CN102570291A - 一种传导制冷型高功率半导体激光器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种传导冷却型高功率半导体激光器及其制备方法，以解决现有技术中传导冷却型高功率半导体激光器散热能力低、成品率低、可靠性低和长期寿命短等问题。该传导冷却型高功率半导体激光器包括散热器和一个或者多个半导体激光器单元；所述半导体激光器单元由芯片、与芯片焊接的起散热导电作用的衬底、以及与衬底焊接的起绝缘散热作用的绝缘片组成，半导体激光器单元通过绝缘片焊接在散热器上。本发明的半导体激光器单元可预先进行测试、老化、筛选，提高了激光器的成品率，大大节省了生产成本；本发明是将每个半导体激光器单元焊接在散热器上，其散热性好、可靠性高，适用于高温等复杂多变的环境中使用。

Description

一种传导制冷型高功率半导体激光器及其制备方法
技术领域
本发明涉及半导体激光器，是一种传导冷却型高功率半导体激光器及其制备方法，属于激光技术领域。 
背景技术
半导体激光器又称二极管激光器(DL)。高功率半导体激光器不但具有体积小、重量轻、电光转化效率高、可靠性高、使用寿命长等优点，而且由于其采用电驱动，便于在各个平台上使用，因此高功率半导体激光器展示出了更为广阔的应用，如在激光加工、激光通信、医疗和美容、科学研究、军事国防和激光娱乐显示等方面。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。 
采用传导制冷方式、硬焊料封装技术，能够避免由于软焊料封装导致的电迁移和电热迁移所引起的失效，也可以满足长存储时间以及在极端环境下稳定工作的要求，因此传导制冷型半导体激光器产品有望在各类航空航天、自由空间通信、加工、高温泵浦固体/光纤激光器等领域得到广泛的应用。 
图1为目前传统传导冷却型半导体激光器叠阵制备流程，其是将多个芯片和多个铜钨同时焊接后整体焊接在绝缘导热片上，然后再将该模组焊接在散热器上。该结构存在以下缺点： 
(1)成品率低。将多个芯片和多个铜钨片进行同时焊接时，若其中一个芯片损坏，则这个产品将不能使用，导致产品成品率非常低。 
(2)散热性和可靠性差。焊接好的多个芯片和多个铜钨焊接在绝缘导热片上时，中间位置的铜钨片由于工艺复杂，很难焊接在绝缘导热片上，使得该结构产品的散热性差，可靠性低。 
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种传导冷却型高功率半导体激光器及其制备方法，以解决现有技术中传导冷却型高功率半导体激光器成品率低、散热性差、可靠性低等问题。 
本发明的目的是通过以下技术方案来解决的： 
一种传导冷却型高功率半导体激光器，包括散热器和一个或者多个半导体激光器单元；其特殊之处在于：所述半导体激光器单元由芯片、与芯片焊接的起散热导电作用的衬底、以及与衬底焊接的起绝缘散热作用的绝缘片组成，半导体激光器单元通过绝缘片焊接在散热器上。 
上述半导体激光器单元是经过测试、老化、筛选后的半导体激光器单元。 
上述芯片为单管芯片(Single Emitter)、短阵列(如微型巴条(Mini-bar)和半巴条(Half-bar)、标准厘米巴条)或者多个单管芯片组。 
上述衬底的材质为既具有导电性能并且热导率高于170W/(m2·K)的材料(比如铜、铜钨、钼铜、铜金刚石等金属材料或金属基复合材料)。 
上述绝缘片的热导率高于120W/(m2·K)；可以是陶瓷(如AlN，BeO)、金刚石等材料。 
上述散热器采用水冷、风冷或者电子制冷或者结合其中的两种或两种以上散热方式的散热结构。 
