CN110289549B - 半导体激光器芯片、其封装方法及半导体激光器 - Google Patents

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Abstract

一种半导体激光器芯片、其封装方法及半导体激光器，该封装方法包括：在过渡热沉的凸台上镀焊料，得到过渡热沉一；在过渡热沉一上封装半导体激光器芯片；将得到的过渡热沉与半导体激光器芯片键合连接。本发明的绝热封装方法中空气隙的引入改变了热流动情况，使得几乎所有热量通过热沉的凸台流向底部热沉，使得激光器芯片中心导热性能优于两侧，其温度下降更快，整个激光器芯片温度更均匀，削弱了热透镜效应。

Description

半导体激光器芯片、其封装方法及半导体激光器
技术领域
本发明属于半导体激光器领域，具体涉及一种半导体激光器芯片、其封装方法及半导体激光器。
背景技术
近年来，半导体激光器因其具有激光技术得以迅猛发展，在当今社会中扮演着至关要的作用。半导体激光器以其体积小、重量轻、可靠性高、耗电少、效率高、寿命长等优点，在军事、工业、通信、医学、科研等诸多领域获得了广泛的应用，是未来最具发展前景的激光光源。芯片封装是把芯片直接焊接在不同结构、不同材料的热沉上的一种方法，热沉的作用主要是把芯片发光时产生的热量散掉，保证芯片能持续稳定的工作。焊接在热沉上的芯片称为COS(Chip On Submount)，之后再对COS采取下一步的封装方式，如F-Mount型封装、C-Mount型封装、Butterfly封装(蝶形封装)、TO封装等，经过封装后的激光器芯片可降低腔面被污染的几率，不易被损坏，便于携带，封装是半导体激光器芯片必不可少的后端工艺。激光器工作时产生热量，在芯片出光面的横向上，中心区域温度较高，两侧温度低，横向上温度分布梯度导致横向折射率分布梯度，即出现激光器的热透镜效应。导致激光器慢轴远场发散角变大，出光发散，光束质量降低，大大限制了半导体激光器的应用。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的之一在于提出一种半导体激光器芯片、其封装方法及半导体激光器，以期至少部分地解决上述技术问题中的至少之一。
为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，提供了一种半导体激光器芯片的封装方法，包括如下步骤：
(1)在过渡热沉的凸台上镀焊料，得到过渡热沉一；
(2)在过渡热沉一上封装半导体激光器芯片；
(3)将步骤(2)得到的过渡热沉与半导体激光器芯片键合连接。
作为本发明的另一个方面，还提供了一种如上所述的封装方法制备的半导体激光器芯片。
作为本发明的又一个方面，还提供了一种半导体激光器，内含有如上所述的封装方法制备的半导体激光器芯片或如上所述的半导体激光器芯片。
基于上述技术方案可知，本发明的半导体激光器芯片、其封装方法及半导体激光器相对于现有技术至少具有以下优势之一：
1、本发明提供的宽条形半导体激光器的绝热封装COS方法可以减小宽条形激光器的慢轴远场发散角、BPP(光束参数积)和M2(光束质量因子)，对慢轴光束起到改善作用，在科研和实际生产中都具有应用价值，可以扩展宽条型激光器的应用场景。
2、本发明的绝热封装方法中空气隙的引入改变了热流动情况，使得几乎所有热量通过热沉的凸台流向底部热沉，使得激光器芯片中心导热性能优于两侧，其温度下降更快，整个激光器芯片温度更均匀，削弱了热透镜效应。
附图说明
图1为本发明一实施例所述的绝热封装激光器芯片COS的三维结构示意图；
图2为本发明一实施例的绝热封装激光器芯片COS的剖面结构示意图；
图3A为普通封装方式下激光器芯片COS的温度分布图；
图3B为本发明一实施例绝热封装激光器芯片COS的温度分布图；
图4为本发明一实施例的绝热封装工艺流程图；
图5为本发明一实施例的绝热封装激光器芯片COS俯视方向结构示意图；
图6为本发明一实施例的绝热封装激光器芯片COS实物图；
图7A为本发明一实施例的绝热封装激光器芯片COS的远场光斑图；
图7B为普通封装的激光器芯片COS的远场光斑图。
附图标记说明：
