激光器TO封装工艺流程图；
图6为本发明实施例2中TO56封装的半导体激光器的立体图；
图7为本发明实施例2中TO56封装的半导体激光器的俯视图；
图8为本发明实施例2中TO56封装半导体激光器未封封帽时的侧视图；
图中各组件及其附图标记分别为：半导体激光器芯片1、过渡热沉2、热沉3、过渡热沉4上、热沉5、金线6、TO管座8、接线柱7、封帽9、玻璃窗口10、焊料11。
具体实施方式
以下结合若干较佳实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明。
实施例1参阅图1至图4，本实施例系关于一种TO56封装的GaN基半导体激光器，所用的管座为商用管座，热沉固定在基座上，其制备方法主要包括以下步骤：
（1）采用金锡焊料11将GaN基半导体激光器芯片1焊接在上下表面镀金的AlN-Cu-AlN复合过渡热沉4上，焊接温度为310℃，焊接时间为12s，焊接中所加压力为200g；
（2）采用金锡焊料11将焊有激光器芯片1的AlN-Cu-AlN过渡热沉4焊接在热沉5上，而TO管座上的热沉5是跟基座8固定的，焊接温度为310℃，焊接时间为12s，焊接中所加压力为200g；
（3）打线，用金线6将GaN基半导体激光器的正负极分别跟接线柱7相连，如图3和图4所示；
（4）在氮气保护气氛中封上封帽9，如图2所示；
经过上述步骤，完成了GaN基半导体激光器的TO56封装，通上电流，激光将从TO56封帽中心的玻璃窗口10出射。
以上TO封装的GaN基半导体激光器，由于采用热导率非常高的过渡热沉，TO封装的激光器的热阻能够大大减小，激光器工作时的节温降低，有效地减缓了TO封装的半导体激光器的退化速率，延长了TO封装的半导体激光器的寿命。
需要说明的是：
前述半导体激光器的芯片还可以为GaAs基、InP基半导体激光器；
前述焊料还可选自铟、银浆、铜锌、银铜、锡银铜、锡铅、金镉和钎锡银中的任意一种；
前述的过渡热沉可选自Cu-W合金、AlN陶瓷、石墨烯、碳纳米管、金刚石、BN和SiC中的任意一种；但是，考虑到AlN陶瓷的热导率在170-230K/W，而与半导体材料热匹配的Cu-W合金的热导率也相对较低，故而，为了有效地将激光器的热传导出去，本实施例中优选采用石墨烯、碳纳米管、金刚石、BN和SiC等材料形成过渡热沉。
实施例2  参阅图5至图8，本实施例系关于一种TO56封装的GaN基半导体激光器，其制备方法主要包括以下步骤：
（1）采用金锡焊料将GaN基半导体激光器芯片1焊接在上下表面镀金的AlN过渡热沉2上，焊接温度为310℃，焊接时间为12s，焊接中所加压力为200g；
（2）采用金锡焊料2将焊有激光器芯片1的AlN过渡热沉2焊接在铜块3上，焊接温度为310℃，焊接时间为12s，焊接中所加压力为300g；
（3）把焊有激光器芯片的铜块热沉3通过激光器的另一面焊接在另一个AlN过渡热沉4上，焊接温度为310℃，焊接时间为12s，焊接中所加压力为300g；
（4）通过AlN过渡热沉4将（3）中结构焊接在另一块铜块热沉5上，焊接温度为310℃，焊接时间为12s，焊接中所加压力为300g；
（5）把焊接有两块铜块热沉的（4）中结构焊接在TO管座8上，焊接温度为310℃，焊接时间为12s，焊接中所加压力为300g；
（6）打线，用金线6将GaN基半导体激光器的正负极分别跟接线柱7相连；
（7）在氮气保护气氛中封上封帽9；
 经过上述步骤，完成了GaN基半导体激光器的TO56封装，通上电流，激光将从TO56封帽中心的玻璃窗口10出射。
以上TO封装的GaN基半导体激光器，由于采用双热沉结构，把激光器工作产生的热通过N边和P边同时导向基座，这种封装方法可以有效地增强TO封装的半导体激光器的散热能力，减小激光器的热阻，延长激光器的寿命。
前述半导体激光器的芯片亦可为GaAs基、InP基半导体激光器，前述焊料可为铟、银浆、铜锌、银铜、锡银铜、锡铅、金镉和钎锡银中的一种，前述过渡热沉可为Al2O3陶瓷、石墨烯、碳纳米管、AlN-Cu-AlN混合热沉、金刚石、BN、SiC中的一种等。
以上所述的具体实施例对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 

