CN104269736B - 一种传导冷却叠层阵列高功率半导体激光器 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种新的传导冷却叠层阵列高功率半导体激光器，解决了现有封装结构体积偏大、系统集成性差的问题。该传导冷却叠层阵列高功率半导体激光器中，激光芯片组的安装位置对应于热沉的中部，与热沉之间设置有导热绝缘层；正极连接块、负极连接块均为L形结构，两者呈中心对称设置，并通过导热绝缘层与热沉焊接；L形结构中，长部与短部扭转相接形成不同方向的焊接面；正极连接块和负极连接块L形结构的长部分别与所述叠阵模块的两个端面相贴并焊接；正极连接块和负极连接块L形结构的短部为孔板形式作为引出电极，安装位置对应于热沉的两翼，分别通过电极绝缘层与热沉焊接。

Description

一种传导冷却叠层阵列高功率半导体激光器

技术领域

本发明涉及一种传导冷却叠层阵列高功率半导体激光器，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5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中心连线垂直于激光芯片纵向，即正负引出电极中心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6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，正负引出电极的中心连线平行于激光芯片层叠方向，即如图6所示10为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层阵列高功率半导体激光器，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：

一种传导冷却叠层阵列高功率半导体激光器，包括激光芯片组，正极连接块、负极连接块和热沉，所述激光器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；叠阵模块芯片堆叠方向的两个端面分别作为激光器芯片组的正极端和负极端，其特殊之处在于：

激光芯片组的安装位置对应于热沉的中部，与热沉之间设置有导热绝缘层；

所述正极连接块、负极连接块均为L形结构，两者呈中心对称设置，并通过导热绝缘层与热沉焊接；

L形结构中，长部与短部扭转相接形成不同方向的焊接面；

正极连接块和负极连接块L形结构的长部分别与所述叠阵模块的两个端面相贴并焊接；

正极连接块和负极连接块L形结构的短部为孔板形式作为引出电极(这里所说的“孔板”，其“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)，安装位置对应于热沉的两翼，分别通过电极绝缘层与热沉焊接。

激光芯片组可以与导热绝缘层接触，这样散热会更好些；散热要求不高时，也可以不接触。从工艺上来说，接触会使得工艺复杂，难度大；不接触的工艺简单。

基于上述解决方案，本发明还进一步作如下优化限定和改进：

上述热沉为凸台形，导热绝缘层焊接于中间的凸台部，两处电极绝缘层分别焊接于两翼的台阶部。

L形结构的长部与叠阵模块端面相贴的面与叠阵模块的出光方向相平行，与L形结构的短部的孔板平面相垂直。

通过正极连接块和负极连接块的L形结构的长部对激光芯片组的贴紧焊接固定，最好使激光芯片组悬空，即激光芯片组与导热绝缘层之间留有空隙，以消除误差带来的不利影响，便于实际加工。

导热绝缘层与电极绝缘层为一体件。

导热绝缘层采用陶瓷或金刚石。

热沉采用铜或铜钨或者铜金刚石复合材料。

电极绝缘层采用陶瓷或金刚石。

利用多个上述传导冷却叠层阵列高功率半导体激光器，可以组装形成环形系统，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，正极连接块和负极连接块的引出电极中心连线方向与晶体棒轴线平行。

本发明具有以下优点：

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，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。

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。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明结构拆解示意图；

图3为本发明激光芯片组结构示意图；

图4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5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6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；

图7为采用本发明的传导冷却叠层阵列高功率半导体激光器组装的环形系统。

1为激光芯片组；2为正极连接块；3为负极连接块；4为导热绝缘层；5为电极绝缘层；6为基础热沉；7为引出正电极；8为引出负电极；9为激光芯片层叠方向；10为引出正电极与引出负电极中心连线；11为晶体棒。

具体实施方式

如图1所示为本发明结构示意图，图2为本发明结构拆解示意图。本发明的传导冷却型半导体激光器包括激光芯片组1，正极连接块2、负极连接块3和基础热沉6。

激光器芯片组1采用了多个激光芯片形成叠阵模块，其中各个激光芯片12均带有衬底13，即将单个激光芯片12焊接在衬底13上组成模块然后将多个这样的模块依次焊接在一起组成激光器芯片组，如图3所示是本发明激光芯片组结构示意图；叠阵模块(即激光器芯片组1)堆叠方向的两个端面分别作为激光器芯片组1的正极端和负极端，激光器芯片组1的安装位置对应于基础热沉6的中部，与热沉之间设置有导热绝缘层4；

正极连接块2、负极连接块3均为L形结构，两者呈中心对称设置，并通过导热绝缘层4与基础热沉6焊接；L形结构中，长部与短部扭转相接形成不同方向的焊接面，短部作为引出电极；正极连接块2和负极连接块3L形结构的长部分别与所述叠阵模块即激光芯片组1的两个端面相贴并焊接；

