CN112490845B - 一种高散热激光器件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光器件领域，提供了一种高散热激光器件，该激光器件包括基板，该基板具有相对设置的第一表面和第二表面，基板上设有至少一个贯穿基板的收容槽，收容槽包括槽壁，槽壁的靠近第一表面端凹陷形成第一定位台阶；该激光器件还包括收容于收容槽内的激光芯片以及与激光芯片的非出光面电性连接的金属散热器；第一定位台阶用于支撑固定该激光芯片，激光芯片的出光面朝向第二表面；金属散热器的靠近激光芯片端收容于收容槽的介于第一表面所在平面和激光芯片的非出光面之间的空间内。本发明的高散热激光器件能够实现将激光芯片工作时产生的热量直接通过金属散热器导出，无需经过其它介质进行散热，因此具备较优异的散热性能。

Description

一种高散热激光器件

技术领域

本发明涉及激光器件领域，更具体而言，涉及一种高散热激光器件。

背景技术

大功率半导体激光器的输出功率高、出光面积小，其工作时产生的热量密度很高，当芯片过热时，导致激光猝灭，会限制高功率激光输出。良好的器件散热依赖于优化的散热结构设计、封装材料选择(热界面材料与基板材料)及封装制造工艺等。而目前现有激光器件的散热结构使得激光芯片与散热器之间存在多层介质，会降低散热效果，较难满足在散热要求更高的场景中进行应用。因此，亟需提供一种新的散热结构以提升激光器件的散热新能。

发明内容

本发明提供一种高散热激光器件，以解决现有激光器件的散热结构使得其较难满足在散热要求更高的场景中进行应用的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了以下技术方案：

本发明提供了一种高散热激光器件，包括基板，所述基板具有第一表面以及与所述第一表面相对设置的第二表面，所述基板上设有至少一个自所述第一表面朝向所述第二表面方向凹陷并贯穿所述第二表面形成的收容槽，所述收容槽包括槽壁，所述槽壁的靠近所述第一表面端凹陷形成第一定位台阶；

收容于所述收容槽内的激光芯片，所述第一定位台阶用于支撑固定所述激光芯片，所述激光芯片的出光面朝向所述第二表面；

与所述激光芯片的非出光面电性连接的金属散热器，所述金属散热器的靠近所述激光芯片端收容于所述收容槽的介于所述第一表面所在平面和所述激光芯片的非出光面之间的空间内。

优选的，每个所述收容槽的外围均设有自所述第一表面朝向所述第二表面方向凹陷并贯穿所述第二表面形成的第一通槽；所述第一定位台阶包括用于支撑固定所述激光芯片的支撑面；所述基板上还设有自所述支撑面朝向所述第二表面方向凹陷并贯穿所述第二表面形成的第二通槽；所述第一通槽和所述第二通槽中均填充导电材料。

优选的，所述基板上设有两个间隔设置的所述第一通槽以及两个间隔设置的所述第二通槽，两个所述第一通槽所在平面与两个所述第二通槽所在平面相互平行或重叠。

优选的，所述金属散热器包括第一散热结构以及与所述第一散热结构连接的第二散热结构；所述第一散热结构收容于所述收容槽的介于所述第一表面所在平面和所述激光芯片的非出光面之间的空间内，所述第一散热结构的远离所述第二散热结构侧与所述激光芯片的非出光面电性连接；所述第二散热结构固持于所述第一表面上，且所述第二散热结构的靠近所述激光芯片侧与所述第一通槽中的导电材料电性连接。

优选的，所述第一散热结构与所述激光芯片之间夹设金锡焊片；和/或

所述第二散热结构与所述基板的第一表面之间夹设金锡焊片；和/或

所述激光芯片与所述支撑面之间夹设金锡焊片。

优选的，所述第一散热结构与所述第二散热结构为一体成型结构；和/或

所述第二散热结构由若干个散热鳍片组成。

优选的，所述槽壁的靠近所述第二表面端凹陷形成第二定位台阶；所述激光器件还包括透镜，所述第二定位台阶用于支撑固定所述透镜。

优选的，所述基板还包括连接所述第一表面和所述第二表面的侧壁，所述侧壁上设有第一卡扣件；所述激光器件还包括盖设于所述基板的第一表面侧的保护罩，所述保护罩上设有与所述第一卡扣件形成相互扣合作用的第二卡扣件。

