本公開(kāi)涉及半導(dǎo)體激光器技術(shù)并具體地涉及其特征在于增加的穩(wěn)定性的高功率激光二極管模塊。

背景技術(shù)：

半導(dǎo)體激光器技術(shù)的迅速發(fā)展已經(jīng)采用可更加容易供應(yīng)的高功率激光二極管。對(duì)較高激光功率的連續(xù)追蹤要求在封裝設(shè)計(jì)方面較好的熱操縱能力以有助于受控操作。當(dāng)這些激光二極管生成可能會(huì)不利地影響其性能和可靠性的大量熱通量時(shí)，需要一種熱效封裝方案來(lái)迅速地將激光二極管中生成的過(guò)量熱移除到其周?chē)h(huán)境。

對(duì)于高功率應(yīng)用，不僅需要考慮熱問(wèn)題，而且還需要考慮模塊中的連接的機(jī)械整體性。這些造成了顯著的封裝挑戰(zhàn)，因?yàn)檫M(jìn)一步討論的因素使對(duì)產(chǎn)生理想的封裝設(shè)計(jì)的努力復(fù)雜化。。

參照示出了典型的激光二極管組件的圖1，激光二極管中生成的熱量通過(guò)將二極管連接到副支架上而被傳遞到外界環(huán)境。激光二極管必須最佳地連接到組件以確保通過(guò)熱界面的有效熱傳遞。諸如軟焊料的薄熱結(jié)合界面建立通過(guò)管芯連接過(guò)程的有效散熱通道?；谒?，為了提高激光二極管組件的熱設(shè)計(jì)，理想的是，尤其使諸如二極管激光器的熱源盡可能靠近散熱器，使得軟焊料界面盡可能地薄，增加材料的熱導(dǎo)率，并且提供激光二極管與散熱器之間的緊密熱接觸。

熱結(jié)合交界面或焊料由于其電氣互連、機(jī)械支撐與散熱性能而被用于激光二極管組件的每一部分中。這些焊料通?？梢员环殖蓛深?lèi)：硬焊料和軟焊料。通常，焊料材料必須滿足以下要求：

·具有期望的處理溫度以支持高溫操作

·減少由于激光二極管與散熱器之間的熱膨脹的不匹配而導(dǎo)致的熱誘導(dǎo)應(yīng)力

·在其長(zhǎng)期操作期間顯示沒(méi)有變形/具有低變形

·顯示副支架管芯焊料的低電阻率以減小在高注入電流下的焦耳熱量

通常含有大百分比鉛、錫和銦的軟焊料具有非常低的屈服強(qiáng)度并在應(yīng)力下會(huì)產(chǎn)生塑性變形。所述焊料塑性變形的能力有助于減小形成在結(jié)合結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力。然而，這使得軟焊料受到熱疲勞和蠕變破裂，從而產(chǎn)生長(zhǎng)期的可靠性問(wèn)題。

傳統(tǒng)地，如圖1所示，軟的基于銦/錫/鉍等的材料等用于將散熱器結(jié)合到陶瓷副支架。例如由銅制成的散熱器的熱膨脹系數(shù)(“TEC”)與所述副支架的熱膨脹系數(shù)不匹配。在激光器操作中被進(jìn)一步稱(chēng)為熱循環(huán)的重復(fù)接通-斷開(kāi)循環(huán)由于各個(gè)散熱片和副支架的不同TEC而產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力，其中所述副支架導(dǎo)致軟層材料破裂/剪切等、和/或銦遷移。這些缺陷初始導(dǎo)致二極管的溫度升高。有時(shí)，軟焊料層被破壞，這將導(dǎo)致副支架與散熱器的分離并導(dǎo)致激光二極管由于過(guò)熱而被最終破壞。這尤其與高功率激光器有關(guān)，這是由于所述高功率激光器在管芯與散熱器之間具有大的接觸表面并且在接通與斷開(kāi)周期之間具有高溫差。

