CN103368065A - 一种固态激光器阵列的封装结构及其封装方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种固态激光器阵列的封装结构，包括“凸”字形正极热沉和“凸”字形负极热沉，所述半导体激光器巴条设置在正极热沉凸出部分端面与负极热沉凸出部分端面之间。本发明将正极热沉、负极热沉设计成“凸”字形结构，这样在封装时就可以依据激光器所需功率大小，采用六芯、八芯、十芯或二十芯的巴条时，可选择凸出部分长度不同的热沉进行封装，以满足激光器不同的需求而无需对后续封装进行较大改动，并且避免了采用矩形热沉易导致的正负极短路现象，降低了操作难度。

Description

一种固态激光器阵列的封装结构及其封装方法

技术领域

本发明涉及一种固态激光器阵列的封装结构及其封装方法，属于固体激光器的技术领域。

背景技术

目前，激光二极管列阵广泛用于工业、医疗、军事等领域，其中最主要的应用是作为固体激光器的泵浦源。而大功率的激光二极管列阵侧面泵浦固体激光器又可以广泛应用于激光打标、激光焊接、激光切割、激光打孔、激光医疗和激光显示等方面。因半导体激光器具有体积小、功率大、性能稳定等优点，激光器在得到广泛应用的同时，对激光器的性能要求也越来越高。激光器的性能除跟外延材料有关以外，还跟激光器的散热、封装有关，由于对激光器功率要求不一，在封装时若采用现有的封装结构，易加大对封装精度的要求，因此目前急需设计新的封装结构，以满足对不同功率激光器的需求。

现有技术方案中用于固态激光器阵列的封装结构主要为以下形式，如图1所示为现有技术中的一种封装结构，采用简单的矩形热沉结构，为三级串联或单级、多级结构。使用该封装形式激光器的功率可调节范围小，仅适用于单一的功率要求的激光器，并且在分别进行封装三级、单级、多级串联激光器时，所采用的制冷底座、后续的封装外壳等一系列的封装原材料都必须进行替换，增加了封装成本，增加了操作难度。

中国专利文件CN201171142Y《激光二极管列阵的封装结构》提供了一种新型激光二极管列阵的封装结构，该结构同样包括电隔离层、半导体芯片、正极热沉和负极，但该方法利用电隔离层正面的金属化层被划分为正极区和负极区，使得多级激光二极管列阵进行串联时，使多级半导体芯片的正极同时分布在一侧，而负极分布于另一侧，从而使得所有的发光区位于同一条直线上，易于对多级输出光进行统一的光变换，简化了操作程度。该专利仅对列阵封装中的半导体芯片发光点进行了改进，而未对如何满足不同功率要求的激光器提出改进，在进行不同功率激光器封装时，操作难度较大，对后续封装要求较高增加了封装成本。

中国专利文件CN2896617Y《一种大功率半导体激光器》提供了一种大功率半导体激光器，包括热沉和激光器阵列条，该封装结构中所述热沉为多面体，在所述多面体内沿其一个方向设有贯通整个多面体的通道；所述激光器阵列条固定在该方向平行的一个面上，在与该面相邻的至少一个面上固定有导电层，导电层与激光器阵列条电性连接。该封装结构在矩形体的热沉中设置有流通面积较大的通道，使得通道不容易被堵塞，而且可以采用软水，也就是工业用水来冷却热沉，降低了激光器的运行成本。该封装结构仅提供了一种大功率激光器的封装结构，并且冷却热沉采用工业用水降低了运行成本，但是无法满足不同功率激光器的需求，仅适用于巴条结构一致器件的封装。

综上所述，在现有巴条激光器阵列的封装结构中，还停留在仅关注如何降低现有激光器的运行成本的基础上、如何对多级输出光进行统一的光变换等方面，因此来说现有技术的激光器阵列仅适用于输出固定功率激光的要求，还不能满足对不同功率激光器的阵列进行封装的要求。例如，若利用现有技术实现输出不同功率激光时，需要采用多级串联形式，并且对巴条激光器后续封装的要求较高：后续的封装热沉、封装外壳等系列的封装原材料都必须进行替换，不但增加了封装成本，而且提高了操作难度。

