CN115939928A - 一种半导体激光器的热沉结构及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半导体激光器的热沉结构及其制备方法，涉及半导体激光器领域，旨在解决芯片与热沉之间的热膨胀系数不匹配的问题，其技术方案要点是：一种半导体激光器的热沉结构，分为三层结构，上下两层结构为双面覆铜陶瓷基板，中间层为铜片层。本发明的一种半导体激光器的热沉结构及其制备方法减小热膨胀系数差异，提高激光阵列的光束质量。

Description

一种半导体激光器的热沉结构及其制备方法

技术领域

本发明涉及半导体激光器领域，更具体地说，它涉及一种半导体激光器的热沉结构及其制备方法。

背景技术

半导体激光器是以一定的半导体材料做工作物质而产生激光的器件，具有光电转换率高，寿命长，体积小等优点，在材料加工、航空航天、医疗美容、光纤通信等领域获得了广泛应用。器件在封装过程中，由于散热衬底与半导体芯片的热膨胀系数（CTE）不匹配，芯片在焊接过程中产生热应力。这些应力会造成有源区带宽改变，形成缺陷，对激光器的阈值电流、输出功率、激射波长等特性造成影响，降低激光器的寿命。同时对激光器而言，热膨胀系数的差异会导致芯片产生轻微的弯曲变形，直接导致芯片发出的激光不准直，使半导体激光阵列整体发光弯曲。

目前，市面上基本使用纯铜制备微通道激光热沉，因其高的热导率和易于加工材料特性。但纯铜和半导体激光器芯片有着极大的热膨胀系数差异，铜的热膨胀系数为16.8ppm/K，常见的砷化镓芯片的热膨胀系数为 6.7ppm/K。本发明为了解决芯片与热沉间的热膨胀系数不匹配问题，提供一种新的制备半导体激光热沉的方法。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种半导体激光器的热沉结构，通过将覆铜陶瓷基板和铜片结合做成热沉，从而使其跟芯片之间具备较小的热膨胀系数差异，提高激光器的发射稳定性。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种半导体激光器的热沉结构，分为三层结构，上下两层结构为双面覆铜陶瓷基板，中间层为铜片层。

本发明进一步设置为：其具体结构为覆铜陶瓷基板的一侧为外表面层，另一侧为微通道层，铜片层为冷却液导引层。

本发明进一步设置为：其中铜片层为OFHC无氧铜，厚度0.2-0.6mm；陶瓷为氮化硅陶瓷，厚度0.25-0.32mm。

本发明同时提供一种半导体激光器的热沉结构的制备方法，包括以下步骤：

1） 热沉基板制备：使用覆铜陶瓷工艺制备双面覆铜的氮化硅覆铜陶瓷基板，并在其两侧分别蚀刻出图形以及微通道；

2） 热沉冷却液引导层制备：使用无氧铜经过贴膜、曝光、显影、刻蚀，获得导引层结构；

3） 热沉整体焊接：通过覆铜陶瓷基板的微通道层与导引层上下表面完成焊接；

4） 热沉表面镀镍金。

本发明进一步设置为：在步骤1中，具体工艺包括：

a）采用丝网印刷技术将焊料印刷到陶瓷基板上，将铜片压在焊料上经过真空高温烧结完成焊接，获得覆铜陶瓷基板；

b）覆铜陶瓷基板通过贴膜、曝光、显影、刻蚀，获得外表面及微通道层结构；

c）对蚀刻完成覆铜陶瓷基板陶瓷层进行激光打孔，获得冷却液进出口、限位孔；

d）使用抛刷机对覆铜陶瓷基板外表面进行抛刷，平整度<1μm，粗糙度<0.05μm；

e）对覆铜陶瓷基板进行激光切割，将母板切割成单个热沉基板。

本发明进一步设置为：在a步骤中，所述焊料为AgCuTi系，67-70wt%Ag，24-26wt%Cu，1-5wt%Ti。

本发明进一步设置为：在a步骤中，所述焊接的真空度为10^-3-10^-2Pa，钎焊温度为800-1000℃，保温时间2-5h。

本发明进一步设置为：在步骤3中，焊接使用金锡焊料，采用分层电镀的方法，在导引层表面电镀上金层和锡层，并经过200-250℃，2-5min热处理获得金锡共晶薄膜，再使用烧结治具限位，温度控制在300~310℃完成焊接。

本发明进一步设置为：其中电镀锡的工作参数为：甲基磺酸锡电镀液 ，PH值控制1-4，温度20-30℃，电流密度0.2-0.7A/dm²；电镀金的工作参数为：氰化金钾电镀液，PH值控制3.5-4.5，温度40-60℃，电流密度0.3-1A/dm²；其中金层厚度3~3.4μm，锡层厚度2.4-2.6μm。

本发明进一步设置为：在步骤4中，镀镍的工作参数为：硫酸镍电镀液，PH值控制3.5-4，温度50-60℃，电流密度1.5-8A/dm²；镀金的工作参数为：氰化金钾电镀液，PH值控制3.5-4.5，温度40-60℃，电流密度0.5-1.2A/dm²；镍层厚度2-5μm，金层厚度0.05-0.5μm。