优选的，所述第一卡扣件为自所述侧壁凹陷形成的卡槽。

优选的，所述第二表面上还形成有线路，所述线路与所述激光芯片及所述金属散热器电性连接；所述基板上还设有串口，所述线路与所述串口电性连接。

与现有技术相比，本发明提供的高散热激光器件包括基板、激光芯片和金属散热器；其中，基板包括相对设置的第一表面和第二表面，基板上设有至少一个贯穿基板的收容槽，并且收容槽的靠近第一表面端设有自槽壁凹陷形成的第一定位台阶，以用于支撑固定激光芯片，使激光芯片的出光面(芯片正电极所在面)朝向第二表面，激光芯片的非出光面(芯片负电极所在面)朝向第一表面；同时，将金属散热器的至少部分结构设置在收容槽的介于第一表面所在平面和激光芯片的非出光面之间的空间内，使激光芯片的非出光面直接电性连接金属散热器，以实现将激光芯片工作时产生的热量直接通过金属散热器导出，无需经过其它介质(如银胶、基板和导热硅脂等)进行散热。因此，本发明提供的高散热激光器件具备较优异的散热性能，能够满足在散热要求更高的场景中进行应用。此外，在收容槽中设置的定位台阶结构也能起到一定的定位作用，使得焊接操作更加精准，尤其适用于封装光线方向性要求很高的激光芯片。最后，该激光器件的整体结构简单，易于实现。

附图说明

图1是本发明一个实施例高散热激光器件的俯视结构示意图；

图2是图1中沿A-A方向的剖面示意图；

图3是图2中基板的剖面示意图；

附图标记：高散热激光器件100；基板10；第一表面11；第二表面12；正极线路121；正极引出线路1211；负极线路122；负极引出线路1221；正极串口123；负极串口124；收容槽13；槽壁131；第一定位台阶14；支撑面141；第一通槽15；第二通槽16；第二定位台阶17；侧壁18；第一卡扣件181；激光芯片20；出光面21；非出光面22；金属散热器30；第一散热结构31；第二散热结构32；金锡焊片40；透镜50；保护罩60；第二卡扣件61。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

为了解决现有激光器件的散热结构使得其较难满足在散热要求更高的场景中进行应用的问题，本发明提供了一种具有新型封装结构的激光器件，该新型封装结构使得激光器件具有较高散热性能。请参阅图1-3所示，图1为本发明一个实施例提供的高散热激光器件100的俯视结构示意图，图2为图1中沿A-A方向的剖面示意图，图3为图2中基板10的剖面示意图。结合图1-3所示，在该实施例中，该高散热激光器件100包括基板10、设于基板10上的若干个激光芯片20以及若干个金属散热器30，金属散热器30的数量与激光芯片20的数量相同。其中，基板10具有第一表面11以及与第一表面11相对设置的第二表面12，并且基板10上设有至少一个自第一表面11朝向第二表面12方向凹陷并贯穿第二表面12形成的收容槽13。例如，在本实施例中，基板10上设有6个收容槽13。需要说明的是，在其他实施例中，还可以在基板10上设置其他数量的收容槽13以满足实际需求。

进一步的，收容槽13包括槽壁131，在槽壁131的靠近第一表面11端凹陷形成第一定位台阶14。激光芯片20收容于该收容槽13中，并且通过该第一定位台阶14支撑固定，以使激光芯片20的出光面21(芯片正电极所在面)朝向第二表面12，激光芯片20的非出光面22(芯片负电极所在面)朝向第一表面11。需要说明的是，每个收容槽13中仅设置一个激光芯片20和一个金属散热器30。金属散热器30的一端收容于收容槽13的介于第一表面11所在平面和激光芯片20的非出光面22之间的空间内，并且该端还与激光芯片20的非出光面22电性连接。通过上述设置，可以实现将激光芯片20工作时产生的热量直接通过金属散热器30导出，无需经过其它介质(如银胶、基板和导热硅脂等)进行散热，进而使得激光器件100具备较优异的散热性能，能够满足在散热要求更高的场景中进行应用。

此外，在收容槽13中设置的定位台阶结构14也能起到一定的定位作用，使得焊接操作更加精准，尤其适用于封装光线方向性要求很高的激光芯片。最后，该激光器件100的整体结构简单，易于实现。

