CN111106524A - 一种半导体激光器 - Google Patents

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陈长安
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Abstract

本申请公开了一种半导体激光器。该半导体激光器至少包括：第一热沉基板，包括相对设置的上表面及下表面，第一热沉基板设置有至少一个第一通孔，第一通孔从上表面贯穿至下表面；第一激光器模组，设置在第一热沉基板的上表面；第二激光器模组，设置在第一热沉基板的下表面；第一连接件，容置于第一通孔内；其中，第一激光器模组与第二激光器模组通过第一连接件电连接。通过这种方式，能够减少激光器的电极引线数量，进而减少发热及提升其性能的稳定性。

Description

一种半导体激光器
技术领域
本申请涉及激光器领域，特别是涉及一种半导体激光器。
背景技术
半导体激光泵浦的全固态激光器是20世纪80年代末期出现的新型激光器。其总体效率至少要比灯泵浦高10倍，由于单位输出的热负荷降低，可获取更高的功率，系统寿命和可靠性大约是闪光灯泵浦系统的100倍，因此，半导体激光器泵浦技术为固体激光器注入了新的生机和活力，使全固态激光器同时具有固体激光器和半导体激光器的双重特点，它的出现和逐渐成熟是固体激光器的一场革命，也是固体激光器的发展方向。并且，它已渗透到各个学科领域，例如：激光信息存储与处理、激光材料加工、激光医学及生物学、激光通讯、激光印刷、激光光谱学、激光化学、激光分离同位素、激光核聚变、激光投影显示、激光检测与计量及军用激光技术等，极大地促进了这些领域的技术进步和前所未有的发展。
本申请的发明人在长期的研发中发现，当前在大功率激光器封装技术的研究主要集中在激光器的工艺，而在可靠性和散热方面的相关研究较少，现有的大功率激光器一般采用激光巴条堆叠的方式，一是使用铟(Indium)、或金锡共金，将激光巴条与电导体铜块黏合串连，但由于铜块金属的热膨胀系数(Thermal expansion coefficient,TCE)高达17E-6/℃,是激光巴条的三倍以上(激光巴条的热膨胀系数在5.3E-6/℃附近)，导致不良可靠性与寿命短的问题，若使用铜钨金属块，可达成匹配的热膨胀系数，但铜钨的热导及导电性远不及铜，导致激光器运作时的散热问题，进而引起一系列导电性缺陷，一样可靠度不佳。目前新的封装方式，是把激光巴条共金黏合陶瓷材料的热沉基板上，陶瓷热沉基板轻薄、散热佳，且热膨胀系数与激光半导体匹配，因此目前的堆叠激光巴条都采用此种陶瓷结构，但陶瓷材料为绝缘体，组装激光巴条时需要将激光器电极层与电极引线连接。如图1所示，激光器101一般由多个巴条102及多个热沉基板103堆叠而成，具体地，巴条102的上表面(N面)设置有上电极层104，下表面设置有下电极层105(P面)，下电极层105位于巴条102与热沉基板103之间，上电极层104与外部电流连接的负极引线，下电极层105与外部电流连接的正极引线。但这种设置方式，一个巴条102对应一组正负电极引线，对于一些大功率激光器而言，需同时堆叠多个巴条102，会导致电极引线过多，引发散热问题，且电极引线过多会增加激光器101的设计复杂度，增加电连接接触不良问题，不利于激光器101的性能稳定性的提升。
发明内容
本申请主要解决的技术问题是提供一种半导体激光器，以减少半导体激光器的电极引线数量，减少发热及提升其性能稳定性。
为解决上述技术问题，本申请采用的一个技术方案是：提供一种半导体激光器，该半导体激光器至少包括：第一热沉基板，包括相对设置的上表面及下表面，第一热沉基板设置有至少一个第一通孔，第一通孔从上表面贯穿至下表面；第一激光器模组，设置在第一热沉基板的上表面；第二激光器模组，设置在第一热沉基板的下表面；第一连接件，容置于第一通孔内；其中，第一激光器模组与第二激光器模组通过第一连接件电连接。该技术方案能够减少激光器的电极引线的数量，因此能够减少发热及提升其性能的稳定性。
在一个实施方式中，半导体激光器进一步包括第二热沉基板，第二激光器模组位于第一热沉基板的下表面与第二热沉基板的上表面之间。该技术方案能够增加对第二激光器模组的散热。
在一个实施方式中，第一连接件连接第一激光器模组的P面及第二激光器模组的N面，或者第一连接件连接第一激光器模组的N面及第二激光器模组的P面。该技术方案能够实现第一激光器模组和第二激光器模组串联设置，能够减少激光器的电极引线数量。
在一个实施方式中，第一连接件连接第一激光器模组的N面及第二激光器模组的N面，或者第一连接件连接第一激光器模组的P面及第二激光器模组的P面。该技术方案能够实现第一激光器模组和第二激光器模组并联设置，能够减少激光器的电极引线数量。
