CN103326234B - 一种大功率半导体激光器过渡热沉及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种大功率半导体激光器过渡热沉及其制备方法，该过渡热沉包括基板、金属过渡层和焊料附着层；所述的基板为SiC晶片，该SiC晶片上表面和下表面分别依次蒸镀有钛或铬金属过渡层、金焊料附着层，上、下表面分别为A面、B面，A面上制作有绝缘槽。制备方法包括：SiC晶体线切割成晶片；清洗；SiC晶片表面金属化；将已金属化的晶片A面刻蚀绝缘槽；分割成单个激光器过渡热沉。本发明的基于SiC晶体的大功率激光器过渡热沉的导热性能优于氮化铝陶瓷基板的过渡热沉，大小尺寸精确，可根据大功率激光器封装需要灵活确定。

Description

一种大功率半导体激光器过渡热沉及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种大功率半导体激光器封装用过渡热沉及其制备方法，属于半导体激光器技术领域。

背景技术

随着激光的问世，激光技术在各个技术领域得到了广泛的应用，由于半导体激光器具有体积小、功率大、性能稳定等优点，在工业、医学、军事等各领域都得到了广泛的应用。随着激光器封装技术的不断成熟，所需激光器功率不断增大，激光器封装难度也越来越高。针对激光器大功率的需求，一般有两种解决方法，将半导体芯片并联或串联。并联的方法是将金属热沉作为基底上面焊接半导体芯片以达到半导体芯片并联目的。但是并联方法封装的激光器有大电流小电压的特点，不利于激光器的后续使用。串联的方法是在金属热沉上先焊接一层过渡热沉，起到导热绝缘的目的，然后将多个半导体芯片焊接在过渡热沉上，通过电连接将多个半导体芯片串联起来，实现激光器使用时的小电流大电压。目前，大功率激光器普遍采用氮化铝陶瓷基板作为大功率激光器的过渡热沉以达到金属热沉与激光器管芯间的导热绝缘效果。但是氮化铝陶瓷基板的热导率偏低，其理论值为319W/m·K，而SiC晶体的热导率可达407W/m·K，因此大功率激光器封装技术可使用SiC晶体作为导热绝缘基板。为使SiC晶体与激光器管芯和热沉达到较好的焊接模式，需对SiC晶体进行进一步的加工。

中国专利文件CN1470348A《一种钨铜梯度热沉材料及其制备方法》提出了一种使用钨铜梯度材料制备热沉的方法。该方法的主要技术方案是采用钨铜梯度热沉材料，采用多坯料挤压法一次成形，将各层中的不同成分的钨铜料球磨，并与粘接剂经充分混炼均匀后进行挤压得到钨铜梯度材料毛坯，将得到的梯度毛坯进行热脱脂，脱脂后的坯体在氢气气氛下烧结。该热沉仅作为激光器的导热焊接材料并没有绝缘的作用，不能作为过渡热沉使用。

CN202009158U(CN201120122357.9)公开了一种便于装配柱面透镜的半导体激光器热沉，包括热沉和过渡热沉，所述热沉的上表面横向中间位置开设有槽道，槽道内设有过渡热沉。过渡热沉设置在所述热沉槽道的前侧，过渡热沉的前表面与热沉前表面齐平。过渡热沉上表面设有铟焊料。该专利文件提供的过渡热沉仅起到管芯与热沉之间过渡的作用，目的是使管芯定位更精确，实现光束整形，并且热沉可重复利用。但该专利文件未公开过渡热沉所用材料。

中国专利文件CN102074890A《一种管芯串联激光器封装方法》提出了使用SiC作为过渡热沉的方法，该发明为了解决在过渡热沉的顶面和底面上直接蒸镀钛金层不能保证过渡热沉侧面的绝缘性，易造成上下面的金属连接的问题，提出采用新的方法在整体SiC晶体上直接进行金属化处理，然后通过光刻腐蚀或离子刻蚀的方法制作所需要的绝缘槽，最后通过将SiC晶体分割得到所需的过渡热沉，保证了上下面的绝缘性。后期处理中采用物理方法直接将过渡热沉和巴条切割使之绝缘，而不是通过单独光刻腐蚀或离子刻蚀的方法制作绝缘槽。但是，该方法使用物理破坏的方式使巴条绝缘，易对巴条造成损伤，并且SiC的硬度非常大，接近金刚石，物理方法直接切割难度非常大，易造成激光器损伤并必须根据巴条条件确定切割大小具有很大的局限性。

