CN112490844A - 一种巴条激光器封装结构及其制备方法 - Google Patents

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周立
王俊
靳嫣然
胡燚文
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Abstract

一种巴条激光器封装结构及其制备方法，巴条激光器封装结构包括：热沉；设置于所述热沉表面的巴条；绝缘电路板层，位于所述巴条侧部的所述热沉表面且与所述巴条相互分立；电极层，所述电极层包括电路板贴合区、巴条贴合区、以及位于电路板贴合区和巴条贴合区之间的过渡区，所述电极层的过渡区具有贯穿所述过渡区的应力释放沟槽，所述电路板贴合区与所述绝缘电路板层背向所述热沉一侧的表面贴合，所述巴条贴合区与所述巴条贴合。所述巴条激光器封装结构降低了巴条承受的封装压应力。

Description

一种巴条激光器封装结构及其制备方法
技术领域
本发明涉及半导体领域，具体涉及一种巴条激光器封装结构及其制备方法。
背景技术
激光芯片阵列，简称巴条，拥有较高的光功率及热功率。随着材料外延技术和激光器封装工艺技术的大幅提升，大功率激光二极管器件和阵列器件在国内外得到了迅速发展，成为当前激光产业应用拓展的主要方向，巴条激光器正向着单巴条千瓦输出功率的级别发展，产业化的连续输出200W以上和准连续输出300W、500W的巴条已经广泛投入到实际应用中。基于巴条封装的叠阵激光器目前在工业加工、泵浦、医疗美容等应用中占比很大。
一般情况下，巴条的封装会采用两种电路连接方式：一种是金线键合，其优点是电路连接不会对巴条产生额外的应力，但金线与巴条键合属于点接触，正常工作会产生较高的电压，影响器件的光电效率，同时金线键合的巴条封装方式不利于其叠阵使用；另一种是采用铜箔电极，其优点是铜箔与巴条属于面接触，正常产生的电压小，提升器件的光电效率。
然而，巴条采用铜箔电极电路连接时，铜箔电极会对巴条产生较大的应力，影响巴条激光器的性能。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中如何降低电极层对巴条产生的封装压应力的问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种巴条激光器封装结构，包括：热沉；设置于所述热沉表面的巴条；绝缘电路板层，位于所述巴条侧部的所述热沉表面且与所述巴条相互分立；电极层，所述电极层包括电路板贴合区、巴条贴合区、以及位于电路板贴合区和巴条贴合区之间的过渡区，所述电极层的过渡区具有贯穿所述过渡区的应力释放沟槽，所述电路板贴合区与所述绝缘电路板层背向所述热沉一侧的表面贴合，所述巴条贴合区与所述巴条贴合。
可选的，所述应力释放沟槽的形状为折形。
可选的，所述应力释放沟槽的数量为若干个，若干个应力释放沟槽沿着所述巴条的阵列排布方向分立设置。
可选的，各个应力释放沟槽之间的间距相等。
可选的，相邻的应力释放沟槽之间的间距为0.4mm～0.7mm。
可选的，所述应力释放沟槽包括依次连接的第一段区至第N段区，N为大于等于2的整数，对于相邻的第k段区和第k+1段区，第k段区的延伸方向与第k+1段区的延伸方向之间的夹角为60度～120度，k为大于等于1且小于等于N－1的整数。
可选的，第一段区至第N段区的长度均分别为0.3mm～0.6mm。
可选的，所述应力释放沟槽的宽度为0.08mm～0.12mm。
可选的，所述应力释放沟槽的总开口面积占据过渡区表面面积的2/9～2/7。
