CN107810582A - 一种低热阻、应力受控的激光二极管组件 - Google Patents

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Abstract

形成二极管激光棒组件，以建立相对较低的热阻，也提供了可以管理内部应力条件的条件增加范围。特别是，现有的基座结构由一对小平板（12,14）替换，设置在二极管激光棒（10）的上方和下方，从而形成“三明治”结构。底部的小平板（14）布置在散热器（16）和二极管激光棒（10）之间。因此，底部的小平板可以相对较薄，形成低热阻结构。顶部和底部的小平板的结合提供了创造各种配置和设计的能力，可以适应特定情况下的压力条件。LD激光棒设置在GaAs半导体上，并且由CuW制成的散热器为上述LD激光棒进行散热。

Description

一种低热阻、应力受控的激光二极管组件
技术领域
本发明涉及激光二极管组件，更具体地说涉及一种组件，其解决了在性能和耐久性中应力引起的限制而提供低热阻的竞争问题。
背景技术
大功率半导体激光器二极管条含有大面积的发射器的一维阵列，或者含有10-20个窄条阵列。二极管条通常包含20到50个发射器，每个约100微米宽。典型的商业装置可包括激光谐振腔长度为1-5毫米，宽度约为10毫米。这种尺寸的设备能够没有困难地产生几十到几百瓦的输出功率。市售的功率水平高达250W连续输出功率。
辐射区域的设置都是电子并联的，因此需要大驱动电流(特别是50个或更多的发射器配置)可以达到几十安培(甚至几百安培)，有一个粗略的经验法则是，每安培电流提供一瓦的输出功率。二极管棒的重要设计参数是根据发射器的数目、宽度和间距来确定的。在光束质量和亮度方面，理想的方法是从少数密集的发射器中获得输出功率。
在高功率下运行会产生大量的热量。为了保持在一个合理寿命(比如2万小时或更多)内的半导体激光可接受的性能，二极管需要安装到散热器或在某些低热阻装置上。传统的散热器材料(如铜)表现出与半导体激光器本身的热膨胀系数(CTE)不同的热膨胀系数。CTE的不匹配导致在将二极管激光棒连接到散热器上的高温过程中，在散热器和二极管激光棒之间产生机械应力。在焊接过程所需的高温下，散热片膨胀到比半导体激光棒大得多的范围。当组合回到室温，散热器和二极管激光棒收缩，散热器将收缩超过二极管激光棒，在他们的连接处造成机械应力，这被认为是“冻结”到配置。当操作温度与室温相比稍高一些，只有轻微的应力释放。
应力的存在导致沿半导体激光棒横向延伸的曲率(有时也称为“微笑曲线”)。这种不需要的微笑伪影对聚焦二极管光束的能力有不利影响。
因此，仍然需要一个二极管激光棒组件，它能够容纳与应力相关的CTE匹配的变化，同时保持相对低的热阻值。
发明内容
本发明解决前作中遗留的需要，它涉及半导体激光器组件，特别是一个组件提供低热阻来调节应力导致的性能和寿命变化，解决了竞争问题。
按照本发明，前作的基座结构由一对平板替换，设置在二极管激光棒的上方和下方，从而形成“三明治”结构。底部的小平板布置在散热器(冷却器)和二极管激光棒之间。因此，底部的小平板可以相对较薄，形成低热阻结构。顶部和底部的小平板的结合提供了创造各种配置和设计的能力，以适应特定情况下的应力条件。
特别是，用于形成顶部和底部的小平板的材料，以及小平板的厚度可以被控制，以优化二极管激光棒组件的性能。事实上，小平板可以形成不同的材料和/或可能具有不同的厚度。这些多个变化允许将特定的应力情况剪裁到器件中。
这对小平板，与散热器的膨胀特性结合使用，为整个装配提供机械应力管理。通过使用这对分离的小平板(相对于常规的现有技术的单基板)、拓宽应力条件能容纳的范围。也就是说，顶部小平板的添加为控制二极管激光棒中的机械应力创造了额外的条件和可能性。同时，底部的小平板可以相对薄(相对于前作的底座的厚度)，从而降低装配热阻和提高热二极管激光棒到散热器的传热效率。
本发明的一个实施例为一个半导体激光器组件包括一条半导体激光二极管，包括发射区阵列设置在激光棒前面的侧向(激光棒包括底部主要表面和相对的顶部主要表面，前表面垂直于顶部和底部表面之间)，散热片，和一对用来创建激光二极管激光棒的“三明治”的小平板。特别是，小平板包括设置在散热片和半导体激光二极管棒的下小平板，和布置在顶部主要表面与半导体激光二极管棒上部主要表面之间的上小平板，下小平板和上小平板的尺寸和材料选择，创建了半导体激光二极管棒和散热器之间的低热阻路径，同时也管理组件内的应力条件。