在一个实施方式中，第二热沉基板设置有从上表面贯穿至下表面的至少一个第二通孔，半导体激光器进一步包括：第三热沉基板；第三激光器模组，位于第二热沉基板的下表面与第三热沉基板的上表面之间；第二连接件，容置于第二通孔内；其中，第二激光器模组与第三激光器模组通过第二连接件连接。
在一个实施方式中，第一连接件连接第一激光器模组的P面及第二激光器模组的P面，第二连接件连接第二激光器模组的N面及第三激光器模组的P面。该技术方案能够实现三个激光器模组的串并联设置，能够减少激光器的电极引线数量。
在一个实施方式中，第一连接件连接第一激光器模组的P面及第二激光器模组的P面，第二连接件连接第二激光器模组的N面及第三激光器模组的N面；第二热沉基板的宽度小于第一热沉基板的宽度，半导体激光器进一步包括第三连接件，设置在第二热沉基板的侧边，用于连接第二激光器模组的P面及第三激光器模组的P面。该技术方案能够进一步减少激光器的电极引线数量。
在一个实施方式中，第一连接件连接第一激光器模组的P面及第二激光器模组的N面，第二连接件连接第二激光器模组的P面及第三激光器模组的N面。该技术方案能够实现第一激光器模组、第二激光器模组及第三激光器模组串联，能够减少激光器的电极引线数量。
在一个实施方式中，第一热沉基板设置多个所述第一通孔，半导体激光器包括多个容置于第一通孔内的第一连接件。该技术方案能够在某个第一连接件出现导电不良时，其它第一连接件可以实现第一热沉基板上、下表面电极层的连接，使得激光器正常工作。
在一个实施方式中，第一热沉基板为陶瓷基板。
本申请实施例的有益效果是：区别于现有技术，本申请实施例半导体激光器至少包括：第一热沉基板，包括相对设置的上表面及下表面，第一热沉基板设置有至少一个第一通孔，第一通孔从上表面贯穿至下表面；第一激光器模组，设置在第一热沉基板的上表面；第二激光器模组，设置在第一热沉基板的下表面；第一连接件，容置于第一通孔内；其中，第一激光器模组与第二激光器模组通过第一连接件电连接。通过这种方式，本申请实施例通过容置于贯穿第一热沉基板的第一通孔中的第一连接件将第一激光器模组中与第二激光器模组进行电连接，能够实现第一激光器模组与第二激光器模组共用电极引线，从而能够减少半导体激光器的电极引线的数量，进而减少发热及提升其性能的稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是半导体激光器一结构示意图；
图2是本申请半导体激光器第一实施例的结构示意图；
图3是本申请半导体激光器第二实施例的结构示意图；
图4是本申请半导体激光器第三实施例的结构示意图；
图5是本申请半导体激光器第四实施例的结构示意图；
图6是本申请半导体激光器第五实施例的结构示意图；
图7是本申请半导体激光器第六实施例的结构示意图；
图8是本申请半导体激光器第七实施例的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本申请作进一步的详细描述。特别指出的是，以下实施例仅用于说明本申请，但不对本申请的范围进行限定。同样的，以下实施例仅为本申请的部分实施例而非全部实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。
本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“内”、“外”等指示的方位或者位置关系为基于附图所示的方位或者位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或者位置关系，仅是为了方便描述本申请合简化描述，而不是指示或者暗示所指的装置或者元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
此外，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。
本申请首先提出一种半导体激光器，如图2所示，图2是本申请半导体激光器第一实施例的结构示意图。本实施例半导体激光器201至少包括：第一热沉基板202、第一激光器模组203、第二激光器模组204及第一连接件205，其中，第一热沉基板202包括相对设置的上表面及下表面，第一热沉基板202设置有至少一个第一通孔(图未标)，第一通孔从上表面贯穿至下表面；第一激光器模组203设置在第一热沉基板202的上表面；第二激光器模组204设置在第一热沉基板202的下表面；第一连接件205容置于第一通孔内；其中，第一激光器模组203与第二激光器模组204通过第一连接件205电连接。
