CN204243452U - 一种热沉绝缘的传导冷却型高功率半导体激光器 - Google Patents

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刘兴胜
李小宁
刘亚龙
王警卫
张路
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Abstract

本实用新型提出了一种热沉绝缘的传导冷却型高功率半导体激光器，解决了传统C-mount型封装结构的半导体激光器热沉带电导致的安全问题，该技术方案通过在激光芯片和热沉之间增加绝缘结构设计，实现了热沉不带电工作，且绝缘材料选用和激光芯片热膨胀系数匹配的材料，提高了半导体激光器器件的可靠性。

Description

一种热沉绝缘的传导冷却型高功率半导体激光器
技术领域
本实用新型属于半导体激光器技术领域，涉及一种半导体激光器，尤其是一种热沉绝缘的传导冷却型高功率半导体激光器。
背景技术
半导体激光器又称二极管激光器(DL)。高功率半导体激光器不但具有体积小、重量轻、电光转化效率高、可靠性高、使用寿命长等优点，而且由于其采用电驱动，便于在各个平台上使用，因此高功率半导体激光器展示出了更为广阔的应用，如在激光通信、医疗和美容、科学研究、和激光娱乐显示等方面。很多应用中要求半导体激光器具有长寿命、高稳定性、高可靠性的特点。
目前半导体激光器所面临的主要问题仍然是激光器的输出光功率和转换效率偏低，性能稳定性差及成本高，这些不足制约了半导体激光器的应用空间。激光器的性能除了与芯片有关外，与半导体激光器的封装结构有关。
传统C-mount型封装结构的半导体激光器如图1所示，其将激光芯片直接焊接在热沉上，使得热沉带电，使用中存在带电的安全问题，在后期使用中还需进行绝缘处理。
发明内容
本实用新型的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种热沉绝缘的传导冷却型高功率半导体激光器，以解决现有技术中传导冷却型高功率半导体激光器的热沉带电的问题，尤其是解决C-mount型封装结构的半导体激光器热沉带电的问题。
本实用新型的目的是通过以下技术方案来解决的：
一种热沉绝缘的传导冷却型高功率半导体激光器，包括热沉、激光芯片、正极连接片、负极连接片、绝缘板A、绝缘板B、绝缘垫层，其特殊之处在于：绝缘板A、绝缘板B和绝缘垫层分别设置在热沉的一个侧面上，绝缘板A、绝缘板B分别设置在热沉侧面的两端位置，绝缘垫层设置在绝缘板A和绝缘板B相对应的中间位置；绝缘板A、绝缘板B和绝缘垫层三者本体为绝缘材料；所述的正极连接片设置在绝缘板A上，所述的负极连接片设置在绝缘板B上；所述的绝缘垫层表面镀有导电金属层；所述的绝缘垫层中与热沉接触面的相对表面上设置芯片设置区和电极连接区，所述的电极连接区与芯片设置区之间绝缘未设置导电金属层，激光芯片设置在芯片设置区，芯片设置区通过金属导线与正极连接片进行连接，电极连接区的一端通过金属导线与激光芯片负极进行连接，另一端通过金属导线与负极连接片进行连接。
激光芯片设置在芯片设置区，可以是通过焊料金属键合在芯片设置区。
所述的正极连接片设置在绝缘板A上，正极连接片可以通过焊料层键合在绝缘板A上，所述的负极连接片设置在绝缘板Ｂ上，负极连接片可以通过焊料层键合在绝缘板B上，。
传导冷却型高功率半导体激光器，另一种技术方案，包括热沉、激光芯片、正极连接片、负极连接片、绝缘垫层，其特殊之处在于：绝缘垫层设置在热沉的一个侧面上，表面镀有导电金属层，所述的绝缘垫层中与热沉接触面的相对表面上设置芯片设置区和电极连接区，所述的电极连接区与芯片设置区之间绝缘未设置导电金属层，所述激光芯片设置在芯片设置区的一端，所述的正极连接片设置在芯片设置区的另一端，所述的负极连接片设置在电极连接区的一端，电极连接区的另一端通过金属导线与激光芯片的负极进行连接。
所述的绝缘板A的材料为陶瓷材料，可以是氧化铍、氧化铝、氮化铝或者金刚石；绝缘板B的材料为陶瓷材料可以是氧化铍、氧化铝、氮化铝或者金刚石；所述的绝缘垫层的材料为陶瓷材料可以是氧化铍、氧化铝、氮化铝或者金刚石；所述的导电金属层为金层；所述的金属导线为金线。
所述的热沉的材料为高导热率的材料，可以是金属，可以为铜、铜钨或者铜-金刚石复合材料。
所述的激光芯片为单发光单元芯片或者多发光单元芯片，可以选用半巴条芯片（minbar）。
本实用新型的优点：
（1）本实用新型的高功率半导体激光器热沉（热沉）完全绝缘，在后续使用中不用考虑绝缘的处理。
