CN106159670A - 一种提高半导体激光器散热效率的方法及封装结构 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种提高半导体激光器散热效率的方法以及相应的封装结构，采用了多组金属与石墨以间隔排列方式制备而成的石墨‑金属复合热沉，该复合热沉在前述排列方向和其对应的其他方向上具有不同的导热率；激光芯片安装在石墨‑金属复合热沉上，激光芯片的安装面对应多组金属与石墨材料，使得激光芯片的散热路径为与石墨‑金属复合热沉中金属与石墨排列方向的垂直方向。本发明不仅解决由热应力引起的激光芯片损伤问题，而且相比传统的热沉具有更高的散热效率。

Description

一种提高半导体激光器散热效率的方法及封装结构

技术领域

本发明涉及半导体激光器封装领域，具体为一种提高半导体激光器散热效率的方法及封装结构。

背景技术

高功率半导体激光器的散热设计是封装的核心内容之一，对半导体激光器的实际输出功率有重要的影响。高功率半导体激光器的封装结构主要为激光器芯片直接键合到热沉上，热沉结构根据液体制冷方式的不同进一步分为微通道热沉、宏通道热沉以及无通道热沉，热沉材料为铜，由于铜与激光芯片的热膨胀系数（CTE）不匹配，封装时热应力作用会导致芯片内部微损伤甚至撕裂。目前对上述问题的主要解决方案为在激光芯片和铜热沉之间增加铜钨缓冲层，虽然降低了热应力对激光芯片的损伤，但是增加了散热路径，降低了散热能力。

因此，高功率半导体激光器芯片与热沉的CTE匹配以及散热效率的最大化问题是散热设计中的技术难题。

发明内容

为了解决上述技术难题，本发明提出了一种提高半导体激光器散热效率的方法以及相应的封装结构，同时解决了激光芯片与热沉的CTE匹配问题和进一步提高散热效率的问题。具体的技术方案为：

一种提高半导体激光器散热效率的方法，包括以下步骤：

1）将多组金属与石墨以间隔排列方式制备成石墨-金属复合热沉，使所述复合热沉在排列方向和其对应的其他方向上具有不同的导热率；

2）将激光芯片安装在石墨-金属复合热沉上，激光芯片的安装面对应多组金属与石墨材料，即激光芯片同时与石墨-金属复合热沉中的金属和石墨材料接触，使得激光芯片的散热路径为与石墨-金属复合热沉中金属与石墨排列方向的垂直方向。

所述石墨-金属复合热沉的间隔排列方式可以有以下几种：

a. 金属与石墨均为片状，片状金属与片状石墨以间隔排列方式制备成层状结构的石墨-金属复合热沉，用于激光芯片的安装面与金属石墨排列方向垂直，即激光芯片安装面同时覆盖多层结构，使得激光芯片的散热路径为金属石墨排列方向的垂直方向；

b. 石墨和金属选其之一作为主体，两者中的非主体材料贯通于主体材料构成石墨-金属复合热沉；

c. 石墨与金属均为条状，条状石墨与条状金属间隔排列构成石墨-金属复合热沉。

所述金属与石墨的排列方式具体为金属与石墨一一对应相互间隔排列；或者金属与石墨的个数不等，以一对多/多对一的方式间隔排列。

上述石墨-金属复合热沉在其金属与石墨排列方向上的导热率为35-110 W/m·k，与该排列方向垂直的方向上的导热率为500-1500 W/m·k。

所述石墨-金属复合热沉具体为石墨铜热沉，或者石墨铝热沉。

基于本发明提出的提高半导体激光器散热效率的方法可以制备以下几种封装结构：

方案一：一种提高半导体激光器散热效率的封装结构，包括石墨-金属复合热沉和激光芯片；所述石墨-金属复合热沉为多组金属与石墨以间隔方式排列而成；激光芯片安装于石墨-金属复合热沉上，且激光芯片的安装面对应多组金属与石墨材料，使得激光芯片同时与石墨-金属复合热沉中的金属和石墨材料接触。

