CN105703214A - 一种基于绝缘热沉的液体制冷半导体激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于绝缘热沉的液体制冷半导体激光器，满足高功率、环境适应性以及可靠性等要求。该液体制冷半导体激光器的液体制冷器的上表面设置有第一绝缘层，在第一绝缘层上设置有第一导电导热层；第一导电导热层分为互相绝缘的两个区域，分别作为正极区和负极区，其中激光芯片的正极面直接键合于所述正极区，激光芯片的负极面通过金线与所述负极区连接。

Description

一种基于绝缘热沉的液体制冷半导体激光器
技术领域
本发明涉及一种液体制冷半导体激光器。
背景技术
目前半导体激光器封装结构主要分为液体制冷型和传导冷却型两大类，传导冷却型由于散热原理的限制，在功率的实现上也受到了限制，很难实现大功率器件。液体制冷型的半导体激光器封装结构是目前实现大功率器件的主要选择方式。
液体制冷型的半导体激光器封装结构主要包括微通道和宏通道两类：
1)微通道液体制冷型半导体激光器，由于微通道热沉散热非常好(内部有微小的散热通道)，所以可以实现较高功率，但由于其热沉带电工作，存在电化学腐蚀，导致长期使用存在通道堵塞的问题；该结构对制冷液体水质的要求很高，一旦客户使用自来水或换水不及时，很快就会失效；
2)现有宏通道液体制冷型半导体激光器，虽然宏通道热沉具有较大的液体通道，明显改善了微通道热沉堵塞的问题，但是由于自身散热效率限制，在实现更高功率方面受到限制。虽然其内部通道大，可以降低水质要求。但由于其热沉带电工作，如果水质太差(比如自来水)，产品还是会在使用中因电化学反应产生的金属氧化堵塞物而失效；
上述两种结构激光器的热沉均在激光器工作时带电，使用中均存在制冷液的电化学反应产生的金属氧化堵塞物而失效。
发明内容
本发明提供一种基于绝缘热沉的液体制冷半导体激光器，满足高功率、环境适应性以及可靠性等要求。
本发明的技术方案如下：
一种基于绝缘热沉的液体制冷半导体激光器，包括激光芯片和液体制冷器，该液体制冷器内部具有液体制冷回路；液体制冷器的上表面设置有第一绝缘层，在第一绝缘层上设置有第一导电导热层；第一导电导热层分为互相绝缘的两个区域，分别作为正极区和负极区，其中激光芯片的正极面直接键合于所述正极区，激光芯片的负极面通过金线与所述负极区连接。
对于单个半导体激光器，这里的正极区和负极区可以直接连接电源；对于多个半导体激光器构成的叠阵，可以采用以下改进的结构便于叠阵的电连接：还在液体制冷器的下表面设置有第二绝缘层，在第二绝缘层上设置有第二导电导热层，第二导电导热层通过导电连接件连接至所述第一导电导热层。
这里所说的“液体制冷器的上下表面”，上、下是相对的概念，而并非绝对方位的限定。
在以上基本方案和改进方案的基础上，本发明还进一步作了以下重要优化：
正极区和负极区是由第一导电导热层分割而成的两个保持间距的区域，两者之间为空或者采用绝缘介质阻隔。
第一导电导热层和第一绝缘层为一体结构；进一步优选DBC结构或者DPC结构，其中绝缘部分采用氮化铝陶瓷或者氧化铍陶瓷。
导电连接件可以有多种形式，本发明提供具体以下两类结构：
1、导电连接件采用U型连接片的结构形式，U型连接片由两个平行端直部和连接这两个平行端直部的弯折端部构成；所述第二导电导热层作为U型连接片的第二平行端直部与第二绝缘层表面贴合，该U型连接片的第一平行端直部贴合于所述正极面上未与激光芯片键合的区域，并避免与负极面接触。