本发明的其他实施例和各方面将在下面的讨论和参考附图中变得明晰。
附图说明
参见图纸，数字代表视图中的零件：
图1是传统前作中半导体激光器组件的等距视图；
图2是一个简化图说明附加二极管激光棒到基座的初始步骤；
图3是示出将图2中所示的组件附加到散热器上的步骤简化图；
图4包含一副图，描绘了在图2和图3所示的装配过程中产生的二极管激光棒的前端面上的“微笑曲线”(弓形或弯曲)的存在；
图5是根据本发明用小平板三明治结构形成的一种典型的低热阻、应力控制的二极管激光棒组件的爆炸等轴视图；
图6是如图5所示的发明组件的远离侧视图；
图7是一个与传统现有技术相关(基座)半导体激光器组件的纵向应力剖面图；
图8是与本发明的示例性实施例相关联的纵向应力剖面图，在这种情况下，利用相同厚度的顶部和底部的小平板，以及每个小平板由钼制成；
图9是与本发明的另一个示例性实施例相关的纵向应力分布图，利用一对相同厚度的Cu20W小平板；
图10包含一组描绘热阻作为底部小平板厚度函数的图，说明当板厚减小时热阻减小；
图11包含一组中心区域的米塞斯应力强度值；
图12包含一组后端面的米塞斯应力强度值；
图13包含半导体激光棒的边缘部分的米塞斯应力强度值；
图14包含一组图表显示应力张量SX组件(即应力平行于设备主平面的前面)；
图15包含示出应力张量的SY分量的一组图(即应力垂直于前端面和沿着激光腔的方向)。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明做进一步说明。
图1是传统的半导体激光棒组件1的爆炸等距视图。在这个简化的例子中，二极管激光棒2表现为包括多组五个独立的发射区域(或长条)3，设置在半导体激光器2的X轴方向的一维阵列配置(“二极管激光棒”，也被称为“半导体激光二极管棒”)。二极管激光棒2设置在基板4上，依次设置连接到散热器(冷却器)5。如图所示，二极管激光棒2由发光区域3定位“向下”，朝向基座4。
基座4是导电材料作为半导体激光器棒2的电接触。而作为这个电接触，使得基座4也可以作为二极管激光棒2工作时的热能(热)管道，将热能从半导体激光器2导出到底层散热器5。二极管激光棒2颠倒取向，这样位置的发热元件(即发射区3)接近基座4，为热能传递提供相对较短的路径。
如上所述，铜是散热器使用的很好材料，由于低热阻方面(提供一个有效的途径转移不必要的热量，远离二极管激光棒)。然而，另一个问题是散热片与二极管激光棒之间CTE的错误匹配，导致在系统内部仍然存在“冻结”的机械应力。图2和3对于理解基本的装配操作是有用的，这些操作会产生沿发射区域横向的微笑曲线，出现不必要的应力。
图2说明了将半导体激光器2贴接到基座4的过程。在大多数情况下，二极管激光棒2包括一个基于III-V族半导体激光(如GaAs或InP)，它具有热膨胀系数(CTE)约6.5ppm/K。一个传统的基板材料是指Cu10W，这是一个同质化的组合10％铜(Cu)和90％钨(W)具有热膨胀系数基本匹配的二极管激光棒。“硬”焊料(即，焊料AuSn固相温度约280℃)是用来连接二极管激光棒2到基座4，导致“-基座上激光棒”(BoS)的布置如图2所示。硬焊料的使用要求环境温度提高到至少280℃使焊料将开始流动，贴接棒2和基座4。该焊料附件被指示为图2中的S1。
随着环境温度从室温(约20℃至280℃焊接过程的温度)升高，二极管激光棒2和基座4会经历一些膨胀。由于各自的热膨胀系数是非常相似的，这两个组件将膨胀大约相同数量的。当BoS组件冷却并回到室温时，这两个组件都会收缩大约相同的数量，导致焊料附件S1的界面上几乎没有或没有明显的应力。
装配过程中的以下步骤是将BoS配置附加到散热器5上，如图3所示。散热器5是由铜制成，具有热膨胀系数为16ppm/K。硬焊料固相温度280℃，用来连接BoS到散热器5。当环境温度从室温上升到工艺温度时，散热器5将经历比BoS配置更大的膨胀(与CTE中的显著不匹配相关)。因此，当组件冷却并返回到室温时，散热器5的较大收缩(与BoS相比)导致在BoS连接到散热器5的区域(即沿着图3中示出的S2的焊料接面)产生机械应力。这种应力后来被认为是“冻结”在结构中，因为它将在组装过程中继续存在。
