CN117559215B - 一种巴条叠阵封装结构及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种巴条叠阵封装结构及方法，巴条叠阵封装结构，包括：多个BOS单元，一个BOS单元包括封装在一起的一个热沉和一个巴条，BOS单元沿一个方向依序排布形成BOS阵列，热沉相互平行；端部热沉，与BOS阵列的一端的巴条相连排布，端部热沉与热沉平行；含铟焊片，设置在相邻的BOS单元之间以及端部热沉与相邻的巴条之间，含铟焊片的厚度为10μm‑100μm。本发明通过在相邻的BOS单元之间以及端部热沉与相邻的巴条之间设置含铟焊片，含铟焊片能够满足巴条的导电，巴条的一个极面与含铟焊片焊接后，巴条的在含铟焊片这一面受到的拉扯较另一面小，巴条受到的应力得以缓解，从而减弱巴条发光弯曲，实现更可靠的激光输出。

Description

一种巴条叠阵封装结构及方法

技术领域

本发明涉及激光器技术领域，尤其涉及一种巴条叠阵封装结构及方法。

背景技术

近年来半导体激光激光器在科研军工、泵浦、医美、工业加工、印刷领域都有着广泛的应用。随着应用的增多对于光功率，光斑质量，产品尺寸都有着越来越高的要求。半导体激光巴条阵列相对于多单管光纤耦合激光器的输出功率更高，体积更小。而宏通道背冷式巴条叠阵结构相对于微通道冷却巴条叠阵产品对水质要求低，产品体积更小，巴条间距可以做到更小，光能量更均匀的优势。

现有技术中，宏通道背冷式的封装结构现在市面上大多使用三明治结构（热沉+巴条+热沉，热沉+巴条+热沉+巴条），巴条的两端均为热沉，巴条的正负极双面都通过5um左右厚度的金锡焊料焊接在热沉上。

在实现本发明过程中，发明人发现现有技术中至少存在以下问题：现有的巴条封装结构的材料应力，烧结应力无法通过金锡焊料得到缓解，所有的应力集中在巴条上。由于热沉与巴条热膨胀系数不匹配而产生的应力，导致激光器阵列在垂直快轴方向产生形变，使同一巴条上的各个发光点受力不均匀，引起发光弯曲（被称为smile效应，也称为近场非线性效应），若封装应力过大甚至会造成巴条断裂的问题，严重影响半导体激光器的可靠性和寿命。

发明内容

本发明旨至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的目的在于提出一种巴条叠阵封装结构及方法，减弱巴条发光弯曲，实现更可靠的激光输出。

为达到上述目的，本发明提出一种巴条叠阵封装结构，包括：

多个BOS单元，一个所述BOS单元包括封装在一起的一个热沉和一个巴条，所述BOS单元沿一个方向依序排布形成BOS阵列，所述热沉相互平行；

端部热沉，与所述BOS阵列的一端的所述巴条相连排布，所述端部热沉与所述热沉平行；

含铟焊片，设置在相邻的所述BOS单元之间以及所述端部热沉与相邻的所述巴条之间，所述含铟焊片的厚度为10μm-100μm。

根据本发明的巴条叠阵封装结构，通过在相邻的BOS单元之间以及端部热沉与相邻的巴条之间设置含铟焊片，含铟焊片能够满足巴条的导电，巴条的一个极面与含铟焊片焊接后，含铟焊片的材质较软，巴条的在含铟焊片这一面受到的拉扯较另一面小，巴条受到的应力得以缓解，从而减弱巴条发光弯曲，实现更可靠的激光输出。

根据本发明的一个实施例，所述巴条具有P面和N面，所述P面与同一个所述BOS单元的所述热沉焊接，所述N面与相邻的所述热沉或所述端部热沉通过所述含铟焊片焊接。

根据本发明的一个实施例，所述P面与同一个所述BOS单元的所述热沉利用3μm-6μm的金锡焊料焊接。

根据本发明的一个实施例，还包括宏通道热沉，所述宏通道热沉包括：

底座，所述底座内部具有流道，所述底座的底部具有流道口；

氮化铝板，设在所述底座上方；

覆铜镀金图形层，设在所述氮化铝板的上方，所述BOS单元和所述端部热沉焊接在所述覆铜镀金图形层上。

根据本发明的一个实施例，所述覆铜镀金图形层还包括正极片和负极片，所述正极片和所述负极片设置在所述氮化铝板的上表面的两端，所述正极片和所述负极片上设有定位孔，所述正极片、所述BOS单元和所述负极片沿第一方向或第二方向排布，所述第一方向与所述第二方向垂直。

