CN103457150A - 一种光纤耦合输出半导体激光器封装结构及其封装方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光纤耦合输出半导体激光器封装结构，包括封装外壳、电极、在封装外壳内设置的热沉、在热沉上设置的激光二极管芯片，在封装外壳的侧壁上设置有输出管，在激光二极管芯片与封装外壳之间设置有导热绝缘片，所述激光二极管芯片的P面通过电极与外部电源的正极相连；所述激光二极管芯片的N面通过电极与外部电源的负极相连。该封装结构通过采用绝缘过渡热沉，将封装外壳和激光器的正极断开，保证封装外壳不带电，不但解决了激光器装配的问题，而且使激光器的封装结构具有良好的散热性。

Description

一种光纤耦合输出半导体激光器封装结构及其封装方法

技术领域

本发明涉及一种光纤耦合输出半导体激光器封装结构及其封装方法，属于半导体激光器的技术领域。

背景技术

二十世纪60年代，随着激光的问世，激光技术在各个领域中得到广泛的应用。其中半导体激光器具有体积小、重量轻、效率高、寿命长、易于调制及价格低廉等优点，在工业、医学和军事领域得到了广泛的应用，如材料加工、光纤通讯、激光测距、目标指示、激光制导、激光雷达、空间光通信等。

半导体激光器由于其特殊的有源导结构使其输出光束质量极差，必须经过光束整形才能达到使用要求，其中光纤耦合半导体激光器不仅可使光束整合到近于高亮度的点光源输出，而且还可以通过光纤任意改变光的传输方向，使其应用更如方便，对激光器密封使用可保证激光器工作环境；输出光斑模式优良；方便将若干激光光束整合以获得大功率输出等诸多优势，因此备受关注，像光通讯、印刷、医疗、红外照明、科研等，特别在安防做夜间照明应用中优势明显。但是光纤耦合输出半导体激光器多数采用C-mount封装形式作为光源进行耦合，芯片P面直接焊接在C-mount上，C-mount作为激光器热沉同时也是激光器正极，直接焊接或挤压固定在光纤耦合输出半导体激光器封装腔体上，使封装腔体成为激光器的正极，这种封装形式需要在安装设备时以及多管串联时保证每个光纤耦合输出半导体激光器和多管串联腔体形成绝缘，一般用导热绝缘薄膜来绝缘。通常用的导热绝缘薄膜的导热性能都比较差，并且安装时需要考虑到各方面的绝缘问题，对器件的寿命不利，其安装的简便性不好。

在现有技术中，所述激光二极管芯片的P面通过热沉、封装外壳、与外壳电连接的电极和外部电源的正极相连，所述激光二极管芯片的N面通过电极与外部电源的负极相连。如图1中的结构是传统工艺结构，将C-mount封装形式激光器固定到固定块3上，使输出光轴线方向为输出管6的中心轴位置。这种封装方式激光器管芯的P面和封装腔体2电连接，导致整个激光器在使用过程中带电，对应用设备上的其他元器件有一定的影响，同时设备其他部件以及外壳的漏电也会造成激光器芯片的击穿，严重影响了激光器的安全性。

中国专利文件CN101304155A提出了一种将C-mount封装激光器放置在封装外壳中封装方法，该方法采用压块垂直挤压或横向挤压的方法固定在管壳侧壁上，形成C-mount的定位和散热。这种方案将激光器的正极和外壳连接，外壳带电，对使用提出了更苛刻的要求，挤压固定的方式在挤压块之间会有空隙，散热效果达不到最好的效果。

中国专利文件CN201402912Y公开了一种大功率半导体激光器及其制备方法，采用陶瓷过渡热沉进行传热固定同时起到和底部铜座绝缘的作用，正负电极都是采用带陶瓷片的热沉，铜座两端为固定螺丝孔。虽然可以使外壳不带电了但是陶瓷片的热导率要比金属铜的低很多，在加上底部铜座和外部热沉采用螺丝固定的方式，接触面的平整度也会严重影响激光器的散热，从而大大缩减激光器的寿命。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种光纤耦合输出半导体激光器封装结构，该封装结构通过采用绝缘过渡热沉，将封装外壳和激光器的正极断开，保证封装外壳不带电，不但解决了激光器装配的问题，而且使激光器的封装结构具有良好的散热性。

