CN113659427A - 一种半导体激光器封装结构及封装方法 - Google Patents

一种半导体激光器封装结构及封装方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种半导体激光器封装结构及封装方法，该半导体激光器封装结构，包括热沉基座和过渡热沉，过渡热沉焊接于热沉基座的上部，热沉基座的上部安装有至少两个导热绝缘陶瓷块，两个导热绝缘陶瓷块的上部共同安装有热沉顶座，过渡热沉的上部焊接有LD芯片，LD芯片的上部与热沉顶座的下部相焊接，热沉基座与热沉顶座之间电性连接有电极引线，LD芯片电性连接有电极飘带。本发明中，通过在两个导热绝缘陶瓷块上安装热沉顶座，并将热沉顶座与LD芯片的上部焊接，通过导热绝缘陶瓷块起到绝缘和导热的作用，实现两侧的散热，达到良好的散热效果。

Description

一种半导体激光器封装结构及封装方法
技术领域
本发明涉及激光器封装技术领域，特别涉及一种半导体激光器封装结构及封装方法。
背景技术
半导体技术作为近年来发展迅猛的新兴产业，其中，高功率半导体激光器凭借着高亮度、高可靠性、相干性良好以及体积小易集成等优点，且在工作效率和功率等方面的不断提升，广泛应用于激光加工、3D打印、激光雷达、军事、医疗等方面，基本覆盖了整个光电子学领域。由于半导体激光器广泛的应用潜力而备受关注，因此对其封装技术的要求也愈来越高。封装的作用主要是保护半导体激光器芯片以及完成电气互连，保证器件的正常工作，涉及到材料、机械、计算机、光电等诸多方面的问题，封装技术的优良是决定半导体激光器器件能否正常稳定工作的前提。
如图1和图2所示，C型结构作为应用较为广泛的封装结构，LD芯片3与上表面经金属化处理的过渡热沉2通过金锡焊料，运用固晶技术将二者焊接，保证其热膨胀系数相匹配，以免热应力带来不必要的影响。热沉基座1采用无氧铜材质，与过渡热沉2通过软焊料连接，运用真空回流技术将二者焊接。热沉基座1与过渡热沉2并通过电极引线4连接，LD芯片3负极与过渡热沉2引线键合，电极飘带5与过渡热沉2通过电极引线4连接。绝缘陶瓷6将其封装结构分为正负两极，热沉基座1为正极，电极飘带5为负极，当LD芯片3工作时，会有大量的热量产生，并通过与过渡热沉2的接触面扩散出去，散热方向沿着过渡热沉2至热沉基座1，保证LD芯片3的稳定运行，具体使用时，当入住电流时，热沉基座1作为正极，电流通过热沉基座1、过渡热沉2，传到LD芯片3，LD芯片3通过电极引线4将电流传入电极飘带5(负极)，完成此封装结构的电气回路。其中绝缘陶瓷6起到绝缘作用。
如上，对半导体激光器芯片的封装方式采用的是单面倒装的贴合形式，虽经过不断的改良和优化，这种封装形式由于封装热沉的体积、材料等限制，产业化的激光器封装后的光电转换效率只能达到50％-60％，在实验条件下通过液氮制冷、载冷剂等理想条件中，可大幅度提升器件工作效率，最高可达75％，但是在标准工作条件下，无法大幅度降低器件的热阻，其工作效率存在一个提升的上限，这就极大的制约了半导体激光器封装技术的发展。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明可以解决现有的半导体激光器的封装结构，其散热多采用单面散热，散热效果较差的难题。
(二)技术方案
为了实现上述目的，第一方面，本发明采用以下技术方案，一种半导体激光器封装结构，包括热沉基座和过渡热沉，所述过渡热沉焊接于所述热沉基座的上部，所述热沉基座的上部安装有至少两个导热绝缘陶瓷块，两个所述导热绝缘陶瓷块的上部共同安装有热沉顶座，所述过渡热沉的上部焊接有LD芯片，所述LD芯片的上部与所述热沉顶座的下部相焊接，所述热沉基座与所述热沉顶座之间电性连接有电极引线，所述LD芯片电性连接有电极飘带。
作为本发明的一种优选技术方案，所述热沉基座设置为无氧铜热沉基座或钨铜热沉基座。
作为本发明的一种优选技术方案，所述热沉基座的中部开设有贯穿孔，所述热沉基座邻近所述贯穿孔的侧部设置有沉头槽。
作为本发明的一种优选技术方案，所述过渡热沉与所述热沉基座之间的焊接材料设置为铟、SAC305或SnAgCu。
作为本发明的一种优选技术方案，所述导热绝缘陶瓷块的材质设置碳化硅、氧化铍、氮化铝或氮化硅。