为了配合上述的散热结构，在本发明的另一个实施例中，提供了一种将激光芯片20的正、负电极引出的优选方案。

继续结合图1-3所示，在每个收容槽13的外围均设有自第一表面11朝向第二表面12方向凹陷并贯穿第二表面12形成的第一通槽15，该第一通槽15中填充有导电材料，如铜等。当固定金属散热器30时，将金属散热器30与第一通槽15中的导电材料电性连接，就可以实现将激光芯片20的负电极依次通过金属散热器30和第一通槽15中的导电材料引出至第二表面12。需要说明的是，在金属散热器30和激光芯片20的非出光面22之间夹设有焊片，如本实施例中使用的具有较高导热率(350-400w/mk)的金锡焊片40。具体的，安装金属散热器30时，先通过点胶方式，在激光芯片20的非出光面22点出矩阵式助焊剂(图中未示出)，然后通过吸嘴将金锡焊片40放置到助焊剂上，需要说明的是，此时要放置的金锡焊片40的尺寸可以设置为激光芯片20负电极尺寸四边各内缩2μm左右。按照相同的方法，在第一通槽15的第一表面端也分别点上助焊剂(图中未示出)和放置金锡焊片40。再使用金属吸嘴将金属散热器30吸取放置到基板10上，金属散热器30的一端收容于收容槽13内并与金锡焊片40接触，金属散热器30的架设在第一表面11上的部分与位于第一通槽15上的金锡焊片40接触。最后加热基板10和金属吸嘴至300℃，并且使金属吸嘴施加约100-150g压力，持续1-2s，以将金属散热器30固定到激光芯片20的非出光面22以及第一表面11上。

继续结合图2-3所示，第一定位台阶14包括用于支撑固定激光芯片20的支撑面141。优选的，在本实施例中，激光芯片20为垂直腔面发射激光芯片，因此，用于支撑该垂直腔面发射激光芯片的支撑面141与第一表面11平行。需要说明的是，在本发明的其它实施例中，支撑面141的形状可以根据激光芯片20的类型对应设计，在此不再赘述。基板10上还设有自该支撑面141朝向第二表面12方向凹陷并贯穿第二表面12形成的第二通槽16，该第二通槽16中也填充有导电材料，如铜等。当将激光芯片20固定在第一定位台阶14上时，激光芯片20的正电极就可通过该第二通槽16中的导电材料引出至第二表面12。需要说明的是，在激光芯片20与支撑面141之间也夹设有焊片，如本实施例中使用的具有较高导热率(350-400w/mk)的金锡焊片40。具体的，安装激光芯片20时，将基板10设置成第一表面11朝上的放置状态，在支撑面141上点适宜数量的助焊剂(图中未示出)，然后通过方形吸嘴将金锡焊片40放置到支撑面141上的助焊剂上。需要说明的是，此时要放置的金锡焊片40的尺寸可以设置为激光芯片20正电极尺寸的90％左右，优选为90％。放置好金锡焊片40后，使用橡胶或电木吸嘴从蓝膜上吸附激光芯片20至旋转平台，再使用金属吸嘴，将激光芯片20放置在第一定位台阶14上，使激光芯片20出光面21两边的焊盘与金锡焊片40接触。最后加热基板10和金属吸嘴至300℃，并且使金属吸嘴施加约100-150g压力，持续1-2s，以将激光芯片20的出光面21的正电极固化到基板10上。

可选的，基板10为陶瓷基板。例如可以通过采用高温烧结技术，烧结氮化铝粉末得到。需要说明的是，第一通槽15和第二通槽16中填充的导电材料均在烧结好的基板10上制作电路时完成，如采用电镀工艺等。

在该实施例中，通过设置第一通槽15和第二通槽16，并且两个通槽中均填充导电材料，不仅能够实现将激光芯片20的正、负电极引出至第二表面12，同时也使得设于各个收容槽13中的激光芯片20的线路之间是相互独立的，互不干扰，可实现独立驱动控制。

进一步的，继续参阅图1所示，在第二表面12上还电镀形成有线路。具体的，线路又包括正极线路121和负极线路122，其中，激光芯片20的正电极端经第二通槽16中的导电材料引出后至正极线路121，激光芯片20的负电极端经第一通槽15中的导电材料引出后至负极线路122。

进一步的，继续参阅图1所示，基板10上还设有串口，具体的，串口包括正极串口123和负极串口124，正极串口123与正极线路121电性连接，负极串口124与负极线路122电性连接。