本发明还提出一种巴条叠阵封装方法，包括：

将多个BOS单元和端部热沉按一个方向焊在宏通道热沉上，其中BOS单元之间的缝隙以及所述BOS单元和所述端部热沉之间的缝隙保持在10μm-100μm；

在缝隙内填充含铟焊片，然后整体放置烧结炉内进行烧结。

根据本发明的巴条叠阵封装方法，通过在相邻的BOS单元之间以及端部热沉与相邻的巴条之间设置含铟焊片，含铟焊片能够满足巴条的导电，巴条的一个极面与含铟焊片焊接后，含铟焊片的材质较软，巴条的在含铟焊片这一面受到的拉扯较另一面小，巴条受到的应力得以缓解，从而减弱巴条发光弯曲，实现更可靠的激光输出。

根据本发明的一个实施例，所述BOS单元包括一个热沉和一个巴条，所述热沉和巴条之间利用金锡焊料焊接。

根据本发明的一个实施例，所述端部热沉与所述热沉同形且相互平行。

根据本发明的一个实施例，所述宏通道热沉的上表面具有覆铜镀金图形层，所述覆铜镀金图形层的中部具有多个长方形镀层，所述覆铜镀金图形层的两端具有正极片和负极片，所述BOS单元和所述端部热沉焊接在所述覆铜镀金图形层上。

根据本发明的一个实施例，所述巴条具有P面和N面，所述P面与同一个所述BOS单元的所述热沉焊接，所述N面与相邻的所述热沉或所述端部热沉焊接，各个巴条串联，位于最端部的所述热沉与所述负极片相连，所述端部热沉与所述正极片相连。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。其中：

图1是本发明一实施例提出的巴条叠阵封装结构的示意图。

图2是图1中A部分的局部放大示意图。

图3是本发明一实施例涉及巴条叠阵封装结构的BOS单元的示意图。

图4是本发明一实施例涉及巴条叠阵封装结构的宏通道热沉的正面示意图。

图5是本发明一实施例涉及巴条叠阵封装结构的宏通道热沉的背面示意图。

图6是本发明另一实施例提出的巴条叠阵封装结构的示意图。

图7是发明一实施例提出的巴条叠阵封装方法的流程示意图。

附图标记说明：

1-热沉，2-巴条，3-含铟焊片，4-正极片，5-负极片，6-底座，7-覆铜镀金图形层，8-定位孔，9-流道口，10-氮化铝板，11-端部热沉。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。相反，本发明的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。

图1是本发明一实施例提出的巴条叠阵封装结构的示意图。结合图1至图4所示，本发明实施例第一方面提出一种巴条叠阵封装结构。巴条可被视为多个激光器单管并排形成的激光器单条，一个巴条实质上是在同一基底上构建一系列半导体激光器单管而形成的，这也可以被称为线阵激光器。

本发明实施例的巴条叠阵封装结构包括：多个BOS单元、端部热沉11和含铟焊片3。

一个BOS（Bar On Submount，巴条封装在热沉上）单元包括封装在一起的一个热沉1和一个巴条2。巴条2的一面与热沉1的侧面焊接。这一面的焊接材料可以选择用多种硬焊料。示例性的，可以选择金锡焊料，金锡焊料是一种硬焊料。具有抗疲劳、可靠性高等特性。热沉1的材质可以为多种，示例性的，热沉1的制作材料为钨铜，具有热导率高和易于加工的优点。BOS单元沿一个方向依序排布形成BOS阵列，热沉1相互平行。端部热沉11与BOS阵列的一端的巴条2相连排布，端部热沉11与热沉1平行。含铟焊片3设置在相邻的BOS单元之间以及端部热沉11与相邻的巴条2之间，含铟焊片3的厚度为10μm-100μm，能够保证BOS单元之间的电连接。

由于金锡焊料的热导率较小，为了保证巴条的散热，金锡焊料的厚度制作地较薄，示例性的，金锡焊料的厚度为3至6μm。BOS阵列中的BOS单元的数量根据实际需要进行选择，对此不作限制。示例性的，BOS单元的数量为8个。端部热沉11与热沉1的形状一致，均为长方体。端部热沉11的作用是将BOS阵列与电极连通。含铟焊片3是预成型好的焊料片，是一种软焊料，熔点相对较低。含铟焊片3的制作材料可以为纯铟或铟银合金焊料。铟的维氏硬度约为1.2 MPa，意味着铟相对较软，易变形。含铟焊片3具有良好的延展性，可以在激光器封装（尤其是降温冷却阶段）时和工作状态下很好的补偿热沉材料和巴条材料的热膨胀系数失配。