发明内容

针对以上的技术不足，本发明提供一种固态激光器阵列的封装结构，该封装结构使得固态激光器阵列单元进行多级串联，输出不同功率的激光，以满足对激光器各种不同功率的需求。

本发明还提供一种上述封装结构的封装方法。

本发明的技术方案如下：

一种固态激光器阵列的封装结构，包括水冷通道、绝缘导热层、半导体激光器巴条、正极热沉和负极热沉；在水冷通道上设置有多个等间距排列的绝缘导热层，在每个绝缘导热层的上表面设置有图案金属层，在每个绝缘导热层的下表面设置有金属层。绝缘导热层上的图案金属层起到固定正极热沉、负极热沉和传递热量的作用；在其下表面设置有金属层具有固定和传递热量的作用。

所述每个图案金属层包括正极金属区域、绝缘区域和负极金属区域，所述正极金属区域和负极金属区域被绝缘区域隔开；相邻的2个绝缘导热层上的图案金属层呈反向设置，例如：一个绝缘导热层上的图案金属层的正极金属区域朝上、负极金属区域朝下；与之相邻的绝缘导热层上的图案金属层的正极金属区域朝下、负极金属区域朝上。

在每个绝缘导热层上，在其正极金属区域上设置有正极热沉，在其负极金属区域上设置有负极热沉，所述的正极热沉和负极热沉均为“凸”字形，所述半导体激光器巴条设置在正极热沉凸出部分端面与负极热沉凸出部分端面之间。

将相邻设置的正极热沉和负极热沉通过引线相连，使半导体激光器巴条相互串联连接，位于封装结构两端的半导体激光器巴条通过正极热沉或负极热沉及引线与设置在水冷通道的侧壁上的绝缘电路板、外部电源相连，形成串联电路。

根据本发明优选的，所述的“凸”字形热沉凸出部分的宽度范围是0.5-1mm；“凸”字形热沉凸出部分的长度范围是3-15mm，可根据不同功率的半导体激光器巴条进行设定，如3mm、10mm、15mm等。本发明所述封装结构适用于不同功率的固态激光器阵列，为实现该阵列形式，首先选取不同功率的半导体激光器巴条，针对不同功率的半导体激光器巴条的长度，选取与之长度相同的“凸”字形热沉，其中“凸”字形热沉凸出部分的长度与半导体激光器巴条的长度相同。本发明的封装结构不但避免了正极热沉与负极热沉因烧结造会成的正负极短路现象，还得到了不同功率的激光器以满足不同使用条件的需求。本发明中所述绝缘导热层连接在水冷通道上，将正极热沉、负极热沉与水冷通道隔离绝缘；同时通过绝缘导热层上表面的绝缘区域将正极热沉和负极热沉隔离绝缘。

根据本发明优选的，在绝缘导热层上，且在所述金属图案层的绝缘区域设置一条绝缘槽。优选的，所述的绝缘槽的横截面为半圆形。所述绝缘槽的宽度与半导体激光器巴条的宽度相同。

根据本发明优选的，所述的绝缘导热层为绝缘陶瓷基板。优选的，所述绝缘陶瓷基板的材质为氮化铝或碳化硅。

根据本发明优选的，所述水冷通道，包括水道和通水口，所述的通水口与冷却水源管道相连通。

根据本发明优选的，所述的引线为镀金的铜片。

根据本发明，一种固态激光器阵列的封装结构的封装方法，包括步骤如下：

(1)选取尺寸合适的“凸”字形正极热沉和“凸”字形负极热沉：根据所需固态激光器的功率选择不同功率的半导体激光器巴条进行封装，所述“凸”字形正极热沉和“凸”字形负极热沉的凸出部分长度与半导体激光器巴条长度相同；

(2)封装固态激光器阵列单元：固态激光器阵列单元包括“凸”字形正极热沉、“凸”字形负极热沉、半导体激光器巴条、绝缘导热层；将“凸”字形正极热沉焊接在绝缘导热层的正极金属区域，将“凸”字形负极热沉焊接在绝缘导热层的负极金属区域，所述半导体激光器巴条设置在正极热沉凸出部分端面与负极热沉凸出部分端面之间；