作为本发明的一种优选技术方案，所述热沉顶座设置为无氧铜热沉顶座或钨铜热沉顶座。
作为本发明的一种优选技术方案，所述热沉顶座的上部一侧开设有缺口，所述电极引线处于所述缺口的部位。
作为本发明的一种优选技术方案，所述热沉顶座与所述LD芯片之间的焊接材料设置为铟、SAC305或SnAgCu。
作为本发明的一种优选技术方案，所述电极飘带处于一个所述导热绝缘陶瓷块和所述热沉顶座之间。
第二方面，本发明还提供了，一种半导体激光器封装结构的封装方法，包括以下步骤：
S1、焊接过渡热沉，在热沉基座的上部通过真空回流技术焊接过渡热沉，焊接材料选用铟、SAC305或SnAgCu；
S2、安装导热绝缘陶瓷块，在热沉基座的上部安装至少两个导热绝缘陶瓷块，使得导热绝缘陶瓷块处于过渡热沉的两侧；
S3、安装LD芯片，在过渡热沉的上部安装LD芯片；
S4、连接电极飘带，在LD芯片的侧部连接电极飘带；
S5、初次连接电极引线，在热沉顶座的侧部连接电极引线的一端；
S6、安装热沉顶座，将热沉顶座安装在导热绝缘陶瓷块的上部，并将电极飘带压在一个导热绝缘陶瓷块和热沉顶座之间；
S7、焊接LD芯片，在LD芯片与热沉顶座之间采用真空回流焊的方式，填充铟、SAC305或SnAgCu焊料；
S8、二次连接电极引线，将电极引线的另一端与热沉基座的上部连接。
(三)有益效果
1.本发明提供的半导体激光器封装结构，通过在两个导热绝缘陶瓷块上安装热沉顶座，并将热沉顶座与LD芯片的上部焊接，通过导热绝缘陶瓷块起到绝缘和导热的作用，实现两侧的散热，达到良好的散热效果；
2.本发明提供的半导体激光器封装结构，将电极引线的两端分别与热沉基座和热沉顶座连接，取消了传统的将电极引线与LD芯片和热沉基座键合连接，便于连接和装配。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1是背景技术中现有技术C形封装的结构示意图；
图2是背景技术中现有技术C形封装的散热方向示意图；
图3是本发明的主视示意图；
图4是本发明的第一视角轴测图；
图5是本发明的第二视角轴测图；
图6是本发明的散热方向示意图；
图7是C形封装使用时的热矢量分布图；
图8是本发明使用时的热矢量分布图；
图9是C形封装使用时的热分析示意图；
图10是本发明使用时的热分析示意图。
图中：1、热沉基座；2、过渡热沉；3、LD芯片；4、电极引线；5、电极飘带；6、导热绝缘陶瓷块；7、热沉顶座；11、贯穿孔；12、沉头槽；71、缺口。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，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他实施方式，都属于本发明保护的范围。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，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他实施方式，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“上”、“下”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或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发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
实施例1
如图3至图6所示，一种半导体激光器封装结构，包括热沉基座1和过渡热沉2，过渡热沉2焊接于热沉基座1的上部，具体设置时，热沉基座1设置为无氧铜热沉基座，热沉基座1的中部开设有贯穿孔11，热沉基座1邻近贯穿孔11的侧部设置有沉头槽12，过渡热沉2与热沉基座1之间的焊接材料设置为铟；热沉基座1的上部安装有至少两个导热绝缘陶瓷块6，具体设置时，导热绝缘陶瓷块6的材质设置碳化硅；两个导热绝缘陶瓷块6的上部共同安装有热沉顶座7，具体设置时，热沉顶座7设置为无氧铜热沉顶座，热沉顶座7的上部一侧开设有缺口71，电极引线4处于缺口71的部位；过渡热沉2的上部焊接有LD芯片3，LD芯片3的上部与热沉顶座7的下部相焊接，具体设置时，热沉顶座7与LD芯片3之间的焊接材料设置为铟；热沉基座1与热沉顶座7之间电性连接有电极引线4，LD芯片3电性连接有电极飘带5，具体设置时，电极飘带5处于一个导热绝缘陶瓷块6和热沉顶座7之间。
