CN107069434A - 一种机械连接的半导体激光器叠阵 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种机械连接的半导体激光器叠阵，包括激光芯片模块，安装部件以及基础热沉；安装部件为分别设置在激光芯片模块两端的2个安装块，以及设置于安装块与激光芯片模块之间的连接部件，连接部件作用于安装块和激光芯片模块之间的压力使得激光芯片模块内部以及与安装块之间相互压紧连接。本发明采用机械压力实现芯片单元之间的连接，不需要进行键合，在使用以及后期维护中可以对单个芯片单元进行无损拆装替换，且具有更好的灵活性。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体激光器，具体为机械连接的半导体激光器叠阵的封装结构。
背景技术
现有的高功率半导体激光器叠阵的封装结构（如图1所示）为多个半导体激光器芯片和多个散热导电衬底键合为一个巴条组后，整体键合在绝缘衬底上，然后再将该模组键合在热沉上；或者激光芯片键合到导电衬底形成一个发光单元，多个发光单元再依次键合到绝缘衬底及热沉上。上述封装结构的半导体激光器叠阵结构中，激光芯片、导电衬底、绝缘衬底与热沉之间均采用相互键合的工艺，一个芯片烧坏，整个叠阵均会失效；并且该结构的半导体激光器后期维护复杂，在长期使用中单个芯片的故障难以单独维修和更换，进而影响整个半导体激光器的可靠性。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明提出一种机械连接的半导体激光器叠阵。
本发明的技术方案如下：
一种机械连接的半导体激光器叠阵，包括激光芯片模块，安装部件以及基础热沉；所述激光芯片模块包括多组激光芯片以及相对应的导电衬底，激光芯片模块的两端分别作为正极和负极；所述激光芯片模块通过绝缘结构安装于基础热沉上；所述安装部件为分别设置在激光芯片模块两端的2个安装块，以及设置于安装块与激光芯片模块之间的连接部件，连接部件作用于安装块和激光芯片模块之间的压力使得激光芯片模块内部以及与安装块之间相互压紧连接。
所述连接部件为楔形结构，或者圆柱体，或者弹片，弹片优选记忆合金或者双金属片。
所述安装部件中至少有一个安装块朝向激光芯片模块的方向为斜面，连接部件与前述安装块的斜面匹配，使得连接部件在受到向下的压力时，激光芯片模块内部以及与安装块之间相互压紧连接。
所述安装块上开有与楔形结构匹配的V型槽，楔形结构楔入槽中使得V型结构发生形变并向激光芯片模块施加压力使其压紧连接。
所述安装部件中安装块和连接部件之间，和/或安装块与激光芯片模块之间通过胶粘接。
所述激光芯片模块具体可以为多组芯片单元依次连接构成（芯片单元包括导电衬底和与导电衬底键合的激光芯片），因此上述激光芯片模块内部相互压紧的力具体表现为相邻芯片单元之间的压紧连接；激光芯片模块还可以为多组导电衬底与激光芯片之间的非键合连接，导电衬底和激光芯片之间依靠本发明所实现的机械压力进行紧密连接。
所述的芯片单元中键合有激光芯片的导电衬底之间设置有绝缘缓冲块，使得激光芯片仅与其键合的导电衬底接触。所述激光芯片的负极通过电连接片与相邻的导电衬底实现电连接。所述的绝缘缓冲块具体为氮化铝陶瓷，或者氧化铍陶瓷。
所述的安装部件的安装块直接安装固定于基础热沉上，进一步的，基础热沉与安装部件中的安装块为一体结构；或者安装块通过绝缘结构安装于基础热沉上。
所述激光芯片模块的位于正极端和负极端的导电衬底底部设置有金属层，该金属层延伸至基础热沉的未利用区域，作为引出正电极和引出负电极，且金属层与基础热沉直接设置有绝缘结构。
本发明具有以下优点：
1）激光芯片模块中的各芯片单元可以实现独立测试、筛选、老化，提高了产品组装后的合格率；相邻芯片单元通过机械方式连接，在使用中以及后期维护中可以对单个芯片单元进行拆装替换，可组装成任意长度的半导体激光器，具有更高的灵活性。
2）本发明采用机械压力实现芯片单元之间的连接，不需要进行键合，在使用以及后期维护中可以对单个芯片单元进行无损拆装替换。
附图说明
图1为现有的封装形式。
图2-图4为分别采用楔形结构、弹片、圆柱体三种不同连接部件的结构示意图。
图5为采用楔形结构的一个实施例。
图6为采用楔形结构的实施例二。
图7为图6实施例的可选替代方案。
图8为图7的俯视示意图。
图9为本发明电连接方案的可选替代方案。
图10本发明的一种芯片单元结构。