如上所述，熟练的技术人员使用“微笑曲线”这个词来形容这种温度引起的应力，因为它的外观。二极管激光棒的“微笑”被定义为激光装置在与发射光束正交的平面上的弯曲，即与发射的光束(横向)正交。因此，朝着条形激光二极管的发光面正面看，各个面并不形成直线。图4描绘了这种不需要的曲率的两种不同结果，其中图(a)表示弓形值小于零，图(b)显示大于零的弓形值。
这个微笑曲线问题的解决方案与需要提供苛刻条件下的长期稳定安装，需要连续从二极管激光棒带走热量。已知组件中应力管理能延长光源使用寿命，其中一些例子能够控制应力，选择希望的偏振态(特别是沿器件一个主轴方向的“纯”偏振态)。
事实上，在整个组件的横向应力分布的微笑曲线/曲率是显而易见的，组件的纵向应力也存在问题(尤其是在偏振控制组件)和一般的“应力控制”或在半导体激光器组件“应力管理”，要求注意无论是横向和纵向应力分量。
图5是根据本发明形成的低热阻、应力控制二极管激光棒组件的爆炸等轴视图(类似于图1)。该组件使用了一对三明治结构，其形式是放置在二极管激光棒上方和下方的一对小平板。这两对小平板结合了散热器的膨胀特性，为整个装配提供机械应力管理。通过对分立小平板(相对于前作如图1所示基座)，应力条件下所能容纳的范围拓宽。也就是说，顶部小平板的添加为控制二极管激光棒内的机械应力提供了额外的情况和可能性(特别是，但不限于，防止或至少减少发射线“微笑曲线”)。同时，底部的小平板可以相对薄(相对于现有基座的厚度)，从而降低装配热阻和提高热从半导体激光器到散热片传递效率。
如图所示，本发明的配置以“三明治”式的组装形式，在传统的二极管激光器10(即“半导体激光二极管棒”)置于顶部小平板12和底部小平板14之间，底部小平板14贴接到散热器16。图6是组件的横截侧视图，在图的左侧显示了二极管激光棒10的前端面(ff)。图6定位清楚地表明了纵向轴(这里，沿z轴方向)的结构，从二极管激光棒10的前面10ff延伸到背面(bf)，表示为10bf。
这对小平板12,14用于与散热器16的膨胀特性相结合，用于在整个组件中进行机械应力管理。通过分立小平板对(相对于如图1所示前作基座)，拓宽应力条件所能容纳的范围。也就是说，顶部小平板12的添加为控制激光二极管棒10中的机械应力创造了额外的情况和可能性(特别是，但不限于，防止或至少减少发射线“微笑曲线”)。同时，底部小平板14可以比较薄(相对于前作底座的厚度)，从而降低装配热阻和提高二极管激光棒10到散热器16的热量传递效率。
根据本发明，可使用各种合适的材料形成顶部小平板12和底部小平板14；事实上，小平板不需要由相同材料形成。如上所述，底部小平板14可能比顶部小平板12更薄。一般来说，小平板12和14的材料和尺寸以某种方式选择，以产生给定应用所需的应力和热阻特性。
在本发明的一个实施例中，顶部小平板12和底部小平板14的形成材料，表现出室温CTE约2-6ppm/K，符合这一标准的材料例子包括钼材料，硅和CuxW(其中x≤8)。在其它实施例中，可以使用具有更高CTE(例如，CTE＞7.2-10)的材料，因为根据本发明使用的一对小平板在半导体激光棒10的主要表面上形成均匀的应变条件(压缩)。材料，例如，Cu12W，Cu15W或Cu20W允许这种情况(一般来说，材料CuxW，其中x≥12)。
对于小平板的尺寸(尤其是厚度，这与小平板的热阻有关)，示例性实施例已经形成，其中顶部小平板12有100–300微米的厚度范围，和底部的小平板14在50–200微米厚度范围。所有这些值(以及材料选择)被认为是范例而已；其他各种材料和尺寸也可以适用在本发明的特定实施例。
本发明提供的三明治结构，如图5和6所示，允许“硬”焊料(即焊料固相温度200℃以上)用于每个接面，从而创建一个组件，很结实，能够在极端的环境条件下，保持其结构的完整性，而一些现有的配置，利用软焊料(即，焊料有相对较低的熔点)。
在优选实施例中，散热器16是由铜或铜复合材料形成的。选择的具体材料，以及散热片的尺寸，以创建所需的应力和热阻水平。如果需要，宏通道或微通道冷却器，可很好地用于制作散热器16。此外，它可以选择材料和尺寸，通过二极管激光棒10应力水平为前作的配置：安装在Cu10W基座连接到散热器的激光二极管棒，优化一个“最佳匹配”。