本发明还提供一种光纤耦合输出半导体激光器的封装方法。

本发明的技术方案如下：

一种光纤耦合输出半导体激光器封装结构，包括封装外壳、电极、在封装外壳内设置的热沉、在热沉上设置的激光二极管芯片，在封装外壳的侧壁上设置有输出管，在激光二极管芯片与封装外壳之间设置有导热绝缘片，所述激光二极管芯片的P面通过电极与外部电源的正极相连；所述激光二极管芯片的N面通过电极与外部电源的负极相连。

根据本发明，优选方案之一：

所述的导热绝缘片设置在激光二极管芯片P面与热沉上表面之间，在导热绝缘片的上表面与激光二极管芯片P面之间设置有金属层，在导热绝缘片的下表面与热沉上表面之间设置有金属层。在导热绝缘片的上表面和下表面均设置金属层的作用在于固定激光二极管芯片、利于在激光二极管芯片的P面形成环路电流。

根据本发明，优选方案之一：

所述的导热绝缘片设置在热沉下表面与封装外壳底面之间，在导热绝缘片的上表面与热沉下表面之间设置有金属层；在导热绝缘片的下表面与封装外壳底面之间设置有金属层。在导热绝缘片的上表面和下表面均设置金属层的作用在于固定激光二极管芯片、同时利于形成良好的热接触。

在导热绝缘片的上表面和下表面均设置金属层为钛层、金层或铜层，所述金属层的厚度范围为2-100μm。优选的，所述金属层的厚度范围为50-80μm。所述的金属层是采用现有蒸镀金属层技术分别在导热绝缘片上蒸镀而成的。

根据本发明优选的，所述导热绝缘片为绝缘碳化硅晶片、绝缘陶瓷或金刚石。

所述绝缘碳化硅晶片的厚度范围为200-1000μm。

所述的绝缘陶瓷片为氮化铝陶瓷片，氮化铝陶瓷片的厚度为200-1000μm。

根据本发明的优选，所述的电极通过绝缘子横穿设置在封装外壳侧壁内，电极的一端与外部电源相连，电极的另一端与封装外壳内部的激光二极管芯片相连。所述的电极与封装外壳采用绝缘子烧住连接。

根据本发明，一种光纤耦合输出半导体激光器的封装方法，包括步骤如下：

（1）按现有技术在封装外壳底面设置热沉；

（2）在热沉的上表面蒸焊料，将导热绝缘片下表面的金属层与热沉固定连接，所述的焊料为熔化温度较低的铟合金或锡合金；

（3）在导热绝缘片上表面的金属层蒸焊料，将激光二极管芯片的P面与导热绝缘片上表面固定连接；

（4）将激光二极管芯片的P面通过电极与外部电源正极相连；将激光二极管芯片的N面通过电极与外部电源负极相连。

根据本发明，一种光纤耦合输出半导体激光器的封装方法，包括步骤如下：

（1）在导热绝缘片下表面的金属层上蒸焊料，将导热绝缘片下表面与封装外壳底面固定连接；

（2）在导热绝缘片的上表面的金属层上蒸焊料，将导热绝缘片上表面与的热沉的底面固定连接；

（3）按现有技术在热沉顶面安装激光二极管芯片；

（4）将激光二极管芯片的P面通过电极与外部电源正极相连；将激光二极管芯片的N面通过电极与外部电源负极相连。

本发明的优点在于：

针对光纤耦合输出半导体激光器外壳带电，从而导致使用不方便以及散热不充分等问题，本发明在激光二极管芯片与封装外壳之间设置导热绝缘片，将光纤耦合输出半导体激光器与封装外壳电绝缘，该封装结构不但便于多个激光器串联装配，而且简化了光纤耦合输出半导体激光器多管串联封装的工艺步骤；保证了封装外壳不带电，很好的解决了激光器装配的问题，并且形成良好的散热效果。将导热绝缘片焊接在热沉和封装外壳底面之间时，还有利于电流扩展。