在上述实施例的基础上，在本发明的另一优选实施例中，如图2-3中所示，基板10上设有两个对称间隔设置的第一通槽15以及两个对称间隔设置的第二通槽16，并且，两个第一通槽15所在平面与两个第二通槽16所在平面平行或重叠，如在本实施例中，两个平面相互重叠。通过该设置方式，可以避免将激光芯片20的正负电极引出时出现交叉的情况，同时也能有利于在第二表面12上布置更加美观的走线。例如图1中所示，正极线路121包括用于连接两个第二通槽16中的导电材料的正极引出线路1211，负极线路122包括用于连接两个第一通槽15中的导电材料的负极引出线路1221。当两个第一通槽15所在平面与两个第二通槽16所在平面平行或重叠时，就可以实现将负极引出线路1221与正极引出线路1211相对设置，一方面避免了负极引出线路1221与正极引出线路1211之间出现交叉的情况，另一方面也能实现避免正极线路121与负极线路122之间出现交叉的情况，同时也使得第二表面12上的走线更加美观。

进一步的，需要说明的是，在该优选实施例中，负极引出线路1221和正极引出线路1211均呈半“口”字型。在其他实施例中，负极引出线路1221和正极引出线路1211还可以设置为半圆型或者其他任何合适的形状。

继续参阅图2-3所示，优选的，第一通槽15沿垂直于第一表面11方向设置。第二通槽16沿垂直于第二表面12方向设置。

在上述实施例的基础上，在本发明的其它实施例中，还提供了金属散热器30的一种具体结构，以同时实现能够将激光芯片20的负电极引出以及将激光芯片20工作时产生的热量导出的作用。

继续参阅图2所示，该金属散热器30包括第一散热结构31以及与该第一散热结构31连接的第二散热结构32。其中，第一散热结构31收容于收容槽13的介于第一表面11所在平面和激光芯片20的非出光面22之间的空间内，第二散热结构32固持在基板10的第一表面11上。此外，第一散热结构31的远离第二散热结构32侧通过金锡焊片40与激光芯片20的非出光面22电性连接，第二散热结构32的靠近激光芯片20侧与第一通槽15中的导电材料电性连接。

优选的，在本实施例中，金属散热器30通过金属冲压成型，并且第一散热结构31和第二散热结构32为一体成型结构。在本发明的其它实施例中，第一散热结构31和第二散热结构32也可以分开制作后再焊接在一起，本发明中对此不作具体限定。

优选的，为了有利于将金锡焊片40焊接到激光芯片20的非出光面22的焊盘上，第一散热结构31的靠近激光芯片20侧为平面结构。优选的，为了增加金属散热器30与空气的接触面积，增强散热效果，将第二散热结构32设计成由若干个散热鳍片组成，如5-8个等。进一步的，每片鳍片均呈平面状。

在激光芯片20的出光区域，通常还需要盖设透镜，如石英透镜等，一方面能够实现扩散出光面的效果，另一方面起到保护激光芯片20的作用。具体的，在上述实施例的基础上，在本发明的其它实施例中，如图2-3中所示，槽壁131的靠近第二表面12端凹陷形成第二定位台阶17，以用于支撑固定透镜50。安装透镜50时，先将基板10设置成第二表面12朝上的放置状态，然后将透镜50放置在第二定位台阶17上并进行固定，可以使用本领域中任何合适的方式进行固定。

基板10还包括连接第一表面11和第二表面12的侧壁18。激光器件100还包括盖设于基板10的第一表面11侧的保护罩60，需要说明的是，该保护罩60为非金属罩。为了便于保护罩60的安装，在上述实施例的基础上，在本发明的其它实施例中，如图2-3中所示，侧壁18上设有第一卡扣件181，保护罩60上对应设有第二卡扣件61，通过第一卡扣件181与第二卡扣件61之间的相互扣合作用，使得将保护罩60较方便地固定在基板10上。更具体的，在本实施例中，第一卡扣件181为自侧壁18凹陷形成的卡槽，第二卡扣件61为与该卡槽相配合的卡扣。可选的，该卡槽的形状可以设置为围绕侧壁18一圈，也可以设置成点状、短条型状，以均匀或非均匀的方式设置在侧壁18上。