发明内容

针对现有技术不足，本发明提供一种导热性能优良的大功率激光器过渡热及其制备方法。

本发明的技术方案如下：

一种半导体激光器过渡热沉，包括基板、金属过渡层和焊料附着层；其中，所述的基板为SiC晶片，该SiC晶片上表面和下表面分别依次蒸镀有钛或铬金属过渡层、金焊料附着层，金焊料附着层的上、下表面分别为A面、B面，A面上制作有绝缘槽。

所述SiC晶片的厚度为300-500μm。所述SiC晶片的直径为2-3英寸。

所述的钛或铬的金属过渡层的厚度为40-60μm。根据激光器本身所需上下厚度及金属热沉厚度来确定，该层使用金属钛或铬过渡，应用金属钛或铬的附着特性以达到SiC晶体表面的初步金属化，为附着其他金属做准备。本发明优选钛作为金属过渡层。

所述的金焊料附着层厚度为100-500μm。以便达到良好的焊料附着目的，实现激光器焊接的理想状态。

所述的绝缘槽宽度为0.5-1mm，绝缘槽间隔为3-5mm，可根据所放激光器管芯大小设定。绝缘槽深度由SiC晶片A面的金属过渡层和金焊料层的厚度决定，应露出SiC晶片以达到绝缘槽所起的绝缘作用。

一种基于SiC晶体的大功率激光器过渡热沉的制备方法，包括步骤如下：

(1)将SiC晶体切割，得到上下表面平整的SiC晶片，厚度为300-500μm，直径为2-3英寸的。可根据激光器本身的厚度及金属热沉厚度确定所需SiC晶片的厚度。

(2)对步骤(1)所得SiC晶片进行清洗。

(3)将清洗干净的SiC晶片通过蒸镀的方式在上下表面分别蒸镀金属钛或铬作为金属过渡层，厚度为40-60μm；然后在钛或铬金属过渡层上分别蒸镀金作为焊料附着层，厚度为100-500μm；得金属化的SiC晶片，该晶片上、下表面分别为A面、B面。

(4)采用光刻腐蚀或离子刻蚀的方法在步骤(3)所得金属化的SiC晶片A面制作绝缘槽，绝缘槽宽度为0.5-1mm，绝缘槽间隔为3-5mm。

(5)将步骤(4)所得成品分割成单个过渡热沉。

根据本发明上述的方法，优选的，步骤(1)中采用单线摇摆切割机切割SiC晶体。单线摇摆切割机为晶体加工常规切割设备。

根据本发明上述的方法，优选的，步骤(2)所述的对SiC晶片进行清洗，是将SiC晶片在浓度≥70wt％的硫酸中浸泡半小时，使用去离子水将其表面的硫酸冲洗干净并用氮气吹干即可。由于经过线切割方法得到的SiC片在机械加工过程中会导致其表面有脏污，需先对SiC片进行清洗。

根据本发明上述的方法，优选的，步骤(4)所述的绝缘槽平行设置。制作绝缘槽所用光刻腐蚀或离子刻蚀的方法均按本领域现有技术。本发明的过渡热沉因制作有绝缘槽，所以在后续工序中可将焊接好的管芯直接焊线到绝缘槽的左侧或右侧，以达到绝缘的目的，这样可以直接对单个过渡热沉进行扎测从而提高后续封装的合格率，减少后续封装造成的材料浪费。

根据本发明上述的方法，优选的，步骤(5)所述的分割是以垂直于绝缘槽的直线、平行于绝缘槽的直线、绝缘槽所在直线进行划线切割，其中，

在平行于绝缘槽的切割划线与绝缘槽所在直线切割划线之间保留一条绝缘槽，得单管芯封装用过渡热沉；

在平行于绝缘槽的切割划线与绝缘槽所在直线切割划线之间保留两条绝缘槽，得双管芯串联结构用过渡热沉；

以此类推，在平行于绝缘槽的切割划线、绝缘槽所在直线切割划线之间保留有3条及以上数目的绝缘槽时，得多管芯串联结构用过渡热沉。

留出的绝缘槽用于后续工序中将焊接好的管芯直接焊线到绝缘槽的左侧或右侧。

单个过渡热沉的大小可根据所封装激光器情况按本领域现有技术确定。优选的，用于单管封装时，所述绝缘槽间隔为4mm，将过渡热沉分割成尺寸为4mm×5mm或4mm×5.5mm的单个过渡热沉为佳。

