CN1604410A - 激光二级管模块、激光器设备和激光加工设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开激光二极管模块、激光器设备和激光加工设备。承载衬底通过硬焊料连接到激光二极管的两面。下承载衬底和散热器通过软焊料连接在一起。使用绝缘隔片，通过在散热器和按压电极之间的预定凹槽固定散热器和按压电极。线圈电极安装到按压电极的V形凹槽中。在线圈电极微小地弹性变形时，线圈电极按压到上承载衬底。

Description

激光二极管模块、激光器设备和激光加工设备

技术领域

本发明涉及并入了激光二极管的模块、其中安装有模块的激光器设备和激光加工设备。

背景技术

大功率激光二极管用作激励固体激光器的光源和激光束加工的光源。用以激发激光二极管的从电能到光能的转换效率高达约50％。因此，从激光二极管输出激光束时，在激光二极管中产生了与激光束的光能相同的或者高于激光束光能的热。例如，产生50W光的激光二极管产生50W或者更高的热。随着激光二极管的温度的上升，电-光转换的效率下降，并且发射寿命缩短。而且，随着温度改变振动波长，激光二极管温度的上升阻碍了光的激发。这需要在激光二极管中采用某些装置抑制源自于发热的温度上升。

并入了激光二极管的模块主要包括三个构件；激光二极管，冷却激光二极管的散热器和向激光二极管供电的电极。散热器通常用作激光二极管的电极。

近来，要求能够产生大功率激光束的激光二极管模块作为有效的焊接、熔融切割、钻孔和退火金属材料等等的光源。为了满足需要，对大功率激光二极管的实现进行了研究。作为获得大功率的装置，发展了通过将产生激光束的有源区配置在单芯片侧面形成的激光二极管条。

图1是示出了这种激光二极管条101的透视图。该激光二极管条101通常具有{10mm(宽)}×{1.0～1.5mm(腔长)}×{100～150μm(厚)}的尺寸。激光二极管条101的顶面和底面是电极表面104，并且激光二极管条101的其中一面是发射面102，其输出激光束。在发射面102上，发射区域配置在横向直线上，并且由必需的输出指定发射区域103的数目和宽度用以使之最优化。经由顶电极和底电极表面104提供电流，使得发射区域103发射光。商业上可获得具有10W～100W输出功率的激光二极管条。主要使用砷化镓(GaAs)作为用于形成激光二极管条的衬底。

下面描述了传统的激光二极管模块，在该模块中安装有产生大功率光的激光二极管。图2示出了模块，在该模块中安装有日本公开专利出版No.H10-209531中公开的激光二极管条。该模块是叠层体201，其中纵向层叠各自安装在散热器上的激光二极管。该模块具有基底结构，其中激光二极管条203通过焊料层安装到水冷散热器202，该水冷散热器202还用作下电极。激光二极管条203的上电极和安置在用于绝缘散热器202的橡胶片204上的金属片205通过接合线206互连。冷却剂经由冷却系统207提供给每个层的散热器202。除了接合线，可以使用带接合、金属板或者金属膜用作导线。提出了一种模块，其中在激光二极管和散热器之间提供了具有与激光二极管的热膨胀系数几乎相同的热膨胀系数的衬底。

图3示出了在日本公开专利出版No.H9-129986中公开的激光二极管模块。激光二极管301由端板302和304夹住，该端板302和304具有与激光二极管301的热膨胀系数几乎相同的热膨胀系数，并且激光二极管301的顶面和底面由硬焊料层303和305固定。下端板302通过弹性粘合剂或者软焊料层306固定到散热器308。接线端307连接到上和下端板302和304用于电气互连。由于端板302和激光二极管301具有近似相同的热膨胀系数，因此即使在激光二极管的温度上下波动时也不会破坏结临界面。日本公开专利出版No.H9-129986公开了，由于弹性粘合剂或者软焊料层306缓解了端板302底面的热膨胀系数和散热器308的热膨胀系数之间的差异，所以可以抑制结部分冷却性能的下降。在激光二极管301的侧表面上提供了镜表面层310(用于激光发射的反射层)。散热器308配有冷却部件311，用以引导冷却剂进入冷却剂引导部分312。该冷却剂314冷却了激光二极管。

图4示出了在日本公开专利出版No.H10-41580中公开的激光二极管模块401。激光二极管的第一面415通过第一焊料402固定到吸热器407的内侧面403上。激光二极管的第二面416通过第二焊料404固定到盖子408的内侧面405上。激光二极管夹在吸热器407和盖子408之间。吸热器的407的底面406连接到蓄热器，并且通过吸热器407的热传导冷却激光二极管。吸热器407和盖子408由塑性变形金属形成。吸热器407的外侧面409、盖子408的外侧面410和盖子408的底面417未安装在固体封装体上。即使当激光二极管模块401由于热膨胀而弯曲时，吸热器407和盖子408的形状跟随这一弯曲。因此，如该出版物中公开的，不会发生变形，并且不会发生结部分冷却性能的下降。激光二极管的泄放面411与吸热器407的顶面413和盖子408的上端414相平。用于在连接并排排列的几个模块时提供焊料的凹槽418形成在吸热器407的上部外侧表面中。

图5示出了日本国家译本出版No.H10-507318中公开的激光二极管模块的结构。在该模块中，激光二极管堆503具有多个激光二极管和消热片，交替地夹着的激光二极管和消热片安装在固定部分501和基底502之间，其中固定部分501还用作上电极而基底502还用作散热器和下电极。簧片504插在激光二极管堆503和固定部分501之间。激光二极管堆503通过簧片504夹在固定部分501和基底502之间。日本国家译本出版No.H10-507318还示出了使用螺钉替换簧片504。通过绝缘片505使上电极和下电极(固定部分501和基底502)绝缘。该模块的特征在于，在激光二极管和消热片之间以及激光二极管堆503和上、下电极之间不使用焊料，并且仅通过簧片504在上、下方向上的按压作用实现二极管堆503与基底502或者固定部分501之间的电接触。Si、SiC或者铜钨用于该消热片，并且所选择的材料具有比激光二极管所包含的GaAs衬底更高的热膨胀系数。由于现有技术领域的结构中不使用焊料，因此便于组装。所说明的示例获得了具有100μs脉冲的激光振荡。