上述散热器的个数可以为单个，也可以有多个。 
一种制备上述传导冷却高功率半导体激光器的方法，包括以下步骤： 
(1)取单管芯片或短阵列(如微型巴条和半巴条或者标准厘米巴条)安装在具有散热导电作用的衬底上，将衬底安装在具有绝缘散热作用的绝缘片上制成半导体激光器单元； 
(2)对半导体激光器单元进行测试、老化、筛选； 
(3)将筛选后合格的多个半导体激光器单元通过绝缘片安装在散热器上，制成传导冷却型高功率半导体激光器。 
另一种制备如上述传导冷却高功率半导体激光器的方法，包括以下步骤： 
(1)由单管芯片或短阵列(如微型巴条和半巴条或者标准厘米巴条)安装在具有散热导电作用的衬底上，将衬底安装在具有绝缘散热作用的绝缘片上制成半导体激光器单元； 
(2)对半导体激光器单元进行测试、老化、筛选； 
(3)将筛选后合格的多个半导体激光器单元焊接在一起，然后将焊接在一起的多个半导体激光器单元通过绝缘片焊接在散热器上，制成传导冷却型高功率半导体激光器。 
本发明具有以下有益效果： 
(1)成本低。每个半导体激光器单元预先进行测试、老化、筛选，提高了生产制备过程中的成品率，大大节省了成本； 
(2)散热性好。将每个半导体激光器单元焊接在散热器上，可保证每个半导体激光器单元与散热器接触良好，散热性显著提高，散热效率高。 
(3)每个半导体激光器单元单独进行测试、老化后筛选出性能已知合格的半导体激光器单元，将其安装在散热器上，可保证所制成的传导冷却型高功率半导体激光器性能已知良好。 
(4)可靠性高，适用于高温等复杂多变的环境中使用。 
附图说明
图1为传统传导冷却高功率半导体激光器制备方法示意图； 
图2为本发明传导冷却型高功率半导体激光器第一种制备方法示意图； 
图3为本发明传导冷却型高功率半导体激光器第二种制备方法示意图； 
图4为本发明传导冷却型高功率半导体激光器结构示意图。 
图5为所制成的传导冷却型高功率半导体激光器在50℃时功率测试图。 
图6为所制成的传导冷却型高功率半导体激光器在50℃时光强测 试图。 
其中：1为半导体激光器单元；2为散热器；3为芯片；4为衬底；5为绝缘片。 
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给出了本发明的传导冷却型高功率半导体激光器第一种制备方法示意图。 
(1)将半导体激光器芯片安装在起散热导电作用的衬底上，将衬底安装在绝缘片上制成半导体激光器单元。 
(2)将半导体激光器单元进行测试、老化、筛选。 
(3)将筛选后合格的多个半导体激光器单元通过绝缘层安装在散热器上，制成传导冷却型高功率半导体激光器。 
参见图3给出了本发明的传导冷却型高功率半导体激光器第二种制备方法示意图。 
(1)将半导体激光器芯片安装在起散热导电作用的衬底上，将衬底安装在绝缘片上制成半导体激光器单元。 
(2)将半导体激光器单元进行测试、老化、筛选。 
(3)将筛选后合格的多个半导体激光器单元焊接在一起，然后将焊接在一起的多个半导体激光器单元通过绝缘片焊接在散热器上，制成传导冷却型高功率半导体激光器。 
图4为本发明的传导冷却型高功率半导体激光器示意图，一种传导冷却型高功率半导体激光器，包括半导体激光单元1和散热器2。 
所述半导体激光器单元1焊接在散热器2上。 
半导体激光器单元1包括芯片3、与芯片焊接的起散热导电作用的衬底4以及与衬底4焊接的绝缘片5组成，半导体激光器单元1通过绝缘片5焊接在散热器2上。 
半导体激光器单元1的个数为1个或者多个。 
半导体激光器单元1是经过测试、老化、筛选后选出的已知性能合 格的半导体激光器单元。 