本发明上述的方法步骤(5)中所述的分割是采用激光划片机划片的方式。按现有技术即可。

本发明上述的方法中，对于步骤(2)所得SiC晶片表面进行金属化处理是制备SiC过渡热沉的关键工艺步骤。将已清洗干净的SiC片通过蒸镀的方式在其表面蒸镀金属钛或铬作为金属过渡层。因为金属钛或铬易形成致密的、附着力强、惰性大的氧化膜，这保证了金属钛可以和SiC片紧密结合，为SiC片的进一步金属化提供基础。在SiC片表面蒸镀金属钛后即完成了初步的金属化工艺，然后在钛层上蒸镀金作为焊料附着层，用于在后续封装中附着焊料并将其作为激光器的电极使用。其中钛层和金层的厚度可根据后续封装激光器的工作功率、电流进行相应的调整，一般可设定金属钛厚度为40-60μm，金属金可设定厚度为100-500μm。

本发明主要基于SiC晶体具有导热系数高、绝缘性好等特点。具体来讲，本发明包括导热绝缘的SiC晶体以及SiC晶片表面的金属化工艺、绝缘槽的设计，因为现有大功率激光器普遍采用氮化铝陶瓷基板作为大功率激光器的过渡热沉以达到金属热沉与激光器管芯间的导热绝缘效果。但是氮化铝陶瓷基板的热导率偏低，其理论值为319W/m·K，而SiC晶体的热导率可达407W/m·K，因此用SiC晶体制作的过渡热沉用于大功率激光器模组，对于提高大功率激光器的散热性能，增加激光器的可靠性都有显著效果。

与现有技术相比，本发明的优良效果还体现在以下几个方面：

1、本发明基于SiC晶体的大功率激光器过渡热沉的导热性能优于现有技术中常用的氮化铝陶瓷基板的过渡热沉。

2、本发明基于SiC晶片基板通过蒸镀的方法使其表面达到金属化的目的，并采用光刻腐蚀或离子刻蚀的方法制作绝缘槽，其精确度优于现有技术中常用的丝网印刷。

3、因SiC晶体硬度较大本发明采用线切割得到厚度精确、上下表面平整的的SiC晶片，采用激光划片机划片可得到大小尺寸精确的过渡热沉。

附图说明

图1是SiC晶片的俯视图。

图2是双面金属化SiC片剖面图。

图3是刻有绝缘槽的SiC基过渡热沉A面。

图4是单管芯过渡热沉的俯视图。

图5是双管芯串联结构过渡热沉的俯视图。

图中：A、金属化的SiC片上表面，B、金属化的SiC片下表面，21、金焊料附着层，22、钛金属过渡层，23、SiC晶片，24、绝缘槽。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例1、一种大功率激光器单管芯过渡热沉的制备方法。

(1)采用单线摇摆切割机对SiC晶体切割，得到上下表面平整的SiC晶片，厚度为400μm，直径为2.5英寸。如图1所示。

(2)对步骤(1)所得SiC晶片进行清洗，将SiC晶片在浓度90wt％的硫酸中浸泡半小时，使用去离子水将其表面的硫酸冲洗干净并用氮气吹干即可。

(3)将清洗干净的SiC晶片23通过蒸镀的方式在上下表面分别蒸镀金属钛作为金属过渡层22，厚度为50μm；然后在钛金属过渡层上分别蒸镀金作为焊料附着层21，厚度为300μm；得金属化的SiC晶片，剖面图如图2所示，该晶片上、下表面分别为A面、B面。

(4)采用光刻腐蚀的方法将步骤(3)所得金属化的SiC晶片A面制作绝缘槽24，绝缘槽宽度为0.5-1mm，绝缘槽间隔为4mm。如图3所示。绝缘槽深及SiC晶片上表面，露出SiC晶片以达到绝缘槽所起的绝缘作用。

光刻腐蚀的方法是通过光刻胶的曝光与分离将SiC晶片表面凹槽部分的金属腐蚀掉，保留绝缘槽之外的金属部分。按现有技术即可。

(5)将步骤(4)所得成品整体晶片分割成单个单管芯过渡热沉，图4所示为单个单管芯过渡热沉，通过激光划片机将图3所示的整体晶片划成图4所示形状，分割尺寸为4mm×5mm；以垂直于绝缘槽的直线、平行于绝缘槽的直线、绝缘槽所在直线划线切割，其中平行于绝缘槽的直线切割划线、绝缘槽所在直线切割划线之间保留有一条绝缘槽，用于将已焊接管芯焊线至绝缘槽左侧，便于进行单管芯扎测，以提高后续封装合格率。