1-半导体激光器芯片；2-过渡热沉；3-凸台；4-空气隙；5-键合引线。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
激光器慢轴光束质量主要受热透镜效应影响。材料折射率变化与材料中载流子浓度、温度变化有关，
式中为折射率随温度变化系数，ΔT为温度变化量，αfc为折射率随载流子浓度变化系数，ΔNfc为载流子浓度变化量。激光器工作时会产生热量，内部的温度从中心向四周逐渐降低，存在温度梯度，从而导致折射率分布不均匀，当高斯光束传播时经过折射率分布不均匀的吸收介质，此时该介质可视为光束的透镜，这就是热透镜现象。
根据梯度折射率理论可知，对于半导体激光器这种中心区域折射率高、两侧区域折射率低的有源层来说，热透镜效应对光束的传输可等效为波导中加入了凸透镜，对传输光线起自聚焦作用。该等效凸透镜焦距即为热透镜焦距，焦距可表示为
n0为初始折射率，α为折射率分布的均匀情况，α反映温度分布的不均匀性，由温度分布曲线得到，l为自聚焦透镜的厚度。孔径角可看作发散角的变化量Δθ，根据几何光学，可将慢轴发散角的增加定量表达为：
式中，θ为慢轴发散角增加量，f为等效热透镜焦距，w为有源区垂直方向宽度。
相比于普通封装芯片直接与热沉接触，本发明在芯片与过度热沉间引入空气隙，当芯片横向(慢轴方向)与热沉接触宽度小于芯片宽度时，封装后的激光器芯片与底部热沉间留有空气隙，称为绝热封装普通封装中热流从中心向外流动导致温度和折射率的下降，绝热封装中空气隙的引入改变了热流动情况，使得几乎所有热量通过热沉的凸台流向底部热沉，使得激光器芯片中心导热性能优于两侧，其温度下降更快，整个激光器芯片温度更均匀，削弱了热透镜效应，减小慢轴发散角，改善光束质量。
本发明公开了一种半导体激光器芯片的封装方法，包括如下步骤：
(1)在过渡热沉的凸台上镀焊料，得到过渡热沉一；
(2)在过渡热沉一上封装半导体激光器芯片；
(3)将步骤(2)得到的过渡热沉与半导体激光器芯片键合连接。
其中，步骤(1)中所述的焊料包括铟。
其中，步骤(1)中所述过渡热沉采用的材料包括氧化铍陶瓷；
其中，所述的氧化铍陶瓷上镀有金；
其中，所述氧化铍陶瓷上镀金的厚度为40-100μm；
其中，所述的氧化铍陶瓷为清洗后的陶瓷；
其中，所述氧化铍陶瓷的清洗步骤包括：
A、三氯甲烷浸泡；
B、去离子水清洗；
C、氮气烘干。
其中，步骤(1)中所述过渡热沉的凸台为长方体结构；
其中，步骤(1)中所述过渡热沉的侧视图为梯形。
其中，步骤(2)中所述封装方法包括倒装焊的封装方法；
其中，步骤(2)中所述激光器芯片通过焊料与过渡热沉烧结在一起。
其中，步骤(2)中所述封装步骤在惰性气体保护下进行；
其中，所述惰性气体包括N2或Ar2；
其中，步骤(2)中所述过渡热沉与半导体激光器芯片之间设有空隙；
其中，所述空隙的宽度为50-200μm。
其中，步骤(3)中所述的键合方法包括热压键合、超声键合或热超声键合；
其中，步骤(3)中所述的键合温度为65-75℃；
其中，步骤(3)中所述的过渡热沉与半导体激光器芯片通过键合引线键合连接。
其中，步骤(3)中所述键合引线采用的材料包括金丝或金带。
本发明还公开了一种如上所述的封装方法制备的半导体激光器芯片。
其中，所述半导体激光器芯片的慢轴发散角为6-10度，光参数积为8-15mm×mrad；光束质量因子为8-10；
其中，所述半导体激光器芯片的条宽为80-120μm，腔长为500-1200μm，周期为300-600μm；
其中，所述过渡热沉的凸台宽度为100-400μm。
本发明还公开了一种半导体激光器，内含有如上所述的封装方法制备的半导体激光器芯片或如上所述的半导体激光器芯片。
在一个实施方式中，本发明的一种宽条形半导体激光器单管芯片的绝热封装COS的方法例如采用如下技术方案：
该方法包括制作凸台形的氧化铍陶瓷过渡热沉；对该过渡热沉和激光器芯片用铟焊料进行烧结；将烧结好的绝热封装COS进行金丝键合。
一种半导体激光器芯片COS，包括：
半导体激光器芯片1，条宽为100μm，腔长900μm，周期为500μm；
过渡热沉2，所述激光器芯片1通过铟焊料与过渡热沉2烧结在一起。
键合引线5，为连通激光器芯片与过渡热沉，实现电导通。
