CN103311798B - 一种大功率线阵激光器的封装结构及封装方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大功率线阵激光器的封装结构，其包括呈一条直线等间距排列的多个半导体巴条线阵激光器，相邻的2个半导体巴条线阵激光器呈反向设置，所述半导体巴条线阵激光器的p面电极通过热沉与一侧相邻的半导体巴条线阵激光器的n面电极串联连接，所述半导体巴条线阵激光器的n面电极通过热沉与另一侧相邻的半导体巴条线阵激光器的p面电极串联连接，位于大功率线阵激光器封装结构两端的半导体巴条线阵激光器通过热沉与外部电源相连，形成串联电路。通过一个热沉上焊接两个相邻的半导体巴条线阵激光器实现了泵浦源输出光束的慢轴与侧泵的YAG激光棒的轴线平行，有效避免了线阵泵浦源输出光束不共线的问题，从而提高了光输出转换效率。

Description

一种大功率线阵激光器的封装结构及封装方法

技术领域

本发明涉及一种大功率线阵激光器的封装结构及封装方法，属于激光器封装技术领域。

背景技术

半导体激光泵浦的全固态激光器是20世纪80年代末期出现的新型激光器。其总体效率至少要比灯泵浦高10倍，由于单位输出的热负荷降低，可获取更高的功率，系统寿命和可靠性大约是闪光灯泵浦系统的100倍，因此，半导体激光器泵浦技术为固体激光器注入了新的生机和活力，使全固态激光器同时具有固体激光器和半导体激光器的双重特点，它的出现和逐渐成熟是固体激光器的一场革命，也是固体激光器的发展方向。并且，它已渗透到各个学科领域，例如：激光信息存储与处理、激光材料加工、激光医学及生物学、激光通讯、激光印刷、激光光谱学、激光化学、激光分离同位素、激光核聚变、激光投影显示、激光检测与计量及军用激光技术等，极大地促进了这些领域的技术进步和前所未有的发展。

市场上侧面泵浦源用的半导体线阵激光器，常常由四个或多个独立的1厘米巴条激光器组成，这种封装无法严格保证每个独立的巴条激光器的发光区域能够严格共线，继而严重影响YAG晶体的工作效率，同时产生的废热严重影响巴条激光器的波长，最后影响YAG晶体的工作效率。为提高转化效率，除了现行的镀膜手段，也可以通过严格保证线阵激光器的巴条共线性来实现。

中国专利文件CN101997269A提及了《一种半导体激光器巴条的制作方法》，所述巴条包含衬底层、外延层和电极，并解决了当两面采用同样热沉时发光区可以共线的问题。在此基础上，只要确保电极热沉严格共线，就能保证线阵激光器巴条发光区共线。但本专利有其使用的局限性，为了保证巴条有源区出光面严格共线，必须使用本专利提及到的巴条，而且四个或多个巴条同时封装烧结，对封装的工艺有苛刻的要求。

中国专利文件CN101071933提到了《一种大功率半导体激光器》，主要技术方案是热沉为多面体，固定巴条的侧面贯通整个带水道热沉，每个激光器阵列条通过导电层串联，与水道热沉绝缘，水道孔径较大，实现软水制冷。该专利的巴条阵列是每个独立的，且采用了串联电极实现了单个巴条阵列的串联。而所撰写专利，直接用电极热沉实现了单个巴条阵列的串联，增强了激光器的可靠性，且相邻巴条阵列固定在同一电极热沉上，能保证多个巴条阵列的全部严格共线，阵列越多，共线的优越性越明显。

中国专利文件CN201877674U提到了《一种小发散角固体激光泵浦模块封装结构》，主要技术方案是将单管用金线焊接实现了串联回路，从而实现了小发散角泵浦。而现有方案每个单管无法确保严格共线，且出光是否水平也无法保证，而每个单管用金线焊接形成的串联回路可靠性不高。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种能严格保证半导体巴条线阵激光器有源区出光共线的封装结构，可实现批量生产大功率线阵激光器。

本发明还提供了一种上述封装结构的封装方法。

本发明的技术方案如下：

一种大功率线阵激光器的封装结构，包括呈一条直线等间距排列的多个半导体巴条线阵激光器，相邻的2个半导体巴条线阵激光器呈反向设置，例如：一个半导体巴条线阵激光器的p面电极朝上，n面电极朝下；与之相邻的半导体巴条线阵激光器的p面电极朝下，n面电极朝上，即电极方向相反；

所述半导体巴条线阵激光器的p面电极通过热沉与一侧相邻的半导体巴条线阵激光器的n面电极串联连接，所述半导体巴条线阵激光器的n面电极通过热沉与另一侧相邻的半导体巴条线阵激光器的p面电极串联连接，位于大功率线阵激光器封装结构两端的半导体巴条线阵激光器通过热沉与外部电源相连，形成串联电路。线阵激光器各个巴条直接不需要额外的电极连接，自身通过热沉串联形成一个完整的串联电路。通过一个热沉上焊接两个相邻的半导体巴条线阵激光器实现了泵浦源输出光束的慢轴与侧泵的YAG激光棒的轴线平行，有效避免了线阵泵浦源输出光束不共线的问题，从而提高了光输出转换效率。

