CN102447221A - 一种串联半导体激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种串联半导体激光器，涉及半导体激光器技术，包括：一带有两个固定螺孔的主热沉，两个或者多个次热沉位于主热沉上表面，半导体激光器芯片直接焊在次热沉上，主热沉上有正负极引线，正极引线与次热沉相连，负极引线与芯片上表面相连。本发明激光器具有高热载荷，结构紧凑，散热性能良好，热应力与芯片匹配，适合大功率多芯片半导体激光器封装。主要应用于多管芯串联的半导体激光器，具有工作电流比并联型激光器小，且各管芯的工作电流相等的优点。
Description
技术领域
本发明涉及半导体激光器技术领域，是一种大功率半导体激光器。
背景技术
我国在大功率二极管激光器封装技术的研究主要集中在激光器的工艺、可靠性和散热方面，而对激光器封装中热沉结构的相关研究比较少，现有的大功率半导体激光器热沉加工性，装配性及适应性较差。随着二极管激光器输出功率的不断增大，器件的热管理问题日益加剧，严重影响到器件的寿命和可靠性，因此针对该方面的研究很有必要，尤其对研制大功率高可靠性二极管激光器而言。
随着大功率激光二极管在工业加工、军事等领域的强劲需求，要求器件在高平均功率状态下运转，热功率密度也随之增加，同时也增大了器件失效和退化率。对引起器件内部的热阻变大、散热不均匀及引发器件不可靠性等诱变因素的研究变的非常重要。
大功率二极管激光器芯片封装技术直接制约着激光器件的总体性能，如何有效降低芯片工作温度，减少芯片工作时积累的废热，提高激光器输出功率、寿命及可靠性等，如何在封装阶段消除可能导致器件退化、失效的因素，成为提高大功率二极管激光器可靠性的一个突破口。
发明内容
本发明的目的是提供一种串联半导体激光器，以解决现有技术存在的问题和不足，是一种新型低成本的大功率半导体激光器，这种热沉封装的大功率半导体激光器不仅温度稳定性高，热应力匹配，而且加工简单，成本易控制，可靠性及寿命也优于传统热沉。
为达到上述目的，本发明的技术解决方案是：
一种串联半导体激光器，包括主热沉(1)、正极引线(2)、负极引线(3)、半导体激光器芯片(4)、次热沉(5)、螺孔(6)、陶瓷绝缘片(7)和金丝焊线(8)；其条状主热沉(1)两端各设有一个固定螺孔(6)，两固定螺孔(6)之间有一次热沉(5)，次热沉(5)下表面固接于主热沉(1)上表面，次热沉(5)上表面有至少两个半导体激光器芯片(4)，至少两个半导体激光器芯片(4)相互串联焊接在次热沉(5)上表面；
正极引线(2)与负极引线(3)位于条状主热沉(1)两端，均通过陶瓷绝缘片(7)与主热沉(1)焊在一起；正极引线(2)经金丝焊线(8)与半导体激光器芯片(4)上表面电连接，负极引线(3)经金丝焊线(8)与次热沉(5)之间电连接。
一种串联半导体激光器，包括主热沉(1)、正极引线(2)、负极引线(3)、半导体激光器芯片(4)、次热沉(5)、螺孔(6)、陶瓷绝缘片(7)和金丝焊线(8)；其条状主热沉(1)两端各设有一个固定螺孔(6)，两固定螺孔(6)之间有至少两个次热沉(5)，至少两个次热沉(5)一字排列，次热沉(5)下表面固接于主热沉(1)上表面；每一次热沉(5)上表面焊接有一半导体激光器芯片(4)，半导体激光器芯片(4)相互之间串联设置；
正极引线(2)与负极引线(3)位于条状主热沉(1)两端，均通过陶瓷绝缘片(7)与主热沉(1)焊在一起；正极引线(2)经金丝焊线(8)与半导体激光器芯片(4)上表面电连接，负极引线(3)经金丝焊线(8)与次热沉(5)之间电连接。
所述的串联半导体激光器，其所述主热沉(1)、次热沉(5)，厚度在0.1～1mm之间；主热沉(1)采用无氧铜材料制作，次热沉(5)采用氮化铝、氧化铝或氧化铍制作；次热沉(5)上下表面有镀金层(9)。
所述的串联半导体激光器，其所述螺孔(6)直径在1～5mm之间。
所述的串联半导体激光器，其所述半导体激光器芯片(4)为多个单芯片串联连接。
所述的串联半导体激光器，其所述主热沉(1)和次热沉(5)光洁度在0.05～0.5之间。