实施例2、一种大功率激光器双管芯过渡热沉的制备方法。

如实施例1所述，步骤(5)将步骤(4)所得成品整体晶片分割成单个的双管芯封装用过渡热沉，图5所示为双管芯过渡热沉，通过激光划片机将图3所示整体晶片划线分割成图5所示形状，以垂直于绝缘槽的直线、平行于绝缘槽的直线、绝缘槽所在直线划线切割，分割尺寸为4mm×9mm；其中平行于绝缘槽的直线切割划线与绝缘槽所在直线切割线之间保留两条绝缘槽，用于将已焊接管芯焊线至绝缘槽左侧，便于进行管芯扎测，以提高后续封装合格率。

实施例3、一种大功率激光器多管芯过渡热沉的制备方法

步骤(1)、(2)如实施例1。所不同的是：

(3)将清洗干净的SiC晶片23通过蒸镀的方式在上下表面分别蒸镀金属钛作为金属过渡层22，厚度为45μm；然后在钛金属过渡层上分别蒸镀金作为焊料附着层21，厚度为200μm；得金属化的SiC晶片，剖面图如图2所示，该晶片上、下表面分别为A面、B面。

(4)采用离子刻蚀的方法将步骤(3)所得金属化的SiC晶片A面制作绝缘槽24，绝缘槽宽度为0.8mm，绝缘槽间隔为3mm。如图3所示。绝缘槽深度露出SiC晶片。

离子刻蚀的方法是用等离子体进行薄膜刻蚀的技术，通过电场对等离子体进行加速使其具备一定的能量，当其轰击到金属表面时，会将金属内的原子击出，从而达到利用物理上的能量转移来实现刻蚀的目的。按现有技术即可。

(5)将步骤(4)所得成品整体晶片分割成单个3管芯过渡热沉，

以垂直于绝缘槽的直线、平行于绝缘槽的直线、绝缘槽所在直线划线切割，得多管芯封装用过渡热沉。其中平行于绝缘槽的切割划线、绝缘槽所在直线的切割划线之间保留3条绝缘槽，分割尺寸为4mm×13mm。

Claims (5)

1.一种半导体激光器过渡热沉，包括基板、金属过渡层和焊料附着层；其特征在于，所述的基板为SiC晶片，该SiC晶片上表面和下表面分别依次蒸镀有钛或铬金属过渡层、金焊料附着层，金焊料附着层的上、下表面分别为A面、B面，A面上制作有绝缘槽；

所述的钛或铬的金属过渡层的厚度为40-60μm；

所述的金焊料附着层厚度为100-500μm；

所述的绝缘槽宽度为0.5-1mm，绝缘槽间隔为3-5mm。

2.如权利要求1所述的半导体激光器过渡热沉，其特征在于，SiC晶片的厚度为300-500μm，直径为2-3英寸。

3.权利要求1或2任一项所述的半导体激光器过渡热沉的制备方法，包括步骤如下：

（1）将SiC晶体切割，得到上下表面平整的SiC晶片，厚度为300-500μm，直径为2-3英寸的；

（2）对步骤（1）所得SiC晶片进行清洗；

（3）将清洗干净的SiC晶片通过蒸镀的方式在上下表面分别蒸镀金属钛或铬作为金属过渡层，厚度为40-60μm；然后在钛或铬金属过渡层上分别蒸镀金作为焊料附着层，厚度为100-500μm；得金属化的SiC晶片，该晶片上、下表面分别为A面、B面；

（4）采用光刻腐蚀或离子刻蚀的方法在步骤（3）所得金属化的SiC晶片A面制作绝缘槽，绝缘槽宽度为0.5-1mm，绝缘槽间隔为3-5mm；

（5）将步骤（4）所得成品分割成单个过渡热沉。

4.如权利要求3所述的半导体激光器过渡热沉的制备方法，其特征在于，步骤（1）中采用单线摇摆切割机切割SiC晶体。

5.如权利要求3所述的半导体激光器过渡热沉的制备方法，其特征在于，步骤（2）所述的对SiC晶片进行清洗，是将SiC晶片在浓度≥70wt%的硫酸中浸泡半小时，使用去离子水将其表面的硫酸冲洗干净并用氮气吹干。