综上所述，本发明具有以下有益效果：通过采用双层覆铜陶瓷基板之间再烧结铜片形成热沉结构，从而替代传统的铜片热沉，这样能够有效降低热沉与激光芯片之间的热膨胀系数的差异值，从而使半导体激光器的激光阵列的光束质量得到明显提升。

附图说明

图1为激光热沉整体结构示意图；

图2为顶部覆铜陶瓷基板结构示意图；

图3为冷却液导引层结构示意图；

图4为底部覆铜陶瓷基板结构示意图；

图5 为烧结治具结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供一种使用覆铜陶瓷基板制备半导体激光器热沉的结构与方法，其热沉的结构分三层：如附图1所示，热沉上下侧为双面覆铜陶瓷基板1和3，中间为铜片层2，具体结构为：双面覆铜陶瓷基板1的一侧为外表面层，另一侧为微通道层，铜片层2为冷却液导引层夹在两个双面覆铜陶瓷基板1和3之间。

铜片层2为OFHC无氧铜，厚度0.2~0.6mm；陶瓷为氮化硅陶瓷，厚度0.25-0.32mm；

制备步骤：

1、热沉基板制备：使用覆铜陶瓷工艺制备双面覆铜的氮化硅覆铜陶瓷基板；

a）采用丝网印刷技术将焊料印刷到陶瓷基板上，将铜片压在焊料上经过真空高温烧结完成焊接，获得覆铜陶瓷基板；

b）覆铜陶瓷基板通过贴膜、曝光、显影、刻蚀，获得外表面及微通道层结构，蚀刻公差0.05mm；

c）对蚀刻完成覆铜陶瓷基板陶瓷层进行激光打孔，获得冷却液进出口、限位孔，孔径公差±10%，偏移度±0.02mm；

d）使用抛刷机对覆铜陶瓷基板外表面进行抛刷，平整度<1μm，粗糙度<0.05μm；

e）对覆铜陶瓷基板进行激光切割，将母板切割成单个热沉基板；

其中：焊料为AgCuTi系，67~70wt%Ag，24~26wt%Cu，1~5wt%Ti；

高温真空焊接的真空度为10^-3~10^-2Pa，钎焊温度为800-1000℃，保温时间2-5h；

2、热沉冷却液导引层制备：使用无氧铜经过贴膜、曝光、显影、刻蚀，获得导引层母板结构；并使用线切割母板获得单个导引层铜片，长度±0.025mm，宽度±0.025mm；

3、激光热沉整体焊接：通过覆铜陶瓷基板微通道层与导引层上下表面完成焊接，焊接使用金锡焊料；采用分层电镀的方法，在导引层表面电镀上金层和锡层，并在200-250℃，2-5min热处理获得金锡共晶薄膜；再使用烧结治具限位，温度控制在300℃~310℃间完成焊接；

电镀锡（甲基磺酸锡电镀液 ，PH值控制1-4，温度20-30℃，电流密度0.2-0.7A/dm²）；

电镀金（氰化金钾电镀液，PH值控制3.5-4.5，温度40-60℃，电流密度0.3-1A/dm²）；

金层厚度3~3.4μm，锡层厚度2.4-2.6μm；

然后经过气密性检测：参照国家标准GB/T 36176-2018氦质谱真空检漏方法，使用压力-真空检漏法检测激光热沉气密性；

4、表面镀镍金：

电镀镍（硫酸镍电镀液，PH值控制3.5-4，温度50-60℃，电流密度1.5-8A/dm2）；

电镀金（氰化金钾电镀液，PH值控制3.5-4.5，温度40-60℃，电流密度0.5-1.2A/dm2）；

镍层厚度2-5μm，金层厚度0.05-0.5μm，完成制备。

结合附图1、2、3、4、5以及以下具体实施例进行详细说明：

将0.2mm无氧铜片及0.32mm氮化硅陶瓷进行表面清洗，将银焊料通过丝网印刷技术印刷到陶瓷基板上，再将铜片通过压块按压在焊料上，在真空度0.005Pa真空炉下900℃高温烧结5h完成焊接。

焊接完成的覆铜陶瓷基板经过贴膜、曝光、显影、刻蚀，获得外表面11、31及微通道层结构12、32，再对蚀刻完成基板陶瓷层进行激光打孔，获得冷却液进出口111、311和限位孔112、312，并使用抛刷机对基板外表面进行抛刷使得粗糙度低于0.05μm，表面处理完成的基板再次经过激光切割成单独热沉基板1、3。

同时使用0.2mm铜片制备热沉冷却液导引层母板，铜片经过贴膜、曝光、显影、刻蚀，获得导引层母板结构，并用线切割母板获得单独导引层即铜片层2，接着用氰化金钾镀金液电镀铜片层2，PH值控制4，温度50℃左右，电流密度为0.7A/dm²，金层电镀厚度3μm，再用甲基磺酸锡镀锡液电镀锡层， PH值控制在3，温度控制在25℃左右，电流密度0.5A/dm²，锡层电镀厚度为2.6μm。