发光弯曲（Smile效应）可以用Smile值评价，Smile值越小封装质量越好。采用传统封装技术的巴条的smile值大约为几十μm，而本实施例中的巴条的smile值能够控制在5μm以内。

根据本发明实施例的巴条叠阵封装结构，通过在相邻的BOS单元之间以及端部热沉与相邻的巴条之间设置含铟焊片，含铟焊片能够满足巴条的导电，巴条的一个极面与含铟焊片焊接后，含铟焊片的材质较软，巴条的在含铟焊片这一面受到的拉扯较另一面小，巴条受到的应力得以缓解，从而减弱巴条发光弯曲，实现更可靠的激光输出。

含铟焊片3的厚度为10μm-100μm之间，可以任意选择。可选的，含铟焊片3的厚度为70μm。无论含铟焊片3的厚度为10μm、70μm或100μm，均可以使巴条的smile值能够控制在5μm以内。

在一些实施例中，结合图1至图5所示，巴条2具有P面和N面，P面为正极面，N面为负极面。含铟焊片存在的问题是，当巴条工作时，含铟焊片在高电流易产生电迁移和热迁移，使巴条稳定性下降，易出现性能突然退化等现象。PN结采用同种材料制得，由于电子迁移率高于空穴，半导体激光器有源区偏向于P区一侧，如果P面采用含铟焊片焊接，由于铟焊料的电热迁移问题，或对巴条的性能造成影响。因此，本实施例中，P面与同一个BOS单元的热沉1利用3μm-6μm的金锡焊料焊接，N面与相邻的热沉1或端部热沉11通过含铟焊片3焊接。N面距离有源区稍远，不易使N面与有源区导通形成微短路，降低巴条性能下降的风险。

巴条叠阵封装结构还包括宏通道热沉，宏通道热沉包括底座6、氮化铝板10和覆铜镀金图形层7。底座6内部具有流道，底座6的底部具有流道口9，流道内通入冷却液实现对巴条阵列的冷却。氮化铝板10设在底座6上方。氮化铝是一种具有高导热性的陶瓷材料，同时具有高电绝缘性。覆铜镀金图形层7设在氮化铝板10的上方，BOS单元和端部热沉11焊接在覆铜镀金图形层7上。覆铜镀金图形层7用于连接电子元件、传输信号和提供电源等。由于金的抗氧化性较好，因此镀金层能够保持较长时间的使用寿命。

覆铜镀金图形层7包括多个按周期排列的长方形镀层、正极片4和负极片5，正极片4和负极片5设置在氮化铝板10的上表面的两端，长方形镀层设置在覆铜镀金图形层7的中部。长方形镀层的周期排布可以根据实际需要旋转，对此不做具体限定。正极片4和负极片5上设有定位孔8，正极片4、BOS单元和负极片5沿第一方向或第二方向排布，第一方向与第二方向垂直。示例性的，第一方向为宏通道热沉的长度方向，第二方向为宏通道热沉的宽度方向。

如图6所示，正极片4、BOS单元和负极片5沿宏通道热沉的宽度方向排布，这种排布方式的扩展性更好，换言之，巴条叠阵封装结构能够沿宏通道热沉的宽度方向排布多个，巴条叠阵封装结构相互串联，巴条的数量得以增加，能够输出更高功率的激光。

基于上述目的，结合图1至图7所示，本发明实施例还提出一种巴条叠阵封装方法，包括以下步骤：

步骤S102，将多个BOS单元和端部热沉11按一个方向焊在宏通道热沉上，其中BOS单元之间的缝隙以及BOS单元和端部热沉11之间的缝隙保持在10μm-100μm。

本实施例中，BOS单元和端部热沉11的方向可以任意选择。缝隙的宽度可以在10μm-100μm范围内任意选择，示例性的，缝隙的宽度为70μm。

步骤S104，在缝隙内填充含铟焊片3，然后整体放置烧结炉内进行烧结。

本实施例中，含铟焊片3的材质为纯铟或铟银合金焊料。

根据本发明实施例的巴条叠阵封装方法，通过在相邻的BOS单元之间以及端部热沉与相邻的巴条之间设置含铟焊片，含铟焊片能够满足巴条的导电，巴条的一个极面与含铟焊片焊接后，含铟焊片的材质较软，巴条的在含铟焊片这一面受到的拉扯较另一面小，巴条受到的应力得以缓解，从而减弱巴条发光弯曲，实现更可靠的激光输出。