上述半导体激光器封装结构还包括基础热沉；石墨-金属复合热沉设置于激光芯片和基础热沉之间，使得激光芯片的散热路径为从激光芯片起，沿石墨-金属复合热沉中金属与石墨排列方向的垂直方向传递至基础热沉上。

方案二，一种提高半导体激光器散热效率的封装结构，包括多个激光芯片和多组石墨-金属复合热沉，以及基础热沉；多个激光芯片与多组石墨-金属复合热沉依次间隔堆叠形成芯片组并形成电连接，芯片组通过前述多组石墨-金属复合热沉安装于同一基础热沉上且石墨-金属复合热沉与基础热沉之间设置有绝缘结构，所述石墨-金属复合热沉为片状金属与片状石墨以间隔排列方式制备成层状结构；前述多组石墨-金属复合热沉的堆叠方向以及相应的基础热沉的安装方向均为所述金属和石墨排列方向的垂直方向。

所述基础热沉为微通道热沉，或者宏通道热沉。

为了优化散热的均匀性，所述石墨-金属复合热沉的外部设置与其紧密接触的过渡外壳，过渡外壳将石墨-金属复合热沉完全包裹在其内部；激光芯片键合于过渡外壳上。

所述过渡外壳为铜钨。

本发明具有以下优点：

本发明公开的提高半导体激光器散热效率的方法，采用石墨-金属复合热沉作为半导体激光器的主要散热结构， CTE与激光芯片匹配，不仅解决由热应力引起的激光芯片损伤问题，而且相比传统的热沉具有更高的散热效率。

此外，本发明所提出的基于多层结构石墨-金属复合热沉的半导体激光器的封装结构，利用了多层结构石墨-金属复合热沉的二维单向高导热率（层内高热导率，层间低热导率），使得半导体激光器可以实现更高的输出功率。

附图说明

图1为石墨-金属复合热沉结构示意图。

图2为石墨-金属复合热沉结构实施例1。

图3为石墨-金属复合热沉结构实施例2。

图4为石墨-金属复合热沉结构实施例3。

图5为采用了本发明方法的半导体激光器封装结构实施例一。

图6为采用了本发明方法的半导体激光器封装结构实施例二。

图7为实施例二的结构示意图。

图8为石墨-金属复合热沉及过渡外壳示意图。

附图标号说明：1-石墨，2-金属，3-激光芯片待安装区，4-高导热率方向，5-低导热率方向，6-石墨-金属复合热沉，7-激光芯片，8-基础热沉，9-绝缘结构。

具体实施方式

本发明提出一种提高半导体激光器散热效率的方法，以实现激光芯片与热沉的CTE匹配同时提高散热效率，具体包括以下两步：

步骤一：将金属2与石墨1以间隔排列方式制备成石墨-金属复合热沉（参考图1的石墨-金属复合热沉的结构示意图），且在其金属2与石墨1的排列方向上具有低导热率（定义为低导热率方向5，所述的排列方向为金属2和石墨1依次连接放置的方向），在与该排列方向垂直的方向上具有高导热率（定义为高导热率方向4）。

所述石墨-金属复合热沉的间隔排列方式可以有以下几种：

a. 图2为石墨-金属复合热沉结构实施例1，金属2与石墨1均为片状，片状金属与片状石墨以间隔排列方式制备成层状结构的石墨-金属复合热沉。需要说明的是：高导热率方向4为与金属2和石墨1的排列方向（低导热率方向5）垂直的平面内的任意方向。

b. 图3为石墨-金属复合热沉结构实施例2，石墨1和金属2选其之一作为主体，两者中的非主体材料贯通于主体材料构成石墨-金属复合热沉；这种结构中，石墨与金属的间隔排列方向为图3中低导热率方向5所构成平面内的任意方向（即石墨与金属在前述低导热率方向5所构成平面内视为相互间隔），相应的，高导热率方向4为与前述平面垂直的方向。

c. 图4为石墨-金属复合热沉结构实施例3，石墨与金属均为条状，条状石墨与条状金属间隔排列，这种条状拼接结构中，石墨与金属沿两个方向进行间隔排列（即为图4所标示的低导热率方向5）。本实例中金属与石墨不仅可以为条状，也可以为柱形、不规则形状等，仅需满足两者在图4所示低导热率方向5所构成平面内任意方向进行排列即可。

