CN104242048B - 一种传导冷却叠阵半导体激光器封装结构 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种新的传导冷却叠阵半导体激光器封装结构，解决了现有封装结构体积偏大、系统集成性差的问题。该传导冷却叠阵半导体激光器封装结构中，叠阵模块芯片堆叠方向的两个端面贴合焊接有正极连接块和负极连接块；绝缘热沉的表面以中心对称方式设置有互不接触的两个L形导电片，分别作为引出正电极、引出负电极；正极连接块和负极连接块的底部分别对应焊接固定于两个L形导电片的长部，叠阵模块对应于这两个L形导电片在绝缘热沉的表面围成的区域；两个L形导电片的短部设置有安装孔。

Description

一种传导冷却叠阵半导体激光器封装结构

技术领域

本发明涉及一种传导冷却叠阵半导体激光器封装结构，尤其适用于高功率半导体激光器泵浦固体激光器或直接照明应用。

背景技术

半导体激光器具有体积小巧、重量轻、电光转换效率高、可靠性高和寿命长等优点，可广泛应用于泵浦固体和光纤激光器，这些激光器可应用于激光信息传输、材料加工、医疗和美容、科学研究、激光印刷、军事国防和激光娱乐显示等方面；也可经过光学整形后直接应用于材料表面处理、激光夜视照明系统、激光脱毛等领域。越来越多的应用要求半导体激光器具有更高的功率密度，更长的寿命、更高的稳定性和可靠性，以及更长的储存时间的特点。如何保证高功率半导体激光器在长时间的使用过程中持续保持高效的工作能力，这给半导体激光器本身和封装技术带来了巨大的挑战。

为满足上述要求，目前的商业化传导冷却型高功率半导体激光器产品已经开始采用金锡焊料封装技术，可以有效避免由于软焊料铟封装导致的电迁移、电热迁移以及热疲劳所引起的失效，也可满足长存储时间以及在苛刻条件下稳定工作的要求。因此，这些激光器产品有望在外太空探索、航空航天、自由空间通信、脉冲式激光材料加工、高温泵浦固体/光纤激光器等领域得到广泛的应用。

图7为目前传统的传导冷却型半导体激光器叠阵，是将多个半导体激光芯片和多个衬底铜钨同时焊接即一次焊接后整体焊接在绝缘导热片上，然后再将该模组焊接在散热器上；引出电极设置在激光芯片层叠方向的两侧，即正负引出电极连线平行于激光芯片层叠方向。该结构存在以下不足：

(1)体积偏大。由于正负引出电极的连线垂直于激光芯片纵向，即且正负引出电极连线平行于激光芯片层叠方向，使得该模块的体积偏大，在产业上难以实现小型化；

(2)系统集成性差；由于该设计结构在激光芯片层叠方向的宽度偏大，导致体积偏大，不利于空间有限的系统集成，限制了其在激光器半导体侧泵固体激光器的应用。

如图8为传统的传导冷却型半导体激光器叠阵正负极引出电极与激光芯片层叠方向的关系示意图；传统传导冷却叠层阵列高功率半导体激光器引出电极设置在激光芯片层叠方向的两侧，正负引出电极的连线平行于激光芯片层叠方向，即如图8所示引出正电极和引出负电极连线10与激光器芯片层叠方向9相垂直。

发明内容

本发明提出一种新的传导冷却叠阵半导体激光器封装结构，解决了现有封装结构体积偏大、系统集成性差的问题。

本发明的解决方案如下：

一种传导冷却叠阵半导体激光器封装结构，包括激光芯片组和绝缘热沉，所述激光芯片组采用了多个激光芯片形成叠阵模块，其中各个激光芯片均带有衬底；其特殊之处在于：

所述叠阵模块芯片堆叠方向的两个端面贴合焊接有正极连接块和负极连接块；所述绝缘热沉的表面以中心对称方式设置有互不接触的两个L形导电片，分别作为引出正电极、引出负电极；正极连接块和负极连接块的底部分别对应焊接固定于两个L形导电片的长部，叠阵模块对应于这两个L形导电片在绝缘热沉的表面围成的区域(一般设计为与所述长部平行的条形区域)；两个L形导电片的短部设置有安装孔。

