CN212062997U - 一种半导体激光器的封装结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型保护一种半导体激光器的封装结构，包括多个激光芯片、陶瓷热沉、陶瓷框架及光窗，多个激光芯片设置于陶瓷热沉、陶瓷框架及光窗围成的封闭空间内，多个激光芯片发出的光经光窗出射；各激光芯片包括陶瓷底座，陶瓷底座粘接在陶瓷热沉上，陶瓷框架用于对陶瓷热沉固定。该技术方案通过采用全陶瓷封装的技术方案，改善了半导体激光器在大功率工作下的可靠性问题。

Description

一种半导体激光器的封装结构

技术领域

本实用新型涉及半导体光源技术领域，特别是涉及一种半导体激光器的封装结构。

背景技术

半导体激光器自上世纪六十年代诞生以来，以其体积小、重量轻、电光转换效率高、寿命长、可靠性高等传统激光器无法比拟的优势而逐渐成为现代光电子器件领域最为重要的核心器件之一。

近年来，随着对半导体激光器技术的发展，对其输出功率的要求逐渐增大，导致半导体芯片结温升高，尤其大功率半导体激光器阵列。随着结温的升高，半导体激光器阵列的出射光波长范围发生波动，阈值电流增大，光电转换效率下降，寿命降低、可靠性下降。

传统的封装工艺是将多个激光芯片设置在铜基板上，但是由于单个激光芯片的子基板是陶瓷材料，与金属铜基板之间的热膨胀系数差异较大，在长期的高低温交替作业下，容易产生可靠性问题。

因此，现阶段亟需解决半导体激光器在大功率工作下的可靠性问题。

实用新型内容

针对上述现有技术的半导体激光器可靠性差的缺陷，本实用新型提供一种半导体激光器的封装结构，包括多个激光芯片、陶瓷热沉、陶瓷框架及光窗，所述多个激光芯片设置于所述陶瓷热沉、所述陶瓷框架及所述光窗围成的封闭空间内，所述多个激光芯片发出的光经所述光窗出射；各所述激光芯片包括陶瓷底座，所述陶瓷底座粘接在所述陶瓷热沉上，所述陶瓷框架用于对所述陶瓷热沉固定。

在一个实施方式中，所述陶瓷热沉为碳化硅单晶陶瓷，所述陶瓷框架为碳化硅多晶陶瓷。

在一个实施方式中，所述陶瓷框架为陶瓷壁面围成的通孔结构，所述光窗与所述陶瓷热沉分别封闭所述通孔结构的上下两个开口。

在一个实施方式中，所述陶瓷热沉与所述陶瓷壁面的内侧壁通过玻璃封装层连接，以形成对所述通孔结构的一个开口的封闭。

在一个实施方式中，所述陶瓷框架为凹形结构，包括陶瓷壁面与陶瓷底面，所述光窗封闭所述凹形结构的开口，所述陶瓷热沉设置于所述陶瓷底面上。

在一个实施方式中，所述陶瓷热沉包括多个与所述激光芯片一一对应的陶瓷热沉单元，各所述陶瓷热沉单元彼此间隔设置。

在一个实施方式中，所述陶瓷底面的表面设置有金属焊盘层，所述陶瓷热沉的底部设置有金属化镀层，所述陶瓷热沉通过金属焊料焊接在所述金属焊盘层上。

在一个实施方式中，还包括反射镜组件，设置于所述陶瓷底面上，所述多个激光芯片发出的光经所述反射镜组件反射后再经所述光窗出射。

在一个实施方式中，所述陶瓷框架包括至少两个灌注了导电金属的导电通道，所述导电通道贯穿所述陶瓷框架。

在一个实施方式中，所述光窗为蓝宝石盖板，所述光窗与所述陶瓷框架通过玻璃焊料或金属焊料连接。

与现有技术相比，本实用新型包括如下有益效果：一方面通过采用陶瓷热沉粘接激光芯片的陶瓷底座，使得激光芯片与热沉的热膨胀系数匹配，避免了大功率、高温的工作环境对激光芯片与热沉的粘接稳定性的影响；一方面通过陶瓷框架固定陶瓷热沉，避免了热量传导到热沉后的热沉与框架的结合可靠性问题。本实用新型通过纯陶瓷的封装结构，优化了受热量影响的各个环节的粘接可靠性问题。