本实施例中，BOS单元包括一个热沉1和一个巴条2，热沉1和巴条2之间利用金锡焊料焊接。金锡焊料的厚度大约为5μm，由于金锡焊料的热导率较低，因此厚度制作的薄一些。端部热沉11与热沉1同形且相互平行。端部热沉11与热沉1的制作材料均为铜钨，散热效能好。在将一个BOS单元内的热沉1和巴条2焊接之后，再利用锡银铜焊片将BOS单元以及端部热沉焊接在覆铜镀金图形层7上。

在一些实施例中，宏通道热沉的上表面具有覆铜镀金图形层7，覆铜镀金图形层7的中部具有多个长方形镀层，覆铜镀金图形层7的两端具有正极片4和负极片5，BOS单元和端部热沉11焊接在覆铜镀金图形层7上。长方形镀层的上表面与热沉1的底部采用金锡焊料焊接。

巴条2具有P面和N面，P面与同一个BOS单元的热沉1焊接，N面与相邻的热沉1或端部热沉11焊接，各个巴条2串联，位于最端部的热沉1与负极片5相连，端部热沉11与正极片4相连。BOS单元的数量根据实际需要进行选择，对此不做具体限制。正极片4和负极片5的外形根据实际需要进行设计，对此不做具体限制。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本发明的描述中，术语“左”、“右”、“前”、“后”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装置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。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (6)

1.一种巴条叠阵封装结构，其特征在于，包括：

多个BOS单元，一个所述BOS单元包括封装在一起的一个热沉（1）和一个巴条（2），所述BOS单元沿一个方向依序串联排布形成BOS阵列，所述热沉（1）相互平行；

端部热沉（11），与所述BOS阵列的一端的所述巴条（2）相连排布，所述端部热沉（11）与所述热沉（1）平行；

含铟焊片（3），设置在相邻的所述BOS单元之间以及所述端部热沉（11）与相邻的所述巴条（2）之间，所述含铟焊片（3）的厚度为10μm-100μm；

所述巴条（2）具有P面和N面，所述P面与同一个所述BOS单元的所述热沉（1）焊接，所述N面与相邻的BOS单元的所述热沉（1）或所述端部热沉（11）通过所述含铟焊片（3）焊接；所述P面与同一个所述BOS单元的所述热沉（1）利用3μm-6μm的金锡焊料焊接。

2.根据权利要求1所述的巴条叠阵封装结构，其特征在于，还包括宏通道热沉，所述宏通道热沉包括：

底座（6），所述底座（6）内部具有流道，所述底座（6）的底部具有流道口（9）；

氮化铝板（10），设在所述底座（6）上方；

覆铜镀金图形层（7），设在所述氮化铝板（10）的上方，所述BOS单元和所述端部热沉（11）焊接在所述覆铜镀金图形层（7）上。

3.根据权利要求2所述的巴条叠阵封装结构，其特征在于，所述覆铜镀金图形层（7）还包括正极片（4）和负极片（5），所述正极片（4）和所述负极片（5）设置在所述氮化铝板（10）的上表面的两端，所述正极片（4）和所述负极片（5）上设有定位孔（8），所述正极片（4）、所述BOS单元和所述负极片（5）沿第一方向或第二方向排布，所述第一方向与所述第二方向垂直。

4.一种如权利要求1所述的巴条叠阵封装结构的封装方法，其特征在于，包括：

将多个BOS单元和端部热沉（11）按一个方向焊在宏通道热沉上，其中BOS单元之间的缝隙以及所述BOS单元和所述端部热沉（11）之间的缝隙保持在10μm-100μm，其中所述BOS单元包括一个热沉（1）和一个巴条（2），所述巴条（2）具有P面和N面，所述P面与同一个所述BOS单元的所述热沉（1）焊接，所述P面与同一个所述BOS单元的所述热沉（1）利用3μm-6μm的金锡焊料焊接；

在缝隙内填充含铟焊片（3），然后整体放置烧结炉内进行烧结。

5.根据权利要求4所述的巴条叠阵封装结构的封装方法，其特征在于，所述端部热沉（11）与所述热沉（1）同形且相互平行。

6.根据权利要求4所述的巴条叠阵封装结构的封装方法，其特征在于，所述宏通道热沉的上表面具有覆铜镀金图形层（7），所述覆铜镀金图形层（7）的中部具有多个长方形镀层，所述覆铜镀金图形层（7）的两端具有正极片（4）和负极片（5），所述BOS单元和所述端部热沉（11）焊接在所述覆铜镀金图形层（7）上。