如果激光二极管的平均输出功率小于10W，则日本公开专利出版N0.H10-20953、日本公开专利出版N0.H9-129986、日本公开专利出版N0.H10-41580和日本国家译本出版N0.H10-507318中公开的现有技术不会带来问题。然而，在平均输出功率为20W或者更高的激光二极管的情况中，存在很大的可能性，即输出功率逐渐下降并且电极最终断开连接。特别是在重复具有约几秒钟间隔的激光二极管的振荡光的ON和OFF状态时，功率降低、断开连接和振荡波长变化的可能性增加，由此降低了使用寿命。为了克服这些问题，模块中的激光二极管应在长时间内稳定地冷却。这需要改善下列的与冷却激光二极管相关的三个问题。

(1)连接散热器和激光二极管的焊料层的分解

(2)激光二极管和上电极之间的接触的分解

(3)激光二极管的弯曲和变形

现将详细解释问题1。通常，使用软焊料将激光二极管或者承载衬底(submount substrate)安装到散热器上，其中在承载衬底上安装了激光二极管并且该承载衬底具有与激光二极管的热膨胀系数相同的热膨胀系数。该软焊料连接到散热器和激光二极管或者承载衬底，该软焊料与安装临界面的金属(例如，金)成为合金。使该合金相(alloyedphase)微粒化并且混入非合金软焊料层中。合金相在热膨胀系数上区别于非合金软焊料层。如果激光二极管工作于预定功率时的温度是T1并且激光二极管关闭时的温度是T2，则激光二极管的温度在T1和T2之间的波动是最大的。如果重复温度的上升和下降，则合金相与软焊料相之间的临界面的形变变得更大，在临界面上将产生微裂纹。由于产生裂纹的部分的热阻变得更高，因此在该处温度局部上升。随着温度的上升，加速了软焊料中安装临界面处的金属原子的扩散，由此增加了由于Kirkendall效应而引起的导致空隙的概率，而Kirkendall效应是由合金微粒或者金属扩散的增长而引起的。这些裂纹或者空隙的增加进一步增加了整个焊料层的热阻，由此增加了激光二极管的温度，降低了输出功率，并且改变了振荡波长。最终，在结部分出现大的裂纹。在裂纹和空隙增加时，激光二极管或者其上安装有激光二极管的承载衬底不能通过软焊料层连接到散热器并且部分地剥落。部分剥落增加了剥落部分的温度，由此进一步加速了临近部分的合金化以及金属扩散。这使得该部分剥落更加严重并且升高了芯片的温度，使得软焊料层可能融化并滴落，或者被氧化导致与散热器绝缘。在图3中示出的传统的模块不具有用于抑制软焊料层分解的装置。在图5的现有技术中不使用焊料的模块的情况中，不存在焊接部分的降解，因此问题1不会发生，但是不使用焊接而仅使用按压使得获得散热器和激光二极管之间的低的热阻非常困难，需要低的热阻用以连续地输出具有10W或者更高的平均功率的光。

下面将详细解释问题2。在频繁重复激光二极管的ON-OFF状态时，由于问题1的描述中给出的相同原因，结部分到激光二极管上电极的温度上下波动。激光二极管的上电极的线路通常主要由图2所示的接合线或者接合带制成，或者作为通过焊接或者热压融合的平板电极实现。使用的接合线或者接合带的材料与激光二极管的上电极的材料相同时，由于连接时的自发的熔合凝固的影响，在凝固部分中出现了具有不同晶向的微粒阵列，但是不出现合金。在使用焊料时，与表面金属的合金产生了合金微粒。在连接部分遭受大的形变并且其温度上下波动时，由于热膨胀的各向异性或者热膨胀的差异，在微粒临界面产生了裂纹，最终导致了断开。起源于连接部分的形变的电阻的增加或者增加的裂纹可能在连接部分产生热。如果部分地分开电极，则电流集中在剩余的连接部分。这进一步增加了连接部分上的负载，产生了热，使得电极的整体连接部分的大部分最终被分开。

下面将详细地解释问题3。通过在GaAs衬底上淀积薄膜形成了激光二极管。由于仅在衬底的一面上进行了薄膜淀积，因此该激光二极管在厚度方向上不具有结构对称性。这导致了在厚度方向上的热膨胀系数中的微小差异，因此激光二极管可能弯曲。在图1所示的激光二极管条的情况中，具体地，腔的长宽比大时，激光二极管可能横向(沿该方向其长度较长)弯曲。即使在安装的时候不存在激光二极管的弯曲，在激光输出期间温度也会上升，产生引起较大弯曲的力。结果，激光二极管与散热器或者承载衬底之间的结临界面上产生了裂纹，产生了将加热激光二极管的热不连通部分。这可能会带来问题1和2。在如图4的现有技术的情况中，其中大功率激光二极管夹在塑性变形吸热器和盖子之间并且从吸热器的底部冷却，在允许激光二极管的弯曲时，通过热传导系统的冷却由吸热器冷却20W或者更高的热是极为困难的。如果激光二极管弯曲，则待输出的光的方向改变，增加了应用的问题。

简而言之，在激光二极管模块的平均输出功率变得高时，传统激光二极管模块的结构和模式遭遇了在长的时间段中获得稳定输出的困难。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供能够在长的时间段中稳定地输出激光束的激光二极管模块，以及提供使用该激光二极管模块的激光器设备和激光加工设备。

根据本发明的一个方面的激光二极管模块包括：激光二极管；通过各自的第一焊料层连接到激光二极管的两个电极表面的第一衬底和第二衬底；通过第二焊料层连接到第一衬底的散热器；安置在关于散热器的预定缝隙中的按压电极；和在第二衬底和按压电极之间提供的线圈电极，该线圈电极具有平行于第二衬底的轴，由此按压电极将线圈电极按压到第二衬底上。

