CN105790071A - 一种高功率半导体激光器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种新型高功率半导体激光器及其制备方法，可以有效解决现有结构方案中激光器合格率低、工艺复杂、键合质量差以及可靠性不高等问题，促进传导冷却型高功率半导体激光器向更高功率发展。该高功率半导体激光器，包括散热器和由若干个激光器芯片及其衬底构成的芯片组模块，衬底的底部通过焊料键合到散热器上，所述衬底的主体为绝缘导热块；对应于衬底上激光器芯片的键合区域，所述绝缘导热块的正面和背面均设置有导电导热层，正面的导电导热层与背面的导电导热层之间经由绝缘导热块的表面和/或内部贯通设置的导电材料形成电连接。

Description

一种高功率半导体激光器及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种高功率半导体激光器的结构及其制备工艺。

背景技术

现有的传导冷却型高功率半导体激光器的封装工艺如图1～2所示。

图1所示方案是将多个芯片和多个导电导热衬底(如铜、铜钨、钼铜等)同时焊接后，再整体焊接在绝缘导热基片上，然后将该模块键合在散热器上，固定通电电极，完成激光器的制备。

该方案存在以下缺点：

(1)散热差：步骤1中，由于多个导电导热衬底加工工艺问题，很难做到上下平齐(公差较大，总有高度差)，导致步骤2中很难均匀的键合在绝缘导热片上，使得该产品的散热差，难以实现高功率、高占空比应用。

(2)可靠性差：该制备过程利用了不同焊料的阶梯熔点特性，所以步骤2和步骤3须用比步骤1熔点低的焊料，低熔点焊料长时间稳定性和可靠性低，对使用环境要求高(无法高温使用)，加之该结构无法克服的散热性差，产品整体的寿命较短，可靠性低。

图2为目前主流的传导冷却型高功率半导体激光器阵列独立陶瓷新型结构制备方法，将单个芯片、导电导热衬底及绝缘导热片同时焊接，制成半导体激光器发光单元(COC-ChiponCarrier)，对半导体发光单元进行相应的测试、老化、筛选，然后将合格的半导体激光器发光单元通过绝缘导热片键合在散热器上，制成传导冷却型高功率半导体激光器。

存在如下缺点：

(1)工艺复杂，成本高：该工艺过程中芯片先后通过两次键合，工艺要求高；半导体激光器发光单元与散热器的键合需要精密夹具并对位，对封装设备及操作人员要求极高，整个过程人工及设备投入高。

(2)合格率低：该工艺过程中芯片先后通过两次键合，会对芯片造成重复损伤；二次键合会出现空洞、虚焊、浸润性差，最终导致焊接质量较差，合格率低。焊接不良也会导致散热差，可靠性及寿命降低。

发明内容

为了克服现有高功率半导体激光器封装技术存在的不足，本发明提出一种新型高功率半导体激光器及制备工艺，可以有效解决现有结构方案中激光器合格率低、工艺复杂、键合质量差以及可靠性不高等问题，促进传导冷却型高功率半导体激光器向更高功率发展。

本发明的基本方案如下：

一种高功率半导体激光器，包括散热器和由若干个激光器芯片及其衬底构成的芯片组模块，衬底的底部通过焊料键合到散热器上，所述衬底的主体为绝缘导热块；对应于衬底上激光器芯片的键合区域，所述绝缘导热块的正面和背面均设置有导电导热层，正面的导电导热层与背面的导电导热层之间经由绝缘导热块的表面和/或内部贯通设置的导电材料形成电连接。

在以上基本方案的基础上，本发明还作了以下重要的优化和改进：

绝缘导热块及其正面和背面的导电导热层以及构成电连接的导电材料为一体结构。

所述一体结构最好采用DBC结构(DirectBondingCopper)或者DPC结构(DirectPlatingCopper)。绝缘导热块表面和/或内部的导电导热层可以通过镀、覆、3D打印、物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、物理化学气相沉积(PCVD)、电子溅射、涂覆、喷涂、熔渗、结合化学物理抛光(CMP)、精密切割等工艺加工制成。

经由绝缘导热块的表面设置的导电材料的结构形式可以分为两大类：

1、设置于绝缘导热块顶部和/或绝缘导热块侧部的覆层或者镀层。

2、自正面的导电导热层贯通至背面的导电导热层的一处或多处柱形结构。

对于第二类结构，所述柱形结构优选方柱、圆柱或者椭圆柱，或者这三种柱形中的任意组合。

考虑到适应目前常用的键合工艺(通常要对衬底底部进行金属化处理)，本发明中绝缘导热块的底部宜经金属化处理形成有金属薄膜，该金属薄膜与绝缘导热块正面和背面的导电导热层及其电连接结构之间保持间隔。