所述的串联半导体激光器，其所述半导体激光器芯片(4)焊接在次热沉(5)上表面，是半导体激光器芯片(4)倒装焊接在次热沉(5)的镀金层(9)上，是镀金层(9)和芯片P面电极接触；次热沉(5)上表面至少有两个镀金层(9)区，镀金层(9)区相互间分离、且电绝缘；工作时，电流由正极引线(2)→第一镀金层(9)区→第一芯片P面→第一芯片N面→第二个镀金层(9)区→第二芯片P面→第二芯片N面……→最后的芯片P面→负极引线(3)。
所述的串联半导体激光器，其所述半导体激光器芯片(4)焊接在次热沉(5)上表面，是半导体激光器芯片(4)倒装焊接在次热沉(5)的镀金层(9)上，是镀金层(9)和芯片P面电极接触；工作时，电流由正极引线(2)→第一个次热沉(5)的镀金层(9)→第一芯片P面→第一芯片N面→第二个次热沉(5)的镀金层(9)→第二芯片P面→第二芯片N面→第三个次热沉(5)的镀金层(9)……→最后的芯片P面→负极引线(3)。
本发明一种串联半导体激光器的优点是：
1、激光器热沉适合多芯片串联封装，实用性强。
2、次热沉采用陶瓷材料，热应力与砷化镓衬底匹配，适合大功率芯片封装。
3、次热沉与芯片一一对应焊接，即使其中一个二极管芯片失效也不影响其他芯片工作，更换失效芯片较为简单，可有效降低维修成本。
4、半导体激光器为温度敏感器件，而本热沉相比传统C-MOUNT结构封装的热沉，其散热面积大，散热路径短，整体热阻小，有利于热功率器件的散热与温度的稳定。
5、芯片之间为串联连接，工作电流小，产生的热量较低，对电源的要求也宽。
6、本热沉结构相对简单，加工及定位较为容易，适合于高精度安装及光束准直。
附图说明
图1为本发明一种串联半导体激光器多芯片封装A型号(多个次热沉)俯视图；
图2为图1中A型号的侧视图；
图3为本发明一种串联半导体激光器多芯片封装B型号(一个次热沉)俯视图；
图4为图3中B型号的侧视图；
图5为本发明多芯片封装B型号的次热沉镀金区域示意图；
图6为本发明中主热沉的剖视图。
图7为本发明635nm串联半导体激光器PI曲线图；
图8为本发明808nm串联半导体激光器PI曲线图；
图9为本发明一种串联半导体激光器立体结构示意图。
图中标号说明：
1为主热沉，2为正极引线，3为负极引线，4为半导体激光器芯片，5为次热沉。6为螺孔，7为陶瓷绝缘片，8为金丝焊线，9为镀金层。
具体实施方式
本发明一种串联半导体激光器，其中，主热沉1是一带有两个固定螺孔的铜块或其他高导热率材料，其上表面光洁度在0.1到0.4之间；固定螺孔之间焊有一个或者多个次热沉5，半导体激光器芯片4用金锡焊料或者铟焊料焊接在次热沉5上，正极引线2与次热沉5之间用金丝焊线8连接，负极引线3与半导体激光器芯片4上表面连接，负极引线3与正极引线2均通过陶瓷绝缘片7与主热沉1焊在一起。
本发明的串联半导体激光器适合多个单芯片串联封装，其中，图1和图2为次热沉分离的A型号封装示意图，次热沉和芯片的数量不限于3个，也可以是2个或者多个。图3和图4是次热沉为一个整体的B型号示意图，芯片均焊在一个陶瓷片上，同样的，这里芯片数量不限于3个，也可以是2个或者多个。这里正极引线2和负极引线3与主热沉1之间由陶瓷绝缘片7隔离开来，可以保持主热沉电绝缘，防止器件漏电。
对于A类型号的封装，次热沉上下表面镀金，但是相互并不接触，因而次热沉之间相互电绝缘。正极引线接到第一个芯片对应的次热沉上，次热沉上表面镀金，由于芯片倒装焊接，镀金层和芯片P面电极接触，因此电流可以通过芯片P面流向N面，电流通过金丝导入到第二个次热沉上表面，在经过第二个芯片P面、N面，到第三个次热沉镀金层。依次类推，电流通过最后一个芯片P面流入负极引线。
B类型号的封装与A类的类似，只不过这里的次热沉由多个变成一个整体。次热沉上表面镀金区并不连在一起，因而可以保证各个区域相互电绝缘。电流由正极引线→第一镀金区→第一芯片P面→第一芯片N面→第二个镀金区→第二芯片P面→第二芯片N面……→最后的芯片P面→负极引线。
