CN206340826U - 一种机械安装的半导体激光器叠阵 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提出了一种机械安装的半导体激光器叠阵，包括多个设置有安装螺孔的芯片单元，芯片单元之间通过螺栓紧密固定形成电连通的芯片单元组；所述芯片单元包括激光芯片以及与其键合的导电衬底，安装螺孔设置在导电衬底上，导电衬底与螺栓绝缘。本实用新型中相邻芯片单元模块通过螺孔和螺栓方式连接，在使用中以及后期维护中可以对单个芯片单元进行拆装替换，并可组装成任意长度的半导体激光器，具有更高的灵活性。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种半导体激光器，具体为机械安装的半导体激光器叠阵的封装结构。
背景技术
现有的高功率半导体激光器叠阵的封装结构（如图1所示）为多个半导体激光器芯片和多个散热导电衬底键合为一个巴条组后，整体键合在绝缘衬底上，然后再将该模组键合在热沉上；或者激光芯片键合到导电衬底形成一个单元模块，多个单元模块再依次键合到绝缘衬底及热沉上。上述封装结构的半导体激光器叠阵结构中，激光芯片、导电衬底、绝缘衬底与热沉之间均采用相互键合的工艺，需要多次高温回流完成器件间的键合，生产加工精度要求高、合格率低； 此外，最终的叠阵在使用中当一个芯片出现损坏时，由于损坏的芯片难以替换，会导致整个叠阵失效；该结构的半导体激光器后期维护复杂，在长期使用中单个芯片的故障难以单独维修和更换，进而影响整个半导体激光器的可靠性和维护成本。
中国专利CN201410538287.5（一种机械连接传导冷却型半导体激光器叠阵的封装结构）中公开了一种采用机械安装方式实现半导体激光器的叠阵的封装方法，该结构中的安装单元为芯片以及与其焊接的衬底，该结构机械安装方式是通过两端的电极块中的紧固螺钉施加压力，在实际操作中，这种施加压力的方法较难控制，有可能造成对芯片的损伤，导致器件可靠性降低。
实用新型内容
为了解决现有技术的不足，本实用新型提出一种机械安装的半导体激光器叠阵。
本实用新型的技术方案如下：
一种机械连接的半导体激光器叠阵， 包括多个设置有安装螺孔的芯片单元，芯片单元之间通过螺栓紧密固定形成电连通的芯片单元组；所述芯片单元包括激光芯片以及与其键合的导电衬底，安装螺孔设置在导电衬底上，导电衬底与螺栓绝缘。
所述的芯片单元还包括与激光芯片键合的电连接片以及设置于导电衬底和电连接片之间的绝缘缓冲结构，电连接片用于实现激光芯片和相邻的芯片单元的电连接，上述安装螺孔贯通于导电衬底、绝缘缓冲结构以及电连接片。
所述绝缘缓冲结构设置于激光芯片的单侧，或者分为两部分设置于激光芯片的两侧。
本实用新型的机械连接的半导体激光器叠阵还包括基础热沉以及分别设置于前述芯片单元组两端的正极安装块和负极安装块，正极安装块和负极安装块上设置有与芯片单元匹配且贯通的安装螺孔，使得螺栓安装于贯通正极安装块、芯片单元组和负极安装块的安装螺孔内，实现紧密固定和电连接；所述正极安装块和负极安装块还设置有用于与基础热沉连接的安装螺孔，使得前述紧密固定的正极安装块、芯片单元组、负极安装块整体安装于基础热沉上；所述芯片单元的导电衬底与基础热沉之间设置有绝缘层。
所述的导电衬底为铜钨、或者铜、或者石墨金属复合材料。
所述绝缘结构为氮化铝陶瓷。
本实用新型另一种技术方案为：
一种机械安装的半导体激光器叠阵，包括依次排列的多组芯片单元，所述芯片单元为激光芯片和与其键合的导电衬底，其特征在于：还包括机械安装部件，机械安装部件包括两个U型卡箍，且U型卡箍设置有安装螺孔，使得2个U型卡箍通过螺栓紧固后，多组芯片单元在其U型区内在紧固压力下紧密连接。
所述的芯片单元还包括与激光芯片键合的电连接片以及设置于导电衬底和电连接片之间的绝缘缓冲结构，电连接片用于连接激光芯片和相邻的芯片单元。U型卡箍与芯片单元之间设置有绝缘层，用于两者的电绝缘。
