CN108666869A - 一种红光大功率激光模组及其组装方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种红光大功率激光模组及其组装方法，包括底板、多个MCC小单元、顶块、绝缘紧固部件，通过绝缘紧固部件将底板、多个MCC小单元、顶块从下至上依次连接，MCC小单元包括MCC热沉、红光半导体激光器巴条、绝缘片和负极片，MCC热沉上表面一端设有红光半导体激光器巴条，MCC热沉与负极片之间设置绝缘片，本发明结构简单，采用20个芯片并联的方式可实现单巴条20W的红光功率输出，再通过将多个MCC小单元串联的形式可实现几十瓦甚至上百瓦的连续红光功率输出。采用冷却效果较好的MCC热沉封装，解决了红光激光器散热的问题，可保证模组在高功率输出的同时具有较高的可靠性。

Description

一种红光大功率激光模组及其组装方法

技术领域

本发明涉及一种红光大功率激光模组及其组装方法，属于半导体激光器技术领域。

背景技术

红光半导体激光器由于体积小、重量轻、转换效率高、使用寿命长等优点，正在逐渐取代传统的He-Ne气体激光器及红宝石固体激光器，并且广泛应用于光盘读写系统、条形码阅读器、准直标线仪、医疗保健设备等领域。另外，它还是激光电视、便携式投影仪等激光显示设备的红光光源。

最早的红光半导体激光器使用AlGaAs材料体系，比如CD机用的780nm的AlGaAs半导体激光器，由于光盘的存储密度是同激光的波长成反比的，要增加光存储密度，必须要降低半导体激光器的激射波长。另外，在红光波段，人眼的视觉灵敏度随着光线波长的变短而提高，因此，用在激光显示的红光半导体激光器也是要求波长越短越好，这样才能获得高亮度的图像。由于AlGaAs材料所限，其半导体激光器的最短激射波长为680nm左右。因此，带隙更大的AlGaInP材料(发光波长在570-680nm)开始应用于红光半导体激光器，并成为沿用至今的红光主流材料。

相比于长波长半导体激光器，短波长的红光半导体激光器的制作难度更大。主要难点包括两个方面：一是由于AlGaInP材料体系的限制，有源区及限制层的带隙差较小，因而对注入载流子的限制能力较差，容易产生电流泄露。这不仅会使半导体激光器的内量子效率降低，功率转换效率下降，还会导致器件的特征温度变低，输出功率对温度的敏感度变高。二是红光半导体激光器波长短，光子能量高，在高功率下工作时，对腔面的抗烧毁能力要求更高。由于红光半导体激光器这两大制作难题，使得单芯片红光半导体激光器的最高功率输出受到限制。2013年夏普公司推出了输出波长为640nm的红光半导体激光器，最大光输出功率为150mW。

中国专利文献CN104269741A公开了一种高可靠性的红光半导体激光器，发射波长为630nm-690nm，通过对半导体激光器波导层进行掺杂，使半导体激光器的串联电阻减小，提高了光电转换效率，降低了焦耳热的产生，提高了红光半导体长期工作的可靠性。可靠性有所提高，但最大输出光功率仍限制在瓦级水平。

中国文献CHINESE JOURNAL OF LASERS,2007,34(9)报道了一种高透腔面大功率650nm红光半导体激光器，通过利用石英闭管法对650nm AlGaInP/GaInP材料进行选择区域扩Zn的方法，使护Zn区域的光致发光谱的峰值蓝移达175meV，形成对650nm波长激光器的高透腔面，有益于减少激光器腔面光吸收，增加了激光器退化的光学灾变损伤阈值，实现了红光半导体激光器的大功率输出，但最大连续输出光功率为1.55W。仍不能满足现代医疗设备中对红光半导体激光器十几瓦甚至几十瓦输出光功率的要求。