本发明还提供一种制备巴条激光器封装结构的方法，包括：提供热沉、巴条、绝缘电路板层；提供电极层，所述电极层包括电路板贴合区、巴条贴合区、以及位于电路板贴合区和巴条贴合区之间的过渡区，所述电极层的过渡区具有贯穿所述过渡区的应力释放沟槽；将所述巴条设置于所述热沉表面；将所述绝缘电路板层设置在所述热沉表面，所述绝缘电路板层与所述巴条位于热沉的同一侧且相互分立；将所述电路板贴合区与所述绝缘电路板层背向所述热沉一侧的表面焊接在一起，将所述巴条贴合区与所述巴条焊接在一起。
本发明技术方案，具有如下优点：
本发明技术方案提供的巴条激光器封装结构，电极层包括电路板贴合区、巴条贴合区、以及位于电路板贴合区和巴条贴合区之间的过渡区，所述电极层的过渡区具有贯穿所述过渡区的应力释放沟槽，因此使得电极层的整体性被破坏，可以降低电极层对巴条的直接封装压应力以及减少绝缘电路板层对巴条的间接封装压应力。
进一步，所述应力释放沟槽的形状为折形，折形的应力释放沟槽有多个不同的延伸方向，使得应力在不同的方向得到释放，避免朝向巴条的方向集中，有效的降低了作用在巴条上的封装压应力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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是一种巴条激光器封装结构的示意图；
图2至图7为本发明一实施例制备巴条激光器封装结构的过程示意图；
图8为图1中的巴条受到的封装压应力示意图；
图9为图7中的巴条受到的封装压应力示意图。
具体实施方式
正如背景技术所述，巴条采用铜箔电极电路连接时，铜箔电极会对巴条产生额外的应力，影响巴条激光器的性能。
一种巴条激光器封装结构，参考图1，包括：热沉100；设置于所述热沉100表面的巴条110；绝缘电路板层120，位于所述巴条110侧部的所述热沉100表面且与所述巴条110相互分立；电极层130，所述电极层130分别与所述绝缘电路板层120背向所述热沉100一侧的表面以及所述巴条110贴合在一起。
上述巴条激光器封装结构中，所述电极层130一般为铜箔电极，作为巴条激光器封装结构的负极，热沉100作为巴条激光器封装结构的正极，绝缘电路板层120的中间为绝缘层，绝缘电路板层120能隔离热沉100和电极层130，避免热沉100和电极层130直接接触，因此保证在正极和负极加电的过程中电流全部注入巴条110。铜箔电极的热膨胀系数为16.7×10－6k－1，巴条110的热膨胀系数为6.4×10－6k－1，绝缘电路板层120的热膨胀系数为20×10－6k－1～30×10－6k－1，这三者的热膨胀系数相差较大。通常采用焊接工艺将电极层130分别与所述绝缘电路板层120背向所述热沉100一侧的表面和所述巴条110贴合在一起，焊接完成之后会存在从高温冷却至常温的过程，在此过程中，绝缘电路板层120的收缩变形量＞电极层130的收缩变形量＞巴条110的收缩变形量，故电极层130的巴条贴合区会对巴条110产生压应力，绝缘电路板层120会对电极层130的电路板贴合区产生压应力，相应的，电极层130的电路板贴合区的收缩量进一步增大，并将应力传递至电极层130的巴条贴合区进而作用在巴条110上，综上对巴条110产生更大的压应力。
在此基础上，本实施例提供一种巴条激光器封装结构，包括：热沉；设置于所述热沉表面的巴条；绝缘电路板层，位于所述巴条侧部的所述热沉表面且与所述巴条相互分立；电极层，所述电极层包括电路板贴合区、巴条贴合区、以及位于电路板贴合区和巴条贴合区之间的过渡区，所述电极层的过渡区具有贯穿所述过渡区的应力释放沟槽，所述电路板贴合区与所述绝缘电路板层背向所述热沉一侧的表面贴合，所述巴条贴合区与所述巴条贴合。所述巴条激光器封装结构降低了巴条承受的封装压应力。
