CN112366510A - 一种半导体激光器叠阵封装方法 - Google Patents

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付传尚
孙素娟
开北超
郑兆河
徐现刚
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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Abstract

一种半导体激光器叠阵，包括底座，底座上设置有电极绝缘片，电极绝缘片上设置有电极，底座上还设置有ALN陶瓷片，ALN陶瓷片上设置有巴条阵列，巴条阵列包括平行设置的钨铜热沉；相邻钨铜热沉之间设置有巴条，所述ALN陶瓷片与底座之间通过AuSn焊料封装，所述底座上设置有定位孔，内设置可设置有固定激光器，固定电源线。在室温下(25℃)筛选具有梯度波长的巴条进行半导体激光器叠阵封装，封装出的激光器可满足不同环境温度下的泵浦要求，可避免因激光器工作过程中产生的热量累积导致的波长漂移。

Description

一种半导体激光器叠阵封装方法
技术领域
本发明专利涉及半导体激光器叠阵封装领域，具体为一种泵浦用半导体激光器叠阵的封装方法。
背景技术
半导体激光器叠阵可应用于Nd:YAG、Nd:YVO4、Yb:YAG、Tm:YAG等常见固体激光器的泵浦领域，Nd:YAG、Nd:YVO4等晶体在808nm达到吸收峰值，Yb:YAG晶体在940nm达到吸收峰值，Tm:YAG晶体在783nm达到吸收峰值；YAG晶体、YVO4晶体作为增益介质，产生1030nm-1064nm的激光，广泛应用于医疗、材料加工、军事等领域，通常晶体的尺寸较小，吸收带宽较窄，约为3nm，对泵源的波长要求、体积要求及可靠性要求较高，若泵浦波长偏差过大，会导致泵浦效率降低。半导体激光器叠阵作为常用的固体激光器的泵浦，目前商业化推广的泵浦用半导体激光器主要为厘米bar封装的传导冷却叠阵激光器，该结构的激光器具备体积小、效率高、可靠性高等优点，已经应用到固体激光器的泵浦领域。
但半导体激光器的波长会随着温度的变化产生红移、蓝移现象，即当温度升高时，波长会变长，温度降低时波长会变短，波长的变化直接影响到泵浦效率。激光器工作过程中会产生热量，热量累积会导致波长变化，从而使泵浦效率降低，为了稳定激光器工作过程中的波长，保证泵浦效率的稳定，常用的方法是在激光器底部安装温度控制系统，实时监测激光器的工作温度，并可进行自动调节，但安装温控系统后激光器的体积会变大，不满足于某些特殊行业的应用。
CN104269735B给出了一种传导冷却半导体激光器叠阵的封装结构，其主要技术方案是激光器正极连接块和负极连接块分别通过紧固螺钉斜向下穿过绝缘结构与散热热沉连接固定；正极连接块和负极连接块相向的内侧面均为斜面，两个斜面整体呈向下合拢状，整个激光器叠阵的两端外侧面也为斜面，分别与两个斜面相适配，以满足在紧固螺钉斜向下的旋紧作用下所有芯片模块整体上被正极连接块和负极连接块同时向中间和向下紧压，该传导冷却叠阵激光器优化了电极连接方式，有效的减小了激光器的体积，但未提及波长稳定控制的方法。
CN208157850U给出了一种传导冷却环形激光器叠阵结构，该环形结构通过高温焊料和钨铜热沉封装巴条，通过过渡电绝缘片封装到环形水冷热沉上，通过水冷的形式带走工作过程中产生的热量，可有效避免激光器波长的变化，该结构的优点在于构成了环形叠阵，可与YAG晶体的形状良好的匹配，结构紧凑，但是工作过程中需要配备水循环系统，导致体积过大，限制了该激光器的应用领域。
发明内容
术语说明：
1、晶体：常见的用于固体激光器的Nd:YAG、Nd:YVO4、Yb:YAG、Tm:YAG晶体；
2、吸收峰值：指晶体在某一吸收波段达到转换效率的最高点；
3、巴条：用于封装半导体激光器泵源的激光芯片，长度通常为1cm；
4、波长红移：当温度升高时，半导体激光器的波长会随温度的升高而变长，温度漂移系数通常为0.28nm/℃。
针对现有技术的不足，本发明提供了一种半导体激光器叠阵封装方法,以解决现有技术中波长偏差导致的泵浦效率低问题。
本发明的技术方案如下：
一种半导体激光器叠阵，包括底座，底座上设置有电极绝缘片，电极绝缘片上设置有电极，底座上还设置有ALN陶瓷片，ALN陶瓷片上设置有巴条阵列。
优选的，所述巴条阵列包括平行设置的钨铜热沉；相邻钨铜热沉之间设置有巴条。
进一步优选的，巴条的数量大于1。
可根据所泵浦的晶体吸收峰值来选择不同波长的巴条，应在封装前对所选择的巴条波长进行筛选，筛选出具有梯度波长差的巴条组，组内波长梯度差通常控制在2nm，巴条数量不仅仅局限于固定条，所选的多组不同波长的巴条可任意错位排列，但尽量保证相同梯度波长的巴条不相邻，这样，泵源在工作过程中产生热量的累计导致波长红移时，可保证泵源的波长始终保持在晶体的吸收峰值上，可以有效避免在温度变化引起泵源的波长变化而导致泵浦效率变低的现象；同时，泵源可不受工作温度的限制，可以忽略因环境温度的变化导致的波长变化问题，作为泵源可以省略温度控制系统，减小整个激光器系统的体积。
优选的，所述底座上设置有凸台，所述凸台上设置有ALN陶瓷片。