所述的芯片单元之间填充有弹性导电导热层。
本实用新型具有以下优点：
1）各芯片单元可以实现独立测试、筛选、老化，提高了产品组装后的合格率；相邻芯片单元模块通过机械方式(螺孔和螺栓方式)连接，在使用中以及后期维护中可以对单个芯片单元进行拆装替换，并可组装成任意长度的半导体激光器，具有更高的灵活性。
2) 本实用新型中机械压力均未直接施压于激光芯片，而是通过绝缘缓冲结构缓冲了激光芯片所承受的压力，有效避免了激光芯片因外部压力导致的损伤和失效，提高的了器件的可靠性。
附图说明
图1为现有的封装形式。
图2为本实用新型的机械安装的半导体激光器叠阵的结构示意图。
图3为本实用新型的实施例一的示意图。
图4a-图4b为本实用新型中另一种芯片单元的结构示意图。
图5为基于图4b芯片单元的半导体激光器叠阵的结构示意图。
图6a-图6b本实用新型的实施例二的示意图。
附图标号说明：1-激光芯片，2-导电衬底，3-基础热沉，4-绝缘层，5- 芯片单元，6-绝缘缓冲结构，7-电连接片，8-螺栓，9-安装螺孔,10-U型卡箍，11-弹性垫片。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本实用新型进行说明。
图2为本实用新型的机械安装的半导体激光器叠阵的结构示意图，包括多个设置有安装螺孔的芯片单元5，芯片单元5之间通过螺栓8紧密固定形成电连通的芯片单元组；所述芯片单元5为激光芯片1以及与其键合的导电衬底2，安装螺孔9设置在导电衬底2上，并且导电衬底2与螺栓8相互绝缘，防止芯片单元之间短路。为了改善相邻芯片单元之间的接触，以实现更好的导热性能和减小激光芯片所承受的压力，可以在芯片单元的激光芯片与相邻的芯片单元之间增加弹性导电导热层，例如碳纳米管薄膜。
图3为本实用新型的实施例一，为了优化激光芯片1所承受的机械压力，在图2结构中优化了芯片单元5的结构，所述的芯片单元5还包括与激光芯片1键合的电连接片7以及设置于导电衬底2和电连接片7之间的绝缘缓冲结构6，电连接片7用于实现激光芯片1和相邻的芯片单元的电连接，上述安装螺孔9贯通于导电衬底2、绝缘缓冲结构6以及电连接片7。
如图3所示，所述绝缘缓冲结构6设置于激光芯片的单侧，或者如图4a所示，绝缘缓冲结构6分为两部分设置于激光芯片的两侧，绝缘缓冲结构的这两种设置方法均使得芯片单元在一个方向上的尺寸尽量与激光芯片的尺寸接近，以实现叠阵尺寸的最小化。图4b为基于图4a实现的一种芯片单元的结构，电连接片7上设置有与导电衬底、2个绝缘缓冲结构6匹配的安装螺孔9。
图5为基于图4b芯片单元所实现的叠阵结构，螺栓8沿图中箭头方向安装与芯片单元的安装螺孔内，实现多组芯片单元之间的相互紧固。
在实际应用中，本实用新型的机械安装的半导体激光器叠阵还可以包括基础热沉以及分别设置于前述芯片单元组两端（具体为沿着芯片单元的堆叠方向设置）的正极安装块和负极安装块，正极安装块和负极安装块上设置有与芯片单元匹配且贯通的安装螺孔，使得通过螺栓实现了正极安装块、负极安装块和芯片单元组的紧密固定和电连接；所述正极安装块和负极安装块还设置有用于与基础热沉连接的安装螺孔B，使得前述紧密固定的正极安装块、芯片单元组、负极安装块整体安装于基础热沉上。所述芯片单元的导电衬底与基础热沉之间设置有绝缘层4，使得热沉不带电工作。
图6a-图6b为本实用新型的机械安装的半导体激光器叠阵的实施例二，该结构同样是基于安装螺孔进行机械安装；上述机械安装的半导体激光器叠阵包括依次排列的多组芯片单元，所述芯片单元为激光芯片和与其键合的导电衬底，此外还包括机械安装部件，所述机械安装部件包括两个U型卡箍10，且U型卡箍设置有安装螺孔，使得2个U型卡箍通过螺栓紧固后，多组芯片单元在其U型区内在紧固压力下紧密连接。