（2）本实用新型的高功率半导体激光器体积小，成本低。
（3）因在热沉与激光芯片以及热沉与电极连接片之间设置了绝缘材料，而且绝缘材料选用陶瓷，陶瓷与芯片的热膨胀系数匹配，所以在封装时，可以选用硬焊料进行焊接或者金属键合，使得整个器件的可靠性高。
附图说明
 图1为传统方案C-mount型封装半导体激光器结构。
图2为本实用新型第一个实施例结构示意图。
图3为本实用新型第二个实施例结构示意图。
图4为本实用新型第三个实施例。
   符号说明：１为热沉；2为激光芯片；3为正极连接片；4为负极连接片；5为绝缘板A；6为绝缘板B；7为绝缘垫层；8为芯片设置区；9为电极连接区；10为金属导线。
具体实施方式
如图2所示为本实用新型传导冷却型高功率半导体激光器第一个实施例结构示意图，包括热沉1、激光芯片2、正极连接片3、负极连接片4、绝缘板A5、绝缘板B6、绝缘垫层7，缘板A5、绝缘板B6和绝缘垫层7分别设置在热沉1的一个侧面上，绝缘板A5、绝缘板B6分别设置在热沉1侧面的两端位置，绝缘垫层7设置在绝缘板A5和绝缘板B6相对应的中间位置；绝缘板A5、绝缘板B6和绝缘垫层7三者本体为绝缘材料；所述的正极连接片3设置在绝缘板A5上，所述的负极连接片4设置在绝缘板B6上；所述的绝缘垫层7表面镀有导电金属层，所述绝缘垫层7中与热沉1接触面的相对表面上设置芯片设置区8和电极连接区9，所述的电极连接区9与芯片设置区8之间绝缘未设置导电金属层，激光芯片2设置在芯片设置区8上，芯片设置区8通过金属导线与正极连接片3进行连接，电极连接区9的一端通过金属导线10与激光芯片2负极进行连接，另一端通过金属导线10与负极连接片4进行连接。
激光芯片2设置在芯片设置区8，可以是通过焊料金属键合在芯片设置区8上。
所述的正极连接片3设置在绝缘板A5上，正极连接片3可以通过焊料金属键合在绝缘板A5上，所述的负极连接片4设置在绝缘板Ｂ6上，负极连接片4可以通过焊料金属键合在绝缘板B6上。
所述的绝缘板A5的材料为陶瓷材料，可以选用氧化铍、氧化铝、氮化铝或者金刚石；绝缘板B6的材料为陶瓷材料可以是氧化铍、氧化铝、氮化铝或者金刚石；所述的绝缘垫层7的材料为陶瓷材料可以是氧化铍、氧化铝、氮化铝或者金刚石；所述的金属导线10为金线。
所述的激光芯片2为单发光单元芯片或者多发光单元芯片，可以选用半巴条芯片（minbar）。
如图3所示传导冷却型高功率半导体激光器，另一种技术方案，包括热沉1、激光芯片2、正极连接片3、负极连接片4、绝缘垫层7，绝缘垫层7设置在热沉1的一个侧面上，表面镀有导电金属层，所述的绝缘垫层7中与热沉1接触面的相对表面上设置芯片设置区8和电极连接区9，所述的电极连接区9与芯片设置区8之间绝缘未设置导电金属层，所述激光芯片2设置在芯片设置区8的一端，所述的正极连接片3设置在芯片设置区8的另一端，所述的负极连接片4设置在电极连接区9的一端，电极连接区9的另一端通过金属导线10与激光芯片2的负极进行连接。
所述的绝缘板A的材料为陶瓷材料，可以是氧化铍、氧化铝、氮化铝或者金刚石；绝缘板B的材料为陶瓷材料可以是氧化铍、氧化铝、氮化铝或者金刚石；所述的绝缘垫层的材料为陶瓷材料可以是氧化铍、氧化铝、氮化铝或者金刚石；所述的导电金属层为金层；所述的金属导线为金线。
如图4所示为本实用新型传导冷却型高功率半导体激光器与图2结构相似，包括热沉1、激光芯片2、正极连接片3、负极连接片4、绝缘板A5、绝缘板B6、绝缘垫层7，缘板A5、绝缘板B6和绝缘垫层7分别设置在热沉1的一个侧面上，绝缘板A5、绝缘板B6分别设置在热沉1侧面的两端位置，绝缘垫层7设置在绝缘板A5和绝缘板B6相对应的中间位置；绝缘板A5、绝缘板B6和绝缘垫层7三者本体为绝缘材料，选用氮化铝陶瓷；所述的正极连接片3设置在绝缘板A5上，所述的负极连接片4设置在绝缘板B6上；所述的绝缘垫层7表面镀有导电金属层，所述绝缘垫层7中与热沉1接触面的相对表面上设置芯片设置区8和电极连接区9，所述的电极连接区9与芯片设置区8之间绝缘未设置导电金属层，激光芯片2设置在芯片设置区8上，芯片设置区8通过金属导线与正极连接片3进行连接，电极连接区9的一端通过金属导线10与激光芯片2负极进行连接，另一端通过金属导线10与负极连接片4进行连接。
激光芯片2设置在芯片设置区8，可以是通过焊料金属键合在芯片设置区8上。
所述的正极连接片3设置在绝缘板A5上，正极连接片3可以通过焊料金属键合在绝缘板A5上，所述的负极连接片4设置在绝缘板Ｂ6上，负极连接片4可以通过焊料金属键合在绝缘板B6上。
金属导线10选用金线。
所述的激光芯片2为单发光单元芯片。