ALN陶瓷片在激光器中主要用于巴条正负极绝缘，该材料热导率高，热膨胀系数小，容易加工，是半导体封装绝缘材料的最佳选择，ALN陶瓷片在巴条对应位置开槽，在对巴条绝缘的同时可有效释放硬焊料封装过程中引入的封装应力。
优选的，所述ALN陶瓷片与底座之间通过AuSn焊料封装。
所选择的AuSn焊料配比为Au80Sn20,熔点为278℃,在半导体激光器封装材料中，该焊料熔点较高，形成的Au5Sn(ζ)相合金性能稳定，综合性能优于In焊料以及其他低温软焊料。
优选的，所述底座上设置有定位孔。
定位孔内可以用于安装激光器或固定电源线等。
一种半导体激光器叠阵封装方法，包括如下步骤：
(1)根据晶体的吸收峰值，选取吸收峰值波长附近的巴条进行扎测筛选；
(2)在室温下(25℃)筛选出组内波长梯度差为2nm的多个巴条组，筛选出的巴条任意排列，巴条阵列采用钨铜热沉+巴条+钨铜热沉的结构进行封装；
(3)钨铜热沉和巴条之间通过AuSn焊料连接；
(4)将设计好的AlN陶瓷片通过高温硬焊料(AuSn)焊接到散热热沉上；
(5)将巴条阵列通过SnAg焊料封装到AlN陶瓷片上。
本发明的有益效果是：
1、半导体激光器的波长会随温度的升高发生红移现象，在室温下(25℃)筛选具有梯度波长的巴条进行半导体激光器叠阵封装，可避免激光器工作过程中产生的热量累积造成波长漂移导致泵浦效率低的问题。
2、在室温下(25℃)筛选具有梯度波长的巴条进行半导体激光器叠阵封装，当环境温度升高时，短波长的巴条波长会红移至晶体的吸收峰值范围内，使得封装出的激光器可满足不同环境温度下的泵浦要求。
3、将多个不同波长的巴条按照顺序排列封装成巴条阵列，再将巴条阵列封装到底座上，中间采用AlN陶瓷片绝缘，整个封装过程中采用硬焊料，实现了无铟化封装。避免了以铟焊料为代表的软焊料的弊端，泵源通常在高电流，短脉冲的条件下工作，铟焊料或含铟焊料在该工作条件下，铟原子会产生电迁移现象，同时，工作过程中热量累积，铟焊料会发生热迁移，导致焊接处形成空洞，导致可靠性变低，以AuSn为代表的硬焊料封装可有效避免该问题，形成的Au5Sn(ζ)相合金综合性能较好，可满足高温下的应用，可靠性较高。
附图说明
图1是本发明结构示意图；
图2是AlN陶瓷片封装到底座上的结构图；
图3是散热热沉结构图；
图4是巴条阵列结构示意图；
图中，1、钨铜热沉，2、巴条，3、底座，4、电极，5、电极绝缘片，6、ALN陶瓷片，7、定位孔。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。下面根据附图和实施例对本发明作进一步详细说明：
实施例1：
一种半导体激光器叠阵，包括底座3，底座3上设置有电极绝缘片5，电极绝缘片5上设置有电极4，底座3上还设置有ALN陶瓷片6，ALN陶瓷片6在巴条2对应位置开槽，在对巴条2绝缘的同时可有效释放硬焊料封装过程中引入的封装应力。ALN陶瓷片6与底座3之间通过AuSn焊料封装，ALN陶瓷片6上设置有巴条阵列，凸台两侧的底座上分别设置有定位孔优选的，所述底座上设置有定位孔，定位孔7内可以用于安装激光器或固定电源线等。
实施例2：
与实施例1不同的是，巴条阵列包括平行设置的钨铜热沉1；相邻钨铜热沉1之间设置有巴条2，可根据所泵浦的晶体吸收峰值来选择不同波长的巴条2，应在封装前对所选择的巴条2波长进行筛选，筛选出具有梯度波长差的巴条组，组内波长梯度差通常控制在2nm，巴条数量不仅仅局限于固定条，所选的多组不同波长的巴条可任意错位排列，但尽量保证相同梯度波长的巴条不相邻，这样，泵源在工作过程中产生热量的累计导致波长红移时，可保证泵源的波长始终保持在晶体的吸收峰值上，可以有效避免在温度变化引起泵源的波长变化而导致泵浦效率变低的现象；同时，泵源可不受工作温度的限制，可以忽略因环境温度的变化导致的波长变化问题，作为泵源可以省略温度控制系统，减小整个激光器系统的体积。
实施例3
一种半导体激光器叠阵封装方法，包括如下步骤：
(1)在封装前对巴条进行扎测筛选，筛选出波长梯度差为2nm的巴条；
(2)在室温下(25℃)筛选出组内波长梯度差为2nm的多个巴条组，筛选出的巴条任意排列，巴条阵列采用钨铜热沉+巴条+钨铜热沉的结构进行封装；常见选择为通过808泵源，筛选804nm、806nm、808nm的多个巴条组，按照任意排列顺序封装成巴条阵列，但相同波长的不连续设置，巴条阵列采用钨铜热沉+巴条+钨铜热沉的结构进行封装；
(3)钨铜热沉和巴条之间通过AuSn焊料连接；
(4)将设计好的AlN陶瓷片通过高温硬焊料焊接到散热热沉上；
(5)将巴条阵列通过SnAg焊料封装到AlN陶瓷片上。
实施例4
与实施例3不同的是，在步骤(2)中可选择940泵源，筛选936nm、938nm、940nm、942nm的多个巴条组，按照任意排列顺序封装成巴条阵列，但相同波长的不连续设置。
实施例5
与实施例3不同的是，在步骤(2)中可选择785泵源，筛选783nm、785nm、787nm的多个巴条组，按照任意排列顺序封装成巴条阵列，但相同波长的不连续设置。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (7)