例如，在激光二极管模块中，可以在预定缝隙处通过绝缘隔板将按压电极固定到散热器，并且在线圈电极塑性变形时，可以将线圈电极按压到第二衬底上。

优选地，线圈电极应具有涂布于线圈外表面上的金(Au)层。进一步优选的是，第一衬底和第二衬底应完全地连接到激光二极管的整个电极表面上。

包含选自Au、Ag、Al、Si和Ge的组中的主要元素的硬焊料用于第一焊料层，包含选自Pb、Sn、In、Sb和Bi的组中的主要元素的软焊料用于第二焊料层，并且硬焊料具有比软焊料更高的熔点。

优选地，金(Au)层应涂布在激光二极管关于第一和第二衬底的结表面上，金(Au)层应涂布在第一和第二衬底关于激光二极管的结表面上，并且包含AuSn合金的硬焊料应用于第一焊料层。

例如，在散热器和第一衬底的每个反向表面上形成了第一金属层，并且在第一金属层和第二焊料层的临界面上形成了合金相。

优选地，可以通过这种方法控制合金相与第二焊料层中保持非合金相的比例，即在第二焊料层的顶面上形成合金相之后，第二焊料层具有足够的厚度用以缓解由第一衬底的热膨胀系数和散热器的热膨胀系数之间的差异引起的形变。

例如，在散热器和第一衬底的每个反向表面上形成了金(Au)层，并且In软焊料用于第二焊料层。在这种情况中，例如，在金扩散到In层中时，形成在散热器和第一衬底的反向表面上的每个金(Au)层与第二焊料层的In层之间形成了合金相。优选地，应以这种方式控制合金相与In层中保持非合金相的比例，即在In层的顶面上形成合金相之后，In层具有足够的厚度用以缓解由第一衬底的热膨胀系数和散热器的热膨胀系数之间的差异引起的形变。而且，例如，在GaAs衬底上形成激光二极管，并且使用铜-钨合金形成第一和第二衬底。

根据本发明的另一方面，提供了激光二极管模块阵列，其具有至少两个配置在侧面的上文所述的激光二极管模块，其中按压电极没有位于线圈电极上面的部分连接到相邻的激光二极管模块的散热器上。

根据本发明的激光器设备使用激光二极管模块作为固态激光器晶体的泵浦源。

根据本发明的激光加工设备包括：并入了上文所述的激光二极管模块的激光器设备；用于激发从所述激光器设备产生的光的光纤；用于汇聚从所述光纤输出的光的透镜；和发射在预定位置汇聚的激光束的发射设备。

本发明如下文所述克服了现有技术领域的问题1～3。

(1)连接散热器和激光二极管的焊料层的分解

由于在连接时临界面处的金属和软焊料的合金而形成的微粒，在随后的激光二极管发射过程中产生了裂纹和空隙。然而，抑止了裂纹和空隙的产生以保持塑性，用于缓解散热器和激光二极管之间的热膨胀系数的差异，其扮演了软焊料的角色，由此防止了软焊料的热阻变得更高。

(2)激光二极管和上电极之间的接触的分解

通过使用接触型线圈电极作为上电极，缓解了激光二极管的夹层组件和电极临界面的形变。

(3)激光二极管的弯曲和变形

通过夹住具有与激光二极管的热膨胀系数几乎相同的热膨胀系数的两个衬底之间的激光二极管的顶面和底面，抑制了激光二极管的弯曲和变形。

由于克服问题1、2和3所带来的效应具有相互关系，因此下文将相互关联地讨论这些效应。

为了抑制问题1中陈述的连接散热器和激光二极管的焊料层的分解，并且为了维持缓解热膨胀差异的层的功能，第一种方法是降低安装时结表面处金属和软焊料的合金比。可以通过在安装后的长时间段内保持未合金的软焊料部分来维持压力缓解层的功能。该合金比允许由安装前的散热器上的软焊料层的厚度来控制激光二极管。通过待接触的顶表面的金属的类型，确定了熔合时刻的安装温度和安装条件，并且通过被采用作为参数的安装前的软焊料层的厚度，可以通过检验软焊料层的厚度和图6所示的模块的失效几率来定义软焊料层的所需厚度。

第二种方法是抑制软焊料层中产生的合金微粒的增长和微粒的新的产生，并且抑制在激光二极管的光输出过程中裂纹和空隙的产生。为了实现该方法，有必要抑制软焊料层中微裂纹和空隙的产生或者在产生时抑制微裂纹和空隙的增长。可以通过将激光二极管的安装表面按压到散热器上来维持焊料层的热阻。如果产生了微裂纹和空隙，则软焊料进入空位，抑制了热阻的上升，由此抑制了微粒、裂纹和空隙的增长，导致维持稳定的结临界面。由于在整个安装表面上使得按压力是均匀的，所以可以使得表面上对降解的抑制是均匀的。

为了克服问题1，如上文所讨论的，重要的是通过均匀的力将激光二极管按压到散热器上来抑制软焊料层的降解。然而，如果激光二极管直接通过软焊料层按压到散热器上，则将打碎激光二极管。而且，均匀地按压激光二极管的完整表面是困难的。然而，如果在激光二极管的顶面和底面上提供了优于激光二极管的可以耐受按压力的承载衬底，则可以保护激光二极管。所选择的承载衬底应具有与激光二极管的热膨胀系数几乎相同的热膨胀系数。

所使用的承载衬底的尺寸应具有与激光二极管的尺寸几乎相同的或者比之大的尺寸，并且在夹层结构中使用硬焊料，将激光二极管的上电极和下电极的整个表面连接到承载衬底。应以这种方式进行夹层操作，即产生自激光二极管的光不会击打在承载衬底上。从在热膨胀时提供良好的对称性的观点来看，理想的是，上承载衬底和下承载衬底具有相同的尺寸。承载衬底应具有足够的厚度使得在力作用下不会变形，温度变化将通过该力致使激光二极管弯曲。通过该结构，即使在激光二极管发射光并且热膨胀时，承载衬底类似地热膨胀，在结临界面上几乎不引发形变，由此抑制了激光二极管的弯曲。这克服了问题3。激光二极管产生的热发散到上承载衬底和下承载衬底时，温度均匀性变得更好并且振荡波长具有良好的稳定性。具有该结构的夹层组件即使在有外部应力作用时也不会变形。