红光半导体激光器由于发射波长的特殊性在医疗领域的应用越来越广泛，650nm低能激光可以改善细胞膜的渗透性，使融解的脂肪流入细胞间隙当中，在机械按摩的辅助下将其从细胞间隙转移到淋巴系统，从而修复肥大脂肪细胞和僵硬胶原质，减少脂肪堆积。660nm的激光对航天员、运动员的身体恢复治疗有很大的帮助。在医疗方面的应用，决定了红光激光器在保证有效的照射面积的条件下，为了达到功率密度要求，必须有更高的光功率输出，而目前封装的红光半导体激光器功率仍在10瓦级以下。

发明内容

针对现有的红光半导体激光器输出功率低的问题，本发明提供一种输出功率更高的红光大功率激光模组及其组装方法。

术语说明：

1、MCC(micro channel cooler)：是内部设有微小水道的散热能力较强的铜热沉；为了使文字表达简洁明了，本发明中均使用MCC这一专业术语。

2、低温焊料，是指熔点在250℃以下的焊料。

本发明的技术方案为：

一种红光大功率激光模组，包括底板、多个MCC小单元、顶块、绝缘紧固部件，通过所述绝缘紧固部件将底板、多个MCC小单元、顶块从下至上依次连接，所述MCC小单元包括MCC热沉、红光半导体激光器巴条、绝缘片和负极片，所述MCC热沉上表面一端设有所述红光半导体激光器巴条，所述红光半导体激光器巴条的P面向下设置在所述MCC热沉上，所述红光半导体激光器巴条的N面向上连接所述负极片，所述MCC热沉与所述负极片之间设置所述绝缘片，所述红光半导体激光器巴条由若干个红光半导体激光器单芯片并联组成。

此处设计的优势在于，红光半导体激光器单芯片多个并联可实现低电压条件下高功率输出。

根据本发明优选的，所述红光半导体激光器巴条由20-21个红光半导体激光器单芯片并联组成，所述红光半导体激光器单芯片的发光功率为1-1.5W。

此处设计的优势在于，红光半导体激光器单芯片的发光功率可保证在有效的照射面积下有较高的功率密度，从而实现在医疗健康方面的应用。

进一步优选的，所述红光半导体激光器巴条由20个红光半导体激光器单芯片并联组成，所述红光半导体激光器单芯片的发光功率为1W。

此处设计的优势在于，1个MCC小单元含1个红光半导体激光器巴条，1个红光半导体激光器巴条是由20个1W红光半导体激光器单芯片并联形成的，在25A的工作电流条件下可出光20W，这样，由5个MCC小单元串联组成一个模组，就可实现100W的功率输出。

根据本发明优选的，所述红光半导体激光器巴条的激光波长为650-665nm。

进一步优选的，所述红光半导体激光器巴条的激光波长为660nm。

根据本发明优选的，所述红光半导体激光器巴条的长度为10mm，所述红光半导体激光器巴条的宽度为1-1.5mm。

此处设计的优势在于，在实现高功率输出的同时能保证有效的发光面积。

进一步优选的，所述红光半导体激光器巴条的长度为10mm，所述红光半导体激光器巴条的宽度为1m。

根据本发明优选的，所述MCC热沉为热导率大于388W/(m·K)的铜材料。

此处设计的优势在于，可将红光半导体激光器产生的热量及时散发出去，避免热量富集对红光半导体激光器的功率和波长产生影响。

根据本发明优选的，所述MCC热沉内部设有若干条水道,水道的横截面积为2.8-3.1mm²，水道的长度为21-23mm，水道占MCC热沉体积的15％-25％。

此处设计的优势在于，水道中的水可将红光半导体激光器芯片产生的热量及时从MCC热沉上带走。

根据本发明优选的，所述底板和顶块均为导热系数为386.4W/(m·K)、20℃时电阻率为0.018Ω·mm²/m的铜材料；所述绝缘片上、下两面均镀有金属，所述负极片为镀有金属的铜片。

此处设计的优势在于，金属可提高焊料的浸润性，保证焊料将MCC热沉与绝缘片之间、绝缘片与负极片之间良好的焊接。

根据本发明优选的，所述MCC热沉、绝缘片和负极片上均设有3个口，相互对应形成进水口、出水口和固定孔，所述绝缘紧固部件通过所述固定孔将顶块、多个MCC小单元与底板固定在一起。