正极连接块2和负极连接块3的L形结构的短部为孔板形式作为引出电极，这里所说的“孔板”，其“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，此为固定孔，安装位置对应于基础热沉6的两翼，分别通过电极绝缘层5与基础热沉6焊接；

正极连接块2和负极连接块3的L形结构的长部与叠阵模块(即激光器芯片组1)的端面相贴的面与叠阵模块的出光方向相平行，与L形结构的短部的孔板平面相垂直。

对于L型结构的具体设计，通常考虑到结构紧凑和平整，简化工艺，可以优化设计为：L形结构的长部与叠阵模块(即激光芯片组1)端面相贴的面为竖直面，孔板平面为水平面(竖直、水平是相对的概念)。当然，在实际加工时，也无须绝对垂直，可以作适应性的常规调整。

激光芯片组1可以与导热绝缘层4接触，这样散热会更好些；散热要求不高时，也可以不接触，正极连接块2和负极连接块3的L形结构的长部贴紧激光芯片组1，使得激光芯片组1悬空，即激光芯片组与导热绝缘层之间留有空隙。从工艺上来说，接触会使得工艺复杂，难度大；不接触的工艺简单。

正极连接块2和负极连接块3的L形结构的短部“孔板”的孔为固定孔，基础热沉6相应位置也可设有固定孔，当本发明作为侧面泵浦源使用时可以进行固定。

导热绝缘层4为起导热绝缘作用的材料，既可以起到良好的导热性能有可以起到绝缘的作用，从而使得基础热沉6不带电同时保证激光器芯片组1不短路，可以是陶瓷如氮化铝陶瓷，氧化铍陶瓷或者金刚石等材料，为了使其可以与正极连接块2和负极连接块3及基础热沉6更好的焊接，在导热绝缘层4的上下表面均镀有增加焊接性的金属多层结构材料，可以是金或者是先镀一层镍再镀一层金。

所述基础热沉6的材料选择导热性能好的材料，可以是金刚石、铜、铜钨或者金刚石铜复合材料。

基础热沉6可以为凸台形，导热绝缘层4焊接于中间的凸台部，两处电极绝缘层5分别焊接于两翼的台阶部，电极绝缘层5可以是陶瓷如氮化铝陶瓷，氧化铍陶瓷或者金刚石等材料。

导热绝缘层4与电极绝缘层5也可以为一体件。

图4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。如图4所示，引出正电极与引出负电极中心连线10与激光器芯片层叠方向9相垂直。

如图7所示用本发明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，正极连接块2和负极连接块3的引出电极中心连线(引出正电极7与引出负电极8的电极中连线)方向与晶体棒轴线平行。

Claims (9)

1.一种传导冷却叠层阵列高功率半导体激光器，包括激光芯片组，正极连接块、负极连接块和热沉，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；叠阵模块芯片堆叠方向的两个端面分别作为激光芯片组的正极端和负极端，其特征在于：

激光芯片组的安装位置对应于热沉的中部，与热沉之间设置有导热绝缘层；

所述正极连接块、负极连接块均为L形结构，两者呈中心对称设置，并通过导热绝缘层与热沉焊接；

L形结构中，长部与短部扭转相接形成不同方向的焊接面；

正极连接块和负极连接块L形结构的长部分别与所述叠阵模块的两个端面相贴并焊接；

正极连接块和负极连接块L形结构的短部为孔板形式作为引出电极，安装位置对应于热沉的两翼，分别通过电极绝缘层与热沉焊接。

2.根据权利要求1所述的传导冷却叠层阵列高功率半导体激光器，其特征在于：所述热沉为凸台形，导热绝缘层焊接于中间的凸台部，两处电极绝缘层分别焊接于两翼的台阶部。

3.根据权利要求1或2所述的传导冷却叠层阵列高功率半导体激光器，其特征在于：L形结构的长部与叠阵模块端面相贴的面与叠阵模块的出光方向相平行，与L形结构的短部的孔板平面相垂直。

4.根据权利要求3所述的传导冷却叠层阵列高功率半导体激光器，其特征在于：激光芯片组与导热绝缘层之间留有空隙。

5.根据权利要求3所述的传导冷却叠层阵列高功率半导体激光器，其特征在于：导热绝缘层与电极绝缘层为一体件。

6.根据权利要求3所述的传导冷却叠层阵列高功率半导体激光器，其特征在于：所述的导热绝缘层采用陶瓷或金刚石。

7.根据权利要求3所述的传导冷却叠层阵列高功率半导体激光器，其特征在于：所述的热沉采用铜或铜钨或铜金刚石复合材料。

8.根据权利要求3所述的传导冷却叠层阵列高功率半导体激光器，其特征在于：所述的电极绝缘层采用陶瓷或金刚石。

9.基于权利要求1所述传导冷却叠层阵列高功率半导体激光器组装的环形系统，其特征在于：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，正极连接块和负极连接块的引出电极中心连线方向与晶体棒轴线平行。