夹层组件通过软焊料安装在散热器上。随后，使用通过将金属线以螺旋的形式卷绕而获得的线圈，用以通过均匀的力将夹层组件的散热器侧的完整表面垂直按压到散热器的表面上。如果将线圈电极的长度设为与夹层组件在纵向上的长度相等并且沿夹层组件的近似的纵向中心线将夹层组件垂直按压到散热器上，则使夹层组件均匀地按压到安装表面上成为可能。

由于下述原因，作为上电极的线圈的使用克服了问题2或者激光二极管和上电极之间的接触的分解。线圈电极在半径方向上具有足够的弹性。在软焊料层中的合金过程进行时，改变了软焊料部分的平均密度并且使软焊料层稍微变薄，如果具有足够大的弹性导致可能的厚度变化，则线圈电极可以保持将夹层组件按压到散热器上。即使在夹层组件或者软焊料层由于热膨胀等而变得更厚时，线圈的卷绕直径会变化，由此不会施加大于需要的按压力。按压力的极限位于线圈电极的塑性极限(不能恢复变形形状的力)内。通过使用可以耐受线圈塑性极限的承载衬底，在线圈的按压力下夹层组件不会变形。

可以通过改变材料、导线的直径和卷绕半径等等来调节线圈的弹性。为了保持使得用于激光二极管发射的所需电流流动的线圈的接触面积，控制用于线圈的金属线的厚度用以保证夹层组件和按压电极之间的接触面积。线圈、线圈接触的承载衬底、以及线圈按压电极仅仅相互接触，而非熔合。即使在打开或关闭激光二极管、增高或降低温度时，源于形变压力的积蓄的结部分既不降解也不断开。使用诸如铜的金属制备线圈按压电极并且置于刚性结构中。

在使用线圈电极的激光二极管的情况中，即使在激光二极管由于激光二极管上的问题或者焊料层上的问题而不正常地产生热，导致了激光二极管的失效或者软焊料的熔化时，不存在电流不流动的可能性。由于在本发明应用于具有侧面排列的激光二极管模块的模块阵列时该现象是非常显著的，因此关于该现象的原因将在下文中给出。通常，在模块阵列中的单一的激光二极管模块具有故障并且部分电路变为开路时，模块阵列中的所有激光二极管的振荡停止。然而，在使用线圈电极时，通常通过相关的承载衬底将激光二极管按压到散热器或者下电极上，电路不会变为开路。结果，即使一个模块有问题，其他的模块也会保持发射光。因此，使用本发明的激光二极管模块阵列的激光器设备和激光加工设备的运转不会由于模块电极的断开而突然停止，这些设备获得了高度的可靠性。由于线圈电极既没有熔合到夹层组件也没有熔合到按压电极，因此替换单一的失效模块是容易的，由此该激光器设备和激光加工设备具有高度的可维护性。由于线圈的按压电极用作同相邻模块的电气连接，因此用于电极之间绝缘的隔板变得没有必要。这导致了零件成本和组装成本的减少。

本发明中的“硬焊料”定义为包含选自Au、Ag、Al、Si和Ge的组中的主要元素的焊料，而本发明中的“软焊料”定义为包含选自Pb、Sn、In、Sb和Bi的组中的主要元素的焊料。在本发明中，所使用的硬焊料的熔点应高于软焊料的熔点。

该激光二极管的第一效果在于，可以抑制用于冷却大功率二极管条的散热器的结表面区域中依赖于时间的热阻变化。具体地，即使将本发明应用于频繁改变激光二极管的ON-OFF状态和激光二极管的温度剧烈地上升和下降的领域中时，可以在长的时间段内抑制结临界面处的热阻的改变。这可以确保稳定的激光发射。而且，可以在长的时间段内维持高的电-光转换效率。这可以延长激光二极管的使用寿命。

第二效果在于，线圈电极不会熔合到任何激光二极管、承载衬底和按压电极，由此可以在低成本下轻易组装激光二极管模块。

第三效果涉及具有侧面排列的模块的模块阵列，并且在于，由于线圈按压电极还用作同相邻模块的电气连接并且仅连接到线圈电极和相邻的散热器，因此不需要用于组装模块的绝缘材料，显著地减少了元件的数目并且因此实现了激光二极管模块阵列的低成本和高性能。

第四效果在于，在模块串联互连的情况中，即使阵列中一个模块中的激光二极管失效，电路也不会变为开路，由此并入了本模块的激光器设备和激光加工设备免于开路失效的影响。这可以提供在长时间段内具有优秀的可靠性并且具有低运行成本的激光器设备和激光加工设备。