另一方面，硬焊料具有非常高的屈服強(qiáng)度，并因此在應(yīng)力下會(huì)發(fā)生彈性變形，而不是塑性變形。因此，所述硬焊料具有良好的熱導(dǎo)率，并且沒(méi)有熱疲勞和蠕變移動(dòng)現(xiàn)象。遺憾地，已知的硬焊料的融化溫度可能會(huì)太高，并且可能使到散熱器附加裝置的副支架的整體性受到妥協(xié)。

因此，需要改進(jìn)抗熱循環(huán)激光二極管封裝，從而產(chǎn)生穩(wěn)定的高功率激光二極管模塊。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

根據(jù)本公開(kāi)的一方面，本發(fā)明的激光二極管組件由插入在散熱器與陶瓷副支架之間的兩個(gè)超散熱層構(gòu)造而成。所述層中的一個(gè)用作軟焊料層與硬焊料層之間的間隔器，所述間隔器又被結(jié)合到散熱器。間隔器由被選定為具有與陶瓷副支架的TEC基本上相匹配的TEC的材料制成。因此，在熱循環(huán)期間，間隔器和副支架兩者的幾何形狀基本上以一致的方式改變，這最小化不利地影響軟焊料層的拉伸/壓縮力。然而，通過(guò)本公開(kāi)的間隔器的結(jié)構(gòu)，所施加的力不足以使軟焊料的整體性受到妥協(xié)。

硬焊料層用于將間隔器結(jié)合到散熱器。硬焊料實(shí)際上不易受到具有由具有相應(yīng)不同的TEC的材料(在這種情況下，分別為間隔器和散熱器的材料)的夾心層的非均勻變形。然而，在將間隔器結(jié)合到散熱器期間，升高的溫度不會(huì)影響軟焊料和管芯的整體性。

本公開(kāi)的進(jìn)一步方面中，組件包括塑性高度一致的金屬層，所述金屬層在陶瓷副支架通過(guò)使用軟焊料層被結(jié)合到散熱器之前被電鍍或直接結(jié)合在陶瓷副支架上。在通常往往具有不超過(guò)1-2微米的薄金屬層的公知的現(xiàn)有技術(shù)相反，所公開(kāi)的結(jié)構(gòu)的金屬層至少為10微米厚并具有不同于副支架的CTE的CTE。然而，電鍍或直接結(jié)合的金屬的塑性補(bǔ)償熱誘導(dǎo)應(yīng)力，同時(shí)其厚度在相當(dāng)大的程度上增加其使用壽命。

基于上述，本公開(kāi)的多層激光二極管支架的基本結(jié)構(gòu)被構(gòu)造有一副支架，所述副支架具有支撐二極管激光器的一個(gè)表面。所述結(jié)構(gòu)進(jìn)一步包括散熱器，所述散熱器與副支架的與所述一個(gè)表面相對(duì)的相對(duì)表面間隔開(kāi)并面向所述相對(duì)表面。副支架和散熱器被構(gòu)造有彼此不同的相應(yīng)的熱膨脹系數(shù)(“TEC”)。該結(jié)構(gòu)的金屬層被沉積在副支架的相對(duì)表面上并與所述相對(duì)表面接觸，并且大約為幾百微米。所述軟焊料層結(jié)合到金屬層并連接到散熱器，以使得二極管激光器的p-n結(jié)點(diǎn)的溫度通過(guò)達(dá)到至少幾百次循環(huán)的預(yù)定次數(shù)的重復(fù)熱循環(huán)保持大致恒定，且溫差ΔT在每一次循環(huán)內(nèi)超過(guò)100℃。

本公開(kāi)支架的上述結(jié)構(gòu)的p-n結(jié)點(diǎn)在預(yù)定次數(shù)的重復(fù)熱循環(huán)中在0-2℃的溫度范圍內(nèi)保持恒定的溫度下操作。優(yōu)選地，p-n結(jié)點(diǎn)的溫度在預(yù)定次重復(fù)熱循環(huán)中保持在1℃以下。