所述金属2与石墨1的排列方式具体为：金属与石墨一一对应相互间隔排列；或者石墨-金属复合热沉的金属与石墨的组成个数不等，以一对多/多对一的方式间隔排列。前述排列方式以及金属、石墨的质量占比根据与激光芯片的CTE匹配情况进行调整。

上述多种排列方式中，为了取得较好的导热性能以及CTE匹配度，石墨的质量占比范围为10%-60%。

石墨-金属复合热沉的低导热率方向的导热率范围为35-110 W/m·k，高导热率方向的导热率范围为500-1500 W/m·k；热膨胀系数范围为1.5-9ppm/k。

步骤二：将激光芯片7安装在石墨-金属复合热沉上，激光芯片的安装面对应多组金属与石墨材料，即激光芯片同时与石墨-金属复合热沉中的金属和石墨材料接触（参考图1的石墨-金属复合热沉的结构示意图，激光芯片的待安装区3覆盖了连续排列的多个金属和多个石墨），使得激光芯片的散热路径为与前述石墨-金属复合热沉中金属与石墨排列方向的垂直方向，即沿着前述的高导热率方向4。

采用本发明提高半导体激光器散热效率的方法可以得到多种半导体激光器结构，以下用2件具体的实施例加以说明：

实施例一：

图5为采用了本发明方法的提高半导体激光器散热效率的封装结构，包括石墨-金属复合热沉6（图5中虚线框中的部分）和激光芯片7；激光芯片7键合于石墨-金属复合热沉6上，且激光芯片7覆盖石墨-金属复合热沉的多组金属与石墨，使得激光芯片的散热路径为与前述石墨-金属复合热沉中金属与石墨排列方向的垂直方向，图5中虚线箭头方向为激光芯片的热传导方向，即沿着石墨-金属复合热沉6的高导热率方向4。

为了优化上述半导体激光器封装结构，该结构还包括基础热沉8，使得激光芯片7的散热路径为从激光芯片7起，沿所述石墨-金属复合热沉排列方向的垂直方向（即沿着石墨-金属复合热沉6的高导热率方向4）传递至基础热沉上。

这种结构中，基础热沉8可以为微通道液体制冷热沉，宏通道液体制冷热沉等各种热沉结构，在基础热沉8和激光芯片之间增加石墨-金属复合热沉6，不但降低了热应力对激光芯片的影响，并且大大增强了散热效率。

实施例二：

图6和图7为采用了本发明方法的半导体激光器封装结构的实施例二，包括多个激光芯片7和多组石墨-金属复合热沉6，以及基础热沉8。多个激光芯片7与多组石墨-金属复合热沉6依次间隔堆叠形成芯片组并形成电连接，芯片组通过前述多组石墨-金属复合热沉6安装于同一基础热沉8上且石墨-金属复合热沉与基础热沉之间设置有绝缘结构9。

所述石墨-金属复合热沉为片状金属与片状石墨以间隔排列方式制备成层状结构；多组石墨-金属复合热沉6和激光芯片7的堆叠方向与金属和石墨排列方向相互垂直，即堆叠方向为石墨-金属复合热沉6的高导热率方向4。石墨-金属复合热沉与基础热沉的安装方向亦为上述金属和石墨排列方向的垂直方向，即为石墨-金属复合热沉6的高导热率方向4。

因此，在实施例二的结构中，激光芯片7至石墨-金属复合热沉6的散热路径，以及石墨-金属复合热沉6至基础热沉8的散热路径，均符合石墨-金属复合热沉6的高导热率方向，而石墨-金属复合热沉6的低导热率方向在该结构中表现为单个石墨-金属复合热沉6中石墨和金属的排列方向（可理解为图6中垂直纸面方向以及图7的低导热方向5）。这种二维单向高导热特性有利于激光芯片的散热，提高了其散热效率。