根据本发明优选的，在成一条直线等间距排列的多个半导体巴条线阵激光器的一侧固定设置有绝缘陶瓷基板，在绝缘陶瓷基板朝向半导体巴条线阵激光器的一面设置有图案金属层，所述的图案金属层的图案形状与所述热沉的排列形状相适应。绝缘陶瓷基板图案金属层起到固定热沉和传递热量的作用。

根据本发明优选的，在绝缘陶瓷基板的另一面设置有金属层；在所述的金属层上固定设置有带有水道的热沉。所述半导体巴条线阵激光器工作产生的热量通过带有水道的热沉中的循环水冷却，以保证激光器的工作状态下不会因为高温而失效。

根据本发明优选的所述带有水道的热沉，包括热沉主体、在热沉主体的四角上贯通设置的4个定位孔、在主体上设置的水道、水道出水口及水道进水口。

所述的带有水道的热沉表面镀金。

一种上述封装结构的封装方法，包括步骤如下：

(1)按照现有技术将多个半导体巴条线阵激光器按照直线等距焊接排列在绝缘陶瓷基板的绝缘区域；所述的绝缘陶瓷基板的一面上设置有图案金属层，所述的图案金属层的图案形状与所述热沉的排列形状相适应；相邻的2个半导体巴条线阵激光器呈反向设置；在图案金属层以外的区域为绝缘区域。

(2)所述半导体巴条线阵激光器的p面电极通过热沉与一侧相邻的半导体巴条线阵激光器的n面电极串联连接，所述半导体巴条线阵激光器的n面电极通过热沉与另一侧相邻的半导体巴条线阵激光器的p面电极串联连接，位于大功率线阵激光器封装结构两端的半导体巴条线阵激光器通过热沉与外部电源相连，形成串联电路；所述热沉的侧面通过焊接与绝缘陶瓷基板上的图案金属层固定连接；

(3)将绝缘陶瓷基板的另一面的金属层通过焊接与带有水道的热沉固定连接；

(4)将带有水道的热沉通过定位孔固定在漫反射器上。

本发明的优点在于：

1.本发明所述的封装结构直接用电极热沉实现了单个巴条阵列的串联，增强了激光器的可靠性，且相邻巴条阵列固定在同一电极热沉上，能保证多个巴条阵列的全部严格共线。

2.本发明提高了YAG晶体的输出效率，而且所用的热沉充当了独立的巴条激光器的串联电极，增加了大功率线阵激光器的工作稳定性；现行线阵激光器一般工作电流在20A以上，所述热沉充当电极能有效避免电流过大对串联线路造成的威胁，使大功率线阵激光器可靠性更高。

3.本发明在绝缘陶瓷基板的背面设置带有水道的热沉，大大提高了大功率线阵激光器的散热效果，保证了大功率线阵激光器的正常工作。

附图说明

图1是本发明大功率线阵激光器的封装结构中半导体巴条线阵激光器与热沉的连接结构示意图；

图2是绝缘陶瓷基板具有图案金属层一面的示意图；

图3是带有水道的热沉的结构示意图。

图1-3中，1、热沉；2、半导体巴条线阵激光器；3、水道；4、绝缘陶瓷基板上的图案金属层区域，5、绝缘陶瓷基板上的绝缘区域；6、带有水道的热沉主体；7、水道进水口；8、水道出水口；9、定位孔；10、绝缘陶瓷基板。其中，a为单个半导体巴条线阵激光器；b为a一侧的半导体巴条线阵激光器；c为a另一侧的半导体巴条线阵激光器。

具体实施方式

下面结合说明书附图和实施例对本发明做详细的说明，但不限于此。

本发明所述的大功率线阵激光器的封装结构及封装方法适合于全固态侧面泵浦激光器的泵浦源，严格保证了巴条有源区的共线性。

实施例1、

如图1-3所示，一种大功率线阵激光器的封装结构，包括呈一条直线等间距排列的多个半导体巴条线阵激光器2，相邻的2个半导体巴条线阵激光器2呈反向设置，例如：一个半导体巴条线阵激光器的p面电极朝上，n面电极朝下；与之相邻的半导体巴条线阵激光器的p面电极朝下，n面电极朝上，即电极方向相反；

所述半导体巴条线阵激光器a的p面电极通过热沉1与一侧相邻的半导体巴条线阵激光器b的n面电极串联连接，所述半导体巴条线阵激光器a的n面电极通过热沉1与另一侧相邻的半导体巴条线阵激光器c的p面电极串联连接，位于大功率线阵激光器封装结构两端的半导体巴条线阵激光器通过热沉1与外部电源相连，形成串联电路。