支架的基本結(jié)構(gòu)還包括間隔器和硬焊料層，所述間隔器由具有與副支架的TEC相匹配的TEC的材料制成并結(jié)合到軟焊料層，所述硬焊料層位于間隔器和散熱器之間并結(jié)合到所述間隔器和散熱器。這些額外的部件操作以使得在0-2℃之間并優(yōu)選地在1℃以下改變的p-n結(jié)構(gòu)的規(guī)定溫度保持不變。

附圖說(shuō)明

以上及其它特征將從由圖提供的以下具體描述變得更加清楚，其中：

圖1是典型的二極管激光器組件的分解圖；

圖2A和圖2B是根據(jù)本公開(kāi)的一方面的本發(fā)明的二極管激光器組件的等視以及側(cè)視分解圖；

圖3示出了二極管激光器的P-N連接變化的溫度與施加到根據(jù)圖2A和圖2B被封裝的二極管激光器的熱負(fù)載的依賴性；

圖4示出了根據(jù)本公開(kāi)的進(jìn)一步方面的所公開(kāi)的二極管激光器組件的側(cè)視圖；

圖5A是圖4的本發(fā)明的組件的制造過(guò)程期間基部的底視圖；和

圖5B示出了圖4的被處理組件的側(cè)視圖。

具體實(shí)施方式

以下詳細(xì)地說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施例。無(wú)論哪種可能，在附圖中使用相同或類(lèi)似的附圖標(biāo)記，并且對(duì)相同或類(lèi)似的部件或步驟進(jìn)行相同或類(lèi)似的描述。附圖為簡(jiǎn)化形式并且沒(méi)有按精確的比例繪制。除非專(zhuān)門(mén)指出，說(shuō)明書(shū)和權(quán)利要求書(shū)中的單詞和措辭對(duì)于二極管和光纖激光器領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是普通且慣常的意思。單詞“連結(jié)”和類(lèi)似術(shù)語(yǔ)不是必然地表示直接或即刻連接，而是包括通過(guò)自由空間或中間元件的機(jī)械和光學(xué)連接。

通過(guò)安裝/封裝過(guò)程引入的熱管理、機(jī)械應(yīng)力和材料缺陷是需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題以實(shí)現(xiàn)高功率水平的可靠的激光器性能。除了操作溫度本身之外，影響二極管激光器的壽命的一個(gè)重要因素是熱機(jī)械應(yīng)力。這些高應(yīng)力水平由封裝過(guò)程引起并且通過(guò)所公開(kāi)的結(jié)構(gòu)實(shí)施例被最小化，其中所述實(shí)施例在以下結(jié)合圖2-4這里被充分地公開(kāi)。

圖2A和圖2B示出了本發(fā)明的激光二極管組件20的實(shí)施例中的一個(gè)。二極管激光器(“DL”)22被結(jié)合到金屬層，所述金屬層被涂覆在副支架18的二極管支撐表面上。軟焊料層16提供間隔器14和副支架18的與間隔器14相對(duì)的金屬化側(cè)之間的可靠接觸。間隔器14的材料被選定為具有大致匹配副支架18的熱膨脹系數(shù)的熱膨脹系數(shù)(“TEC”)，而間隔器14的幾何形狀類(lèi)似于副支架18的幾何形狀，且可能為幾百微米厚。整個(gè)副支架結(jié)構(gòu)通過(guò)硬焊料層12被進(jìn)一步結(jié)合到散熱器10。

通常，當(dāng)電流通過(guò)DL 22被驅(qū)動(dòng)時(shí)，其溫度升高。如果副支架18與散熱器10之間的結(jié)合良好，則溫度升高將較小，這是因?yàn)闊崃勘粋鲗?dǎo)遠(yuǎn)離DL；如果所述結(jié)合差，則溫度升高較大，這是因?yàn)闊崃烤奂谛酒稀ＭǔＳ糜谥圃旄吖β识O管激光器應(yīng)用中的副支架18的材料包括BeO和AIN陶瓷。散熱器10通常由銅或具有接近于銅的熱電傳導(dǎo)特性的熱電傳導(dǎo)特性的另一金屬制成。