图11为采用了图10芯片单元的半导体激光器叠阵实施例。
图12-1为常温下的双金属片结构，图12-2为高温下的双金属片结构。
附图标号说明：1-激光芯片，2-导电衬底，3-基础热沉，4-绝缘结构，5-斜面安装块，6-安装块，7-连接部件，8-绝缘缓冲块，9-电连接片，10-金属层，11-双金属片的主动层，12-双金属片的被动层。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明进行说明。
图2-图4为分别采用楔形结构、弹片、圆柱体三种不同连接部件的结构示意图。本发明机械连接的半导体激光器叠阵，包括激光芯片模块，安装部件以及基础热沉3。所述激光芯片模块包括多组激光芯片1和相对应的导电衬底2，所述激光芯片模块具体可以为多组芯片单元依次连接构成，1组芯片单元具体为导电衬底2和与导电衬底键合的激光芯片1，激光芯片模块还可以为多组导电衬底2与激光芯片1之间的非键合连接（比如通过压力连接）。此外，芯片单元之间可以增加导电衬底2，或者1个激光芯片对应多个导电衬底2。所述导电衬底2材料为与激光芯片1热膨胀系数匹配的导电材料，具体可选用铜钨。激光芯片模块的两端分别作为正极和负极，可以理解为位于激光芯片模块两端的2个导电衬底分别作为激光芯片模块的正极和负极，所述激光芯片模块通过绝缘结构4安装于基础热沉上，使得激光芯片1与基础热沉3绝缘。
所述安装部件为分别设置在激光芯片模块两端的2个安装块6，以及设置于安装块6与激光芯片模块之间的连接部件7，连接部件7作用于安装块和激光芯片模块之间的压力使得激光芯片模块内部以及与安装块之间相互压紧连接。
如图2所示，连接部件7为楔形结构， 将楔形结构按照图2中箭头方向插入安装块6与激光芯片模块（具体为激光芯片模块两端的导电衬底）之间，使得激光芯片模块内部以及与安装块之间受到压力而相互压紧连接。其中，楔形结构7优选硬度较高的金属，安装块6优选相对楔形结构7硬度低的金属材料，使得楔形结构7楔入安装块与激光芯片模块之间的缝隙时，安装块6产生形变并对激光芯片模块施加压力。例如:安装块6可以为铜，而楔形结构7为硬度较高的钢。
如图3所示，连接部件7为弹片，将弹片安装入安装块6与激光芯片模块（具体为激光芯片模块两端的导电衬底2）之间，使得激光芯片模块内部以及与安装块之间受到弹片的压力（具体表现为弹片的弹力）而相互压紧连接。所述弹片的可选结构有多种，比如U型弹片、弓形弹片、曲线形弹片等。
进一步的，弹片可以选用记忆合金（shape memory alloy），常温状态下弹片呈弯曲状态对激光芯片模块施加压力使其压紧连接，加热后弹片恢复形变后呈平缓结构，便于拆装； 此外，弹片也可也以为双金属片，具体为由主动层和被动层构成的复合结构，主动层的热膨胀系数高于被动层，常温时双金属片如图12-1所示结构，为弯曲结构，可以对激光芯片模块施加压力使其压紧连接，加热后如图12-2所示高温状态下的双金属片，由于主动层的受热形变高于被动层，使其结构趋向于平缓结构，便于拆装。
如图4所示，连接部件7为圆柱体结构，圆柱体连接部件在承受图示箭头中向下的力时，将压力传递给激光芯片模块，并使得激光芯片模块内部以及与安装块之间相互压紧连接。
进一步的，以下提供几种安装部件结构的实施例，使得激光芯片模块受力均匀，连接稳固。
如图5的实施例所示，所述安装块6上开有与楔形结构7匹配的V型槽，楔形结构7楔入槽中使得V型结构发生形变并向激光芯片模块施加压力使其压紧连接。楔形结构7优选硬度较高的金属（比如钢），安装块6优选相对楔形结构7硬度低的金属材料（比如铜）。
所述安装部件中至少有一个安装块朝向激光芯片模块的方向为斜面（以下称斜面安装块5），另一块安装块贴紧激光芯片模块的一端作为激光芯片模块的固定端。如图6的实施例所示，楔形结构连接部件7设置于斜面安装块5与激光芯片模块之间，连接部件7与斜面安装块5的斜面匹配，使得连接部件7在受到向下的压力时（图6中箭头所标示的方向为压力方向），激光芯片模块与2个安装块相互压紧，以及激光芯片模块内的芯片单元之间紧密连接。
此时，与斜面安装块连接的连接部件7有多种可选的结构，优选楔形结构和圆柱体结构（如图4）。
进一步的，如图7所示，安装部件中的安装块也可以为2个斜面安装块5，分别设置在激光芯片模块两端，并由2个对应的连接部件7同时施加向下的压力，使得激光芯片模块内的芯片单元之间紧密连接。