下面结合图2至图7详细的介绍巴条激光器封装结构的制备过程。
参考图2，提供热沉200。
所述热沉200具有导电性，所述热沉200作为巴条的正极连接端。
所述热沉200中具有贯穿所述热沉200的第一热沉通道201和第二热沉通道202和第一对位孔203。所述第一对位孔203位于所述第一热沉通道201和第二热沉通道202之间。
参考图3，提供巴条210。
所述巴条210为激光芯片阵列，所述巴条210包括若干半导体激光芯片，所述若干半导体激光芯片水平排布。所述若干半导体激光芯片的排布方向垂直与半导体激光芯片的出光方向。
参考图4，提供绝缘电路板层220。
所述绝缘电路板层220包括绝缘板层、第一导电膜层和第二导电膜层。
所述绝缘板层位于第一导电膜层和第二导电膜层之间，且第一导电膜层位于绝缘板层的一侧表面，第二导电膜层位于绝缘板层的另一侧表面。
所述绝缘板层将第一导电膜层和第二导电膜层隔离，第一导电膜层和第二导电膜层并不接触。
所述第一导电膜层的材料包括铜、镍、金。所述第二导电膜层的材料包括铜、镍、金。
所述绝缘电路板层220中具有贯穿所述绝缘电路板层220厚度方向的第一绝缘板开口221、第二绝缘板开口222和第二对位孔223。第二对位孔223位于第一绝缘板开口221和第二绝缘板开口222之间。
第一绝缘板开口221适于与第一热沉通道201贯通，第二绝缘板开口222适于与第二热沉通道202贯通，第二对位孔223适于与第一对位孔203贯通。
参考图5，提供电极层230，所述电极层230包括电路板贴合区230a、巴条贴合区230b、以及位于电路板贴合区230a和巴条贴合区230b之间的过渡区230c，所述电极层230的过渡区230c具有贯穿所述过渡区230c的应力释放沟槽234。
所述电极层230作为巴条的负极连接端。
在一个实施例中，所述电极层230的材料为铜箔电极，使得电极层230具有良好的导电性。
所述应力释放沟槽234的形状为折形。
所述应力释放沟槽234的数量为若干个。
自电路板贴合区230a的中心至巴条贴合区230b的中心的方向为第一方向X，若干个应力释放沟槽234沿的排布方向垂直于第一方向X。
本实施例中，各个应力释放沟槽234之间的间距相等，使得应力释放的均匀性得到提高，且从电路板贴合区230a流向巴条贴合区230b的电流均匀性较好，使得巴条贴合区230b和巴条210贴合之后，巴条210表面的电路均匀性得到提高，因此巴条210的工作稳定性较好，避免巴条210工作模式失效。
在其他实施例中，各个应力释放沟槽234之间的间距不相等；或者，部分个应力释放沟槽234之间的间距不相等，部分个应力释放沟槽234之间的间距相等。本实施例中，相邻的应力释放沟槽234之间的间距为0.4mm～0.7mm，如0.4mm、0.5mm、0.56mm、0.6mm或0.7mm。相邻的应力释放沟槽234之间的间距选择该范围的意义在于：若相邻的应力释放沟槽234之间的间距大于0.7mm，则导致对于应力的释放程度还不是很充分；若相邻的应力释放沟槽234之间的间距小于0.4mm，则导致过渡区230c的电阻过大，整个器件的电压升高，热功率增大，提高器件的结温，影响巴条210的效率及可靠性。
本实施例中，所述应力释放沟槽234包括依次连接的第一段区至第N段区，第一段区至第N段区的排布方向平行于第一方向X，N为大于等于2的整数。对于相邻的第k段区和第k+1段区，第k段区的延伸方向与第k+1段区的延伸方向之间的夹角为60度～120度，k为大于等于1且小于等于N－1的整数。