不管用于相應(yīng)散熱器10和副支架18的材料如何，在其相應(yīng)的TEC之間都存在不匹配性。這可能會(huì)導(dǎo)致在軟焊料16上的高數(shù)量的熱機(jī)械應(yīng)力。通常具有延展性的焊料是鉛、錫和銦及其各自的合銦(例如，銦錫)，所述這些材料由于其塑性而被分類(lèi)為軟焊料。因此，例如銦的軟焊料的具有延展性的特性用于補(bǔ)償由塑性變形(蠕變)引起的不匹配。

然而，由于重復(fù)每一個(gè)都持續(xù)數(shù)十分鐘的接通/斷開(kāi)熱循環(huán)，因此軟焊料界面材料形成空隙。對(duì)空隙的主要顧慮涉及軟焊料界面內(nèi)的熱導(dǎo)率的損失?？障犊赡苡捎诋a(chǎn)生較差的散熱通道區(qū)域而導(dǎo)致熱點(diǎn)。因此，軟焊料界面內(nèi)的空隙不僅限制散熱性能，而且還惡化連結(jié)部的電氣和機(jī)械性能。這又可能會(huì)導(dǎo)致上面具有DL的副支架與支撐結(jié)構(gòu)的其余部分的分離以及DL的解構(gòu)。

本公開(kāi)的結(jié)構(gòu)通過(guò)分別插入額外的中間層14和12來(lái)最小化軟焊料16上不期望的應(yīng)力以及空隙在界面中的形成。進(jìn)一步被稱(chēng)為間隔器的層14被選定為具有與副支架18的TEC大致匹配的TEC。優(yōu)選地，間隔器14由與副支架18的材料相同的材料制成。間隔器14與副支架18之間在熱循環(huán)期間的相對(duì)位移因此被最小化。因此，軟焊料界面16的使用期限顯著大于圖1的現(xiàn)有技術(shù)結(jié)構(gòu)中的軟焊料的使用期限。

當(dāng)然，間隔器14具有不同于散熱器10的TEC的TEC。與軟焊料材料相反，硬焊料具有非常高的屈服強(qiáng)度并因此在應(yīng)力下會(huì)發(fā)生彈性變形而不是塑性變形。包括Au-Sn、Au-Ge、Au-Si等的許多合金(例如，共晶Au80Sn20合金)通常適于高功率激光二極管應(yīng)用以克服可靠性問(wèn)題。因此，硬焊料界面16相對(duì)地沒(méi)有熱疲勞和蠕變移動(dòng)現(xiàn)象，這對(duì)于半導(dǎo)體領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是公知的。

如上所述的現(xiàn)有技術(shù)公開(kāi)了許多封裝結(jié)構(gòu)。當(dāng)然，每一種結(jié)構(gòu)都受到嚴(yán)格的測(cè)試。通常測(cè)試的是發(fā)射光的波長(zhǎng)響應(yīng)于預(yù)定次數(shù)的熱循環(huán)的熱負(fù)載如何改變，其中所述預(yù)定次數(shù)的熱循環(huán)通常包括數(shù)次并且有時(shí)候可能會(huì)達(dá)到大于一千次。在每一個(gè)熱循環(huán)內(nèi)，最高溫度與最低溫度之間的溫差超過(guò)100℃。波長(zhǎng)與p-n結(jié)點(diǎn)的溫度升高的相關(guān)性對(duì)于每一個(gè)特定操作波長(zhǎng)是公知的。例如，對(duì)于發(fā)射970nm的光的DL來(lái)說(shuō)，每一度(溫度)都對(duì)應(yīng)于朝向更長(zhǎng)波長(zhǎng)的0.3nm的波長(zhǎng)移動(dòng)。如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所公知的瓦特?cái)?shù)是施加到DL的注入電流、DL兩端的電壓減去光功率損失的函數(shù)。因此，活動(dòng)結(jié)點(diǎn)的溫度變化是面向散熱器的副支架表面與相鄰層之間的連結(jié)部的退化的可靠指示器。在圖2A和圖2B的實(shí)施例中，該連結(jié)部是軟焊料界面16。