附图说明

图1是示出了传统的激光二极管条的透视图；

图2是示出了传统的垂直堆叠的激光二极管模块的透视图，其中接合线用作上电极；

图3是示出了传统的激光二极管模块的前视图，其中通过第一焊料连接到两个端板的激光二极管通过第二焊料连接到冷却部件；

图4是示出了传统的激光二极管模块的平面图，该模块由塑性变形吸热器和盖子夹住；

图5是示出了传统的激光二极管模块的平面图，其中在不使用焊料的情况下交替堆叠的激光二极管堆和消热片通过紧固到固定部分的簧片按压到基底上；

图6是示出了使用铟作为第二焊料来进行运转测试时，铟层厚度和失效概率之间关系的曲线图；

图7是示出了根据本发明的第一实施例的激光二极管模块的前视图；

图8是示出了激光二极管模块中使用的线圈电极的透视图；

图9是示出了激光二极管模块中使用的线圈电极的可改变的范围的示例图；

图10是说明了通过激光二极管模块中的第一焊料层形成夹层组件的方法的示图，其中夹层组件具有连接到两个承载衬底的激光二极管；

图11是说明了使用第二焊料层将图10所示的夹层组件安装到散热器的方法的示图；

图12是示出了在通过第二焊料层安装到散热器之前的承载衬底状态以及承载衬底安装状态的剖面图；

图13是示出了根据本发明的第二实施例的激光二极管模块的透视图；

图14是示出了激光二极管模块中使用的拨出状态下的桥式按压电极的透视图；

图15是沿图13中A-A’线的剖视图；

图16是示出了从输出光的侧面看到的运行了评估之后的激光二极管模块状态的示图，该模块具有通过传统的使用接合线的方法形成的上电极；

图17是示出了在电流流入本发明的激光二极管模块和使用接合线的传统的激光二极管模块时的、电流和光学输出之间关系的曲线图；

图18是示出了本发明的激光二极管模块的输出中和传统的激光二极管模块的输出中依赖于时间的变化的曲线图；

图19是图16所示的传统的模块的分开部分下面的软焊料区域的剖面图；

图20是示出了具有五个根据本发明第二实施例的激光二极管模块的激光二极管模块阵列的透视图；

图21是示出了在有意地使阵列中的激光二极管失效时的、本发明的激光二极管模块阵列的输出中依赖于时间的变化的示图；

图22是激光器设备的示例图，其中本发明的激光二极管模块用作泵浦光源；和

图23是激光焊接设备的示例图，该激光焊接设备使用了从激光器设备输出的激光束，该激光器设备具有用作泵浦光源的本发明的激光二极管模块。

具体实施方式

通过参考附图，下文将详细描述本发明的优选实施例。图7是示出了根据本发明的第一实施例的激光二极管模块的示例图。激光二极管601的上电极和下电极通过硬焊料603连接到承载衬底602。该夹层组件604通过软焊料606连接到散热器。通过这样一种方式调节结临界面处的金属与软焊料合金相的比例，即可以通过在连接之前控制软焊料层606的厚度来缓解连接之后的夹层组件604和散热器605之间的热膨胀差异。通过紧密卷绕金属线形成的线圈电极607用作上电极。线圈的位置固定在按压电极608的V形部分。线圈电极607和夹层组件604固定在散热器605和按压电极608之间。通过绝缘隔板609实现散热器605和按压电极608之间的绝缘。通过绝缘隔板609的厚度将按压在线圈电极607上的按压电极608的力调节至不会使线圈电极607变形的范围中。通过固定螺丝钉610固定散热器605和按压电极608。用于电流流动的端线611连接到散热器605和按压电极608。

图8示出了作为线圈电极607示例的圆柱形的金属线绕组。理想的是，线圈的表面应涂布有金层。如图9所示，线圈电极607的线圈直径802和线圈电极607变形并开始塑性形变时的直径803之间的活动范围804是线圈电极607可以弹性变形的范围。通过在活动范围804中按压线圈电极607，在该范围中线圈电极607在线圈的半径方向呈现出弹性，释放压力可以使得线圈电极607恢复初始的直径802。依据上文按压电极608以这样一种方式按压图7中的模块使之变形，即线圈直径的变化位于活动范围804内。线圈电极607具有与激光二极管的纵向尺寸近似相同的长度。

下文描述了制造根据图7中示出的第一实施例的激光二极管模块的方法。首先，例如金的金属层淀积在激光二极管的上电极和下电极上。承载衬底602由例如铜钨的材料制成，该承载衬底602具有同使用GaAs衬底制造的激光二极管的热膨胀系数(5.6～6.2ppm/K)几乎相同的热膨胀系数，并且将其加工为具有同激光二极管的上电极或者下电极面积相等或者比之大的面积。例如金的金属层还淀积在承载衬底602的顶表面上。用于安装激光二极管的包含例如金锡的硬焊料603淀积在承载衬底602的一面上。

如图10所示，激光二极管601的顶面和底面由这些淀积了硬焊料603的承载衬底602的面夹住，并且将激光二极管601的顶面和底面加热到硬焊料603的熔点，由此产生了由承载衬底602夹住的激光二极管的夹层组件604。

下一步，如图11所示夹层组件604连接到散热器605。水冷型散热器，其主要包含例如铜并且具有内部形成的水通道，可以用作散热器605。例如金层淀积在散热器605的顶表面上。如图11所示，在安装夹层组件604之前，例如作为软焊料606的In层淀积在散热器605的安装夹层组件604的那一面上。然后，加热散热器605使In层熔化用以将夹层组件604同散热器605接合起来。

图12是连接前后In焊料层的临界面的放大视图。包括图10所示的两个承载衬底602和激光二极管条601的夹层组件604，在散热器605的顶表面处以这样一种方式安装到淀积在金属1402上的软焊料606上，即提供在夹层组件604的下结表面处的承载衬底表层金属1405固定在承载衬底602和软焊料606之间。软焊料606的温度上升到熔点时，首先，表面金属1402和1405扩散到待合金的软焊料606中，形成了合金区域1406。然后，软焊料606熔化并且维持该温度。因此，合金微粒分散在整个焊料层中，并且在焊料层凝固之后，在整个焊料层上形成了其中分布了合金微粒的区域1407。

下一步，如图7所示，线圈电极607安置在夹层部分604的顶部并且绝缘隔片609安置在散热器605上。通过按压电极608按压线圈电极607，该按压电极608具有淀积在由例如铜形成的表面上的金，并且按压电极608通过具有绝缘固定螺钉610的隔片固定到散热器605，由此完成了本实施例的模块。

现将描述本发明的第二实施例。

图13是示出了激光二极管模块阵列的透视图，该激光二极管模块阵列具有排列在侧面的根据本发明的第二实施例的激光二极管模块。图14是示出了拨出状态下的图13的桥式按压电极901的透视图。图15是示出了沿线A-A’得到的图13中的激光二极管模块阵列的剖视图。用于按压激光二极管905的夹层组件906的桥式按压电极901仅连接到相邻模块的散热器902上，并且通过固定螺钉907固定，其中激光二极管905通过固定的上线圈电极903固定在承载衬底904之间。图13中的最右面的桥式按压电极901固定到固定台908并且连接到端线909。每个模块不需要用于在上下电极之间绝缘的材料。通过调节桥式按压电极901的散热器接触区域的高度1002，可以调节按压线圈电极的力。接触一个散热器的另一桥式按压电极901接触线圈电极903和散热器902，并且接触散热器902的桥式按压电极901通过固定螺钉907固定到散热器902。从散热器902提供的电流经由软焊料606(参见图12)流入夹层组件906中的激光二极管905。桥式按压电极901中的线圈电极903的上部分连接到相邻的散热器902。