其中，在热沉顶面中心区域上有长方体凸台3，则过渡热沉2侧视图为梯形。可在激光器芯片与热沉间形成空气隙5。
其中，过渡热沉2的材料为氧化铍，并在氧化铍陶瓷上方镀金。键合引线3，材料为纯度为高纯度(金丝纯度为99.99％)金丝。
本发明涉及到宽条形半导体激光器的一种新型的绝热封装COS方法。现在常用的普通封装芯片为芯片直接与过渡热沉接触，绝热封装中芯片横向(慢轴方向)与热沉接触宽度小于芯片宽度，使得芯片与过渡热沉间存在空气隙，绝热封装结构示意图如图2所示。用普通封装方式的激光器芯片和绝热封装方式工作时，芯片温度分布如图3A和图3B所示，可以看出激光器芯片工作时中心区域温度高，两侧温度低，普通封装中热流从中心向外流动导致温度和折射率的下降。当接触宽度为500μm时，芯片工作温度在慢轴方向出现了从两侧到中心由25.69℃升高到27.09℃的升高，温差为1.4℃，而当接触宽度为100μm时，芯片工作温度在慢轴方向从两侧到中心由27.07℃升高到27.33℃，温差仅有0.26℃，空气隙的引入导致激光器芯片结温略微升高。随芯片与热沉接触宽度的减小，芯片沿慢轴方向温度均匀性变好，折射率分布的均匀程度与温度分布均匀程度成正相关，则折射率分布均匀性提高，芯片等效热透镜焦距变大，慢轴发散角变小。
绝热封装中空气隙的引入改变了热流动情况，使得几乎所有热量通过热沉的凸台流向底部热沉，使得激光器芯片中心导热性能优于两侧，其温度下降更快，整个激光器芯片温度更均匀，削弱了热透镜效应，有望减小慢轴发散角，改善光束质量。
以下通过具体实施例结合附图对本发明的技术方案做进一步阐述说明。需要注意的是，下述的具体实施例仅是作为举例说明，本发明的保护范围并不限于此。
本实施例采用的波长为808nm的量子阱F-P腔激光器芯片1，该激光器的条宽为100μm，腔长900μm，周期为500μm。
实验中绝热封装结构俯视图如图4所示，为节约成本，可使用现有的氧化铍陶瓷作为热沉材料，氧化铍的热导率为260W·m-1·K-1，比热容为1088J·Kg-1·K-1，密度为3030Kg·m-3，氧化铍材料的各种性能参数决定了其适合做为激光器热沉材料2。在氧化铍陶瓷上蒸镀厚度为40μm的金，来保证后续的引线键合工艺。本实施例采用划片机在陶瓷热沉中心处留下宽度为W＝200μm的凸起长条来控制芯片与热沉的接触宽度，芯片及热沉具体尺寸如图4所示，氧化铍陶瓷过渡热沉宽度为4500μm，长度为5000μm，在其上留下宽度为200μm凸台，在凸台一侧400μm处，使用陶瓷划片机划出宽度为150μm的沟槽，沟槽以保证后续金丝键合工艺。普通封装方式如图5所示，即芯片直接与底部热沉接触。经划片机加工处理过的氧化铍陶瓷存有表面残留物质，需进行清洗。具体步骤为：1三氯甲烷浸泡2去离子水清洗3氮气烘干。工艺流程图如图4所示。
本发明工艺中的焊料选择软焊料铟，将铟均匀镀在氧化铍陶瓷的凸台3上，即图4中W的位置。采用Flipchip(倒装芯片)型焊接的封装方法，即激光器的p面与带有焊料的热沉2接触，采用倒封装可减小器件整体热阻，增强散热。涂抹铟的区域可与激光器芯片实现良好的热接触，这样在芯片两侧区域与氧化铍陶瓷间形成空气隙4，两侧空气隙宽度均为150μm，实现绝热封装。
利用贴片机进行绝热封装，该设备在显示器上能直接观看到芯片与热沉的位置，通过控制能将芯片准确地放到热沉的预定位置上，焊接操作简单、快捷，整个贴片过程有惰性气体N2保护。芯片的发光平面要平行于热沉的端面，芯片探出位置不能有金锡球的遮挡也不能悬空，四周焊接处不能出现空洞。
将焊在氧化铍陶瓷热沉上的芯片与热沉之间进行金丝键合，给激光器通电。本发明中采用热压键合，热压键合通过塑性流动及高温另相互接触的原子在规定的温度、时间以及压力下生成扩散的固体键合，用金丝作为键合引线5，需保证键合区域的干燥洁净以保证打线质量，需采用加热装置，使管芯和热沉的温度达到70℃。因绝热封装中两侧空气隙的存在，为使金丝键合时劈刀头给芯片的压力不超过芯片可承受的应力，结合激光器自身出光功率需求，在芯片中心区域纵向压一排金丝，大约5～8根。采用绝热封装的COS实物图如图6所示。