在成一条直线等间距排列的多个半导体巴条线阵激光器2的一侧固定设置有绝缘陶瓷基板10，在绝缘陶瓷基板10朝向半导体巴条线阵激光器2的一面设置有图案金属层4，所述的图案金属层4的图案形状与所述热沉1的排列形状相适应。绝缘陶瓷基板图案金属层4起到固定热沉1和传递热量的作用。

在绝缘陶瓷基板10的另一面设置有金属层；在所述的金属层上固定设置有带有水道的热沉。所述半导体巴条线阵激光器工作产生的热量通过带有水道的热沉中的循环水冷却，以保证激光器的工作状态下不会因为高温而失效。

所述带有水道的热沉，包括热沉主体6、在热沉主体6的四角上贯通设置的4个定位孔9、在热沉主体6上设置的水道3、水道出水口8及水道进水口7。

所述的带有水道的热沉表面镀金。

实施例2、

一种如实施例1所述封装结构的封装方法，包括步骤如下：

(1)按照现有技术将多个半导体巴条线阵激光器2按照直线等距焊接排列在绝缘陶瓷基板10的绝缘区域5；所述的绝缘陶瓷基板10的一面上设置有图案金属层4，所述的图案金属层的图案形状与所述热沉1的排列形状相适应；相邻的2个半导体巴条线阵激光器2呈反向设置；在图案金属层4以外的区域为绝缘区域5。

(2)所述半导体巴条线阵激光器a的p面电极通过热沉1与一侧相邻的半导体巴条线阵激光器b的n面电极串联连接，所述半导体巴条线阵激光器a的n面电极通过热沉1与另一侧相邻的半导体巴条线阵激光器c的p面电极串联连接，位于大功率线阵激光器封装结构两端的半导体巴条线阵激光器通过热沉1与外部电源相连，形成串联电路；所述热沉1的侧面通过焊接与绝缘陶瓷基板10上的图案金属层4固定连接；

(3)将绝缘陶瓷基板10的另一面的金属层通过焊接与带有水道的热沉固定连接；

(4)将带有水道的热沉通过定位孔9固定在需要侧面泵浦激光器的漫反射器上。

Claims (4)

1.一种大功率线阵激光器的封装结构，其特征在于，其包括呈一条直线等间距排列的多个半导体巴条线阵激光器，相邻的2个半导体巴条线阵激光器呈反向设置，所述半导体巴条线阵激光器的p面电极通过热沉与一侧相邻的半导体巴条线阵激光器的n面电极串联连接，所述半导体巴条线阵激光器的n面电极通过热沉与另一侧相邻的半导体巴条线阵激光器的p面电极串联连接，位于大功率线阵激光器封装结构两端的半导体巴条线阵激光器通过热沉与外部电源相连，形成串联电路；在成一条直线等间距排列的多个半导体巴条线阵激光器的一侧固定设置有绝缘陶瓷基板，在绝缘陶瓷基板朝向半导体巴条线阵激光器的一面设置有图案金属层，所述的图案金属层的图案形状与所述热沉的排列形状相适应；在绝缘陶瓷基板的另一面设置有金属层；在所述的金属层上固定设置有带有水道的热沉。

2.根据权利要求1所述的一种大功率线阵激光器的封装结构，其特征在于，所述带有水道的热沉，包括热沉主体、在热沉主体的四角上贯通设置的4个定位孔、在主体上设置的水道、水道出水口及水道进水口。

3.根据权利要求1或2所述的一种大功率线阵激光器的封装结构，其特征在于，所述的带有水道的热沉表面镀金。

4.一种如权利要求1所述封装结构的封装方法，其特征在于，其包括步骤如下：

(1)按照现有技术将多个半导体巴条线阵激光器按照直线等距焊接排列在绝缘陶瓷基板的绝缘区域；所述的绝缘陶瓷基板的一面上设置有图案金属层，所述的图案金属层的图案形状与所述热沉的排列形状相适应；相邻的2个半导体巴条线阵激光器呈反向设置；

(2)所述半导体巴条线阵激光器的p面电极通过热沉与一侧相邻的半导体巴条线阵激光器的n面电极串联连接，所述半导体巴条线阵激光器的n面电极通过热沉与另一侧相邻的半导体巴条线阵激光器的p面电极串联连接，位于大功率线阵激光器封装结构两端的半导体巴条线阵激光器通过热沉与外部电源相连，形成串联电路；所述热沉的侧面通过焊接与绝缘陶瓷基板上的图案金属层固定连接；

(3)将绝缘陶瓷基板的另一面的金属层通过焊接与带有水道的热沉固定连接；

(4)将带有水道的热沉通过定位孔固定在漫反射器上。