为了使本发明的半导体激光器叠阵具有更好的可靠性，所述安装部件中安装块和连接部件之间，和/或安装块与激光芯片模块之间通过胶粘接。图6中，楔形结构7与斜面安装块5可以通过UV胶粘接，并且楔形结构7须采用可透过UV光的材料，具体为透明玻璃或者透明塑料，比如K9玻璃等。在需要的情况下，直面安装块与激光芯片模块之间也可以使用UV胶粘接。在需要拆卸半导体激光器叠阵的情况，仅需对叠阵做相应的温度处理（低于-60℃或者高于150℃），可分解UV胶，实现激光芯片模块的无损拆装。
所述的安装部件的安装块可以直接安装固定于基础热沉上，进一步的，安装块可与基础热沉为一体结构（如图7所示），此时，激光芯片模块与基础热沉、安装块之间通过绝缘结构4绝缘；或者安装块通过绝缘结构安装于基础热沉上。
图8为图7方案的俯视示意图，所述激光芯片模块的位于正极端和负极端的导电衬底2底部设置有金属层10，该金属层10延伸至基础热沉的未利用区域，作为引出正电极和引出负电极，且金属层10与基础热沉3之间设置有绝缘结构4。
所述金属层10铺设的方法较多，可根据基础热沉的尺寸进行利用，因此图8并不是唯一的电极引出方式，如图9所示，引出正电极和引出负电极也可以设置在安装块的外侧（激光芯片模块的两端）。
图10和图11对应本发明的一种芯片单元结构以及相应的叠阵，对本发明机械连接的半导体激光器叠阵做了进一步优化。激光芯片模块中芯片单元还包括绝缘缓冲块8，设置于键合有激光芯片的导电衬底2之间，使得激光芯片1仅与其键合的导电衬底2接触，激光芯片的负极通过电连接片9与相邻的导电衬底实现电连接。芯片单元的导电衬底背面（未键合激光芯片的面）附有金属层，用于与相邻芯片单元的电连接片相连。
所述绝缘缓冲块优选陶瓷或者塑料或者铜金刚石，具体可以为氮化铝陶瓷、氧化铍陶瓷等。
如图11所示，通过安装部件将激光芯片模块的芯片单元压紧后，相邻芯片单元中的激光芯片未直接与相邻芯片单元接触，而是通过绝缘缓冲块8紧密连接，缓解了激光芯片所承受的压力，避免了激光芯片在封装过程中导致的失效等问题，提高了产品的可靠性。
Claims (10)
1.一种机械连接的半导体激光器叠阵，包括激光芯片模块，安装部件以及基础热沉；所述激光芯片模块包括多组激光芯片以及相对应的导电衬底，激光芯片模块的两端分别作为正极和负极；所述激光芯片模块通过绝缘结构安装于基础热沉上，其特征在于：
所述安装部件为分别设置在激光芯片模块两端的2个安装块，以及设置于安装块与激光芯片模块之间的连接部件，连接部件作用于安装块和激光芯片模块之间的压力使得激光芯片模块内部以及与安装块之间相互压紧连接。
2.根据权利要求1所述的一种机械连接的半导体激光器叠阵，其特征在于：所述连接部件为楔形结构，或者圆柱体。
3.根据权利要求2所述的一种机械连接的半导体激光器叠阵，其特征在于：所述安装部件中至少有一个安装块朝向激光芯片模块的方向为斜面，连接部件与前述安装块的斜面匹配，使得连接部件在受到向下的压力时，激光芯片模块内部以及与安装块之间相互压紧连接。
4.根据权利要求2所述的一种机械连接的半导体激光器叠阵，其特征在于：所述安装块上开有与楔形结构匹配的V型槽，楔形结构楔入槽中使得V型结构发生形变并向激光芯片模块施加压力使其压紧连接。
5.根据权利要求1所述的一种机械连接的半导体激光器叠阵，其特征在于：所述连接部件为弹片。
6.根据权利要求5所述的一种机械连接的半导体激光器叠阵，其特征在于：所述弹片具体为记忆合金，或者双金属片。
7.根据权利要求1所述的一种机械连接的半导体激光器叠阵，其特征在于：所述安装部件中安装块和连接部件之间，和/或安装块与激光芯片模块之间通过胶粘接。
8.根据权利要求1-7之一所述的一种机械连接的半导体激光器叠阵，其特征在于：所述的基础热沉与安装块为一体结构。
9.根据权利要求1-7之一所述的一种机械连接的半导体激光器叠阵，其特征在于：所述的激光芯片模块具体由多组芯片单元依次连接构成，芯片单元包括导电衬底和与导电衬底键合的激光芯片。
10.根据权利要求1所述的一种机械连接的半导体激光器叠阵，其特征在于：所述激光芯片模块位于正极端和负极端的导电衬底底部设置有金属层，该金属层延伸至基础热沉的未利用区域，作为引出正电极和引出负电极，且金属层与基础热沉之间设置有绝缘结构。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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