电镀完成将铜片层2放置加热台加热至250℃，加热时间为3min获得金锡共晶薄膜，再利用烧结治具限位，烧结治具的结构可以如附图5所示，上面是引导板，下面是压板，并且在310℃温度下完成焊接。

烧结完成的产品经过国家标准GB/T 36176-2018氦质谱真空检漏方法，保证在压力-真空检漏条件下激光热沉无漏气现象。

通过气密性检测的热沉最后进行表面镀镍金，先用硫酸镍镀镍液镀镍层，PH值控制3.5，温度60℃，电流密度3A/dm²，镍层厚度3μm，再在镍层上电镀金，用氰化金钾镀金液，PH值控制4，温度50℃，电流密度0.8A/dm²，金层厚度0.5μm。

对比例：5层0.2mm铜片制备厚度1.5mm传统热沉（纯铜），内部微通道结构一致。

实验对比：

（1）取对比例-传统热沉及具体实施例制备的热沉，测试散热性能。

实验条件：使用陶瓷加热片做加热源，通过电压调节热源温度，冷却液为自来水，进口水温度26℃，水压0.12Mpa。

实验数据如下表1、2所示：

表1为传统热沉（纯铜）：

表2为具体实施例制备的热沉：

如表1、2所示，本发明制备的覆铜陶瓷基板热沉散热性能受陶瓷层影响散热性能略低于传统热沉（纯铜），其散热能力也可满足激光巴条正常工作。

（2）取对比例-传统热沉及具体实施例制备的热沉，测“smile”值：式中，A为激光器阵列的发光单元在快轴方向的宽度，B为弯曲的激光器巴条的最高发光点与最低发光点中心间的距离，C为激光器巴条的最高发光点的上 端和最低发光点的下端间的距离。

对单bar条半导体激光器光斑进行测试表征。

实验数据如下表3所示：

表3 smile值对比：

如表3所示，受益于覆铜陶瓷基板热膨胀系数与芯片匹配及氮化硅陶瓷的高强度，焊接在覆铜陶瓷基板热沉的巴条具备更小的“smile”值，提高了激光阵列的光束质量。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种半导体激光器的热沉结构，其特征在于，分为三层结构，上下两层结构为双面覆铜陶瓷基板，中间层为铜片层。

2.根据权利要求1所述的一种半导体激光器的热沉结构，其特征在于，其具体结构为覆铜陶瓷基板的一侧为外表面层，另一侧为微通道层，铜片层为冷却液导引层。

3.根据权利要求2所述的一种半导体激光器的热沉结构，其特征在于，其中铜片层为OFHC无氧铜，厚度0.2-0.6mm；陶瓷为氮化硅陶瓷，厚度0.25-0.32mm。

4.一种半导体激光器的热沉结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）热沉基板制备：使用覆铜陶瓷工艺制备双面覆铜的氮化硅覆铜陶瓷基板，并在其两侧分别蚀刻出图形以及微通道；

2）热沉冷却液引导层制备：使用无氧铜经过贴膜、曝光、显影、刻蚀，获得导引层结构；

3）热沉整体焊接：通过覆铜陶瓷基板的微通道层与导引层上下表面完成焊接；

4）热沉表面镀镍金。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，在步骤1中，具体工艺包括：

a）采用丝网印刷技术将焊料印刷到陶瓷基板上，将铜片压在焊料上经过真空高温烧结完成焊接，获得覆铜陶瓷基板；

b）覆铜陶瓷基板通过贴膜、曝光、显影、刻蚀，获得外表面及微通道层结构；

c）对蚀刻完成覆铜陶瓷基板陶瓷层进行激光打孔，获得冷却液进出口、限位孔；

d）使用抛刷机对覆铜陶瓷基板外表面进行抛刷，平整度<1μm，粗糙度<0.05μm；

e）对覆铜陶瓷基板进行激光切割，将母板切割成单个热沉基板。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，在a步骤中，所述焊料为AgCuTi系，67-70wt%Ag，24-26wt%Cu，1-5wt%Ti。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，在a步骤中，所述焊接的真空度为10^-3-10^-2Pa，钎焊温度为800-1000℃，保温时间2-5h。

8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，在步骤3中，焊接使用金锡焊料，采用分层电镀的方法，在导引层表面电镀上金层和锡层，并经过200-250℃，2-5min热处理获得金锡共晶薄膜，再使用烧结治具限位，温度控制在300~310℃完成焊接。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，其中电镀锡的工作参数为：甲基磺酸锡电镀液 ，PH值控制1-4，温度20-30℃，电流密度0.2-0.7A/dm²；电镀金的工作参数为：氰化金钾电镀液，PH值控制3.5-4.5，温度40-60℃，电流密度0.3-1A/dm²；其中金层厚度3~3.4μm；锡层厚度2.4-2.6μm。

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