一种用于泵浦的传导冷却半导体激光器封装结构及其封装方法

技术领域

本发明涉及一种用于泵浦的传导冷却半导体激光器封装结构及其封装方法，属于半导体激光器叠阵封装领域。

背景技术

传导冷却半导体激光器具备体积小、价格低、效率高、寿命长等优点，主要应用于工业泵浦、材料加工、医疗美容和科研军工等领域。在泵浦应用领域，主要集中在对Nd：YAG、Nd:YVO

中国专利文献CN204190156U公开了一种传导冷却叠阵半导体激光器封装结构，该传导冷却叠阵半导体激光器封装结构中，叠阵模块芯片堆叠方向的两个端面贴合焊接有正极连接块和负极连接块；绝缘热沉的表面以中心对称方式设置有互不接触的两个L形导电片，分别作为引出正电极、引出负电极；正极连接块和负极连接块的底部分别对应焊接固定于两个L形导电片的长部，叠阵模块对应于这两个L形导电片在绝缘热沉的表面围成的区域；两个L形导电片的短部设置有安装孔。该专利解决了现有封装结构体积偏大、系统集成性差的问题。但是基于厘米巴条封装的器件，激光器向上出光，不能满足部分侧面出光的结构需求。

中国专利文献CN203747236U公开了一种低热应力结构的高功率半导体激光器，该结构主要包括依次层叠的四层结构，第一层是作为正极连接块的热沉，热沉的安装平面上设置有芯片安装区和绝缘区，第二层包括半导体激光器芯片和绝缘片，半导体激光器芯片焊接于所述芯片安装区，绝缘片安装于所述绝缘区，第三层是起导电作用的电极连接层，第四层是负极连接块；所述电极连接层中，与半导体激光器芯片焊接的部位为平面齿状结构，用以降低电极连接层与芯片之间的热应力，该部位与负极连接块保持间隙，电极连接层的其他部位与负极连接块焊接。该专利的结构为单巴条侧面出光，横向为慢轴，垂向为快轴，能够适应复杂工作环境，满足泵浦需求，但是若要提高光束质量，需要加装光学系统，对于厘米巴条封装的激光器驱动来说，要求低电压、高电流的稳定输出，整体成本高。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种用于泵浦的传导冷却半导体激光器封装结构及其封装方法。

本发明的技术方案如下：

一种用于泵浦的传导冷却半导体激光器封装结构，包括L形散热热沉，L形散热热沉的竖直臂上设置有AlN陶瓷基底，AlN陶瓷基底上方设置有与AlN陶瓷基底相匹配的多芯片阵列；

所述多芯片阵列包括交替连接的钨铜热沉和mini芯片，钨铜热沉和mini芯片呈一端对齐的阵列排布；所述AlN陶瓷基底上设置有凹槽，凹槽和mini芯片的位置与个数相对应；所述L形散热热沉的水平臂上设置有安装固定孔。

根据本发明优选的，所述传导冷却半导体激光器封装结构的两侧还设置有电极片，电极片为L形，一部分与多芯片阵列相连接，另一部分通过电极绝缘片与L形散热热沉相连接。电极绝缘片的设置保证了外部电压可以通过电极片有效供给多芯片阵列，但不会作用于L形散热热沉。

根据本发明优选的，所述钨铜热沉的个数至少为3个，mini芯片的个数至少为2个。

根据本发明优选的，所述钨铜热沉的型号为W90Cu，参数为188W/(m*K)、CTE为6.5ppm/K，厚度为0.2～0.8mm。可有效中和封装焊接时引起的应力。

根据本发明优选的，所述mini芯片的宽度小于等于3mm，单个mini芯片的输出功率为1～20W，厚度为115～120μm。

根据本发明优选的，所述钨铜热沉的长度大于mini芯片的长度，钨铜热沉长于mini芯片部分的侧面设有绝缘层。

本发明中AlN陶瓷基底上凹槽的宽度与mini芯片的厚度相同，相邻凹槽之间的距离与钨铜热沉的厚度相同，mini芯片与凹槽形成的空隙主要用于相邻mini芯片的绝缘，同时避免焊料接触到mini芯片底部。