附图说明

图1为本实用新型实施例一的半导体激光器的封装结构的结构示意图；

图2为图1所示的半导体激光器的封装结构的结构示意图的俯视图；

图3为本实用新型实施例二的半导体激光器的封装结构的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本实用新型实施例进行详细说明。本实用新型提供的附图仅为示例性附图，用于说明各个部件之间的位置关系，不代表实际产品的比例大小关系。

请参见图1和图2，图1为本实用新型的半导体激光器的封装结构的结构示意图，该示意图为侧视剖视图，图2为图1所示的半导体激光器的封装结构的结构示意图的俯视图。该封装结构包括多个激光芯片110、陶瓷热沉120、陶瓷框架130及光窗150，其中，多个激光芯片110(图中示例为三个，实际保护产品不以该数为限)设置于陶瓷热沉120、陶瓷框架130及光窗150围成的封闭空间内，激光芯片110发出的光经光窗150出射。

如图所示，激光芯片110包括激光bar条111和陶瓷底座112，陶瓷底座112粘接在陶瓷热沉120上。激光芯片110产生的热量由陶瓷底座112传导至陶瓷热沉120，进而散发出去。

在本实施例中，陶瓷热沉120的材料优选为碳化硅单晶陶瓷。一方面，碳化硅陶瓷与激光芯片的陶瓷底座热膨胀系数接近，使得陶瓷底座与陶瓷热沉在高温工作与常温非工作环境下都能保持牢固粘接；另一方面，碳化硅的热导率高，能够将激光芯片产生的热量迅速导通出去，大大提高了半导体激光器的可靠性。

在本实用新型中，热量主要由激光芯片的激光bar条产生，激光芯片的陶瓷底座可以看做一级热沉，与陶瓷基座粘接的陶瓷热沉可以看做二级热沉，而与陶瓷热沉连接的陶瓷框架可以看做三级热沉。由此可见，陶瓷框架130实际与真正的热源的距离较远，其主要功能并非散热，而是对结构的固定支撑，尤其是对陶瓷热沉120的固定，对热量的传导为次要功能。一级热沉受限于半导体激光器的设计，通常难以改变材料，对散热结构的设计以及散热压力往往集中于二级热沉上，二级热沉承担了主要的散热与形变时的可靠性考验。在以往较多的设计方案中，所谓的二级热沉通常选择金属材质，但随着激光器功率的提高，二级热沉的膨胀系数不匹配，不仅与一级热沉的粘接稳定性会受影响，与三级热沉的连接也会受到影响。本实用新型同时选择陶瓷材质的二级热沉(陶瓷热沉)与三级热沉(陶瓷框架)，一方面利用了两者材质接近，粘接稳定性本身较好，另一方面利用了两者热膨胀系数接近，在粘接界面附近的热形变接近，因此稳定性更好。

陶瓷框架130的材料优选为碳化硅多晶陶瓷。碳化硅多晶陶瓷虽然导热性能不及碳化硅单晶陶瓷，但是成本大大降低，在作为三级热沉时由于散热压力不大，足够满足散热需求。因此，选择单晶陶瓷的二级热沉与多晶陶瓷的三级热沉的组合为最经济有效的技术方案。

在本实施例中，陶瓷框架130为陶瓷壁面围成的通孔结构，如图所示的示例中，陶瓷框架130为一矩形框框，陶瓷热沉120和光窗分别封闭该矩形框框的通孔结构的上下两个开口。