Claims (8)

1.一种热沉绝缘的传导冷却型高功率半导体激光器，包括热沉、激光芯片、正极连接片、负极连接片、绝缘板A、绝缘板B、绝缘垫层，其特征在于：绝缘板A、绝缘板B和绝缘垫层分别设置在热沉的一个侧面上，绝缘板A、绝缘板B分别设置在热沉侧面的两端位置，所述的绝缘垫层设置在绝缘板A和绝缘板B相对应的中间位置；绝缘板A、绝缘板B和绝缘垫层三者本体为绝缘材料；所述的正极连接片设置在绝缘板A上，所述的负极连接片设置在绝缘板B上；所述的绝缘垫层表面镀有导电金属层；所述的绝缘垫层中与热沉接触面的相对表面上设置芯片设置区和电极连接区，所述的电极连接区与芯片设置区之间绝缘未设置导电金属层，激光芯片设置在芯片设置区，芯片设置区通过金属导线与正极连接片进行连接，电极连接区的一端通过金属导线与激光芯片负极进行连接，另一端通过金属导线与负极连接片进行连接。
2. 一种热沉绝缘的传导冷却型高功率半导体激光器，包括热沉、激光芯片、正极连接片、负极连接片、绝缘垫层，其特征在于：绝缘垫层设置在热沉的一个侧面上，表面镀有导电金属层，所述的绝缘垫层中与热沉接触面的相对表面上设置芯片设置区和电极连接区，所述的电极连接区与芯片设置区之间绝缘未设置导电金属层，所述激光芯片设置在芯片设置区的一端，所述的正极连接片设置在芯片设置区的另一端，所述的负极连接片设置在电极连接区的一端，电极连接区的另一端通过金属导线与激光芯片的负极进行连接。
3.  根据权利要求1所述的热沉绝缘的传导冷却型高功率半导体激光器，其特征在于：所述的绝缘板A的材料为氧化铍、氧化铝、氮化铝或者金刚石；绝缘板B的材料为氧化铍、氧化铝、氮化铝或者金刚石；绝缘垫层的材料为氧化铍、氧化铝、氮化铝或者金刚石。
4. 根据权利要求2所述的热沉绝缘的传导冷却型高功率半导体激光器，其特征在于：绝缘垫层的材料为氧化铍、氧化铝、氮化铝或者金刚石。
5.根据权利要求1或2所述的热沉绝缘的传导冷却型高功率半导体激光器，其特征在于：所述的导电金属层为金层。
6.根据权利要求1或2所述的热沉绝缘的传导冷却型高功率半导体激光器，其特征在于：所述的金属导线为金线。
7.根据权利要求1或2所述的热沉绝缘的传导冷却型高功率半导体激光器，其特征在于：所述的热沉的材料为铜、铜钨或者铜-金刚石复合材料。
8.根据权利要求1或2所述的热沉绝缘的传导冷却型高功率半导体激光器，其特征在于：所述的激光芯片为单发光单元激光芯片或多发光单元激光芯片。
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