其中，所述U型连接片与激光芯片的相对位置优选设置为分别位于液体制冷器的两端，设两者连线的方向为轴向，则U型连接片的弯折端部的设置方位满足U型开口方向为轴向。
2、导电连接件是自第一导电导热层贯穿液体制冷器至第二导电导热层形成的内部连通管道；该内部连通管道中设置有导电介质，或该内部连通管道自身具有导电性。
选材方面，绝缘材料是从氮化铝陶瓷、氧化铍陶瓷和聚酰亚胺中任意选取，第一导电导热层为铜箔。这里的“任意选取”，是指第一绝缘层和第二绝缘层以及其他位置的绝缘介质可以分别选择不同的材质，也可以选择同一种材质。
以前述液体制冷半导体激光器为单元，可简便地组装获得高功率液体制冷半导体激光器叠阵，该叠阵由多个液体制冷半导体激光器沿激光芯片的慢轴依次排列构成，或者由多个液体制冷半导体激光器沿激光芯片的快轴依次叠加构成。
具体连接形式通常是叠阵最上方的半导体激光器的负极区引出接电源负极，叠阵最下方的半导体激光器的正极区引出接电源正极，叠阵的半导体激光器相互串联或并联。
本发明具有以下优点：
1、使用液体制冷型Cooler结构，满足了高功率器件的散热需求，同时热沉电绝缘，并在电极和Cooler连接面都有绝缘层隔绝，可以保证微通道Cooler在工作中完全绝缘，避免了电化学腐蚀。
2、激光芯片不直接接触热沉，降低了芯片应力，省去了增加铜钨缓释层工序。
3、热沉绝缘前提下的正负极电连接更加可靠，尤其设计的U型电极连接片结构简明，使用方便，非常适合在半导体激光器中可靠使用。在垂直叠阵结构中，如何实现上下2个Cooler的电联接是一项技术难点。本发明通过U型电极连接片的结构设计，可以将绝缘的Cooler直接应用到垂直叠阵结构中。基于U型电极连接片，每个Cooler的负极和位于其上的Cooler的正极紧密联接，电极和Cooler间有绝缘层隔绝，不会影响Cooler电隔绝的特性。
附图说明
图1为本发明的基本结构示意图。
图2为本发明实施例一的示意图(主视图)。
图3为本发明实施例一的示意图(俯视图)。
图4为本发明实施例二的示意图。
附图标号说明：
1-热沉(液体制冷器)，2-激光芯片，3-第一绝缘层，4-第二绝缘层，5-第一导电导热层(铜箔)，51-正极区，52-负极区，6-绝缘垫层，7-U型连接片；8-导电管道，9-第二导电导热层，10-金线，11-用于阻隔正极区和负极区的绝缘块。
具体实施方式
如图1所示，本发明的基于绝缘热沉的液体制冷半导体激光器，主要由热沉、激光芯片、第一绝缘层和第一导电导热层组成。第一绝缘层使得热沉与激光芯片绝缘隔离，在第一绝缘层上的第一导电导热层又分为互相绝缘的两个区域，分别作为正极区和负极区，其中激光芯片2的正极面直接键合于正极区51，激光芯片2的负极面通过金线与负极区52连接。
热沉材料优选铜，第一绝缘层3和铜箔5优选一体结构实现，比如DBC(DirectBondedCopper)结构或者DPC(DirectPlateCopper)。
本发明的半导体激光器可以作为半导体激光器叠阵的组成单元。为了便于叠阵结构的实现，可以在热沉下方设置第二绝缘层4，使液体制冷器上方与下方电连接。电连接方式至少有以下两种优选的结构：
1)如图2、图3所示的U型电极连接方式；
2)如图4所示，设置导电管道8，连通铜箔5和下方的第二导电导热层9，且保证与热沉绝缘。
考虑到第一绝缘层采用DBC结构，目前成本较高，所以第二绝缘层可采用成本较低的PI(聚酰亚胺)绝缘材料。
半导体激光器叠阵可分为水平阵列和垂直叠阵两种组装形式：
1)水平阵列：多个半导体激光器沿激光芯片的慢轴依次排列，各自独立连接电源，或者正极区、负极区串联/分别并联后接至电源；