具体地，在如图所示的实施方式中，光窗150覆盖于陶瓷框架130之上，将出光口完全封闭。在本实用新型中，光窗150优选为蓝宝石盖板，其具有良好的可见光透过性，同时具有良好的导热性能，机械性能良好。光窗150也可以是其他材质的透光性材料，如玻璃板等。光窗150与陶瓷框架130通过玻璃焊料或金属焊料连接(图中未示出)，保证内部封闭空间的气密性。

此外，在本实用新型中，光窗的材料可以根据激光芯片110的出光特性而进行材料的选择，例如，当激光芯片为红外半导体激光芯片时，光窗应选择对该红外波段透过性较好的材质。在本实用新型的其他实施方式中，光窗还可以是透明或半透明的光致发光材料，例如荧光陶瓷晶体，能够将激光芯片发出的激光至少部分地转换为其他波长的光。

对于陶瓷框架130的通孔结构的下开口，陶瓷热沉120嵌入到该下开口，从而实现对该开口的封闭。具体地，陶瓷热沉120与陶瓷框架130的陶瓷壁面内侧壁通过玻璃封装层160连接，形成对开口的封闭。

以上，对本实施例的半导体激光器的封装结构的机械结构部分进行了详细描述，下面对光路结构进行描述。

请参见图2，在陶瓷热沉120上，还设有一反射镜组件170(图1未示出)，激光芯片110发出的光经反射镜组件170反射后再经光窗150出射(在图2中为从纸面向外出射)。在本实施例中，激光芯片110为边发射型激光器，通过设置反射镜组件170，形成了总体上的“面发射”型激光模组，有利于结构密排。可以理解，在本实用新型的其他实施方式中，也可以直接采用垂直腔面发射的激光芯片，那么则无需设置反射镜组件。

在本实施例中，反射镜组件170为一全反射棱镜。在本实用新型的其他实施方式中，反射镜组件也可以包括多个全反射棱镜，该多个全反射棱镜与多个激光芯片一一对应。反射镜组件还可以为其他类型的镜面反射面。

在本实用新型中，陶瓷框架130包括至少两个灌注了导电金属的导电通道141，分别作为激光器的正负极引线，导电通道141贯穿陶瓷框架130，并分别在封闭空间内外形成导电平台。从导电平台引导金线142至激光芯片110，各激光芯片110之间通过金线142实现串联。为便于导电平台的设置，本实施例中，陶瓷框架130形成了内部的台阶结构，将导电平台设置于该台阶结构上。

在本实施例中，采用陶瓷框架作为支撑结构，并以陶瓷框架的导电通道内的导电金属(如钨)进行电流传导，利用该陶瓷与导电金属的导电率差异，避免了在框架内额外埋设绝缘导电管道，降低了结构的复杂性。

请参见图3，本实施例的附图中的标记与图1和图2相同的，可参照上述描述。在本实施例中，该封装结构包括多个激光芯片110、陶瓷热沉120、陶瓷框架130及光窗150，其中，多个激光芯片110(图中示例为三个，实际保护产品不以该数为限)设置于陶瓷热沉120、陶瓷框架130及光窗150围成的封闭空间内，激光芯片110发出的光经光窗150出射。其中的陶瓷热沉120和陶瓷框架130也可以如上述实施例中的一个具体实施方式一样，分别选择碳化硅单晶陶瓷和碳化硅多晶陶瓷的材质，此处不再赘述。

与图1所示实施例不同的是，本实施例中，陶瓷框架130为凹形结构，包括陶瓷壁面与陶瓷底面。本实施例中，凹形结构的陶瓷框架130只有一个开口，光窗150封闭该凹形结构的开口(密封方式可以参照上述实施例中的描述)，陶瓷热沉120设置于陶瓷框架130的陶瓷底面上。在本实施例中，实际上陶瓷框架130与光窗150已构成了封闭空间，陶瓷框架130作为陶瓷热沉120的承载体，也可以视作陶瓷热沉、陶瓷框架及光窗共同构成了封闭空间。