这里所说的绝缘热沉由绝缘材料制成，或者也可以是在非绝缘的衬底上表面覆盖一绝缘层与L形导电片相接。

这里所说的安装孔是强调贯通，可以是传统的圆孔，也可以是外缘处有缺口的孔。

基于以上解决方案，本发明还进一步作如下优化限定和改进：

上述绝缘热沉与其表面设置的L形导电片为一体件，该一体件采用表面覆铜或覆铜钨的陶瓷基板制成，或者采用表面镀铜或镀铜钨的陶瓷基板制成。

叠阵模块在所述区域处悬空；或者在所述区域设置有与各个激光芯片安装高度相适配的平行导热条，各个激光芯片与平行导热条焊接固定。

对于设置有平行导热条的情况，绝缘热沉、L形导电片以及平行导热条也可以全部为一体件，该一体件采用表面覆铜或覆铜钨的陶瓷基板制成，或者采用表面镀铜或镀铜钨的陶瓷基板制成。

这里的“L形导电片”只是限定大致呈L形的片状结构即可，并不绝对要求标准的L型一体薄片，即可以允许L形导电片的长部、短部厚度不同，也可以允许长部与短部以例如倒圆角的形式转接(而不是标准的直角)等。

利用上述传导冷却叠阵半导体激光器封装结构可以组装得到环形系统，多个传导冷却叠层阵列高功率半导体激光器围绕晶体棒环形排布，每个传导冷却叠层阵列高功率半导体激光器中，两个L形导电片的短部连线方向与晶体棒轴线平行。

本发明具有以下优点：

1、充分利用了基础热沉的面积，配合设计了独特的L形电极，结构紧凑，显著降低了封装结构的体积且便于安装固定，同时提高了散热性能。

2、利用多个传导冷却叠层阵列高功率半导体激光器能够形成紧凑的环形系统，在有限的空间下实现高功率输出，对于半导体激光器侧面泵浦固体激光器的应用具有非常重要的意义。

3、采用表面覆铜或铜钨的陶瓷基板、表面镀铜或表面镀铜钨的陶瓷基板作为热沉材料，可进行无铟化封装，制备出的叠阵半导体激光器产品的可靠性、长期储存和工作寿命相对较高。

4、产品安装时主要仅涉及三个分立的部件，即绝缘热沉、表面覆铜或铜钨的陶瓷基板或者表面镀铜或表面镀铜钨的陶瓷基板、安装螺钉，因此制造成本降低，操作工艺简单，仅需要先对激光巴条进行贴片，做出巴条组，再与绝缘热沉组装焊接在一起即可。

5、由于采用了一体化的热沉设计思路，消除了现有结构导热陶瓷和两边的电极绝缘在垂直方向上的尺寸公差带来的组装问题；在测试和安装本实用新型产品时，降低了热沉材料(陶瓷材料等)碎裂的风险；

6、由于采用了一体化的热沉设计思路，也避免了引出电极外形结构复杂，加工难度大和工艺复杂的问题，还避免了由于尺寸公差的问题导致引出电极和底部导热陶瓷之间出现焊接空洞的问题。

附图说明

图1为本发明第一种实施例的结构组装示意图。

图2为图1所示结构的产品示意图(该示例中叠阵本体悬空)。

图3为本发明第二种实施例的结构组装示意图(该示例中叠阵本体将与平行导热条接触)。

图4为本发明第三种实施例的产品示意图(该示例中安装孔为圆孔)。

图5为采用多个图1所示结构的产品组建的环形侧面泵浦系统的示意图。

图6为本发明正负极引出电极与激光芯片层叠方向的关系示意图。

图7为传统传导冷却叠层阵列高功率半导体激光器结构示意图。

图8为传统传导冷却叠层阵列高功率半导体激光器正负极引出电极与激光芯片层叠方向的关系示意图。

1-激光芯片组(叠阵模块)，2-绝缘热沉，3-正极连接块，4-负极连接块，5-L形导电片(引出正电极)，6-L形导电片(引出负电极)，7-安装孔，8-平行导热条，9-为激光芯片层叠方向；10-为引出正电极与引出负电极连线(两个L形导电片的短部连线)；11-为晶体棒。