附图说明

图1为现有激光器的封装结构示意图；

图2为本发明实施例4的封装结构示意图；

图3为本发明实施例1的封装结构示意图；

在图1-3中：1，电极；2，封装外壳；3，固定块；4，C-mount热沉；5，激光二极管芯片；6，输出管；7，热沉；8，导热绝缘片。

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。

实施例1、

如图3所示。一种光纤耦合输出半导体激光器封装结构，包括封装外壳2、电极1、在封装外壳2内设置的热沉7、在热沉7上设置的激光二极管芯片5，在封装外壳2的侧壁上设置有输出管6，所述激光二极管芯片5与输出管6相对；在激光二极管芯片5与封装外壳2之间设置有导热绝缘片8，所述激光二极管芯片的P面通过电极1与外部电源的正极相连；所述激光二极管芯片的N面通过电极1与外部电源的负极相连。

所述的导热绝缘片8设置在激光二极管芯片P面与热沉7上表面之间，在导热绝缘片8的上表面与激光二极管芯片P面之间设置有金属层，在导热绝缘片8的下表面与热沉7上表面之间设置有金属层。在导热绝缘片8的上表面和下表面均设置金属层的作用在于固定激光二极管芯片5、利于在激光二极管芯片5的P面形成环路电流。

在导热绝缘片8的上表面和下表面均设置金属层为厚度为60μm的钛层；所述导热绝缘片为厚度为300μm的绝缘碳化硅晶片。

所述激光二极管芯片5的P面通过电极与外部电源的正极相连；所述激光二极管芯片5的N面通过电极与外部电源的负极相连。所述的电极通过绝缘子横穿设置在封装外壳侧壁内，所述的电极与封装外壳采用绝缘子烧住连接。

实施例2、

如实施例1所述光纤耦合输出半导体激光器的封装方法，包括步骤如下：

（1）按现有技术在封装外壳底面设置热沉；

（2）在热沉的上表面蒸焊料，将导热绝缘片下表面的金属层与热沉固定连接，所述的焊料为熔化温度较低的铟合金或锡合金；

（3）在导热绝缘片上表面的金属层蒸焊料，将激光二极管芯片的P面与导热绝缘片上表面固定连接；

（4）将激光二极管芯片的P面通过电极与外部电源正极相连；将激光二极管芯片的N面通过电极与外部电源负极相连。

实施例3、

如实施例1所述一种光纤耦合输出半导体激光器封装结构，不同之处在于，在导热绝缘片的上表面和下表面均设置金属层为金层，厚度为70μm。所述碳化硅晶片的厚度为500μm。

实施例4、

如图2所示。如实施例1所述一种光纤耦合输出半导体激光器封装结构，不同之处在于，所述的导热绝缘片8设置在热沉7下表面与封装外壳2底面之间，在导热绝缘片8的上表面与热沉7下表面之间设置有金属层；在导热绝缘片的下表面与封装外壳底面之间设置有金属层，所述金属层为铜层，厚度为80μm。所述的导热绝缘片为氮化铝陶瓷片，氮化铝陶瓷片的厚度为600μm。

实施例5、

如实施例4所述光纤耦合输出半导体激光器的封装方法，包括步骤如下：

（1）在导热绝缘片8下表面的金属层上蒸焊料，将导热绝缘片8下表面与封装外壳2底面固定连接；

（2）在导热绝缘片8的上表面的金属层上蒸焊料，将导热绝缘片8上表面与的热沉7的底面固定连接；

（3）按现有技术在热沉7顶面安装激光二极管芯片5；

（4）将激光二极管芯片5的P面通过电极与外部电源正极相连；将激光二极管芯片5的N面通过电极与外部电源负极相连。

实施例6、

实施例4所述一种光纤耦合输出半导体激光器封装结构，不同之处在于，在导热绝缘片的上表面和下表面均设置金属层为钛层，厚度为70μm。所述的导热绝缘片为氮化铝陶瓷片，氮化铝陶瓷片的厚度为1000μm。