本实施例中，以N为3作为示例进行说明，相应的，所述应力释放沟槽234包括依次连接的第一段区、第二段区和第三段区。第一段区、第二段区和第三段区的排布方向平行与第一方向X，且第一段区的延伸方向和第二段区的延伸方向之间具有一定的夹角，第二段区的延伸方向和第三段区的延伸方向之间具有一定的夹角。
在一个实施例中，对于任意一个应力释放沟槽234，任意两个相邻的段区之间的夹角相同，或者任意两个相邻的段区之间的夹角不同，或者，部分相邻的段区之间的夹角相同，部分相邻的段区之间的夹角不同。
本实施例中，任意两个相邻的段区之间的夹角相同，相应的，当N等于3时，第一段区的延伸方向和第二段区的延伸方向之间的夹角等于第二段区的延伸方向和第三段区的延伸方向之间的夹角。
第一段区至第N段区的长度均分别为0.3mm～0.6mm，如0.3mm、0.4mm、0.5mm、或0.6mm。
在一个实施例中，第一段区至第N段区的长度相等，在另一个实施例中，第一段区至第N段区的长度部分相等或者全部相等。
所述应力释放沟槽234的宽度为0.08mm～0.12mm，如0.09mm、0.1mm、0.11mm、0.12mm。若应力释放沟槽234的宽度大于0.12mm，则导致过渡区230c的电阻过大，整个器件的电压升高，热功率增大，提高器件的结温，影响巴条210的效率及可靠性；若应力释放沟槽234的宽度小于0.08mm，则导致对于应力的释放程度还不是很充分。
所述应力释放沟槽234的总开口面积占据过渡区表面面积的2/9～2/7，如2/9、1/4、2/7。若应力释放沟槽234的总开口面积占据过渡区表面面积小于2/9，则导致对于应力的释放程度还不是很充分；若应力释放沟槽234的总开口面积占据过渡区表面面积大于2/7，则导致过渡区230c的电阻过大，整个器件的电压升高，热功率增大，提高器件的结温，影响巴条210的效率及可靠性。
需要说明的是，上述应力释放沟槽的总开口面积占据过渡区表面面积、应力释放沟槽的宽度、相邻的应力释放沟槽234之间的间距为相互结合在一起作用的参数，结合使用更好的平衡过渡区230c的电阻和应力的释放程度。
本实施例中，电极层230的电路板贴合区230a中具有贯穿电路板贴合区230a的第一电极通道231、第二电极通道232和第三对位孔233，第三对位孔233位于所述第一电极通道231和第二电极通道232之间。第一电极通道231位于第三对位孔233和过渡区230c之间。第一电极通道231适于与第一绝缘板开口221贯通，第二电极通道232适于与第二绝缘板开口222贯通，第三对位孔233适于与第二对位孔223贯通。
参考图6，将所述巴条210设置于所述热沉200表面；将所述绝缘电路板层220设置在所述热沉200表面，所述绝缘电路板层220与所述巴条210位于热沉200的同一侧且相互分立。
若干应力释放沟槽234沿着所述巴条210的阵列排布方向分立设置。
具体的，将巴条210的P面与所述热沉200焊接在一起，将绝缘电路板层220的第一导电膜层与所述热沉200焊接在一起，第二导电膜层背向所述热沉200且与热沉200不接触。
参考图7，将所述电路板贴合区230a与所述绝缘电路板层220背向所述热沉200一侧的表面焊接在一起，将所述巴条贴合区230b与所述巴条210焊接在一起。
具体的，将电路板贴合区230a与第二导电膜层焊接在一起，将所述巴条贴合区230b与所述巴条210的N面焊接在一起。