根据本发明优选的，所述红光半导体激光器巴条的P面向下通过焊料焊接在所述MCC热沉上，所述红光半导体激光器巴条的N面通过焊料与所述负极片焊接，所述绝缘片与所述MCC热沉之间、所述负极片与所述绝缘片之间均通过焊料焊接。

此处设计的优势在于，通过焊料连接，可以保证电流的均匀性。

上述红光大功率激光模组的组装方法，包括步骤如下：

(1)将所述红光半导体激光器巴条、绝缘片通过焊料焊接在所述MCC热沉上表面，将所述负极片通过焊料焊接在所述绝缘片上，形成一个MCC小单元；按照该方法制备多个MCC小单元；

(2)通过所述绝缘紧固部件将所述底板、多个所述MCC小单元、所述顶块从下至上依次连接。

根据本发明优选的，所述MCC热沉、绝缘片和负极片上均设有3个口，相互对应形成进水口、出水口和固定孔，所述步骤(1)，包括步骤如下：

A、在MCC热沉的前端预制焊料，将红光半导体激光器巴条的P面焊接到MCC热沉前端，红光半导体激光器巴条的出光面突出MCC热沉前端0-5μm；

B、在绝缘片下表面预制低温焊料，将绝缘片焊接到MCC热沉上，MCC热沉上的3个口与绝缘片上的3个口一一对应；

C、在负极片下表面预制低温焊料，将负极片的前端焊接到红光半导体激光器巴条的N面，将负极片的后端焊接到绝缘片上，将负极片的后端焊接到绝缘片上，负极片上的3个口与绝缘片上的3个口一一对应。

本发明的有益效果为：

本发明通过将单个红光半导体激光器芯片并联的方式、采用散热能力较强的MCC热沉进行封装，实现单个巴条20W的红光功率输出，通过将多个MCC小单元组装成模组的方式，可实现80W甚至上百瓦的连续功率输出。本发明模组散热能力较强，在实现几十瓦甚至上百瓦的功率输出的同时，可保证激光器工作的稳定性和可靠性。

附图说明

图1为实施例1由20个660nm的单个红光半导体激光器芯片组成的红光半导体激光器巴条的结构示意图；

图2为实施例1中MCC小单元的结构示意图；

图3为实施例1中MCC小单元的侧面结构示意图；

图4为实施例1中红光大功率激光模组的结构示意图；

图5为实施例1中红光大功率激光模组的功率与电流的关系图；

1、红光半导体激光器巴条，2、MCC热沉，3、绝缘片，4、负极片，5、MCC小单元，6、底板，7、顶块，8、绝缘紧固螺栓，9、进水口，10、出水口，11、螺栓固定孔。

具体实施方式

下面结合说明书附图和实施例对本发明作进一步限定，但不限于此。

实施例1

一种红光大功率激光模组，如图4所示，包括底板6、4个MCC小单元5、顶块7、绝缘紧固螺栓8，通过绝缘紧固螺栓8将底板6、4个MCC小单元5、顶块7从下至上依次连接，MCC小单元5包括MCC热沉2、红光半导体激光器巴条1、绝缘片3和负极片4，MCC热沉2上表面一端设有红光半导体激光器巴条1，红光半导体激光器巴条1的P面向下通过焊料焊接在MCC热沉2上，红光半导体激光器巴条1的N面向上通过焊料焊接负极片4，MCC热沉2与负极片4之间设置绝缘片3，绝缘片3与MCC热沉2之间、负极片4与绝缘片3之间均通过焊料焊接，MCC热沉2、绝缘片3和负极片4上均设有3个口，相互对应形成进水口9、出水口10和螺栓固定孔11，MCC小单元5的结构如图2、图3所示，绝缘紧固螺栓8通过螺栓固定孔11将顶块7、4个MCC小单元5与底板6固定在一起。红光半导体激光器巴条1由20个红光半导体激光器单芯片并联组成，红光半导体激光器巴条1的激光波长为660nm，如图1所示，红光半导体激光器单芯片的发光功率为1W。