(3)重复步骤(1)和(2)封装多个固态激光器阵列单元；

(4)按照现有技术，将已封装完成的多个固态激光器阵列单元通过焊接的方式固定在水冷通道上，相邻的2个绝缘导热层上的图案金属层呈反向设置，例如：一个绝缘导热层上的图案金属层的正极金属区域朝上、负极金属区域朝下；与之相邻的绝缘导热层上的图案金属层的正极金属区域朝下、负极金属区域朝上；

(5)将相邻设置的正极热沉和负极热沉通过引线相连，使半导体激光器巴条相互串联连接，位于封装结构两端的半导体激光器巴条通过正极热沉或负极热沉及引线与设置在水冷通道的侧壁上的绝缘电路板、外部电源相连，形成串联电路。

本发明的优点在于：

1.本发明所述封装结构适用于不同功率的固态激光器阵列，根据所需固态激光器功率的不同选择不同功率的半导体激光器巴条进行封装。针对不同功率的半导体激光器巴条的长度选取“凸”字形热沉，使得“凸”字形热沉的凸出部分长度与半导体激光器巴条长度相同，从而实现对多种功率激光器的封装。

2.本发明所述封装结构不但避免了正极热沉与负极热沉因烧结造成的正负极短路现象，还得到了不同功率激光器以满足不同使用的需求。

3.本发明中所述绝缘导热层连接在水冷通道上，将正极热沉、负极热沉与水冷通道隔离绝缘；同时通过绝缘导热层上表面的绝缘区域将正极热沉和负极热沉隔离绝缘。

附图说明

图1为现有技术中的一种封装结构示意图；

图2为本发明所述的封装结构示意图；

图3为本发明所述的封装结构的截面示意图；

图4为本发明所述的导热绝缘层的上表面图案金属层的结构示意图；

图5为本发明所述的“凸”字形正(负)极热沉的结构示意图；

在图1中，21、现有的绝缘导热层；22、现有的热沉结构；在图2-5中，1、水冷通道；11、水道；12、通水口；2、绝缘导热层；3、半导体激光器巴条；4、正极热沉；41、正极热沉凸出部分端面；5、负极热沉；51、负极热沉凸出部分端面；6、图案金属层；61、正极金属区域；62、绝缘区域；63、负极金属区域；64、绝缘槽；7、引线；8、绝缘电路板；9、“凸”字形热沉凸出部分的宽度；10、“凸”字形热沉凸出部分的长度；13、固态激光器阵列单元；其中4a和5b分别指相邻设置的正极热沉4a和负极热沉5b；3a和3b是位于封装结构两端的正极热沉和负极热沉。在图4中A为正(负)极金属区域朝上的方向指示；B为负(正)极金属区域朝下的方向指示。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对本发明做详细的说明，但不限于此。

实施例1为封装了3个不同功率的半导体激光器巴条的固态激光器阵列，其中三个半导体激光器巴条的功率及长度如表1：

表1

半导体激光器巴条	功率	长度
			第一个巴条	30W	5mm
第二个巴条	60W	10mm
			第三个巴条	90W	15mm

实施例2为实施例1所述封装结构的封装方法。

实施例3为封装了3个不同功率的半导体激光器巴条的固态激光器阵列，其中三个半导体激光器巴条的功率及长度如表2：

表2

半导体激光器巴条	功率	长度
			第一个巴条	24W	4mm
第二个巴条	54W	9mm
			第三个巴条	72W	12mm

实施例1、

如图2-5所示。

一种固态激光器阵列的封装结构，包括水冷通道1、绝缘导热层2、半导体激光器巴条3、正极热沉4和负极热沉5；在水冷通道1上设置有3个等间距排列的绝缘导热层2，在每个绝缘导热层2的上表面设置具有图案金属层6，在每个绝缘导热层2的下表面设置具有金属层；所述的绝缘导热层2为绝缘陶瓷基板，所述绝缘陶瓷基板的材质为氮化铝；所述水冷通道1，包括水道11和通水口12，所述的通水口12与冷却水源管道相连通。