如上所述，利用本发明的三明治结构涉及热阻和应力管理(横向和纵向)的关注问题。横向的应力分布与激光发射线的曲率(或微笑曲线)有关，如上所述，如图4所示。在纵向上的应力分布从二极管激光棒的前端面到它的背面延伸，在这个方向的应力变化引起的光信号沿纵向轴线传播有害变化包括，但不限于，应力引起的双折射和偏振变化。
图7包含沿前作技术(如图1所示)的二极管激光棒的纵向应力图。特别是，在图7中显示的值为二极管激光棒，连接到形成厚度250微米Cu10W基座产生的，这个特定的配置也被认为具有可接受的应力控制。沿二极管激光棒的长度，从前面到后面进行计算。最低的应力值被发现在激光棒的中心区域，两端具有较高值。因此，为了达到“最佳匹配”的目的，需要建立一个类似于纵向应力剖面的夹层机械应力管理结构，或者一个不超过所观察到的应力水平的结构。
图8是本发明的示例性基于三明治结构的半导体激光棒组件的纵向应力分布图，在这种情况下，钼(Mo)用作顶部和底部小平板的材料(以下简称“钼-棒-钼”实施例)。为了进行这种特殊的分析，顶部和底部的小平板形成相同的厚度。所示的曲线显示不同的小平板的厚度，范围从100–200微米。三明治结构的利用会引入每个端面附近应力强烈的变化，在图8中显示被部分放大的前端面10ff附近的测量值。
图9是本发明的另一实施例的纵向应力分布，在这种情况下，利用顶部和底部的Cu20W小平板(即，均匀的混合物，20％的铜和80％的钨)。小平板厚度值介于100和200微米之间。对于这些实施例，结果表明，前作器件的压应力水平(如图7的曲线表示)。
图10是用于理解本发明的热传递特性的图。在这里，可用于底部小平板的各种材料的性能显示为该小平板选择的厚度的函数。如上所述，本发明的三明治结构的一个优点是底部的小平板可以比较薄，从而改善了从激光二极管棒到散热器的传热。图10曲线表明，使用厚度为100–125微米的钼底部小平板，相比于现有钼底座厚度，减少热阻约6-10％。当Cu20W底部形成小平板进行了研究，热阻降低了大约13％，与现有技术相比Cu20W底座(大厚度)。在二极管激光器棒在高输入电流水平和/或产生数百瓦的输出功率的情况下，有效地从二极管激光棒中除去热能的能力是一个重要因素。
图11-15包含根据本发明形成的应力控制二极管激光棒组件的三维模型，分析各种低热阻，将结果与前作配置进行比较得到的曲线。对本发明的组合配置收集数据，假定散热器16包括一个铜板，铜板的三种不同的厚度进行了研究：1毫米，1.5毫米，2毫米。只有对称的配置进行了研究，即，相同的材料用于顶部小平板12和底部小平板14。这些都是与前作利用Cu20W或Cu10W的基座相比较(两者厚度都是250微米)。
特别是，图11-13曲线说明在不同的位置的米塞斯应力(应力强度)。应力强度被认为是所研究系统的可靠性，其中米塞斯应力的较低值与更高的可靠性有关。米塞斯应力是计算应力强度的计算值，在不同坐标系下是不变的，只考虑各向同性(名义)应力情况的偏离。特别是，米塞斯应力定义(在笛卡尔坐标系中)如下：
其中σi定义了沿轴向的应力和τab定义在平面ab内的应力。
参照示意图，图11的曲线是在各种不同条件下计算二极管激光棒中心区域的米塞斯应力值。三个前作的计算表明，厚度为100微米钼基座，和两个不同的CuW基座，一个是Cu20W和另一个是Cu10W，两者的CuW基座的厚度都是250微米，然后将这些值与依据本发明的45个不同的二极管激光棒组件相比较。特别是，使用三种不同的散热器厚度(1.5毫米，1.0毫米，和2.0毫米)，其中对每种散热器的厚度，研究三种不同底部小平板的厚度(100微米，150微米和200微米)。然后，对于每个底部小平板的厚度，有五个一组的不同的上部小平板的厚度进行了研究(100微米，125微米，150微米，175微米和200微米)。
参考图11的情况，很显然，研究在二极管激光棒的中心的米塞斯应力强度，本发明的各种配置与前作利用Cu10W基板能最好地关联(或者在某些情况下，Cu20W基座)。