图13所示的模块阵列，与图10和16中示出的那些模块相似，在制备了激光二极管的夹层组件之后安装在散热器上。然后，将线圈弹簧安置在夹层组件上之后，通过刚性桥式按压电极901按压线圈弹簧，通过固定螺钉907固定该刚性桥式按压电极901，由此制造了模块阵列。用于固定桥式按压电极901的固定螺钉907不需要绝缘并且可以通过普通的螺钉固定在散热器902上。

承载衬底可以由铜钨之外的材料制成，诸如铜钼、钼等等，这些材料的热膨胀系数与GaAs衬底的热膨胀系数(5.6～6.2ppm/K)相匹配(20％的误差范围内)，并且这些材料具有低的电阻和高的热导。

除了金锡合金之外，主要包含Au、Ag、Al、Si和Ge的焊料可以用作硬焊料。除了In之外，主要包含Pb、Sn、In、Sb和Bi的焊料可以用作软焊料。基本上，硬焊料应具有比软焊料高的熔点。焊料层表示了两个临界面之间的区域，通过焊料连接了两种材料，并且焊料层包括其中混合了合金相微粒的区域，通过表面金属的扩散产生了该合金相。当夹层组件安装到使用In作为焊料层的散热器时，焊料层发生如下的变化。首先，在安装前，焊料层是仅由In形成的层。在安装的初始阶段，在结临界面附近形成了其中混入了合金微粒(晶体微粒)的层，在In不与表面金属中的金发生反应的相下通过In和金的反应产生了该合金微粒，由此形成了三层结构，其在中心具有仅由In构成的层。经过预定的时间，该焊料层变为这样的层，其中合金晶体微粒混入到完全的In相中。

除了具有内部形成的水通道的水冷型散热器，使用珀耳帖效应设备的散热器、热导管散热器、热导型散热器等等可以用作散热器。

主要包含铜并且紧密卷绕的电阻线适用于线圈电极的电阻线。该电阻线仅具有半径方向上的弹性，其等于或者大于最大变化量，该最大变化量至少是起源于软焊料层的分解的厚度变化和起源于夹层组件的热膨胀等等的厚度改变的总和。如果能够保证使预定电流流动的接触，则不需要紧密卷绕该线圈。需要在线圈绕组的顶表面上涂布金层时，可以使用在空气中不易腐蚀的金属层替换金层。

按压电极608具有作为按压线圈电极607的部分的V形凹槽。除了V形凹槽外，按压部分还可以采用不同的形状，诸如半圆形凹槽或者梯形凹槽。尽管在前文的描述中将激光二极管条解释为模块的主要应用，但是该模块对于具有单一的光发射区域的激光二极管仍然有效。

除了抗腐蚀的金，诸如镍的抗腐蚀材料的金属层可以用于承载衬底的顶表面、散热器、线圈电极和按压电极。如果使用镍，镍难于同焊料形成合金，因此带来了粘合的问题。然而，线圈电极按压临界面时，即使化学粘合微弱，也可以维持物理粘合，由此可以维持临界面处的热阻。

示例1

为了展示本发明的效果，将讨论处于本发明范围之内的示例的特征和在本发明的范围外的比较示例的特征。制备了宽10mm、腔长1.2mm、厚100μm并且能够提供50W输出的激光二极管阵列条，并且制备了由CuW形成的、宽10mm、长1.2mm、厚0.15mm的承载衬底。在激光二极管的上下电极的最上面的表面上形成了1μm厚的金层。金在两个承载衬底的最上面表面都是1μm厚，并且在其他面上淀积了2μm厚的金锡焊料。在两个承载衬底以这样一种方式夹住激光二极管条之后，即激光二极管条的光发射面与承载衬底相匹配，其中承载衬底具有面对激光二极管条的顶面和底面的金锡软焊料面，将温度升高至金锡焊料的熔点温度用以将激光二极管连接到承载衬底，产生了夹层组件，其中激光二极管由承载衬底夹住。所使用的散热器是水冷型散热器，其具有铜的基础材料，具有内部形成的水通道，并且具有25mm的纵向尺寸、12mm的横向尺寸和2.0mm的厚度。在散热器的最上面的表面上形成了1μm厚的金层。制备了在10×1.2mm面积上作为软焊料的从1μm到10μm以1μm为间隔的气相淀积的In层，该In层具有与承载衬底的面积相同的面积。在夹层组件安置在气相淀积表面上之后，散热器的温度升高至In熔化的温度，在该温度保持预定的时间，并且然后使之冷却用以将夹层组件连接到散热器。线圈电极安置在夹层组件的顶部，该夹层组件安装在散热器上，其中通过紧密卷绕外部直径1.5mm、厚度0.2mm的铜线获得了10mm长的线圈，通过在该线圈的表面上镀金提供了线圈电极，并且根据上文，通过由铜形成的具有镀金表面的按压电极来按压该线圈电极，并且该线圈电极通过陶瓷螺钉经由铝镍的绝缘隔片固定到散热器。使直径不会塑性变形的线圈电极的变化范围是30μm，通过这样一种方式调节隔片的厚度，即将线圈的直径压扁约20μm。对使用这种方式制备的激光二极管进行了寿命测试。在测试条件下检验了In焊料层的厚度和模块失效的几率，其中测试条件是，在以0.5秒的时间间隔打开和关闭输出50W的连续光的模块的时候使模块运行3000小时。