本实施例中，电极层230包括电路板贴合区230a、巴条贴合区230b、以及位于电路板贴合区230a和巴条贴合区230b之间的过渡区230c，所述电极层230的过渡区230c具有贯穿所述过渡区230c的应力释放沟槽234，因此使得电极层230的整体性被破坏，在将所述电路板贴合区230a与所述绝缘电路板层220背向所述热沉200一侧的表面焊接在一起，将所述巴条贴合区230b与所述巴条210焊接在一起之后，从高温冷却至常温的过程中，使得绝缘电路板层的收缩变形量＞电极层的收缩变形量＞巴条的收缩变形量，但是产生的应力通过应力释放沟槽234得到有效的释放，可以降低电极层230对巴条210的直接封装压应力以及减少绝缘电路板层220对巴条210的间接封装压应力。
进一步，所述应力释放沟槽的形状为折形，折形的应力释放沟槽有多个不同的延伸方向，使得应力在不同的方向得到释放，避免朝向巴条的方向集中，有效的降低了作用在巴条上的应力。
相应的，本实施例还提供一种巴条激光器封装结构，请参考图7，包括：
热沉200；
设置于所述热沉200表面的巴条210；
绝缘电路板层230，位于所述巴条210侧部的所述热沉200表面且与所述巴条210相互分立；
电极层230，所述电极层230包括电路板贴合区230a、巴条贴合区230b、以及位于电路板贴合区230a和巴条贴合区230b之间的过渡区230c，所述电极层230的过渡区230c具有贯穿所述过渡区230c的应力释放沟槽234，所述电路板贴合区230a与所述绝缘电路板层230背向所述热沉200一侧的表面贴合，所述巴条贴合区230b与所述巴条210贴合。
所述应力释放沟槽234的形状为折形。
所述应力释放沟槽234的数量为若干个，若干个应力释放沟槽234沿着所述巴条210的阵列排布方向分立设置。
各个应力释放沟槽234之间的间距相等。
相邻的应力释放沟槽234之间的间距为0.4mm～0.7mm，如0.4mm、0.5mm、0.56mm、0.6mm或0.7mm。
所述应力释放沟槽234包括依次连接的第一段区至第N段区，N为大于等于2的整数，对于相邻的第k段区和第k+1段区，第k段区的延伸方向与第k+1段区的延伸方向之间的夹角为60度～120度，如60度、70度、80度、90度、100度、110度、或120度。
本实施例中，以N为3作为示例进行说明，相应的，所述应力释放沟槽234包括依次连接的第一段区、第二段区和第三段区。第一段区、第二段区和第三段区的排布方向平行与第一方向X，且第一段区的延伸方向和第二段区的延伸方向之间具有一定的夹角，第二段区的延伸方向和第三段区的延伸方向之间具有一定的夹角。
在一个实施例中，对于任意一个应力释放沟槽234，任意两个相邻的段区之间的夹角相同，或者任意两个相邻的段区之间的夹角不同，或者，部分相邻的段区之间的夹角相同，部分相邻的段区之间的夹角不同。
本实施例中，任意两个相邻的段区之间的夹角相同，相应的，当N等于3时，第一段区的延伸方向和第二段区的延伸方向之间的夹角等于第二段区的延伸方向和第三段区的延伸方向之间的夹角。
第一段区至第N段区的长度均分别为0.3mm～0.6mm，如0.3mm、0.4mm、0.5mm、或0.6mm。
在一个实施例中，第一段区至第N段区的长度相等，在另一个实施例中，第一段区至第N段区的长度部分相等或者全部相等。
所述应力释放沟槽234的宽度为0.08mm～0.12mm，如0.09mm、0.1mm、0.11mm、或0.12mm。
所述应力释放沟槽234的总开口面积占据过渡区表面面积的2/9～2/7，如2/9、1/4、或2/7。
具体的，所述绝缘电路板层220包括绝缘板层、第一导电膜层和第二导电膜层。
所述绝缘板层位于第一导电膜层和第二导电膜层之间，且第一导电膜层位于绝缘板层的一侧表面，第二导电膜层位于绝缘板层的另一侧表面。
所述绝缘板层将第一导电膜层和第二导电膜层隔离，第一导电膜层和第二导电膜层并不接触。
所述第一导电膜层的材料包括铜、镍或金。所述第二导电膜层的材料包括铜、镍或金。