为了增加相邻芯片单元之间的导热性能，以及减小外部机械压力对激光芯片所造成的影响，所述的芯片单元还包括与激光芯片键合的电连接片以及设置于导电衬底和电连接片之间的绝缘缓冲结构6，电连接片用于连接激光芯片和相邻的芯片单元。
此外，在激光芯片和相邻的芯片单元的之间填充有弹性导电导热层，也可以实现增加导热性能以及减小压力对激光芯片影响的效果。所述弹性导电导热层优选碳纳米管薄膜，或者导热硅胶，或者导热硅脂。
上述U型卡箍为金属材料（比如铜）或者非金属材料（比如塑料），均需要确保U型卡箍与芯片单元之间的绝缘以防止芯片单元之间短路，若为金属材料，则需要在U型卡箍与芯片单元接触的位置设置绝缘层，且两个U型卡箍之间设置有弹性垫片11。
上述实施例中的导电衬底为高导热率的导电材料，比如铜等金属，优选热膨胀系数与激光芯片匹配的材料，比如铜钨合金、石墨金属复合材料、铜钨铜层状结构等。
上述绝缘缓冲结构为高导热绝缘材料，比如氮化铝陶瓷、氧化铍陶瓷等。
Claims (10)
1.一种机械安装的半导体激光器叠阵，其特征在于：包括多个设置有安装螺孔的芯片单元，芯片单元之间通过螺栓紧密固定形成电连通的芯片单元组；所述芯片单元包括激光芯片以及与其键合的导电衬底，安装螺孔设置在导电衬底上，导电衬底与螺栓绝缘。
2.根据权利要求1所述的机械安装的半导体激光器叠阵，其特征在于：所述的芯片单元还包括与激光芯片键合的电连接片以及设置于导电衬底和电连接片之间的绝缘缓冲结构，电连接片用于实现激光芯片和相邻的芯片单元的电连接，上述安装螺孔贯通于导电衬底、绝缘缓冲结构以及电连接片。
3.根据权利要求2所述的机械安装的半导体激光器叠阵，其特征在于：所述绝缘缓冲结构设置于激光芯片的单侧，或者分为两部分设置于激光芯片的两侧。
4.根据权利要求1-3之一所述的机械安装的半导体激光器叠阵，其特征在于：还包括基础热沉以及分别设置于前述芯片单元组两端的正极安装块和负极安装块，正极安装块和负极安装块上设置有与芯片单元匹配且贯通的安装螺孔，使得螺栓安装于贯通正极安装块、芯片单元组和负极安装块的安装螺孔内，实现紧密固定和电连接；所述正极安装块和负极安装块还设置有用于与基础热沉连接的安装螺孔，使得前述紧密固定的正极安装块、芯片单元组、负极安装块整体安装于基础热沉上；所述芯片单元的导电衬底与基础热沉之间设置有绝缘层。
5.根据权利要求1-3之一所述的机械安装的半导体激光器叠阵，其特征在于：所述的导电衬底为铜钨、或者铜、或者石墨金属复合材料。
6.根据权利要求1-3之一所述的机械安装的半导体激光器叠阵，其特征在于：所述绝缘结构为氮化铝陶瓷。
7.一种机械安装的半导体激光器叠阵，包括依次排列的多组芯片单元，所述芯片单元为激光芯片和与其键合的导电衬底，其特征在于：还包括机械安装部件，机械安装部件包括两个U型卡箍，且U型卡箍设置有安装螺孔，使得2个U型卡箍通过螺栓紧固后，多组芯片单元在其U型区内在紧固压力下紧密连接。
8.根据权利要求7所述的一种机械安装的半导体激光器叠阵，其特征在于：所述的芯片单元还包括与激光芯片键合的电连接片以及设置于导电衬底和电连接片之间的绝缘缓冲结构，电连接片用于连接激光芯片和相邻的芯片单元。
9.根据权利要求7所述的一种机械安装的半导体激光器叠阵，其特征在于：所述的芯片单元之间填充有弹性导电导热层。
10.根据权利要求7所述的一种机械安装的半导体激光器叠阵，其特征在于： U型卡箍与芯片单元之间设置有绝缘层，用于两者的电绝缘。
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| CN201621460107.5U CN206340826U (zh) | 2016-12-29 | 2016-12-29 | 一种机械安装的半导体激光器叠阵 |
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