在图6中示出了测试结果。图6是示出了取在横轴上的铟层厚度和取在纵轴上的失效概率之间关系的曲线图。“失效”表示相对于初始的输出，输出下降20％或者更多的情况，或者表示电极的至少一部分断开连接的情况。当1μm厚的金层淀积在散热器和将与In接触的承载衬底的顶表面上时，通过淀积5μm厚度或者更厚的In焊料层来形成夹层组件，失效概率可以减小到0.1％或者更小，这是用于商业化的目标。该结果示出了，通过上文描述的模块的结构和安装条件，所需用于In焊料层的In层的厚度为5μm或者更多，该In焊料层用以缓解由于铜钨承载衬底和铜散热器之间的热膨胀系数的差异而引起的形变。

相互比较第一衬底的模块(示例1)和传统的模块(比较例)的输出特征。所使用的传统模块中，激光二极管条通过硬焊料安装到铜钨承载衬底上，通过软焊料安装到散热器上，并且使用普通的接合线形成上电极。

图17示出了比较两个模块输出中的变化的结果，通过使电流流入模块来观察这些输出中的变化。在图17中，横轴示出了电流(A)而纵轴示出了输出(W)。使用线圈电极的模块呈现出约10％的输出增加。这是由于根据上文通过线圈电极按压激光二极管条，因此软焊料层的热阻变得低于使用接合线电极的情况中的热阻。

图18示出了10,000小时的输出变化的测量结果，其中通过使约60A的电流流入模块，在以1秒的时间间隔重复打开和关闭这两个模块的情况下进行测量。在图18中，横轴示出了时间(小时)，而纵轴示出了输出(W)。根据本发明的示例的模块呈现了经过10,000小时后的10％的输出下降比，而传统的模块呈现了输出的逐步下降并且经过1,000小时后具有几个断开的连线，导致了突然的输出下降，因此中断了此后的评估。

对失效的传统模块的观察呈现出图16所示的情况，激光二极管条1801的末端部分弯曲，使得在接合线1807中发生连接断开并且使下面的安装临界面同硬焊料层1803分开。观察了分开部分1802下面的散热器1804和承载衬底1805之间的临界面上的软焊料层1806。

图19中的剖面图示出了观察结果。显而易见的是，在In焊料层1901中产生了裂纹1902、空隙1903和间隙1904。生长的Au-In合金微粒1905多于刚刚安装后的微粒。作为对比，即使在10,000小时之后，本发明模块的模块的In焊料层不具有大的裂纹和空隙，并且在金铟中有微小的状态变化。

示例2

使用了与示例1的部件相似的部件，厚度为1μm的镍层仅淀积在散热器的顶表面上，并且按照示例1，在In层的厚度从1μm到10μm变化时进行激光二极管的寿命测试。通过进行如图6所说明的相同的实验，在In层的厚度为30μm或者更多时，失效概率变为0.1％或者更低。这是由于，在使用镍时，呈现出与In的缓慢的合金过程，因此相比于金的使用，提供了与较薄的In焊料之间的可靠性。通过进行如图12所说明的相同的实验，在64A的电流流入模块并且结部分的热阻大于使用金的情况中的热阻的时候，获得了50W的输出。然而，如同金层的情况，在10,000小时后出现约10％的输出下降比，明显地不会带来实际问题。

示例3

图20是示出了根据本发明的示例3的激光二极管模块阵列的透视图。该激光二极管模块阵列具有五个在侧面排列的在示例1中制备的激光二极管模块。由安装在散热器2001上的激光二极管条和承载衬底形成的夹层组件2002，和使用的线圈电极与示例1中的相同，并且夹层组件2002通过相同的软焊料安装到散热器2001上。制备了由绝缘体形成的用以使水流入五个散热器2001的固定器2004，并且将独立的散热器固定在固定器2004的预定位置。然后，展开如图20所示的桥式按压电极2005。所使用的四个桥式按压电极具有相同的形状，左端是用于将散热器连接电极接线端2007的桥式按压电极2006，而右端是能够在散热器的背面以不接触散热器的方式桥接电极接线端2007的桥式按压电极。从形成在固定器2004的侧面的冷却剂注入口向每个散热器提供水。通过由绝缘体形成的按压板2009覆盖完整的模块阵列用以防止电极暴露并且用以均匀地按压线圈电极，并且通过将固定螺钉2010插入到形成在电极上的螺钉孔，将该模块阵列固定在固定器2004上。在模块阵列上进行的长期的运转实验的结果呈现出在10,000小时之后示例3具有10％以内的输出变化，其中模块阵列具有250W的总输出或者每个示例1的模块具有50W的输出。

图21示出了进行的实验的结果，该实验是，有意地加热单一的激光二极管模块用以使该激光二极管模块在具有250W输出的运转开始的500小时后失效。一个激光二极管呈现出有源层的温度上升和漏电流路径的形成，并且该激光二极管停止发射光，但是电极没有被短接并且电流保持流动。因此，电流在阵列中其他激光二极管中保持流动时，振荡持续并且获得了约200W的输出。在实验开始2,000小时后有意地使另一激光二极管模块失效，导致输出下降到约140W。然而，确认了其他三个模块提供稳定的输出直到4,000小时，如图21所示。随后，在替换了安装到每个模块的散热器上的夹层组件之后使两个失效的激光二极管模块重新输出光，导致了激光输出恢复到240W。由于除了散热器和夹层组件，该模块没有焊接到其他部分，因此可以在10分钟的替换时间内容易地将其替换。