具体地，第一激光器模组203包括：第一巴条206、第一上电极层207及第一下电极层208，其中，第一上电极层206设置在第一巴条203的上表面，第一下电极层208位于第一巴条206与第一热沉基板202的上表面之间；第二激光器模组204包括：第二巴条209、第二上电极层210及第二下电极层211，第二上电极层210位于第一热沉基板202的下表面与第二巴条209之间，第二下电极层211设置在第二巴条209的下表面；其中，第一下电极层208与第二上电极层210通过第一连接件205连接。
本实施例的第一热沉基板202用于对位于其上表面的第一激光器模组203及位于下表面的第二激光器模组204进行散热。
其中，本实施例的第一巴条206及第二巴条209均为半导体巴条。
本实施例可以通过激光打孔或者光刻、刻蚀等工艺在第一热沉基板202上形成上述第一通孔。
第一通孔的形状、大小和数量是由半导体激光器功率和制备的工艺等因素来决定。其中，本实施例的上述第一通孔优选为圆形，该第一通孔的孔径范围为5～200um，具体可为5um、50um、100um、150um及200um等，具体不做限定。当然，在其它实施例中，该第一通孔还可以是其它形状，如方形，或者具有其它孔径。
需要注意的是，本实施例只示出了半导体激光器201的垂直叠层结构，在水平方向上，半导体激光器201可以包括多个沿水平方向排列或者在水平面上成矩阵排列的多个激光器模组。
区别于现有技术，本实施例通过容置于贯穿第一热沉基板202的第一通孔中的第一连接件205将第一激光器模组203与第二激光器模组204进行电连接，能够实现第一激光器模组203与第二激光器模组204共用电极引线，从而能够减少半导体激光器201的电极引线的数量，因此能够减少发热及提升其性能的稳定性。
可选地，本实施例的第一连接件205包括填充在第一通孔中的导电材料，其中，导电材料至少包括铜、银、金等高导电金属材料中的任一种；该导电材料可以通过电镀等工艺容置于该第一通孔中。
可选地，本实施例的第一热沉基板202为陶瓷基板，该陶瓷基板由高导热绝缘陶瓷材料制作而成。具体地，该陶瓷材料可以包括Al2O3、AlN、SiC、BeO等中的任一种；还可以在基板上镀一层高散热膜，如石墨烯、钻石、类钻膜及砷化硼晶体等，以提高陶瓷基板的散热性能。
本实施的第一巴条206通过第一下电极层208焊接于第一热沉基板202的上表面，第二巴条209通过第二上电极层210焊接于第一热沉基板202的下表面。
本申请进一步提出第二实施例的半导体激光器，如图3所示，本实施例半导体激光器301与上述实施例半导体激光器201的区别在于：本实施例半导体激光器301进一步包括第二热沉基板302，第二激光器模组304位于第一热沉基板308的下表面与第二热沉基板302的上表面之间。具体地，第二激光器模组305的第二下电极层303位于第二激光器模组305的第二巴条304与第二热沉基板302的上表面之间。
本实施例通过设置第二热沉基板302，能够增加对第二激光器模组305的散热。
本实施例的第二热沉基板302与第一热沉基板308相同，这里不赘述。
当然，在其它实施例中，还可以在第一激光器模组的第一上电极层上设置热沉基板。
可选地，本实施例的第一连接件309连接第一激光器模组310的P面及第二激光器模组305的N面。
具体地，本实施例的第一激光器模组310的第一巴条306的上表面为半导体N面，第一巴条306的下表面为半导体P面，第二激光器模组305的第二巴条304的上表面为半导体N面，第二巴条304的下表面为半导体P面，第一激光器模组310的第一上电极层307与负电极引线A连接，第二激光器模组305的第二下电极层303与正电极引线B连接。
其中，图3中巴条上的椭圆标识表示半导体激光器模组的出光位置，即靠近半导体巴条的P面。
在将半导体巴条的N面连接电源负极，将半导体巴条的P面连接电源正极时，半导体巴条工作。
本实施例的贯穿第一热沉基板308的第一连接件309的两端分别连接第一激光器模组310的第一下电极层311(正电极层)与第二激光器模组305的第二上电极层312(负电极层)，以实现第一激光器模组310与第二激光器模组305的串联设置。通过这种串联设置，使得只需将第一激光器模组310的第一上电极层307(负极层)与负电极引线A连接，将第二激光器模组305的第二下电极层303(正极层)与正电极引线B连接即可使得第一激光器模组310和第二激光器模组305同时工作。因此，这种设置方式，能够减少半导体激光器的电极引线数量。
当然，在其它实施例中，第一连接件还连接第一激光器模组的N面及第二激光器模组的P面，以实现第一激光器模组与第二激光器模组的串联设置。
本申请进一步提出第三实施例的半导体激光器，如图4所示，本实施例半导体激光器401与上述实施例半导体激光器301的区别在于：本实施例的第二热沉基板408设置有从上表面贯穿至下表面的至少一个第二通孔；本实施例激光器401进一步包括第三热沉基板402、第三激光器模组403及第二连接件404，其中，第三激光器模组403位于第二热沉基板408与第三热沉基板402的上表面之间；第二连接件404容置于第二通孔内；第二激光器模组413与第三激光器模组403通过第二连接件404连接。