所述每个图案金属6层包括正极金属区域61、绝缘区域62和负极金属区域63，所述正极金属区域61和负极金属区域63被绝缘区域62隔开；相邻的2个绝缘导热层2上的图案金属层6呈反向设置，例如：一个绝缘导热层2上的图案金属层6的正极金属区域朝上A、负极金属区域朝下B；与之相邻的绝缘导热层上的图案金属层的正极金属区域朝下B、负极金属区域朝上A；

在每个绝缘导热层2上，在其正极金属区域61上设置有正极热沉4，在其负极金属区域63上设置有负极热沉5，所述的正极热沉4和负极热沉5均为“凸”字形，所述半导体激光器巴条3设置在正极热沉凸出部分端面41与负极热沉凸出部分端面51之间：在本实施例中选用3个半导体激光器巴条，其功率分别是30W、60W、90W，其长度分别是5mm、10mm、15mm。所述的“凸”字形热沉凸出部分的宽度9是0.5mm；“凸”字形热沉凸出部分的长度10分别与半导体激光器巴条尺寸相同，分别是5mm、10mm、15mm。

在绝导热层2上，且在所述金属图案层6的绝缘区域62设置一条绝缘槽64，所述的绝缘槽64的横截面为半圆形。所述绝缘槽64的宽度65与半导体激光器巴条的宽度相同。

将相邻设置的正极热沉4和负极热沉5通过引线7相连，使半导体激光器巴条3相互串联连接，位于封装结构两端的半导体激光器巴条3通过正极热沉4或负极热沉5及引线7与设置在水冷通道1的侧壁上的绝缘电路板8、外部电源相连，形成串联电路；所述的引线7为镀金的铜片。

实施例2、

一种如实施例1所述固态激光器阵列的封装结构的封装方法，包括步骤如下：

(1)选取尺寸合适的“凸”字形正极热沉4和“凸”字形负极热沉5：根据所需固态激光器的功率选择不同功率的半导体激光器巴条3进行封装，所述“凸”字形正极热沉4和“凸”字形负极热沉5的凸出部分长度10与半导体激光器巴条长度相同：选取三种不同功率的半导体激光器巴条，其功率分别是30W、60W、90W，其长度分别是5mm、10mm、15mm。根据上述半导体激光器巴条尺寸所选用的“凸”字形热沉凸出部分的宽度9是0.5mm；“凸”字形热沉凸出部分的长度10分别是5mm、10mm、15mm。

(2)封装固态激光器阵列单元13：先封装功率为30W，长度为5mm的半导体激光器巴条，所述固态激光器阵列单元13包括“凸”字形正极热沉4、“凸”字形负极热沉5、半导体激光器巴条3、绝缘导热层2；将“凸”字形正极热沉4焊接在绝缘导热层2的正极金属区域61，将“凸”字形负极热沉5焊接在绝缘导热层2的负极金属区域63，所述半导体激光器巴条3设置在正极热沉凸出部分端面41与负极热沉凸出部分端面51之间；

(3)重复步骤(1)和(2)封装其它2个半导体激光器巴条为固态激光器阵列单元13；

(4)按照现有技术，将已封装完成的3个固态激光器阵列单元13通过焊接的方式固定在水冷通道1上，相邻的2个绝缘导热层2上的图案金属层6呈反向设置，例如：一个绝缘导热层上的图案金属层的正极金属区域朝上A、负极金属区域朝下B；与之相邻的绝缘导热层上的图案金属层的正极金属区域朝下B、负极金属区域朝上A；

(5)将相邻设置的正极热沉4a和负极热沉5b通过引线7相连，使半导体激光器巴条3相互串联连接，位于封装结构两端的半导体激光器巴条3a和3b通过正极热沉4或负极热沉5及引线7与设置在水冷通道1的侧壁上的绝缘电路板8、外部电源相连，形成串联电路。