散热器表面还可在衬底焊接位置对应设置有与激光器芯片方向平行的细槽以降低热应力，细槽的宽度小于相邻绝缘导热块之间的间距。

绝缘导热块可采用氧化铝、氮化铝、氧化铍、碳化硅、金刚石或者金刚石铜复合材料；所有的导电材料可采用铜、钨、钼、金、银、铝、铜钨、钼铜、铜钼铜或者金刚石铜复合材料。

本发明还提出一种制备上述高功率半导体激光器的方法，包括以下步骤：

1)按照同一工艺条件，批量加工权利要求1中所述的衬底；

2)将若干个激光器芯片及其衬底依次排列并键合在一起，制成芯片组模块；

3)采用硬焊料将芯片组模块键合在散热器上，连接相关电极，制成传导冷却型高功率半导体激光器。

本发明具有以下特点和有益效果：

1、基于本发明衬底的结构，将芯片和衬底间隔排列，可一次性键合形成叠阵结构，键合效果一致性好，；能够避免现有技术中芯片两次键合(特别是第二次焊接)对芯片造成的损伤，可以大大降低芯片键合时的虚焊、空洞发生，保证每个芯片与衬底材料接触良好，散热均匀，最终提高激光器封装的成品率。

2、基于本发明衬底的结构，可采用高熔点焊料，实现真正的硬焊料(无铟化)封装，能增强产品的抗疲劳能力和热稳定性，最终提高产品的寿命和可靠性。

3、基于本发明衬底的结构，可以将所有衬底制成统一的标准件，克服了此前各个衬底之间的加工高度差问题，芯片组与散热器之间的键合质量大大提高，加强了产品抗疲劳能力和稳定性，能够实现真正的硬焊料(无铟化)封装，使产品更适用于高温等复杂环境。

4、制备工艺极大简化，封装过程只需两步，物料种类少，封装夹具要求低，因此物料成本及人工成本节约显著。

5、本发明的衬底自身可以利用目前成熟的加工技术一次加工成型，不用多次焊接，本身残余应力小且一致性好；散热器上通过刻槽，可以大大减小芯片组与散热器之间热膨胀系数不匹配问题影响，降低对芯片的额外受力和应力影响，可以提高产品的光谱、功率特性及长时间稳定性。

6、本发明的衬底可进行焊料镀膜或焊料预固定处理，能实现批量化、高精度、高效率生产。

7、本发明更适合于多芯片、长腔长产品的封装，能够实现更高功率密度、更高峰值功率的输出。

附图说明

图1、图2为现有技术的示意图。

图3为本发明的制备工艺示意图。

图4为本发明的高功率半导体激光器封装结构示意图。图中，1-衬底，2-激光器芯片，3-出光方向，4-散热器。

图5为本发明中衬底结构的第一个实施例。图中，11-衬底本体(高导热绝缘材料)，12-衬底上具有顶部覆/镀层的芯片电连接结构(高导热导电材料)，13-底部的导电导热覆/镀层。

图6为本发明中衬底结构的第二个实施例。图中，11-衬底本体(高导热绝缘材料)，12-衬底上具有侧部覆/镀层的芯片电连接结构(高导热导电材料)，13-底部的导电导热覆/镀层。

图7为本发明中衬底结构的第三个实施例。图中，11-衬底本体(高导热绝缘材料)，12-衬底具有内部贯通填充的芯片电连接结构(高导热导电材料)，13-底部的导电导热覆/镀层。

图8-图10为图7所示结构的剖面示意图。图中，11-衬底本体(高导热绝缘材料)，12-衬底具有内部贯通填充的芯片电连接结构(高导热导电材料)，13-底部的导电导热覆/镀层，14-芯片电连接结构中的柱形贯通部分。

图11为本发明中散热器的优化结构示意图。图中，41-散热器本体，42-散热器表面的细槽。

具体实施方式

如图4所示，本发明的高功率半导体激光器主要由衬底1、激光器芯片2、散热器4及相互焊接在一起的焊料层构成。其中，衬底1可以认为是一种绝缘高导热材料覆(镀)高导热导电材料基片，分为两类不同的结构形式：

第一种如图5和图6所示，衬底的主体为高导热绝缘材料。对应于衬底上激光器芯片的键合区域，衬底正面和背面也均有覆(镀)层高导热导电材料(即这两面的高导热导电材料至少覆盖激光器芯片的键合区域)，并通过衬底顶部和/或侧部覆(镀)层高导热导电材料形成衬底正面与衬底背面之间的导电联通。衬底底部有覆(镀)层高导热导电材料，用于与散热器直接焊接；这部分覆(镀)层高导热导电材料须与前述导电联通的覆(镀)层高导热导电材料隔开不相连。

第二种如图7所示，该方案与第一种方案大体相同，不同的是：为了将衬底正面和衬底背面导电联通，是在绝缘高导热材料的衬底本体内部贯通设置覆(镀)层高导热导电材料，其贯通形状可以是方柱孔、圆柱孔、椭圆柱孔或若干个圆柱孔、椭圆柱孔等的组合(参见图8、图9、图10)。贯通填充的材料与衬底正面和衬底背面的覆(镀)层高导热导电材料为同种材料，一体成型。