实施例一和实施例二均可以作以下优化：

基础热沉也采用石墨-金属复合热沉，优化其散热效率。

如图8所示，在石墨-金属复合热沉6外部设置紧密接触的过渡外壳8，过渡外壳可以将石墨-金属复合热沉6完全包裹在其内部；激光芯片键合于过渡外壳上。

过渡外壳的材质为铜钨。这种设计可以使石墨-金属复合热沉的散热更均匀，提高了激光芯片工作的可靠性。

Claims (10)

1.一种提高半导体激光器散热效率的方法，包括以下步骤：

1）将多组金属与石墨以间隔排列方式制备成石墨-金属复合热沉，使所述复合热沉在前述排列方向和其对应的其他方向上具有不同的导热率；

2）将激光芯片安装在石墨-金属复合热沉上，激光芯片的安装面对应多组金属与石墨材料，即激光芯片同时与石墨-金属复合热沉中的金属和石墨材料接触，使得激光芯片的散热路径为与石墨-金属复合热沉中金属与石墨排列方向的垂直方向。

2.根据权利要求1所述的提高半导体激光器散热效率的方法，其特征在于：

所述石墨-金属复合热沉中的金属与石墨间隔排列方式为：金属与石墨均为片状，片状金属与片状石墨以间隔排列方式制备成层状结构的石墨-金属复合热沉；

或者，石墨和金属选其之一作为主体，两者中的非主体材料贯通于主体材料构成石墨-金属复合热沉；

或者，石墨与金属均为条状，条状石墨与条状金属间隔排列构成石墨-金属复合热沉。

3.根据权利要求1或者2所述的提高半导体激光器散热效率的方法，其特征在于：所述石墨-金属复合热沉在其金属与石墨排列方向上的导热率为35-110 W/m·k，与该排列方向垂直的方向上的导热率为500-1500 W/m·k。

4.根据权利要求1或者2所述的提高半导体激光器散热效率的方法，其特征在于：所述石墨-金属复合热沉为石墨铜热沉，或者石墨铝热沉。

5.根据权利要求1或者2所述的提高半导体激光器散热效率的方法，其特征在于：所述石墨-金属复合热沉中的金属与石墨的排列方式具体为金属与石墨一一对应相互间隔排列；或者金属与石墨的个数不等，以一对多/多对一的方式间隔排列。

6.一种提高半导体激光器散热效率的封装结构，其特征在于：包括石墨-金属复合热沉和激光芯片；所述石墨-金属复合热沉为多组金属与石墨以间隔方式排列而成；激光芯片安装于石墨-金属复合热沉上，且激光芯片的安装面对应多组金属与石墨材料，使得激光芯片同时与石墨-金属复合热沉中的金属和石墨材料接触。

7.根据权利要求6所述的半导体激光器封装结构，其特征在于：还包括基础热沉；石墨-金属复合热沉设置于激光芯片和基础热沉之间，使得激光芯片的散热路径为从激光芯片起，沿所述石墨-金属复合热沉中金属与石墨排列方向的垂直方向传递至基础热沉上。

8.一种提高半导体激光器散热效率的封装结构，其特征在于：包括多个激光芯片和多组石墨-金属复合热沉，以及基础热沉；

多个激光芯片与多组石墨-金属复合热沉依次间隔堆叠形成芯片组并形成电连接，芯片组通过前述多组石墨-金属复合热沉安装于同一基础热沉上且石墨-金属复合热沉与基础热沉之间设置有绝缘结构，所述石墨-金属复合热沉为片状金属与片状石墨以间隔排列方式制备成层状结构；前述多组石墨-金属复合热沉的堆叠方向以及相应的基础热沉的安装方向均为所述金属和石墨排列方向的垂直方向。

9.根据权利要求6或8所述的半导体激光器封装结构，其特征在于：所述石墨-金属复合热沉的外部设置与其紧密接触的过渡外壳，过渡外壳将石墨-金属复合热沉完全包裹在其内部；激光芯片键合于过渡外壳上。

10.根据权利要求9所述的半导体激光器封装结构，其特征在于：所述过渡外壳为铜钨。