1.一种半导体激光器叠阵，其特征在于：包括底座，底座上设置有电极绝缘片，电极绝缘片上设置有电极，底座上还设置有ALN陶瓷片，ALN陶瓷片上设置有巴条阵列。
2.根据权利要求1所述的半导体激光器叠阵，其特征在于：所述巴条阵列包括平行设置的钨铜热沉；相邻钨铜热沉之间设置有巴条。
3.根据权利要求2所述的半导体激光器叠阵，其特征在于：巴条的数量大于1。
4.根据权利要求1所述的半导体激光器叠阵，其特征在于：所述底座上设置有凸台，所述凸台上设置有ALN陶瓷片。
5.根据权利要求1所述的半导体激光器叠阵，其特征在于：所述ALN陶瓷片与底座之间通过AuSn焊料封装。
6.根据权利要求1所述的半导体激光器叠阵，其特征在于：所述底座上设置有定位孔。
7.一种半导体激光器叠阵封装方法，包括如下步骤：
(1)根据晶体的吸收峰值，选取吸收峰值波长附近的巴条进行扎测筛选；
(2)在25℃室温下筛选出组内波长梯度差为2nm的多个巴条组，筛选出的巴条任意排列，巴条阵列采用钨铜热沉+巴条+钨铜热沉的结构进行封装；
(3)钨铜热沉和巴条之间通过AuSn焊料连接；
(4)将设计好的AlN陶瓷片通过高温硬焊料焊接到散热热沉上；
(5)将巴条阵列通过SnAg焊料封装到AlN陶瓷片上。
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