芯片3可以是单管芯片、短阵列，如微型巴条和半巴条、标准厘米巴条或者多个单管芯片组。 
衬底4的材质为既导电又兼具高导热率性能的材料，可以是铜、铜钨、钼铜、铜金刚石等金属材料或金属基复合材料。 
绝缘片5的材质为绝缘高导热率材料，可以是陶瓷(如AlN，BeO)、金刚石等材料。 
散热器2可以选用高导热率的材料来制冷，也可使用水冷、风冷、电子制冷或者选择两种或两种以上方式结合来散热。 
本发明的工作原理如下： 
通过外接电源，把电流加载到半导体激光器芯片上，半导体激光器芯片所发出的热量通过衬底传到绝缘片上再传到散热器上将热量散出。 
本发明中将芯片焊接在衬底上，再在衬底上焊接绝缘片制成半导体激光器单元，半导体激光器单元单独老化，测试，筛选且可选用不同波长的芯片，实现宽光谱多波长的输出。 
根据本发明的传导冷却型高功率半导体激光器的制备方法，制备成功了传导冷却型高功率半导体激光器，其结构也如图4所示，选用6个功率为200瓦的巴条芯片，将6个巴条芯片进行串联。图5为所制成的传导冷却型高功率半导体激光器在50℃时功率测试图，由图5可以看出，在50℃，本传导冷却型半导体激光器输出峰值功率为1194瓦，转换效率达到52％。图6为所制成的传导冷却型高功率半导体激光器在50℃时光强测试图，由图6可以看出，在50℃，本传导冷却型半导体激光器半峰全宽很窄为2.93nm。由此可知本传导冷却型高功率半导体激光器散热性能良好，可适用于高占空比和高温环境。 

Claims (9)

1.一种传导冷却型高功率半导体激光器，包括散热器和一个或者多个半导体激光器单元；其特征在于：所述半导体激光器单元由芯片、与芯片焊接的起散热导电作用的衬底、以及与衬底焊接的起绝缘散热作用的绝缘片组成，半导体激光器单元通过绝缘片焊接在散热器上。
2.根据权利要求1所述的传导冷却型高功率半导体激光器，其特征在于：所述半导体激光器单元是经过测试、老化、筛选后的半导体激光器单元。
3.根据权利要求1所述的传导冷却型高功率半导体激光器，其特征在于：所述芯片为单管芯片、短阵列或者多个单管芯片组。
4.根据权利要求1所述的传导冷却型高功率半导体激光器，其特征在于：所述衬底的材质为既具有导电性能并且热导率高于170W/(m2·K)的材料。
5.根据权利要求1所述的传导冷却型高功率半导体激光器，其特征在于：所述绝缘片的热导率高于120W/(m2·K)。
6.根据权利要求1所述的传导冷却型高功率半导体激光器，其特征在于：所述散热器采用水冷、风冷或者电子制冷或者结合其中的两种或两种以上散热方式的散热结构。
7.根据权利要求6所述的传导冷却型高功率半导体激光器，其特征在于：所述散热器的个数为单个或多个。
8.制备如权利要求1所述的传导冷却高功率半导体激光器的方法，包括以下步骤：
(1)取单管芯片或短阵列安装在具有散热导电作用的衬底上，将衬底安装在具有绝缘散热作用的绝缘片上制成半导体激光器单元；
(2)对半导体激光器单元进行测试、老化、筛选；
(3)将筛选后合格的多个半导体激光器单元通过绝缘片安装在散热器上，制成传导冷却型高功率半导体激光器。
9.制备如权利要求1所述的传导冷却高功率半导体激光器的方法，包括以下步骤：
(1)由单管芯片或短阵列安装在具有散热导电作用的衬底上，将衬底安装在具有绝缘散热作用的绝缘片上制成半导体激光器单元；
(2)对半导体激光器单元进行测试、老化、筛选；
(3)将筛选后合格的多个半导体激光器单元焊接在一起，然后将焊接在一起的多个半导体激光器单元通过绝缘片焊接在散热器上，制成传导冷却型高功率半导体激光器。
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