与图1所示实施例中利用玻璃封装层将陶瓷热沉与陶瓷框架连接的技术方案不同，在本实施例中，陶瓷热沉与陶瓷框架的结合不再是为了形成封闭空间，因此可以优先基于提高热导率为目的选择粘接方式。在本实施例中，陶瓷框架130的陶瓷底面的表面设置有金属焊盘层131，该金属焊盘层131为一薄薄的层结构，材质可以选择例如金。通过在陶瓷热沉120的底部设置金属化镀层，使得陶瓷热沉120通过金属焊料焊接在金属焊盘层131上，形成高导热、牢固的粘接结构。

在本实施例中，陶瓷热沉120为整个一块，在本实用新型的其他实施方式中，陶瓷热沉还可以为包括多个陶瓷热沉单元的结构，各陶瓷热沉单元彼此间隔设置，并与各激光芯片一一对应。该技术方案能够减少陶瓷热沉的用量，降低成本。尤其是在采用碳化硅单晶作为陶瓷热沉的技术方案中，碳化硅单晶陶瓷成本较高，该技术方案可以改善经济性。

在本实用新型的其他实施例中，陶瓷框架和陶瓷热沉可进一步融合为一体，即陶瓷框架和陶瓷热沉为一体成型结构，例如可以通过叠层共烧的方式得到该结构。但是该技术方案无法实现上述各实施例中将碳化硅单晶陶瓷与碳化硅多晶陶瓷结合使用所带来的经济性效果。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

以上所述仅为本实用新型的实施方式，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种半导体激光器的封装结构，其特征在于，包括多个激光芯片、陶瓷热沉、陶瓷框架及光窗，所述多个激光芯片设置于所述陶瓷热沉、所述陶瓷框架及所述光窗围成的封闭空间内，所述多个激光芯片发出的光经所述光窗出射；

各所述激光芯片包括陶瓷底座，所述陶瓷底座粘接在所述陶瓷热沉上，所述陶瓷框架用于对所述陶瓷热沉固定。

2.根据权利要求1所述的半导体激光器的封装结构，其特征在于，所述陶瓷热沉为碳化硅单晶陶瓷，所述陶瓷框架为碳化硅多晶陶瓷。

3.根据权利要求1或2所述的半导体激光器的封装结构，其特征在于，所述陶瓷框架为陶瓷壁面围成的通孔结构，所述光窗与所述陶瓷热沉分别封闭所述通孔结构的上下两个开口。

4.根据权利要求3所述的半导体激光器的封装结构，其特征在于，所述陶瓷热沉与所述陶瓷壁面的内侧壁通过玻璃封装层连接，以形成对所述通孔结构的一个开口的封闭。

5.根据权利要求1或2所述的半导体激光器的封装结构，其特征在于，所述陶瓷框架为凹形结构，包括陶瓷壁面与陶瓷底面，所述光窗封闭所述凹形结构的开口，所述陶瓷热沉设置于所述陶瓷底面上。

6.根据权利要求5所述的半导体激光器的封装结构，其特征在于，所述陶瓷热沉包括多个与所述激光芯片一一对应的陶瓷热沉单元，各所述陶瓷热沉单元彼此间隔设置。

7.根据权利要求5所述的半导体激光器的封装结构，其特征在于，所述陶瓷底面的表面设置有金属焊盘层，所述陶瓷热沉的底部设置有金属化镀层，所述陶瓷热沉通过金属焊料焊接在所述金属焊盘层上。

8.根据权利要求5所述的半导体激光器的封装结构，其特征在于，还包括反射镜组件，设置于所述陶瓷底面上，所述多个激光芯片发出的光经所述反射镜组件反射后再经所述光窗出射。

9.根据权利要求1或2所述的半导体激光器的封装结构，其特征在于，所述陶瓷框架包括至少两个灌注了导电金属的导电通道，所述导电通道贯穿所述陶瓷框架。

10.根据权利要求1或2所述的半导体激光器的封装结构，其特征在于，所述光窗为蓝宝石盖板，所述光窗与所述陶瓷框架通过玻璃焊料或金属焊料连接。

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