此处设计的优势在于，红光半导体激光器单芯片多个并联可实现低电压条件下高功率输出。红光半导体激光器单芯片的发光功率可保证在有效的照射面积下有较高的功率密度，从而实现在医疗健康方面的应用。通过焊料连接，可以保证电流的均匀性。

红光半导体激光器巴条1的长度为10mm，红光半导体激光器巴条1的宽度为1mm。此处设计的优势在于，在实现高功率输出的同时能保证有效的发光面积。

MCC热沉2的宽度为11mm，MCC热沉2的长度比绝缘片3的长度长1.5mm，绝缘片3的宽度为10mm，MCC热沉2的长度比负极片4的长度长0.3mm，负极片4的宽度为10mm。绝缘片3比红光半导体激光器巴条1厚0.1mm。

MCC热沉2为热导率大于388W/(m·K)的铜材料。

此处设计的优势在于，可将红光半导体激光器产生的热量及时散发出去，避免热量富集对红光半导体激光器的功率和波长产生影响。

MCC热沉2内部设有若干条水道,水道的横截面积为2.8-3.1mm²，水道的长度为21-23mm，水道占MCC热沉体积的20％。

此处设计的优势在于，水道中的水可将红光半导体激光器芯片产生的热量及时从MCC热沉2上带走。

底板6和顶块7均为导热系数为386.4W/(m·K)、20℃时电阻率为0.018Ω·mm²/m的铜材料；绝缘片3上、下两面均镀有金属，负极片4为镀有金属的铜片。

此处设计的优势在于，金属可提高焊料的浸润性，保证焊料将MCC热沉2与绝缘片3之间、绝缘片3与负极片4之间良好的焊接。

本实施例中，在底板上进水口、出水口分别连接进水管、出水管；在底板上连接电源正极，顶块上连接电源负极，通电进行测试。本实施例中红光大功率激光模组的功率与电流的关系图如图5所示，横坐标为电流，纵坐标为功率，有图5可知，随着输入电流的增大，激光模组的出光功率逐渐增大，在20A的工作电流条件下，激光模组的输出功率达到80W。

1个MCC小单元含1个红光半导体激光器巴条1，1个红光半导体激光器巴条1是由20个1W红光半导体激光器单芯片并联形成的，在20A的工作电流条件下可出光20W，这样，由4个MCC小单元串联组成一个模组，就可实现80W的功率输出。

实施例2

根据实施例1所述一种红光大功率激光模组，其区别在于，该模组包括5个MCC小单元。

本实施例中，1个MCC小单元含1个红光半导体激光器巴条1，1个红光半导体激光器巴条1是由20个1W红光半导体激光器单芯片并联形成的，在25A的工作电流条件下可出光20W，这样，由5个MCC小单元串联组成一个模组，就可实现100W的功率输出。

实施例3

根据实施例1或2所述一种红光大功率激光模组，其区别在于，红光半导体激光器巴条1由21个红光半导体激光器单芯片并联组成，红光半导体激光器单芯片的发光功率为1.5W。

红光半导体激光器巴条1的激光波长为650nm。水道占MCC热沉2体积的15％。

实施例4

根据实施例1-3任一所述一种红光大功率激光模组，其区别在于，红光半导体激光器巴条1的激光波长为665nm。水道占MCC热沉2体积的25％。

实施例5

实施例1-4任一所述的红光大功率激光模组的组装方法，包括步骤如下：

(1)在MCC热沉2的前端预制焊料，将红光半导体激光器巴条1的P面焊接到MCC热沉2前端，红光半导体激光器巴条1的出光面突出MCC热沉2前端0-5μm；

(2)在绝缘片3下表面预制低温焊料，将绝缘片3焊接到MCC热沉2上，MCC热沉2上的3个口与绝缘片3上的3个口一一对应，形成进水口9、出水口10和螺栓固定孔11；