此外，本发明还提供了一种半导体激光器封装结构的封装方法，具体包括以下步骤：
S1、焊接过渡热沉2，在热沉基座1的上部通过真空回流技术焊接过渡热沉，焊接材料选用铟；
S2、安装导热绝缘陶瓷块6，在热沉基座1的上部安装至少两个导热绝缘陶瓷块6，使得导热绝缘陶瓷块6处于过渡热沉2的两侧；
S3、安装LD芯片3，在过渡热沉2的上部安装LD芯片3；
S4、连接电极飘带5，在LD芯片3的侧部连接电极飘带5；
S5、初次连接电极引线4，在热沉顶座7的侧部连接电极引线4的一端；
S6、安装热沉顶座7，将热沉顶座7安装在导热绝缘陶瓷块6的上部，并将电极飘带5压在一个导热绝缘陶瓷块6和热沉顶座7之间；
S7、焊接LD芯片3，在LD芯片3与热沉顶座7之间采用真空回流焊的方式，填充铟焊料。
实施例2
一种半导体激光器封装结构，包括热沉基座1和过渡热沉2，过渡热沉2焊接于热沉基座1的上部，具体设置时，热沉基座1设置为钨铜热沉基座，热沉基座1的中部开设有贯穿孔11，热沉基座1邻近贯穿孔11的侧部设置有沉头槽12，过渡热沉2与热沉基座1之间的焊接材料设置为SAC305；热沉基座1的上部安装有至少两个导热绝缘陶瓷块6，具体设置时，导热绝缘陶瓷块6的材质设置氧化铍；两个导热绝缘陶瓷块6的上部共同安装有热沉顶座7，具体设置时，热沉顶座7设置为钨铜热沉顶座，热沉顶座7的上部一侧开设有缺口71，电极引线4处于缺口71的部位；过渡热沉2的上部焊接有LD芯片3，LD芯片3的上部与热沉顶座7的下部相焊接，具体设置时，热沉顶座7与LD芯片3之间的焊接材料设置为SAC305；热沉基座1与热沉顶座7之间电性连接有电极引线4，LD芯片3电性连接有电极飘带5，具体设置时，电极飘带5处于一个导热绝缘陶瓷块6和热沉顶座7之间。
此外，本发明还提供了一种半导体激光器封装结构的封装方法，具体包括以下步骤：
S1、焊接过渡热沉2，在热沉基座1的上部通过真空回流技术焊接过渡热沉，焊接材料选用SAC305；
S2、安装导热绝缘陶瓷块6，在热沉基座1的上部安装至少两个导热绝缘陶瓷块6，使得导热绝缘陶瓷块6处于过渡热沉2的两侧；
S3、安装LD芯片3，在过渡热沉2的上部安装LD芯片3；
S4、连接电极飘带5，在LD芯片3的侧部连接电极飘带5；
S5、初次连接电极引线4，在热沉顶座7的侧部连接电极引线4的一端；
S6、安装热沉顶座7，将热沉顶座7安装在导热绝缘陶瓷块6的上部，并将电极飘带5压在一个导热绝缘陶瓷块6和热沉顶座7之间；
S7、焊接LD芯片3，在LD芯片3与热沉顶座7之间采用真空回流焊的方式，填充SAC305。
实施例3
一种半导体激光器封装结构，包括热沉基座1和过渡热沉2，过渡热沉2焊接于热沉基座1的上部，具体设置时，热沉基座1设置为无氧铜热沉基座，热沉基座1的中部开设有贯穿孔11，热沉基座1邻近贯穿孔11的侧部设置有沉头槽12，过渡热沉2与热沉基座1之间的焊接材料设置为SnAgCu；热沉基座1的上部安装有至少两个导热绝缘陶瓷块6，具体设置时，导热绝缘陶瓷块6的材质设置氮化铝或氮化硅；两个导热绝缘陶瓷块6的上部共同安装有热沉顶座7，具体设置时，热沉顶座7设置为无氧铜热沉顶座或钨铜热沉顶座，热沉顶座7的上部一侧开设有缺口71，电极引线4处于缺口71的部位；过渡热沉2的上部焊接有LD芯片3，LD芯片3的上部与热沉顶座7的下部相焊接，具体设置时，热沉顶座7与LD芯片3之间的焊接材料设置为SnAgCu；热沉基座1与热沉顶座7之间电性连接有电极引线4，LD芯片3电性连接有电极飘带5，具体设置时，电极飘带5处于一个导热绝缘陶瓷块6和热沉顶座7之间。
此外，本发明还提供了一种半导体激光器封装结构的封装方法，具体包括以下步骤：
S1、焊接过渡热沉2，在热沉基座1的上部通过真空回流技术焊接过渡热沉，焊接材料选用SnAgCu；
S2、安装导热绝缘陶瓷块6，在热沉基座1的上部安装至少两个导热绝缘陶瓷块6，使得导热绝缘陶瓷块6处于过渡热沉2的两侧；