电路板贴合区230a与第二导电膜层焊接在一起，所述巴条贴合区230b与所述巴条210的N面焊接在一起。巴条210的P面与所述热沉200焊接在一起。
本实施例的巴条激光器封装结构，电极层包括电路板贴合区、巴条贴合区、以及位于电路板贴合区和巴条贴合区之间的过渡区，所述电极层的过渡区具有贯穿所述过渡区的应力释放沟槽，因此使得电极层的整体性被破坏，可以降低电极层对巴条的直接封装压应力以及减少绝缘电路板层对巴条的间接封装压应力。
进一步，所述应力释放沟槽的形状为折形，折形的应力释放沟槽有多个不同的延伸方向，使得应力在不同的方向得到释放，避免朝向巴条的方向集中，有效的降低了作用在巴条上的封装压应力。
图8为常规的巴条激光器封装结构中巴条受到的封装应力图示，图8中的横轴为沿着巴条排布方向的位置，图8中的纵轴为封装压应力，单位为MPa。图8中巴条受到的封装压应力较为集中。
图9为本发明的巴条激光器封装结构中巴条受到的封装压应力图示，图8中的横轴为沿着巴条排布方向的位置，图8中的纵轴为封装压应力，单位为MPa。本发明的巴条受到的封装压应力减少。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种巴条激光器封装结构，其特征在于，包括：
热沉；
设置于所述热沉表面的巴条；
绝缘电路板层，位于所述巴条侧部的所述热沉表面且与所述巴条相互分立；
电极层，所述电极层包括电路板贴合区、巴条贴合区、以及位于电路板贴合区和巴条贴合区之间的过渡区，所述电极层的过渡区具有贯穿所述过渡区的应力释放沟槽，所述电路板贴合区与所述绝缘电路板层背向所述热沉一侧的表面贴合，所述巴条贴合区与所述巴条贴合。
2.根据权利要求1所述的巴条激光器封装结构，其特征在于，所述应力释放沟槽的形状为折形。
3.根据权利要求2所述的巴条激光器封装结构，其特征在于，所述应力释放沟槽的数量为若干个，若干个应力释放沟槽沿着所述巴条的阵列排布方向分立设置。
4.根据权利要求3所述的巴条激光器封装结构，其特征在于，各个应力释放沟槽之间的间距相等。
5.根据权利要求3或4所述的巴条激光器封装结构，其特征在于，相邻的应力释放沟槽之间的间距为0.4mm～0.7mm。
6.根据权利要求2所述的巴条激光器封装结构，其特征在于，所述应力释放沟槽包括依次连接的第一段区至第N段区，N为大于等于2的整数，对于相邻的第k段区和第k+1段区，第k段区的延伸方向与第k+1段区的延伸方向之间的夹角为60度～120度，k为大于等于1且小于等于N－1的整数。
7.根据权利要求6所述的巴条激光器封装结构，其特征在于，第一段区至第N段区的长度均分别为0.3mm～0.6mm。
8.根据权利要求1所述的巴条激光器封装结构，其特征在于，所述应力释放沟槽的宽度为0.08mm～0.12mm。
9.根据权利要求1所述的巴条激光器封装结构，其特征在于，所述应力释放沟槽的总开口面积占据过渡区表面面积的2/9～2/7。
10.一种制备如权利要求1至9任意一项所述的巴条激光器封装结构的方法，其特征在于，包括：
提供热沉、巴条、绝缘电路板层；
提供电极层，所述电极层包括电路板贴合区、巴条贴合区、以及位于电路板贴合区和巴条贴合区之间的过渡区，所述电极层的过渡区具有贯穿所述过渡区的应力释放沟槽；
将所述巴条设置于所述热沉表面；
将所述绝缘电路板层设置在所述热沉表面，所述绝缘电路板层与所述巴条位于热沉的同一侧且相互分立；
将所述电路板贴合区与所述绝缘电路板层背向所述热沉一侧的表面焊接在一起，将所述巴条贴合区与所述巴条焊接在一起。
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