具体地，第三激光器模组403包括第三巴条405、第三上电极层406及第三下电极层407，第三上电极层406位于第二热沉基板408的下表面与第三巴条405之间；第三下电极层407位于第三巴条405与第三热沉基板402的上表面之间；其中，第二下电极层409与第三上电极层406通过第二连接件404连接。
可选地，本实施例的第一连接件414连接第一激光器模组415的P面及第二激光器模组413的N面，第二连接件404连接第二激光器模组413的P面及第三激光器模组403的N面。
具体地，第一激光器模组415的第一巴条410的上表面为半导体N面，第一巴条410的下表面为半导体P面，第二激光器模组413的第二巴条411的上表面为半导体N面，第二巴条411的下表面为半导体P面，第三激光器模组403第三巴条405的上表面为半导体N面，第三巴条405的下表面为半导体P面，第一上电极层412与负电极引线A连接，第三下电极层407与正电极引线B连接。
通过上述分析可知，本实施例能够实现三个激光器模组串联。当然，在其它实施例中，不限定激光器模组及热沉基板的具体数量，可以实现三个以上的激光器模组串联。
本申请进一步提出第四实施例的半导体激光器，如图5所示，本实施例半导体激光器501与上述实施例半导体激光器301的区别在于：本实施例的第一连接件508连接第一激光器模组509的P面及第二激光器模组510的P面。
具体地，第一激光器模组509的第一巴条502的上表面为半导体N面，第一巴条502的下表面为半导体P面，第二激光器模组510第二巴条503的上表面为半导体P面，第二巴条503的下表面为半导体N面，第一上电极层504及第二下电极层505与负电极引线A连接，第一下电极层506或第二上电极层511与正电极引线B连接。
本实施例的贯穿第一热沉基板507的第一连接件508的两端分别连接第一激光器模组509的第一下电极层506(正电极层)与第二激光器模组510的第二上电极层511(正电极层)，以实现第一激光器模组509与第二激光器模组510的并联设置。通过这种并联设置，使得只需将第一激光器模组509的第一上电极层504(负电极层)与负电极引线A连接，将第一激光器模组509的第一下电极层506(正电极层)或将第二激光器模组510的第二上电极层511(正电极层)与正电极引线B连接，将第二激光器模组510的第二下电极层505(负电极层)与负电极引线A连接即可使得第一激光器模组509和第二激光器模组510同时工作。
通过这种方式能够实现第一激光器模组509与第二激光器模组510并联设置，能够减少半导体激光器501的电极引线数量。
当然，在其它实施例中，第一连接件可以连接第一激光器模组的N面及第二激光器模组的N面，以实现第一激光器模组与第二激光器模组的并联设置。
本申请进一步提出第五实施例的半导体激光器，如图6所示，本实施例半导体激光器601与上述实施例半导体激光器401的区别在于：本实施例的第一连接件607连接第一激光器模组608的P面及第二激光器模组609的P面，第二连接件610连接第二激光器模组609的N面及第三激光器模组611的P面。
具体地，第一激光器模组608的第一巴条602的上表面为半导体N面，第一巴条602的下表面为半导体P面，第二激光器模组609的第二巴条603的上表面为半导体P面，第二巴条603的下表面为半导体N面，第三激光器模组611第三巴条604的上表面为半导体P面，第三巴条604的下表面为半导体N面，第一上电极层605及第三下电极层606与负电极引线A连接，第一下电极层605和与正电极引线B连接。
通过上述设置，能够实现三个激光器模组的串并联设置，能够减少激光器的电极引线数量。
本申请进一步提出第六实施例的半导体激光器，如图7所示，本实施例半导体激光器701与上述实施例半导体激光器601的区别在于：本实施例的第一连接件713连接第一激光器模组714的P面及第二激光器模组715的P面，第二连接件717连接第二激光器模组715的N面及第三激光器模组716的N面；半导体激光器701进一步包括第三连接件707，设置在第二热沉基板705的侧边，用于连接第二激光器模组715的P面及第三激光器模组716的P面。
具体地，第一激光器模组714的第一巴条702的上表面为半导体N面，第一巴条702的下表面为半导体P面，第二激光器模组715的第二巴条703的上表面为半导体P面，第二巴条703的下表面为半导体N面，第三激光器模组716的第三巴条704的上表面为半导体N面，第三巴条704的下表面为半导体P面；第三连接件707用于连接第二上电极层708及第三下电极层709，第一上电极层710及第二下电极层711与负电极引线A连接，第一下电极层712与正电极引线B连接，能够减少半导体激光器的电极引线数量。