优选的，保护罩60上开设有出风口(图中未示出)，保护罩60的与出风口相对的位置设有排风扇(图中未示出)，排风扇工作时，将金属散热器30导出的热量从出风口排出，可以提升散热性能。

在本发明的一优选实施例中，制作了如图1-2中所示结构的激光器件，并测试了其在工作状态下激光芯片结温Tj。其中，激光芯片与第一定位台阶之间、激光芯片与金属散热器之间、金属散热器与第一通槽的第一表面端之间均夹设金锡焊片，且通过共晶焊接而成。优选的，共晶焊接时，可以将焊接温度设置为280-320℃、焊接时施加压力设置为100-150g，焊接持续时间设置为1-2s。更优选的，在本实施例中，焊接温度设置为300℃。测试结果显示，本发明提供的激光器件在工作状态时激光芯片结温Tj为105℃。而现有技术中的激光器件在工作状态时激光芯片结温Tj通常均不低于150℃，可见，本发明提供的激光器件中所包含的新型封装结构能够有效提升整体散热性能，使得激光器件具备优异的散热性能。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高散热激光器件，其特征在于，所述激光器件包括：

基板，所述基板具有第一表面以及与所述第一表面相对设置的第二表面，所述基板上设有至少一个自所述第一表面朝向所述第二表面方向凹陷并贯穿所述第二表面形成的收容槽，所述收容槽包括槽壁，所述槽壁的靠近所述第一表面端凹陷形成第一定位台阶；

收容于所述收容槽内的激光芯片，所述第一定位台阶用于支撑固定所述激光芯片，所述激光芯片的出光面朝向所述第二表面；

与所述激光芯片的非出光面电性连接的金属散热器，所述金属散热器的靠近所述激光芯片端收容于所述收容槽的介于所述第一表面所在平面和所述激光芯片的非出光面之间的空间内

每个所述收容槽的外围均设有自所述第一表面朝向所述第二表面方向凹陷并贯穿所述第二表面形成的第一通槽；所述第一定位台阶包括用于支撑固定所述激光芯片的支撑面；所述基板上还设有自所述支撑面朝向所述第二表面方向凹陷并贯穿所述第二表面形成的第二通槽；所述第一通槽和所述第二通槽中均填充导电材料。

2.如权利要求1所述的高散热激光器件，其特征在于，所述基板上设有两个间隔设置的所述第一通槽以及两个间隔设置的所述第二通槽，两个所述第一通槽所在平面与两个所述第二通槽所在平面相互平行或重叠。

3.如权利要求1所述的高散热激光器件，其特征在于，所述金属散热器包括第一散热结构以及与所述第一散热结构连接的第二散热结构；所述第一散热结构收容于所述收容槽的介于所述第一表面所在平面和所述激光芯片的非出光面之间的空间内，所述第一散热结构的远离所述第二散热结构侧与所述激光芯片的非出光面电性连接；所述第二散热结构固持于所述第一表面上，且所述第二散热结构的靠近所述激光芯片侧与所述第一通槽中的导电材料电性连接。

4.如权利要求3所述的高散热激光器件，其特征在于，所述第一散热结构与所述激光芯片之间夹设金锡焊片；和/或

所述第二散热结构与所述基板的第一表面之间夹设金锡焊片；和/或

所述激光芯片与所述支撑面之间夹设金锡焊片。

5.如权利要求4所述的高散热激光器件，其特征在于，所述第一散热结构与所述第二散热结构为一体成型结构；和/或

所述第二散热结构由若干个散热鳍片组成。

6.如权利要求1所述的高散热激光器件，其特征在于，所述槽壁的靠近所述第二表面端凹陷形成第二定位台阶；所述激光器件还包括透镜，所述第二定位台阶用于支撑固定所述透镜。

7.如权利要求1所述的高散热激光器件，其特征在于，所述基板还包括连接所述第一表面和所述第二表面的侧壁，所述侧壁上设有第一卡扣件；所述激光器件还包括盖设于所述基板的第一表面侧的保护罩，所述保护罩上设有与所述第一卡扣件形成相互扣合作用的第二卡扣件。

8.如权利要求7所述的高散热激光器件，其特征在于，所述第一卡扣件为自所述侧壁凹陷形成的卡槽。

9.如权利要求1所述的高散热激光器件，其特征在于，所述第二表面上还形成有线路，所述线路与所述激光芯片及所述金属散热器电性连接；所述基板上还设有串口，所述线路与所述串口电性连接。

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