根据本发明优选的，所述AlN陶瓷基底的上表面设有金属层；进一步的，所述金属层为Au层，厚度为0.4～0.5μm。Au层与焊料可以形成稳定的合金，将AlN陶瓷基底和多芯片阵列通过焊料焊接在一起。

根据本发明优选的，所述安装固定孔的个数为1～3个。安装固定孔用于激光器固定，同时保证散热。

上述用于泵浦的传导冷却半导体激光器封装结构的封装方法，包括步骤如下：

(1)根据所泵浦晶体的有效吸收面积以及能量需求截取mini芯片，根据散热需求确认芯片间距选取钨铜热沉；将mini芯片和钨铜热沉以一端对齐的形式通过高温硬焊料交替焊接至一起，得到多芯片阵列；

(2)将多芯片阵列置于AlN陶瓷基底上方，AlN陶瓷基底的凹槽位置与mini芯片位置相对应，通过无铅焊料将多芯片阵列焊接到AlN陶瓷基底上，再将带有多芯片阵列的AlN陶瓷基底安装到散热热沉上组成传导冷却半导体激光器封装结构，最后在传导冷却半导体激光器封装结构两侧安装电极绝缘片和电极片，在安装固定孔上固定激光器，完成用于泵浦的传导冷却半导体激光器的封装。

根据本发明优选的，所述高温硬焊料为AuSn焊料。

根据本发明优选的，所述无铅焊料为SnAgCu焊料。

有益效果：

1、本发明提供的用于泵浦的传导冷却半导体激光器封装结构，将厘米巴条替换为mini芯片，然后把多个芯片串联封装，构成多芯片阵列，通过AlN陶瓷基底进行绝缘后封装到散热热沉上。在结构上，将巴条的多管芯并联输出结构改为了多芯片串联输出结构，在驱动方面，由低电压、高电流的驱动要求变为高电压、低电流的驱动要求，降低了驱动要求及成本。同时使得输出光束的快慢轴方向互换，即横向变为快轴方向，垂向变为慢轴方向，使激光器能量在横向上分布更加均匀，提高了晶体输出光的光束质量，能满足特殊结构的应用需求。

2、本发明提供的用于泵浦的传导冷却半导体激光器封装结构，由于是通过芯片的侧面进行焊接绝缘，整体实现了侧面出光，克服了现有的以厘米巴条封装的器件通常向上出光的问题，满足了不同特殊结构泵浦的使用需求。同时使用时的电流小，避免了散热不均匀。

3、本发明提供的用于泵浦的传导冷却半导体激光器封装结构可以根据所要泵浦棒状晶体/平面晶体的有效吸收面积截取合适长度的mini芯片，还可以根据需求的泵浦能量来确定芯片数量，灵活方便。

4、本发明提供的封装方法操作简单，制造效率高，适于工业上推广使用。

附图说明

图1为本发明用于泵浦的传导冷却半导体激光器封装结构的结构示意图。

图2为本发明的多芯片阵列结构示意图。

图3为本发明的AlN陶瓷基底结构示意图。

图4为本发明用于泵浦的传导冷却半导体激光器封装结构的正面示意图。

图中，1、mini芯片，2、钨铜热沉，3、L形散热热沉，4、AlN陶瓷基底，5、正极电极片，6、电极绝缘片，7、安装固定孔，8、出光面方向，9、凹槽，10、金属层11、绝缘层，12、负极电极片。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例1

如图1～3所示，一种用于泵浦的传导冷却半导体激光器封装结构，包括L形散热热沉3，L形散热热沉3的竖直臂上设置有AlN陶瓷基底4，AlN陶瓷基底4上方设置有与AlN陶瓷基底4相匹配的多芯片阵列；