具体实施方式

如图1所示，本发明的传导冷却叠阵半导体激光器封装结构，包括激光芯片组1和绝缘热沉2，激光芯片组1采用了多个激光芯片形成叠阵模块，其中各个激光芯片均带有衬底；所述叠阵模块芯片堆叠方向的两个端面贴合焊接有正极连接块3和负极连接块4；所述绝缘热沉的表面以中心对称方式设置有互不接触的两个L形导电片，分别作为引出正电极5、引出负电极6；正极连接块3和负极连接块4的底部分别对应焊接固定于两个L形导电片的长部，叠阵模块1对应于这两个L形导电片在绝缘热沉的表面围成矩形的长条区域(是否矩形，视L形导电片长部的形状而定)；两个L形导电片的短部设置有安装孔。

如图3所示可以在绝缘热沉2上设置平行导热条8用于增加散热。

绝缘热沉2、L形导电片以及平行导热条全部整体采用覆铜陶瓷基板一体制成。

考虑到加工余量，叠阵模块1在条形区域处悬空，如图2所示。也可以在条形区域设置有与各个激光芯片安装高度相适配的平行导热条8，各个激光芯片与平行导热条8焊接固定，如图3所示。

图6为本发明正负极引出电极与激光芯片层叠方向的关系示意图；此种结构的传导冷却叠层阵列高功率半导体激光器引出电极设置在激光芯片层叠方向的两侧，正、负引出电极的连线垂直于激光芯片层叠方向，即如图6，引出正电极与引出负电极连线10与激光器芯片层叠方向9相垂直。

利用以本发明传导冷却叠阵半导体激光器封装结构为单元，可以组装得到如图5所示的环形系统，充分利用空间实现高功率输出。多个传导冷却叠阵半导体激光器围绕晶体棒11环形排布，每个传导冷却叠阵半导体激光器中，引出正电极与引出负电极连线10方向与晶体棒轴线平行。

Claims (6)

1.一种传导冷却叠阵半导体激光器封装结构，包括激光芯片组和绝缘热沉，所述激光芯片组采用了多个激光芯片形成叠阵模块，其中各个激光芯片均带有衬底；

其特征在于：所述叠阵模块芯片堆叠方向的两个端面贴合焊接有正极连接块和负极连接块；所述绝缘热沉的表面以中心对称方式设置有互不接触的两个L形导电片，分别作为引出正电极、引出负电极；正极连接块和负极连接块的底部分别对应焊接固定于两个L形导电片的长部，叠阵模块对应于这两个L形导电片在绝缘热沉的表面围成的区域；两个L形导电片的短部设置有安装孔。

2.根据权利要求1所述的传导冷却叠阵半导体激光器封装结构，其特征在于：所述绝缘热沉与其表面设置的L形导电片为一体件，该一体件采用表面覆铜或覆铜钨的陶瓷基板制成，或者采用表面镀铜或镀铜钨的陶瓷基板制成。

3.根据权利要求1所述的传导冷却叠阵半导体激光器封装结构，其特征在于：叠阵模块在所述区域处悬空。

4.根据权利要求1所述的传导冷却叠阵半导体激光器封装结构，其特征在于：在所述区域设置有与各个激光芯片安装高度相适配的平行导热条，各个激光芯片与平行导热条焊接固定。

5.根据权利要求4所述的传导冷却叠阵半导体激光器封装结构，其特征在于：所述绝缘热沉、L形导电片以及平行导热条为一体件，该一体件采用表面覆铜或覆铜钨的陶瓷基板制成，或者采用表面镀铜或镀铜钨的陶瓷基板制成。

6.基于权利要求1所述传导冷却叠阵半导体激光器封装结构组装的环形系统，其特征在于：多个传导冷却叠阵半导体激光器封装结构围绕晶体棒环形排布，每个传导冷却叠阵半导体激光器封装结构中，两个L形导电片的短部连线方向与晶体棒轴线平行。