雖然不存在通用標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試，該通用標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試需要足以認(rèn)為測(cè)試的DL組件是“良好的”的預(yù)定次數(shù)的重復(fù)接通-斷開(kāi)循環(huán)，但是半導(dǎo)體行業(yè)中的常用作法是公知的。即，在300次與1000次之間變化的熱循環(huán)次數(shù)期間，所述的p-n結(jié)點(diǎn)連結(jié)部的基于溫度的特性作為組件的質(zhì)量的可靠指示劑被接受。

圖3圖示了作為預(yù)定次數(shù)的重復(fù)接通-斷開(kāi)循環(huán)上的熱負(fù)載的函數(shù)的DL22中的活動(dòng)結(jié)點(diǎn)的溫度。熱負(fù)載是注入電流、DL22兩端的電壓和光功率損失的函數(shù)。所述功率損失包括通常作為廢熱或損失留在裝置中的大多數(shù)未轉(zhuǎn)換的功率。低功率損失表示較低的結(jié)點(diǎn)溫度。高功率激光二極管的退化率通常隨著溫度呈指數(shù)增加：越低的溫度表示越長(zhǎng)的使用期限。

測(cè)試結(jié)果清楚地顯示在430次熱循環(huán)中響應(yīng)于增加的熱負(fù)載p-n結(jié)點(diǎn)溫度保持大致連續(xù)(在0-0.5℃的區(qū)間變化)。與此相反，在相同條件下作為本發(fā)明的組件被測(cè)試的圖1的結(jié)構(gòu)的溫度升高接近于7.5℃。這些結(jié)果清楚地說(shuō)明了在本發(fā)明的結(jié)構(gòu)中軟焊料界面18的整體性被改進(jìn)。本發(fā)明的結(jié)構(gòu)在其它不同的條件下被測(cè)試，包括1000次熱循環(huán)狀態(tài)并且總是顯示在測(cè)試結(jié)束時(shí)在0-1.5℃范圍內(nèi)變化的p-n結(jié)點(diǎn)的大致恒定溫度。與此相反，在測(cè)試結(jié)束時(shí)圖1的現(xiàn)有技術(shù)結(jié)構(gòu)具有在4℃與13℃之間的溫度變化。

參照?qǐng)D4，本公開(kāi)的又一實(shí)施例包括組件30，所述組件30被構(gòu)造有經(jīng)由軟焊料界面16直接結(jié)合到副支架18的散熱器10。然而，與圖1的現(xiàn)有技術(shù)結(jié)構(gòu)相反，組件30具有被電鍍有相對(duì)較厚的純金屬層34的底部表面32。封裝行業(yè)中的通常做法包括提供盡可能薄屬層，通常該厚度大約為1微米。與此相反，本公開(kāi)的結(jié)構(gòu)的金屬層34厚于現(xiàn)有技術(shù)的厚度的至少10倍，并且可以達(dá)到數(shù)十微米。測(cè)試結(jié)果非常類(lèi)似于圖3中所示的結(jié)果，所述結(jié)果通過(guò)圖2A-2B的結(jié)構(gòu)獲得。

參照?qǐng)D5A和圖5B，通常，在將激光二極管結(jié)合到副支架18之前，由熱傳導(dǎo)材料制成的基部40被電鍍，然后被分成多個(gè)副支架18。因?yàn)橥扛矆D4的金屬層34的底部相對(duì)較厚，基部的切割產(chǎn)生金屬毛刺。這是高度不期望的。有助于避免不期望的金屬毛刺的結(jié)果的技術(shù)在共同申請(qǐng)和共同擁有的申請(qǐng)61653083中被公開(kāi)。具體地，為了避免形成毛刺，基部40被處理以使得每一個(gè)單獨(dú)的副支架18的底部表面的相對(duì)邊緣不具有涂覆金屬層34的相應(yīng)區(qū)域。

雖然已經(jīng)根據(jù)所公開(kāi)的示例描述了本公開(kāi)，但是在不背離以下權(quán)利要求的保護(hù)范圍和精神的情況下對(duì)以上公開(kāi)的實(shí)施例的多個(gè)修改和/或添加對(duì)于激光領(lǐng)域的技術(shù)人員是容易實(shí)現(xiàn)的。