与现有的光纤耦合输出半导体激光器封装结构相比，原有仅通过热沉进行导热，其导热率为1-10，而采用了发明中所述的封装结构后，其整体封装结构的导热率提高400倍以上。

Claims (10)

1.一种光纤耦合输出半导体激光器封装结构，包括封装外壳、电极、在封装外壳内设置的热沉、在热沉上设置的激光二极管芯片，在封装外壳的侧壁上设置有输出管，其特征在于，在激光二极管芯片与封装外壳之间设置有导热绝缘片，所述激光二极管芯片的P面通过电极与外部电源的正极相连；所述激光二极管芯片的N面通过电极与外部电源的负极相连。

2.根据权利要求1所述的一种光纤耦合输出半导体激光器封装结构，其特征在于，所述的导热绝缘片设置在激光二极管芯片P面与热沉上表面之间，在导热绝缘片的上表面与激光二极管芯片P面之间设置有金属层，在导热绝缘片的下表面与热沉上表面之间设置有金属层。

3.根据权利要求1所述的一种光纤耦合输出半导体激光器封装结构，其特征在于，所述的导热绝缘片设置在热沉下表面与封装外壳底面之间，在导热绝缘片的上表面与热沉下表面之间设置有金属层；在导热绝缘片的下表面与封装外壳底面之间设置有金属层。

4.根据权利要求2或3所述的一种光纤耦合输出半导体激光器封装结构，其特征在于，在导热绝缘片的上表面和下表面均设置金属层为钛层、金层或铜层，所述金属层的厚度范围为2-100μm，优选的，所述金属层的厚度范围为50-80μm。

5.根据权利要求1所述的一种光纤耦合输出半导体激光器封装结构，其特征在于，所述导热绝缘片为绝缘碳化硅晶片、绝缘陶瓷或金刚石。

6.根据权利要求5所述的一种光纤耦合输出半导体激光器封装结构，其特征在于，所述绝缘碳化硅晶片的厚度范围为200-1000μm。

7.根据权利要求5所述的一种光纤耦合输出半导体激光器封装结构，其特征在于，所述的绝缘陶瓷片为氮化铝陶瓷片，氮化铝陶瓷片的厚度为200-1000μm。

8.根据权利要求1所述的一种光纤耦合输出半导体激光器封装结构，其特征在于，所述的电极通过绝缘子横穿设置在封装外壳侧壁内，电极的一端与外部电源相连，电极的另一端与封装外壳内部的激光二极管芯片相连。

9.一种如权利要求2所述的一种光纤耦合输出半导体激光器封装结构的封装方法，其特征在于，包括步骤如下：

（1）按现有技术在封装外壳底面设置热沉；

（2）在热沉的上表面蒸焊料，将导热绝缘片下表面的金属层与热沉固定连接，所述的焊料为熔化温度较低的铟合金或锡合金；

（3）在导热绝缘片上表面的金属层蒸焊料，将激光二极管芯片的P面与导热绝缘片上表面固定连接；

（4）将激光二极管芯片的P面通过电极与外部电源正极相连；将激光二极管芯片的N面通过电极与外部电源负极相连。

10.一种如权利要求3所述的一种光纤耦合输出半导体激光器封装结构的封装方法，其特征在于，包括步骤如下：

（1）在导热绝缘片下表面的金属层上蒸焊料，将导热绝缘片下表面与封装外壳底面固定连接；

（2）在导热绝缘片的上表面的金属层上蒸焊料，将导热绝缘片上表面与的热沉的底面固定连接；

（3）按现有技术在热沉顶面安装激光二极管芯片；

（4）将激光二极管芯片的P面通过电极与外部电源正极相连；将激光二极管芯片的N面通过电极与外部电源负极相连。

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