CN102593710A

CN102593710A - 半导体激光器的封装方法

Info

Publication number: CN102593710A
Application number: CN2012100753651A
Authority: CN
Inventors: 郑钢; 雷军; 高松信; 武德勇
Original assignee: Institute of Applied Electronics of CAEP
Current assignee: Institute of Applied Electronics of CAEP
Priority date: 2012-03-21
Filing date: 2012-03-21
Publication date: 2012-07-18

Abstract

本发明涉及一种半导体激光器，特别是利用热沉散热的半导体激光器的封装方法，含以下步骤：在热沉上制备含有碳纳米管的焊料；将半导体芯片置于热沉上并固定，在半导体芯片上放置低膨胀系数玻璃压条，低膨胀系数玻璃压条上放置压块；通过升温和降温过程将半导体芯片焊接到热沉上；压焊电极引线。本发明的方法封装半导体激光器有利于改善芯片焊接到热沉上的形变，有利于改善激光器的光束质量，有利于提高热沉的散热效率，有利于延长激光器的寿命。

Description

半导体激光器的封装方法

技术领域

本发明属于光电技术领域，具体涉及一种半导体激光器，特别是各种需利用热沉散热的半导体激光器的封装方法。

背景技术

二极管泵浦的固体激光器（DPL），具有效率高、寿命长、光束质量好、体积小、重量轻、可全固化等诸多优点，近年得到快速发展，并成为当今国际上激光领域最令人关注的研究热点。高功率及高能固体激光器在工业加工、医学以及军事领域有广泛应用前景和发展潜力。作为高功率固体激光器的核心部件－高功率二极管激光器（DL），其技术水平及研制能力直接制约着固体激光器技术发展。近年来，固体激光器输出功率水平的大幅度提高并在强激光应用领域呈现的巨大发展潜力，正是得益于二极管激光器技术的突破进展。

高功率二极管激光器技术包括两个主要方面，芯片制造技术和封装技术，目前，国际上单个二极管激光器 bar条实验室的连续输出功率已达到364W，准连续的脉冲功率达500W，商品化产品的连续输出功率已达到100W，脉冲功率为200W。随着激光输出功率的提高，高功率二极管激光器在单位面积上热功率密度增加，高功率二极管激光器封装工艺已成为其发展的瓶颈。封装工艺中的主要问题有两个方面：一是半导体芯片焊接到热沉上时由于热膨胀系数不匹配和升温降温过程中各部件变形的影响导致半导体芯片有变形，这种情况不仅会导致芯片内部应力增大缩短寿命，而且会导致激光器光束质量变差。二是高功率半导体激光器的废热较多，如果散热能力不够则会使激光器工作温度升高降低激光器寿命。目前通用的封装方法是采用普通玻璃条作为压条，使用铟或金锡作为焊料封装半导体激光器，为提高散热效率，热沉通常采用微通道循环水冷却热沉。但是这种封装方式虽然解决了一部分冷却方面的问题，却不能很好的解决芯片变形和焊料热导率低于冷却器的问题，这样热量主要被阻挡在了焊料部分，同样影响高功率半导体激光器的散热，降低激光器寿命。

发明内容

本发明的目的在于在于克服上述现有技术的不足，提供一种半导体激光器的封装方法，采用该方法封装的半导体激光器具有芯片变形小，光束质量高，工作温度低，工作寿命长的优点。

本发明的解决方案是：一种半导体激光器的封装方法，其特点是包含以下步骤：

A、在热沉上制备含有碳纳米管的焊料，其中焊料中碳纳米管质量占焊料总质量的0.1-5％；

B、将半导体芯片置于热沉上并固定，在半导体芯片上放置低膨胀系数玻璃压条，低膨胀系数玻璃压条上放置压块；

C、通过升温和降温过程将半导体芯片焊接到热沉上；

D、压焊电极引线。

本发明中，碳纳米管具有热导率非常高的特性，通过碳纳米管增强焊料的散热能力，相应增强半导体激光器的散热能力。通过放置低膨胀系数玻璃压条，在升温和降温过程中玻璃压条变形小，对半导体芯片影响小，传递压块的压力均匀，芯片内部应力均匀且大大降低，提高半导体芯片寿命。

本发明的解决方案中可采用低膨胀系数玻璃压条的线膨胀系数低于2×10^-6/K，玻璃压条厚度大于0.5毫米，压块重量为5-500克，其效果较好。压条的作用是将压块的压力平均分配到芯片表面，其尺寸与芯片的尺寸相等。

本发明的解决方案中焊料由碳纳米管和铟、或铟锡合金、或金锡合金混合组成，碳纳米管质量占焊料总质量的0.1-5％。

本发明的解决方案中在热沉上制备焊料的方法是蒸发镀膜法或丝网印刷法。将铟或铟锡合金、或金锡合金置于热沉上，再排布碳纳米管后采用蒸发镀膜法。将铟或铟锡合金、或金锡合金和碳纳米管混合后采用丝网印刷法制备到热沉上。

本发明的解决方案中将半导体芯片焊接到热沉上的升温和降温过程是升温过程的升温速率为0.1-50K/s，升温到焊料熔化，降温过程的降温速率为0.3-30K/s。

本发明的优点：本发明通过焊料中含有碳纳米管，解决焊料的散热问题，增强焊料的散热能力，相应增强半导体激光器的散热能力。通过低膨胀系数玻璃压条，在升温和降温过程中玻璃压条变形小，对半导体芯片影响小，传递压块的压力均匀，芯片内部应力均匀且大大降低。本发明的方法封装半导体激光器有利于改善芯片焊接到热沉上的形变，有利于改善激光器的光束质量，有利于提高热沉的散热效率，有利于延长激光器的寿命。

具体实施方式

实施例：以半导体激光bar条为例，封装半导体激光器包括以下步骤。

A、在热沉上利用丝网印刷法的方法制备焊料，焊料为铟锡合金和碳纳米管的混合料，碳纳米管占焊料总质量的0.5％；

B、在夹具上装配芯片，装配结构由下至上为夹具底座、热沉、焊料、芯片、压条、压块，压条的线膨胀系数低于2×10^-6/K，压条厚度为0.8毫米，压块重量为100克，

C、利用回流焊机将芯片焊接到热沉上，焊接温度为200摄氏度，升温速率为1K/s，保温1分钟，然后降温，降温速率为1K/s。

D、压焊电极引线。

Claims

1.一种半导体激光器的封装方法，其特征在于包含以下步骤：

C、通过升温和降温过程将半导体芯片焊接到热沉上；

D、压焊电极引线。

2.根据权利要求1所述的半导体激光器的封装方法，其特征在于低膨胀系数玻璃压条的线膨胀系数低于2×10^-6/K，玻璃压条厚度大于0.5毫米。

3.根据权利要求1所述的半导体激光器的封装方法，其特征在于压块重量为5-500克。

4.根据权利要求1所述的半导体激光器的封装方法，其特征在于焊料由碳纳米管和铟、或铟锡合金、或金锡合金混合组成，碳纳米管质量占焊料总质量的0.1-5％。

5.根据权利要求1所述的半导体激光器的封装方法，其特征在于在热沉上制备焊料的方法是蒸发镀膜法或丝网印刷法。

6.根据权利要求1所述的半导体激光器的封装方法，其特征在于将半导体芯片焊接到热沉上的升温和降温过程是升温过程的升温速率为0.1-50K/s，升温到焊料熔化，降温过程的降温速率为0.3-30K/s。