2)垂直叠阵：多个半导体激光器沿激光芯片的快轴叠加排列，负极区与相邻半导体激光器的第二导电导热层连接，实现串联。
本发明的半导体激光器的制备过程如下：
1.热沉自身同现有液体制冷Cooler结构相同，具有液体制冷回路；
2.芯片使用金锡焊料固定在DPC表面(由于AlN热膨胀系数同芯片的GaAs材质接近，可以使用硬焊料。)
3.将载有芯片的DPC同Cooler通过焊料回流(熔点较低)的方式固定在一起；
4.第一导电导热层(正极区和负极区)通过一种热固性PI材质(聚酰亚胺)，在150℃左右温度下固化，并紧密结合；
5.最后，通过金线键合的方式，将芯片N面和负极区联接；
这样，就完成了一个半导体激光器单元的封装过程。
以上述半导体激光器为单元制作叠阵，可通过简单的机械结构组装，使用橡胶密封圈密封水路，通过导电连接件完成电连接。

Claims (10)

1.一种基于绝缘热沉的液体制冷半导体激光器，包括激光芯片和液体制冷器，该液体制冷器内部具有液体制冷回路；其特征在于：液体制冷器的上表面设置有第一绝缘层，在第一绝缘层上设置有第一导电导热层；第一导电导热层分为互相绝缘的两个区域，分别作为正极区和负极区，其中激光芯片的正极面直接键合于所述正极区，激光芯片的负极面通过金线与所述负极区连接。
2.根据权利要求1所述的基于绝缘热沉的液体制冷半导体激光器，其特征在于：液体制冷器的下表面设置有第二绝缘层，在第二绝缘层上设置有第二导电导热层，第二导电导热层通过导电连接件连接至所述第一导电导热层。
3.根据权利要求1或2所述的基于绝缘热沉的液体制冷半导体激光器，其特征在于：所述正极区和负极区是由第一导电导热层分割而成的两个保持间距的区域，两者之间为空或者采用绝缘介质阻隔。
4.根据权利要求3所述的基于绝缘热沉的液体制冷半导体激光器，其特征在于：所述第一导电导热层和第一绝缘层为一体结构。
5.根据权利要求4所述的基于绝缘热沉的液体制冷半导体激光器，其特征在于：所述第一导电导热层和第一绝缘层采用DBC结构或者DPC结构，其中绝缘部分采用氮化铝陶瓷或者氧化铍陶瓷。
6.根据权利要求3所述的基于绝缘热沉的液体制冷半导体激光器，其特征在于：所述导电连接件采用U型连接片的结构形式，U型连接片由两个平行端直部和连接这两个平行端直部的弯折端部构成；所述第二导电导热层作为U型连接片的第二平行端直部与第二绝缘层表面贴合，该U型连接片的第一平行端直部贴合于所述正极面上未与激光芯片键合的区域，并避免与负极面接触。
7.根据权利要求6所述的基于绝缘热沉的液体制冷半导体激光器，其特征在于：所述U型连接片与激光芯片相对分别位于液体制冷器的两端，设两者连线的方向为轴向，则U型连接片的弯折端部的设置方位满足U型开口方向为轴向。
8.根据权利要求3所述的基于绝缘热沉的液体制冷半导体激光器，其特征在于：所述导电连接件是自第一导电导热层贯穿液体制冷器至第二导电导热层形成的内部连通管道；该内部连通管道中设置有导电介质，或该内部连通管道自身具有导电性。
9.根据权利要求3所述的基于绝缘热沉的液体制冷半导体激光器，其特征在于：绝缘材料是从氮化铝陶瓷、氧化铍陶瓷和聚酰亚胺中任意选取，第一导电导热层为铜箔。
10.一种高功率液体制冷半导体激光器叠阵，其特征在于：以权利要求2所述的液体制冷半导体激光器为单元；
由多个液体制冷半导体激光器沿激光芯片的慢轴依次排列构成，或者由多个液体制冷半导体激光器沿激光芯片的快轴依次叠加构成。
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