S3、安装LD芯片3，在过渡热沉2的上部安装LD芯片3；
S4、连接电极飘带5，在LD芯片3的侧部连接电极飘带5；
S5、初次连接电极引线4，在热沉顶座7的侧部连接电极引线4的一端；
S6、安装热沉顶座7，将热沉顶座7安装在导热绝缘陶瓷块6的上部，并将电极飘带5压在一个导热绝缘陶瓷块6和热沉顶座7之间；
S7、焊接LD芯片3，在LD芯片3与热沉顶座7之间采用真空回流焊的方式，填充铟SnAgCu焊料。
具体使用时，热沉基座1作为正极，通过电极引线4将电流传入热沉顶座7，热沉顶座7与LD芯片3以及电极飘带5相连，构成电流回路，其中，两个导热绝缘陶瓷块6起到电气绝缘且导热的作用。
经验证，如图7和图8，当LD芯片3工作时，会有大量的热量产生，并通过与过渡热沉2的接触面扩散出去，相对传统封装结构(如图7)而言，热传导方向是双向的，即向下沿着过渡热沉2至热沉基座1，向上通过热沉顶座7，将热量进行双向传导，有效提高器件的散热效率。
由图9和图10，当激光器稳定工作时，传统C封装结构结温为36.6℃，双面贴合封装结构结温为31.8℃，结温降低4.8℃。
综上所述，本发明有效的提高散热的效率。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种半导体激光器封装结构，包括热沉基座(1)和过渡热沉(2)，所述过渡热沉(2)焊接于所述热沉基座(1)的上部，其特征在于，所述热沉基座(1)的上部安装有至少两个导热绝缘陶瓷块(6)，两个所述导热绝缘陶瓷块(6)的上部共同安装有热沉顶座(7)，所述过渡热沉(2)的上部焊接有LD芯片(3)，所述LD芯片(3)的上部与所述热沉顶座(7)的下部相焊接，所述热沉基座(1)与所述热沉顶座(7)之间电性连接有电极引线(4)，所述LD芯片(3)电性连接有电极飘带(5)。
2.根据权利要求1所述的一种半导体激光器封装结构，其特征在于：所述热沉基座(1)设置为无氧铜热沉基座或钨铜热沉基座。
3.根据权利要求1所述的一种半导体激光器封装结构，其特征在于：所述热沉基座(1)的中部开设有贯穿孔(11)，所述热沉基座(1)邻近所述贯穿孔(11)的侧部设置有沉头槽(12)。
4.根据权利要求1所述的一种半导体激光器封装结构，其特征在于：所述过渡热沉(2)与所述热沉基座(1)之间的焊接材料设置为铟、SAC305或SnAgCu。
5.根据权利要求1所述的一种半导体激光器封装结构，其特征在于：所述导热绝缘陶瓷块(6)的材质设置碳化硅、氧化铍、氮化铝或氮化硅。
6.根据权利要求1所述的一种半导体激光器封装结构，其特征在于：所述热沉顶座(7)设置为无氧铜热沉顶座或钨铜热沉顶座。
7.根据权利要求1所述的一种半导体激光器封装结构，其特征在于：所述热沉顶座(7)的上部一侧开设有缺口(71)，所述电极引线(4)处于所述缺口(71)的部位。
8.根据权利要求1所述的一种半导体激光器封装结构，其特征在于：所述热沉顶座(7)与所述LD芯片(3)之间的焊接材料设置为铟、SAC305或SnAgCu。
9.根据权利要求1所述的一种半导体激光器封装结构，其特征在于：所述电极飘带(5)处于一个所述导热绝缘陶瓷块(6)和所述热沉顶座(7)之间。
10.一种半导体激光器封装结构的封装方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
S1、焊接过渡热沉，在热沉基座的上部通过真空回流技术焊接过渡热沉，焊接材料选用铟、SAC305或SnAgCu；
S2、安装导热绝缘陶瓷块，在热沉基座的上部安装至少两个导热绝缘陶瓷块，使得导热绝缘陶瓷块处于过渡热沉的两侧；
S3、安装LD芯片，在过渡热沉的上部安装LD芯片；
S4、连接电极飘带，在LD芯片的侧部连接电极飘带；
S5、初次连接电极引线，在热沉顶座的侧部连接电极引线的一端；
S6、安装热沉顶座，将热沉顶座安装在导热绝缘陶瓷块的上部，并将电极飘带压在一个导热绝缘陶瓷块和热沉顶座之间；
S7、焊接LD芯片，在LD芯片与热沉顶座之间采用真空回流焊的方式，填充铟、SAC305或SnAgCu焊料；
S8、二次连接电极引线，将电极引线的另一端与热沉基座的上部连接。
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