Claims (14)

1.一种半导体激光器TO封装结构，包括半导体激光器芯片，其特征在于：所述半导体激光器芯片的至少一侧面经至少一过渡热沉与至少一热沉固定连接，且所述半导体激光器芯片、过渡热沉和热沉均固定在TO管座上，并被封装于由所述管座和一封帽围合形成的封闭腔体中。
2.如权利要求1所述的半导体激光器TO封装结构，其特征在于：所述过渡热沉分别与半导体激光器芯片和热沉焊接固定，且由所述过渡热沉、半导体激光器芯片和热沉形成的整体结构亦与TO管座焊接固定。
3.如权利要求1所述的半导体激光器TO封装结构，其特征在于：所述半导体激光器芯片的两侧面分别固定连接一过渡热沉，该两个过渡热沉还分别与一热沉固定连接，且所述半导体激光器芯片、过渡热沉和热沉均固定在一TO管座上，并被封装于由所述TO管座和一封帽围合形成的封闭腔体中。
4.如权利要求1-3中任一项所述的半导体激光器TO封装结构，其特征在于：所述过渡热沉至少选自AlN陶瓷、Al2O3陶瓷、石墨烯、碳纳米管、AlN-Cu-AlN混合热沉、金刚石、BN和SiC中的任意一种。
5.如权利要求1-3中任一项所述的半导体激光器TO封装结构，其特征在于：所述热沉包括Cu块。
6.如权利要求2所述的半导体激光器TO封装结构，其特征在于：所述焊接中使用的焊料至少选自金-锡、铟、银浆、铜-锌、银-铜、锡-银-铜、锡-铅、金-镉和钎锡银中的任意一种。
7.一种半导体激光器TO封装方法，其特征在于，该方法为：首先在半导体激光器芯片的至少一侧面上固定连接至少一过渡热沉，而后将每一过渡热沉分别与一热沉固定连接，其后将所述半导体激光器芯片、过渡热沉及热沉均固定在TO管座上，最后在保护气氛中以封帽将所述半导体激光器芯片、过渡热沉及热沉封盖，形成半导体激光器封装结构。
8.根据权利要求7所述的半导体激光器TO封装方法，其特征在于，该方法为：首先在半导体激光器芯片的两侧面上分别固定连接一过渡热沉，而后在该两个过渡热沉上分别固定连接一热沉，其后将所述半导体激光器芯片、过渡热沉及热沉均固定在TO管座上，最后在保护气氛中以封帽将所述半导体激光器芯片、过渡热沉及热沉封盖，形成半导体激光器TO封装结构。
9.根据权利要求7所述的半导体激光器TO封装方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
（1）将半导体激光器芯片一侧面焊接在一过渡热沉上；
（2）将焊有半导体激光器芯片的过渡热沉焊接在一热沉上；
（3）将由前述半导体激光器芯片、过渡热沉和热沉形成的整体结构焊接在TO管座上；
（4）用金线将半导体激光器的正负极分别与TO管座上的接线柱相连；
（5）在保护气氛中封上封帽，形成半导体激光器TO封装结构。
10.根据权利要求8所述的半导体激光器TO封装方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
（1）将半导体激光器芯片一侧面焊接在一过渡热沉上；
（2）将焊有半导体激光器芯片的过渡热沉焊接在一热沉上；
（3）在半导体激光器芯片的另一侧面上焊接另一过渡热沉；
（4）将该另一过渡热沉焊接在另一块热沉上；
（5）将由前述半导体激光器芯片、两个过渡热沉和两块热沉形成的整体结构焊接在TO管座上；
（6）用金线将半导体激光器的正负极分别与TO管座上的接线柱相连；
（7）在保护气氛中封上封帽，形成半导体激光器TO封装结构。
11.根据权利要求7-10中任一项所述的半导体激光器TO封装方法，其特征在于：所述过渡热沉至少选自AlN陶瓷、Al2O3陶瓷、石墨烯、碳纳米管、AlN-Cu-AlN混合热沉、金刚石、BN和SiC中的任意一种。
12.根据权利要求7-10中任一项所述的半导体激光器TO封装方法，其特征在于：所述热沉包括Cu块。
13.如权利要求9或10所述的半导体激光器TO封装方法，其特征在于：所述焊接中使用的焊料至少选自金-锡、铟、银浆、铜-锌、银-铜、锡-银-铜、锡-铅、金-镉和钎锡银中的任意一种。
14.如权利要求7-10中任一项所述的半导体激光器TO封装方法，其特征在于：所述保护气氛至少选自氮气、氩气和氦气中的任意一种。
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