本发明的串联半导体激光器适合多个芯片串联封装，实用性强。次热沉采用陶瓷材料，热应力与砷化镓衬底匹配，适合大腔长芯片封装。次热沉与芯片一一对应焊接，即使其中一个二极管芯片失效也不影响其他芯片工作，更换失效芯片较为简单，可有效降低维修成本。半导体激光器为温度敏感器件，而本发明的串联半导体激光器热沉相比传统C-MOUNT结构封装的热沉，其散热面积大，散热路径短，整体热阻小，有利于热功率器件的散热与温度的稳定。本发明的串联半导体激光器结构相对简单，加工及定位较为容易，适合于高精度安装及光束准直。
实施例：
根据本发明的串联半导体激光器的结构，共制作了635nm和808nm两个波长的串联三芯片激光器。单个635nm芯片额定功率0.5W，在工作电流1.2A时，可测得三芯片模块的出光功率1.5W，如图7，中心波长637.3nm。单个808nm芯片额定功率6W，在工作电流6A时，三芯片模块的出光功率18.3W，如图9所示，中心波长810.2nm。图9为串联半导体激光器立体结构示意图。
Claims (8)
1.一种串联半导体激光器，包括主热沉(1)、正极引线(2)、负极引线(3)、半导体激光器芯片(4)、次热沉(5)、螺孔(6)、陶瓷绝缘片(7)和金丝焊线(8)；其特征在于，条状主热沉(1)两端各设有一个固定螺孔(6)，两固定螺孔(6)之间有一次热沉(5)，次热沉(5)下表面固接于主热沉(1)上表面，次热沉(5)上表面有至少两个半导体激光器芯片(4)，至少两个半导体激光器芯片(4)相互串联焊接在次热沉(5)上表面；
正极引线(2)与负极引线(3)位于条状主热沉(1)两端，均通过陶瓷绝缘片(7)与主热沉(1)焊在一起；正极引线(2)经金丝焊线(8)与半导体激光器芯片(4)上表面电连接，负极引线(3)经金丝焊线(8)与次热沉(5)之间电连接。
2.一种串联半导体激光器，包括主热沉(1)、正极引线(2)、负极引线(3)、半导体激光器芯片(4)、次热沉(5)、螺孔(6)、陶瓷绝缘片(7)和金丝焊线(8)；其特征在于，条状主热沉(1)两端各设有一个固定螺孔(6)，两固定螺孔(6)之间有至少两个次热沉(5)，至少两个次热沉(5)一字排列，次热沉(5)下表面固接于主热沉(1)上表面；每一次热沉(5)上表面焊接有一半导体激光器芯片(4)，半导体激光器芯片(4)相互之间串联设置；
正极引线(2)与负极引线(3)位于条状主热沉(1)两端，均通过陶瓷绝缘片(7)与主热沉(1)焊在一起；正极引线(2)经金丝焊线(8)与半导体激光器芯片(4)上表面电连接，负极引线(3)经金丝焊线(8)与次热沉(5)之间电连接。
3.根据权利要求1或2所述的串联半导体激光器，其特征在于，所述主热沉(1)、次热沉(5)，厚度在0.1～1mm之间；主热沉(1)采用无氧铜材料制作，次热沉(5)采用氮化铝、氧化铝或氧化铍制作；次热沉(5)上下表面有镀金层(9)。
4.根据权利要求1或2所述的串联半导体激光器，其特征在于，所述螺孔(6)直径在1～5mm之间。
5.根据权利要求1或2所述的串联半导体激光器，其特征在于，所述半导体激光器芯片(4)为多个单芯片串联连接。
6.根据权利要求1或2所述的串联半导体激光器，其特征在于，所述主热沉(1)和次热沉(5)光洁度在0.05～0.5之间。
7.根据权利要求1或3所述的串联半导体激光器，其特征在于，所述半导体激光器芯片(4)焊接在次热沉(5)上表面，是半导体激光器芯片(4)倒装焊接在次热沉(5)的镀金层(9)上，是镀金层(9)和芯片P面电极接触；次热沉(5)上表面至少有两个镀金层(9)区，镀金层(9)区相互间分离、且电绝缘；工作时，电流由正极引线(2)→第一镀金层(9)区→第一芯片P面→第一芯片N面→第二个镀金层(9)区→第二芯片P面→第二芯片N面……→最后的芯片P面→负极引线(3)。
8.根据权利要求2或3所述的串联半导体激光器，其特征在于，所述半导体激光器芯片(4)焊接在次热沉(5)上表面，是半导体激光器芯片(4)倒装焊接在次热沉(5)的镀金层(9)上，是镀金层(9)和芯片P面电极接触；工作时，电流由正极引线(2)→第一个次热沉(5)的镀金层(9)→第一芯片P面→第一芯片N面→第二个次热沉(5)的镀金层(9)→第二芯片P面→第二芯片N面→第三个次热沉(5)的镀金层(9)……→最后的芯片P面→负极引线(3)。
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