图12包含类似的曲线，在这种情况下，提供了在二极管激光棒的后部计算的米塞斯应力强度值。在这里，结果仅对比了前作利用CuW基座的配置。显然，本发明组件的散热片厚度1.0毫米，提供了一组结果，其结果与前作中二极管激光棒的后端面上的应力强度最佳匹配。在二极管激光棒侧边缘的应力强度测量如图13所示，其中在发明组件中又是一个1毫米厚基座，最佳匹配与前作相关的结果，以150微米底部小平板提供这个散热器厚度的最佳匹配。
如上所述，根据本发明的管理/控制二极管激光棒组件中应力的能力，还允许通过控制纵向应力分布来创建偏振保持配置。图14是装置的主平面(即沿x方向)平行于前端面的应力图。计算了本发明的45种不同安排的应力值，在这种情况下，相比于之前的厚度为250微米的Cu10W基座。应力状态在y方向(即垂直于沿激光腔长度方向，与前表面垂直)如图13所示，在相同的工作条件下。应力状态的极小值通常与提供最高程度的偏振稳定性的配置相关联。
本领域技术人员能够找到额外的优点和修改，因此，本发明不限于上述具体的实施例和细节。可以在不偏离权利要求中定义的发明概念精神和范围的情况下进行修改。

Claims (17)

1.一种激光二极管组件，其特征在于，包括一个半导体激光二极管，所述二极管包括一个排列在横向方向上的发射区阵列，所述发射区阵列穿过所述二极管的前端面，所述二极管包括一个底部主表面和一个相对的顶部主表面，所述前端面在所述顶部和底部主表面之间正交延伸，所述组件包括一个散热器，一个底部小平板设置在所述散热器与所述二极管底部主表面之间，所述底部小平板设置在垂直于所述二极管主面的方向，并提供了从所述二极管到所述散热器的热流，所述底部小平板使用合适的焊接材料安装到位，一个顶部小平板设置并安装在所述二极管顶部主表面，所述底部和顶部小平板尺寸及材料的选择，以满足在所述二极管与所述散热器之间创建低热阻及应力受控的条件为目的。
2.如权利要求1所述激光二极管组件，其特征在于，所述底部小平板与所述顶部小平板由相同材料构成。
3.如权利要求2所述激光二极管组件，其特征在于，所述底部小平板与所述顶部小平板的材料选自钼，硅，和CuxW化合物其中x≤8。
4.如权利要求2所述激光二极管组件，其特征在于，所述底部小平板与所述顶部小平板的材料选自CuxW化合物，其中x≥12。
5.如权利要求1所述激光二极管组件，其特征在于，所述底部小平板与所述顶部小平板由不同材料构成。
6.如权利要求5所述激光二极管组件，其特征在于，所述底部小平板与所述顶部小平板分别由钼，硅，和CuxW化合物，其中x≤8，中的不同材料构成。
7.如权利要求1所述激光二极管组件，其特征在于，所述底部小平板与所述顶部小平板厚度相同。
8.如权利要求7所述激光二极管组件，其特征在于，所述底部小平板与所述顶部小平板的厚度为100微米-300微米。
9.如权利要求1所述激光二极管组件，其特征在于，所述底部小平板与所述顶部小平板厚度不同。
10.如权利要求9所述激光二极管组件，其特征在于，所述底部小平板的厚度小于所述顶部小平板的厚度，所述底部小平板的厚度越小，到散热片路径的热阻越小。
11.如权利要求9所述激光二极管组件，其特征在于，所述底部小平板的厚度为50微米-200微米，所述顶部小平板的厚度为100微米-300微米。
12.如权利要求1所述激光二极管组件，其特征在于，所述焊接材料的固相温度不低于200℃，用于将所述底部小平板安装到所述散热器与所述二极管底部主表面之间。
13.如权利要求12所述激光二极管组件，其特征在于，所述焊接材料包含AuSn。
14.如权利要求12所述激光二极管组件，其特征在于，所述焊接材料不低于200℃，用于将所述顶部小平板安装到所述二极管顶部主表面上。
15.如权利要求14所述激光二极管组件，其特征在于，所述焊接材料包含AuSn。
16.如权利要求1所述激光二极管组件，其特征在于，所述半导体激光二极管包括基于III-V族半导体激光二极管，表现出的热膨胀系数为6.5ppm/K，所述散热器包括具有16ppm/K的热膨胀系数的铜材料。
17.如权利要求16所述激光二极管组件，其特征在于，所述底部小平板和所述顶部小平板由热膨胀系数为2ppm/K至6ppm/K的材料构成。
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