实施例3、

如实施例1所述的固态激光器阵列的封装结构，其区别点在于，选取三种不同功率的半导体激光器巴条，其功率分别是24W、54W、72W，其长度分别是4mm、9mm、12mm。所述的“凸”字形热沉凸出部分的宽度9是0.7mm；根据上述半导体激光器巴条尺寸选取“凸”字形热沉凸出部分的长度10分别是4mm、9mm、12mm。所述的绝缘导热层为绝缘陶瓷基板，所述绝缘陶瓷基板的材质为碳化硅。

实施例4、

如实施例1所述的固态激光器阵列的封装结构，其区别点在于，所述“凸”字形热沉凸出部分的宽度9是1mm。

Claims (7)

1.一种固态激光器阵列的封装结构，包括水冷通道、绝缘导热层、半导体激光器巴条、正极热沉和负极热沉；在水冷通道上设置有多个等间距排列的绝缘导热层，在每个绝缘导热层的上表面设置有图案金属层，在每个绝缘导热层的下表面设置有金属层；所述每个图案金属层包括正极金属区域、绝缘区域和负极金属区域，所述正极金属区域和负极金属区域被绝缘区域隔开；相邻的2个绝缘导热层上的图案金属层呈反向设置，其特征在于，在每个绝缘导热层上，在其正极金属区域上设置有正极热沉，在其负极金属区域上设置有负极热沉，所述的正极热沉和负极热沉均为“凸”字形，所述半导体激光器巴条设置在正极热沉凸出部分端面与负极热沉凸出部分端面之间；将相邻设置的正极热沉和负极热沉通过引线相连，使半导体激光器巴条相互串联连接，位于封装结构两端的半导体激光器巴条通过正极热沉或负极热沉及引线与设置在水冷通道的侧壁上的绝缘电路板、外部电源相连，形成串联电路。

2.根据权利要求1所述的一种固态激光器阵列的封装结构，其特征在于，所述的“凸”字形热沉凸出部分的宽度范围是0.5-1mm；“凸”字形热沉凸出部分的长度范围是3-15mm。

3.根据权利要求1所述的一种固态激光器阵列的封装结构，其特征在于，在绝缘导热层上，且在所述金属图案层的绝缘区域设置一条绝缘槽，所述的绝缘槽的横截面为半圆形，所述绝缘槽的宽度与半导体激光器巴条的宽度相同。

4.根据权利要求1所述的一种固态激光器阵列的封装结构，其特征在于，所述的绝缘导热层为绝缘陶瓷基板，所述绝缘陶瓷基板的材质为氮化铝或碳化硅。

5.根据权利要求1所述的一种固态激光器阵列的封装结构，其特征在于，所述水冷通道，包括水道和通水口，所述的通水口与冷却水源管道相连通。

6.根据权利要求1所述的一种固态激光器阵列的封装结构，其特征在于，所述的引线为镀金的铜片。

7.一种如权利要求1所述固态激光器阵列的封装结构的封装方法，其特征在于，其包括步骤如下：

(1)选取尺寸合适的“凸”字形正极热沉和“凸”字形负极热沉：根据所需固态激光器的功率选择不同功率的半导体激光器巴条进行封装，所述“凸”字形正极热沉和“凸”字形负极热沉的凸出部分长度与半导体激光器巴条长度相同；

(2)封装固态激光器阵列单元：固态激光器阵列单元包括“凸”字形正极热沉、“凸”字形负极热沉、半导体激光器巴条、绝缘导热层；将“凸”字形正极热沉焊接在绝缘导热层的正极金属区域，将“凸”字形负极热沉焊接在绝缘导热层的负极金属区域，所述半导体激光器巴条设置在正极热沉凸出部分端面与负极热沉凸出部分端面之间；

(3)重复步骤(1)和(2)封装多个固态激光器阵列单元；

(4)按照现有技术，将已封装完成的多个固态激光器阵列单元通过焊接的方式固定在水冷通道上，相邻的2个绝缘导热层上的图案金属层呈反向设置；

(5)将相邻设置的正极热沉和负极热沉通过引线相连，使半导体激光器巴条相互串联连接，位于封装结构两端的半导体激光器巴条通过正极热沉或负极热沉及引线与设置在水冷通道的侧壁上的绝缘电路板、外部电源相连，形成串联电路。

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