本申请进一步提出第七实施例的半导体激光器，如图8所示，本实施例半导体激光器801与上述实施例半导体激光器301的区别在于：本实施例的第一热沉基板802设置有两个及两个以上第一通孔，半导体激光器801包括两个第一连接件803。通过这种设置方式，能够在某个第一连接件803出现导电不良时，其它第一连接件803可以实现第一热沉基板802上、下表面电极层的连接，使得激光器801正常工作。
在其它实施例中，热沉基板还可以设置两个以上的第一通孔，以形成两个以上的第一连接件。
在其它实施例中，本申请的第一连接件及第二连接件连接的两个电极层中任何一个都可以与电极引线连接，且本申请不限定，正、负电极层在巴条上、下表面的位置。
区别于现有技术，本申请实施例半导体激光器至少包括：第一热沉基板，包括相对设置的上表面及下表面，第一热沉基板设置有至少一个第一通孔，第一通孔从上表面贯穿至下表面；第一激光器模组，设置在第一热沉基板的上表面；第二激光器模组，设置在第一热沉基板的下表面；第一连接件，容置于第一通孔内；其中，第一激光器模组与第二激光器模组通过第一连接件电连接。通过这种方式，本申请实施例通过容置于贯穿第一热沉基板的第一通孔中的第一连接件将第一激光器模组中的第一下电极层与第二激光器模组中的第二上电极层连接，能够实现第一激光器模组与第二激光器模组的电极层共用电极引线，从而能够减少半导体激光器的电极引线的数量，进而减少发热及提升其性能的稳定性。
以上所述仅为本申请的实施方式，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种半导体激光器，其特征在于，所述半导体激光器至少包括：
第一热沉基板，包括相对设置的上表面及下表面，所述第一热沉基板设置有至少一个第一通孔，所述第一通孔从所述上表面贯穿至所述下表面；
第一激光器模组，设置在所述第一热沉基板的上表面；
第二激光器模组，设置在所述第一热沉基板的下表面；
第一连接件，容置于所述第一通孔内；
其中，所述第一激光器模组与所述第二激光器模组通过所述第一连接件电连接。
2.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述半导体激光器进一步包括：第二热沉基板，所述第二激光器模组位于所述第一热沉基板的下表面与所述第二热沉基板的上表面之间。
3.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述第一连接件连接所述第一激光器模组的P面及所述第二激光器模组的N面，或者所述第一连接件连接所述第一激光器模组的N面及所述第二激光器模组的P面。
4.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述第一连接件连接所述第一激光器模组的N面及所述第二激光器模组的N面，或者所述第一连接件连接所述第一激光器模组的P面及所述第二激光器模组的P面。
5.根据权利要求2所述的半导体激光器，其特征在于，所述第二热沉基板设置有从上表面贯穿至下表面的至少一个第二通孔，所述激光器进一步包括：
第三热沉基板；
第三激光器模组，位于第二热沉基板的下表面与所述第三热沉基板的上表面之间；
第二连接件，容置于所述第二通孔内；
其中，所述第二激光器模组与所述第三激光器模组通过所述第二连接件连接。
6.根据权利要求5所述的半导体激光器，其特征在于，所述第一连接件连接所述第一激光器模组的P面及所述第二激光器模组的P面，所述第二连接件连接所述第二激光器模组的N面及所述第三激光器模组的P面。
7.根据权利要求5所述的半导体激光器，其特征在于，所述第一连接件连接所述第一激光器模组的P面及所述第二激光器模组的P面，所述第二连接件连接所述第二激光器模组的N面及所述第三激光器模组的N面；
所述第二热沉基板的宽度小于所述第一热沉基板的宽度，所述半导体激光器进一步包括第三连接件，设置在所述第二热沉基板的侧边，用于连接所述第二激光器模组的P面及所述第三激光器模组的P面。
8.根据权利要求5所述的半导体激光器，其特征在于，所述第一连接件连接所述第一激光器模组的P面及所述第二激光器模组的N面，所述第二连接件连接所述第二激光器模组的P面及所述第三激光器模组的N面。
9.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述第一热沉基板设置多个所述第一通孔，所述半导体激光器包括多个容置于所述第一通孔内的所述第一连接件。
10.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述第一热沉基板为陶瓷基板。
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