本发明中的高导热绝缘材料热导率宜大于150W/m.k，如陶瓷材料、陶瓷金属复合材料、金刚石材料或金刚石金属复合材料，具体可以采用氧化铝、氮化铝、氧化铍、碳化硅、金刚石、金刚石铜等复合材料；覆(镀)层高导热导电材料的厚度宜大于12um，可以为铝、铜、银、金等。

本发明中的激光器芯片可以是单管芯片、巴条芯片或者微型巴条芯片(多发光点芯片)，也可以是多个管芯片连接组成，或多个巴条芯片(或微型巴条芯片)串接或并接组成。

本发明中的散热器为高热率材料制成，热导率宜大于200W/m.k；可以使用风冷、液体制冷、电制冷或其中两种或两种以上组合方式制冷。

如图11所示，为了更好的消除散热器热胀冷缩对芯片组影响，在散热器表面与芯片组焊接位置刻有一系列与芯片方向平行的细槽42，细槽宽度小于相邻绝缘导热块之间的间距。

该高功率半导体激光器产品的制备方法如下：

步骤一：按照同一工艺条件，批量加工衬底；这种高导热绝缘材料覆(镀)高导热导电材料基片可进行焊料镀膜或焊料预固定处理。可做单面或双面处理，该工艺可完全批量化生产，保证工艺一致性。

步骤二：将多个芯片及其衬底依次间隔排列焊接在一起，制成芯片组模块。由于采用了一次焊接的思路，可以完全避免芯片二次焊接带来的芯片损伤和焊接不良，大大提高芯片的焊接质量、散热效果及合格率。

步骤三：将芯片组模块焊接在散热器上，连接相关电极，制成传导冷却型高功率半导体激光器。该工艺步骤可以使用比键合芯片熔点稍低的焊料，避免使用软焊料(铟，锡铅等)，提高产品可靠性。

产品工作原理：产品封装完成通电后，通过高导热绝缘材料覆(镀)高导热导电材料基片(衬底)导通芯片，芯片受激发光，未转换成光的部分热量通过高导热绝缘材料覆(镀)高导热导电材料(衬底)传递到散热器上，最终由散热器带走。

Claims (10)

1.一种高功率半导体激光器，包括散热器和由若干个激光器芯片及其衬底构成的芯片组模块，衬底的底部通过焊料键合到散热器上，其特征在于：所述衬底的主体为绝缘导热块；对应于衬底上激光器芯片的键合区域，所述绝缘导热块的正面和背面均设置有导电导热层，正面的导电导热层与背面的导电导热层之间经由绝缘导热块的表面和/或内部贯通设置的导电材料形成电连接。

2.根据权利要求1所述的高功率半导体激光器，其特征在于：绝缘导热块及其正面和背面的导电导热层以及构成电连接的导电材料为一体结构。

3.根据权利要求2所述的高功率半导体激光器，其特征在于：所述一体结构为DBC结构(DirectBondingCopper)或者DPC结构(DirectPlatingCopper)。

4.根据权利要求1所述的高功率半导体激光器，其特征在于：经由绝缘导热块的表面设置的导电材料的结构形式是：设置于绝缘导热块顶部和/或绝缘导热块侧部的覆层或者镀层。

5.根据权利要求1所述的高功率半导体激光器，其特征在于：经由绝缘导热块的内部贯通设置的导电材料的结构形式是：自正面的导电导热层贯通至背面的导电导热层的一处或多处柱形结构。

6.根据权利要求5所述的高功率半导体激光器，其特征在于：所述柱形结构为方柱、圆柱或者椭圆柱，或者这三种柱形中的任意组合。

7.根据权利要求1所述的高功率半导体激光器，其特征在于：所述绝缘导热块的底部经金属化处理形成有金属薄膜，该金属薄膜与绝缘导热块正面和背面的导电导热层及其电连接结构之间保持间隔。

8.根据权利要求1所述的高功率半导体激光器，其特征在于：所述散热器表面在衬底焊接位置对应设置有与激光器芯片方向平行的细槽以降低热应力，细槽的宽度小于相邻绝缘导热块之间的间距。

9.根据权利要求1所述的高功率半导体激光器，其特征在于：所述绝缘导热块采用氧化铝、氮化铝、氧化铍、碳化硅、金刚石或者金刚石铜复合材料；所有的导电材料采用铜、钨、钼、金、银、铝、铜钨、钼铜、铜钼铜或者金刚石铜复合材料。

10.一种制备权利要求1所述高功率半导体激光器的方法，包括以下步骤：

1)按照同一工艺条件，批量加工权利要求1中所述的衬底；

2)将若干个激光器芯片及其衬底依次排列并键合在一起，制成芯片组模块；

3)采用硬焊料将芯片组模块键合在散热器上，连接相关电极，制成传导冷却型高功率半导体激光器。