(3)在负极片4下表面预制低温焊料，将负极片4的前端焊接到红光半导体激光器巴条1的N面，将负极片4的后端焊接到绝缘片3上，负极片4上的3个口与绝缘片上的3个口一一对应，形成进水口9、出水口10和螺栓固定孔11；

(4)将焊接有红光半导体激光器巴条1、绝缘片3和负极片4的MCC热沉2作为1个MCC小单元5；

(5)用绝缘紧固螺栓8将顶块7、MCC小单元5固定到底板6上组成模组。

Claims (10)

1.一种红光大功率激光模组，其特征在于，包括底板、多个MCC小单元、顶块、绝缘紧固部件，通过所述绝缘紧固部件将底板、多个MCC小单元、顶块从下至上依次连接，所述MCC小单元包括MCC热沉、红光半导体激光器巴条、绝缘片和负极片，所述MCC热沉上表面一端设有所述红光半导体激光器巴条，所述红光半导体激光器巴条的P面向下设置在所述MCC热沉上，所述红光半导体激光器巴条的N面向上连接所述负极片，所述MCC热沉与所述负极片之间设置所述绝缘片，所述红光半导体激光器巴条由若干个红光半导体激光器单芯片并联组成。

2.根据权利要求1所述的一种红光大功率激光模组，其特征在于，所述红光半导体激光器巴条由20-21个红光半导体激光器单芯片并联组成，所述红光半导体激光器单芯片的发光功率为1-1.5W；

进一步优选的，所述红光半导体激光器巴条由20个红光半导体激光器单芯片并联组成，所述红光半导体激光器单芯片的发光功率为1W。

3.根据权利要求1所述的一种红光大功率激光模组，其特征在于，所述红光半导体激光器巴条的激光波长为650-665nm；

进一步优选的，所述红光半导体激光器巴条的激光波长为660nm。

4.根据权利要求1所述的一种红光大功率激光模组，其特征在于，所述红光半导体激光器巴条的长度为10mm，所述红光半导体激光器巴条的宽度为1-1.5mm；

进一步优选的，所述红光半导体激光器巴条的宽度为1mm。

5.根据权利要求1所述的一种红光大功率激光模组，其特征在于，所述MCC热沉内部设有若干条水道,水道的横截面积为2.8-3.1mm²，水道的长度为21-23mm，水道占MCC热沉体积的15％-25％。

6.根据权利要求1所述的一种红光大功率激光模组，其特征在于，所述MCC热沉为热导率大于388W/(m·K)的铜材料；所述底板和顶块均为导热系数为386.4W/(m·K)、20℃时电阻率为0.018Ω·mm²/m的铜材料。

7.根据权利要求1所述的一种红光大功率激光模组，其特征在于，所述绝缘片上、下两面均镀有金属，所述负极片为镀有金属的铜片。

8.根据权利要求1所述的一种红光大功率激光模组，其特征在于，所述MCC热沉、绝缘片和负极片上均设有3个口，相互对应形成进水口、出水口和固定孔，所述绝缘紧固部件通过所述固定孔将顶块、多个MCC小单元与底板固定在一起。

9.根据权利要求1-8任一所述的一种红光大功率激光模组，其特征在于，所述红光半导体激光器巴条的P面向下通过焊料焊接在所述MCC热沉上，所述红光半导体激光器巴条的N面通过焊料与所述负极片焊接，所述绝缘片与所述MCC热沉之间、所述负极片与所述绝缘片之间均通过焊料焊接。

10.权利要求1-9所述的红光大功率激光模组的组装方法，其特征在于，包括步骤如下：

(1)将所述红光半导体激光器巴条、绝缘片通过焊料焊接在所述MCC热沉上表面，将所述负极片通过焊料焊接在所述绝缘片上，形成一个MCC小单元；按照该方法制备多个MCC小单元；

(2)通过所述绝缘紧固部件将所述底板、多个所述MCC小单元、所述顶块从下至上依次连接。