工作电流为1.0A时，绝热封装与普通封装下激光器芯片COS的远场光斑图分别如图7A、图7B所示。可以看出，随着接触宽度的增加，光斑尺寸有所增加，普通封装的激光器芯片COS的光斑尺寸最大，出射光束分散，继续增大工作电流时，会出现多光丝现象，光束质量恶化严重，采用绝热封装激光器芯片COS光斑尺寸较小，慢轴方向出射光束集中，光束质量相比普通封装有了明显提高。经实验测量得到，慢轴发散角减小至6°且慢轴发散角随电流变化更稳定，相应的光参数积BPP和光束质量因子M2降低至8mm×mrad和6，且随工作电流的增大而趋于稳定。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (21)

1.一种半导体激光器芯片的封装方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）在过渡热沉的凸台上镀焊料，得到过渡热沉一；
其中，所述过渡热沉的侧视图为梯形；
（2）在过渡热沉一上封装半导体激光器芯片，得到的封装后的过渡热沉与半导体激光器芯片之间设有空隙且与半导体激光器芯片的底部直接接触；
（3）将步骤（2）得到的封装后的过渡热沉与半导体激光器芯片键合连接；
其中，所述空隙的宽度为50-200μm，所述封装后的过渡热沉与所述半导体激光器芯片的接触宽度为100μm；
所述空隙位于所述半导体激光器芯片的两侧区域与所述封装后的过渡热沉之间的区域，以便于所述半导体激光器芯片的中心区域的导热性能，优于所述半导体激光器芯片的两侧区域的导热性能。
2.根据权利要求1所述的封装方法，其特征在于，
步骤（1）中所述的焊料包括铟。
3.根据权利要求1所述的封装方法，其特征在于，
步骤（1）中所述过渡热沉采用的材料包括氧化铍陶瓷。
4.根据权利要求3所述的封装方法，其特征在于，
所述的氧化铍陶瓷上镀有金。
5.根据权利要求4所述的封装方法，其特征在于，
所述氧化铍陶瓷上镀金的厚度为40-100 μm。
6.根据权利要求3所述的封装方法，其特征在于，
所述的氧化铍陶瓷为清洗后的陶瓷。
7.根据权利要求6所述的封装方法，其特征在于，
所述氧化铍陶瓷的清洗步骤包括：
A、三氯甲烷浸泡；
B、去离子水清洗；
C、氮气烘干。
8.根据权利要求1所述的封装方法，其特征在于，
步骤（1）中所述过渡热沉的凸台为长方体结构。
9.根据权利要求1所述的封装方法，其特征在于，
步骤（2）中所述封装方法包括倒装焊的封装方法。
10.根据权利要求9所述的封装方法，其特征在于，
步骤（2）中所述激光器芯片通过焊料与过渡热沉一烧结在一起。
11.根据权利要求1所述的封装方法，其特征在于，
步骤（2）中所述封装步骤在惰性气体保护下进行。
12.根据权利要求11所述的封装方法，其特征在于，
所述惰性气体包括N2或Ar。
13.根据权利要求1所述的封装方法，其特征在于，
步骤（3）中所述的键合方法包括热压键合或超声键合。
14.根据权利要求1所述的封装方法，其特征在于，
步骤（3）中所述的键合温度为65-75℃。
15.根据权利要求1所述的封装方法，其特征在于，
步骤（3）中所述封装后的过渡热沉与半导体激光器芯片通过键合引线键合连接。
16.根据权利要求15所述的封装方法，其特征在于，
步骤（3）中所述键合引线采用的材料包括金丝或金带。
17.根据权利要求1-16任一项所述的半导体激光器芯片的封装方法制备的半导体激光器芯片。
18.根据权利要求17所述的半导体激光器芯片，其特征在于，
所述半导体激光器芯片的慢轴发散角为6-10度，光参数积为8-15 mm×mrad；光束质量因子为8-10。
19.根据权利要求17所述的半导体激光器芯片，其特征在于，
所述半导体激光器芯片的条宽为80-120 μm，腔长为500-1200 μm，周期为300-600 μm。
20.根据权利要求17所述的半导体激光器芯片，其特征在于，
所述过渡热沉的凸台宽度为100-400 μm。
21.一种半导体激光器，内含有如权利要求1-16任一项所述的封装方法制备的半导体激光器芯片或如权利要求17-20任一项所述的半导体激光器芯片。
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