示例4

图22是根据本发明的示例4的激光器设备的透视图。该激光器设备使用两组在示例3中制备的具有250W输出的5模块的激光二极管模块阵列2201。通过在散热器中流动的水的温度，将激光二极管模块阵列2201产生的光的波长调节到808nm，这是钕的吸收波长。通过模块2201从激光棒2202的两侧输出激光束来激发具有5mm直径和10cm长度并且掺杂了1％的钕的Nd:YAG激光棒2202。以这样一种方式将模块2201安置在激光棒2202的附近，即完整的激发的光照射在激光棒2202上。808nm的光由Nd:YAG激光棒2202中的Nd吸收，具有1064nm波长的光在输出镜2003和后镜2004之间谐振，由此从激光棒2202产生了300W的输出光2205。在以0.5秒的时间间隔打开和关闭激光二极管模块2201的YAG激光输出时，进行长期的运转测试。YAG激光输出持续了10,000小时，并且在10,000小时后输出为270W，具有10％或者更低的输出下降比。由于该水平的输出下降可以通过增加流入激光二极管的电流的值进行恢复，因此在该设备的说明中，该下降不会带来任何问题。在下述激光器设备中进行相同的运转测试，该激光器设备由两组使用接合线或者平板电极用于上电极的250W的传统的5模块阵列激发，导致了大约500小时后激光二极管模块失效并且停止振荡。原因是5模块阵列中的一个激光二极管条中发生的连接中断。

示例5

图23是示出了根据本发明的示例5的激光器设备2301。该激光器设备2301与示例4中制备的设备相同并且包括激光二极管模块阵列2201、Nd:YAG激光棒2202、输出镜2003和后镜2004。从激光器设备2301产生的激光束2302耦合到光纤2303，该光纤2303的末端部分连接到物镜2304。通过一对彼此邻接的厚度为1mm的铁板2305，物镜2304将激光束2302聚焦在邻接面定义的焊接线2306上，并且沿焊接线2306通过激光束2302进行扫描用以焊接两个铁板2305。为了有效地焊接多个位置，重要的是打开和关闭激光束输出。根据示例5的激光二极管模块，即使在重复地打开和关闭时，也可以在长的时间段内稳定地工作，并且单一的激光二极管条出现问题时，激光二极管模块也可以在不断开连接的情况下工作。因此，配备有本示例的模块的激光加工设备可以在长的时间段内进行稳定的焊接。由于传统的大功率激光二极管模块不能在重复打开和关闭时在长的时间段内稳定地工作，因此通过使用物理遮光器来控制配备有使用传统模块的激光器设备的激光加工设备，使之打开和关闭激光器设备产生的光。然而，由于激光束的功率变得更高，因此在遮光器的热阻方面、反射光的影响方面和遮光器的速度方面将会带来问题，并且针对该问题的措施将需要可观的成本。因此，通过遮光器打开和关闭激光束的传统的方法正在接近其适用的极限。

Claims (15)

1.一种激光二极管模块，包括：

激光二极管；

通过各自的第一焊料层连接到所述激光二极管的两个电极表面的第一衬底和第二衬底；

通过第二焊料层连接到所述第一衬底的散热器；

安置在关于所述散热器的预定缝隙中的按压电极；和

在所述第二衬底和所述按压电极之间提供的线圈电极，该线圈电极具有平行于所述第二衬底的轴向，

由此所述按压电极将所述线圈电极按压到所述第二衬底上。

2.根据权利要求1所述的激光二极管模块，其中，在预定缝隙处通过绝缘隔板将所述按压电极固定到所述散热器，并且在所述线圈电极塑性变形时，将所述线圈电极按压到所述第二衬底上。

3.根据权利要求1或者2所述的激光二极管模块，其中，所述线圈电极具有涂布于线圈绕组外表面上的金层。

4.根据权利要求1或者2所述的激光二极管模块，其中，所述第一衬底和所述第二衬底完全地连接到所述激光二极管的所述整个电极表面上。

5.根据权利要求1或者2所述的激光二极管模块，其中，主要包含选自Au、Ag、Al、Si和Ge的组中的元素的硬焊料用于所述第一焊料层，主要包含选自Pb、Sn、In、Sb和Bi的组中的元素的软焊料用于所述第二焊料层，并且所述硬焊料具有比所述软焊料更高的熔点。

6.根据权利要求5所述的激光二极管模块，其中，金层涂布在所述激光二极管关于所述第一和第二衬底的结表面上，金层涂布在所述第一和第二衬底关于所述激光二极管的结表面上，并且包含AuSn合金的硬焊料用于所述第一焊料层。

7.根据权利要求1或者2所述的激光二极管模块，其中，在所述散热器和所述第一衬底的每个反向表面上形成了第一金属层，并且在所述第一金属层和所述第二焊料层之间的临界面上形成了合金相。

8.根据权利要求7所述的激光二极管模块，其中，可以通过这种方法控制所述合金相与所述第二焊料层中保持非合金的相的比例：在所述第二焊料层的顶面上形成所述合金相之后，所述第二焊料层具有足够的厚度用以缓解由所述第一衬底的热膨胀系数和所述散热器的热膨胀系数之间的差异引起的形变。

9.根据权利要求1或者2所述的激光二极管模块，其中，在所述散热器和所述第一衬底的每个反向表面上形成金层，并且In软焊料用于所述第二焊料层。

10.根据权利要求9所述的激光二极管模块，其中，在金扩散到所述In层中时，形成在所述散热器和所述第一衬底的所述反向表面上的每个所述金层与所述第二焊料层的In层之间形成了合金相。

11.根据权利要求10所述的激光二极管模块，其中，应以这种方式控制所述合金相与所述In层中保持非合金的相的比例：在所述In层的顶面上形成所述合金相之后，In层具有足够的厚度用以缓解由所述第一衬底的热膨胀系数和所述散热器的热膨胀系数之间的差异引起的形变。

12.根据权利要求1或者2所述的激光二极管模块，其中，在GaAs衬底上形成所述激光二极管，并且使用铜-钨合金形成所述第一和第二衬底。

13.一种激光二极管模块阵列，其具有至少两个配置在侧面的权利要求1或者2所述的激光二极管模块，其中，所述按压电极没有位于所述线圈电极上面的部分连接到所述相邻的激光二极管模块的散热器上。

14.一种激光器设备，其使用权利要求1或者2所述的激光二极管模块作为固态激光器晶体的泵浦源。

15.一种激光加工设备，包括：

并入了权利要求1或者2所述的激光二极管模块的激光器设备；

用于激发从所述激光器设备产生的光的光纤；

用于汇聚从所述光纤输出的光的透镜；和

发射在预定位置汇聚的激光束的发射系统。

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