所述多芯片阵列包括交替连接的钨铜热沉2和mini芯片1，钨铜热沉2和mini芯片1呈一端对齐的阵列排布；所述AlN陶瓷基底4上设置有凹槽9，凹槽9和mini芯片1的位置与个数相对应；所述L形散热热沉3的水平臂上设置有1个安装固定孔7。安装固定孔7用于激光器固定，同时保证散热

所述钨铜热沉2的型号为W90Cu，参数为188W/(m*K)、CTE为6.5ppm/K，厚度为0.5mm。所述mini芯片的宽度为2mm，单个mini芯片输出功率为10W，厚度为120μm，所述凹槽9的宽度与mini芯片的厚度相同，相邻凹槽9之间的距离与钨铜热沉2的厚度相同。所述钨铜热沉2的长度大于mini芯片1的长度，钨铜热沉2钨铜热沉长于mini芯片1部分的侧面设有绝缘层11。mini芯片1与凹槽9形成的空隙主要用于相邻mini芯片1的绝缘，同时避免焊料接触到mini芯片1底部。

所述传导冷却半导体激光器封装结构的两侧还设置有正极电极片5、负极电极片12，正极电极片5、负极电极片12均为L形，一部分与多芯片阵列贴合，另一部分通过电极绝缘片6与L形散热热沉3相连接。电极绝缘片6的设置保证了外部电压可以通过电极片有效供给多芯片阵列，但不会作用于L形散热热沉3。

所述AlN陶瓷基底4的上表面设有金属层10。

本实施例提供的用于泵浦的传导冷却半导体激光器封装结构的出光面方向8可以实现侧面出光，克服了现有的以厘米巴条封装的器件通常向上出光的问题，满足了某些特殊结构泵浦的使用需求。

实施例2

实施例1所述的用于泵浦的传导冷却半导体激光器封装结构的封装方法，包括步骤如下：

(1)根据所泵浦晶体的有效吸收面积以及能量需求截取mini芯片，根据散热需求确认芯片间距选取钨铜热沉；通过AuSn焊料将mini芯片和钨铜热沉按照一端对齐交替焊接，焊接完成后mini芯片和钨铜热沉呈阵列排布，得到多芯片阵列；

(2)将多芯片阵列置于AlN陶瓷基底上方，AlN陶瓷基底的凹槽位置与mini芯片位置相对应，通过SnAgCu焊料将多芯片阵列焊接到AlN陶瓷基底上，再将带有多芯片阵列的AlN陶瓷基底安装到散热热沉上组成传导冷却半导体激光器封装结构，最后在传导冷却半导体激光器封装结构两侧安装电极绝缘片和电极片，在安装固定孔上固定激光器，完成用于泵浦的传导冷却半导体激光器的封装。

实施例3

如图4所示，一种用于泵浦的传导冷却半导体激光器封装结构，结构如实施例1所述，不同之处在于，所述安装固定孔7的个数为两个。

实施例4

一种用于泵浦的传导冷却半导体激光器封装结构，结构如实施例1所述，不同之处在于，所述金属层10为Au层，厚度0.5μm。Au层与焊料可以形成稳定的合金，将AlN陶瓷基底和多芯片阵列通过焊料焊接在一起。

实施例5

一种用于泵浦的传导冷却半导体激光器封装结构，结构如实施例1所述，不同之处在于，所述钨铜热沉3厚度为0.3mm，所述mini芯片的宽度为3mm，单个mini芯片的输出功率在20W之间，厚度为115μm。

对比例

中国专利文献CN204190156U公开的一种传导冷却叠阵半导体激光器封装结构。

对比例与实施例1的参数对比如表1所示，由表1可知，实施例1的各项参数性能优于对比例，实施例1可以实现侧面出光，并且通过将巴条的多管芯并联输出结构改为了多芯片串联输出结构，将低电压、高电流的驱动要求变为高电压、低电流的驱动要求，同时使得输出光束的快慢轴方向互换，即横向变为快轴方向，垂向变为慢轴方向，使激光器能量在横向上分布更加均匀，提高了晶体输出光的光束质量，能满足特殊结构的应用需求。

表1：对比例与实施例1的性能对比