半導(dǎo)體激光器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體激光器，更特別地涉及高功率的半導(dǎo)體激光器。本發(fā)明涉及用于高功率的半導(dǎo)體激光器的封裝件，更特別地涉及具有良好的散熱能力的封裝件。本發(fā)明涉及用于高功率的半導(dǎo)體激光器封裝件的電力調(diào)度結(jié)構(gòu)。本發(fā)明涉及用于高功率的半導(dǎo)體激光器封裝件的絕緣結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]日本未經(jīng)審查的專利申請(qǐng)公布號(hào)2003-23205(對(duì)比文件1)公開(kāi)了半導(dǎo)體激光器組件的結(jié)構(gòu)。所公開(kāi)的裝置具有其中多個(gè)半導(dǎo)體激光器陣列豎直堆疊的結(jié)構(gòu)。這樣的裝置被稱為豎直激光條堆。根據(jù)所公開(kāi)的裝置，每個(gè)半導(dǎo)體激光器陣列包括獨(dú)立水冷卻的熱沉，熱沉的通道由粘合劑連接。多個(gè)半導(dǎo)體激光器陣列通過(guò)堆疊和焊接被串聯(lián)地連接。
[0003]日本未經(jīng)審查的專利申請(qǐng)公布號(hào)2012-514860(對(duì)比文件2)公開(kāi)了所謂的C型安裝座(C-mount)，其是半導(dǎo)體激光器的封裝件之一。C型安裝座典型地應(yīng)用于相對(duì)低功率的半導(dǎo)體激光器。
[0004]日本專利號(hào)3800116(對(duì)比文件3)公開(kāi)了一種用于半導(dǎo)體激光器的子安裝座，其中CTE (熱膨脹系數(shù))是通過(guò)堆疊兩種金屬進(jìn)行控制的。
[0005]日本專利號(hào)5075165(對(duì)比文件4)公開(kāi)了一種用于半導(dǎo)體激光器的子安裝座，其中熱膨脹系數(shù)是通過(guò)堆疊A1N(氮化鋁)和銅進(jìn)行控制的。
[0006]日本專利號(hào)5296977(對(duì)比文件5)公開(kāi)了一種用于半導(dǎo)體激光器的子安裝座，其中鉬和銅被堆疊以控制總的熱膨脹系數(shù)。該文獻(xiàn)還公開(kāi)了一種用于半導(dǎo)體激光器的子安裝座，其中熱膨脹系數(shù)是通過(guò)堆疊氮化鋁和銅進(jìn)行控制的。
[0007]日本未經(jīng)審查的專利申請(qǐng)公布號(hào)2008-283064(對(duì)比文件6)公開(kāi)了確定材料的熱膨脹系數(shù)的公式，其中不同種類的材料被堆疊。
[0008]日本未經(jīng)審查的專利申請(qǐng)公布號(hào)2008-311556(對(duì)比文件7)公開(kāi)了一種構(gòu)造，其中應(yīng)力松弛劑被添加到焊料層中，用于連接半導(dǎo)體激光器和子安裝座。
[0009]日本未經(jīng)審查的專利申請(qǐng)公布號(hào)2009-158645(對(duì)比文件8)公開(kāi)了一種通過(guò)擴(kuò)散具有與原始的焊料材料不同的熱膨脹系數(shù)的粒子來(lái)控制焊料的熱膨脹的方法。
[0010]在對(duì)比文件1中描述的半導(dǎo)體激光器組件使連接機(jī)構(gòu)在多個(gè)水冷卻的熱沉中以使得它的組裝工藝是復(fù)雜的且存在漏水危險(xiǎn)。由于在半導(dǎo)體激光器陣列中的電連接件通過(guò)焊接實(shí)現(xiàn)，因此它顯示出電子連接件的差的生產(chǎn)力和差的可靠性。
[0011]利用在對(duì)比文件2中描述的C型安裝座的半導(dǎo)體激光器是便宜的但是它僅發(fā)射低的功率，由此該類型的半導(dǎo)體激光器不能代替豎直類型的激光條堆。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]為了解決以上問(wèn)題，本發(fā)明包括半導(dǎo)體激光器芯片，導(dǎo)電的安裝座，絕緣塊，上部電極和下部電極。半導(dǎo)體激光器芯片和絕緣塊被接合(bond)到導(dǎo)電的安裝座的第一表面。上部電極被接合到絕緣塊。上部電極的上表面和半導(dǎo)體芯片通過(guò)導(dǎo)電的引線(wire)被連接。下部電極被接合到導(dǎo)電的安裝座的第二表面。
[0013]本發(fā)明通過(guò)引線接合機(jī)構(gòu)提供了放置在熱沉上的多個(gè)半導(dǎo)體激光器之間的電子連接性。由此，不必連接多個(gè)水冷卻的熱沉。因此本發(fā)明提供了不太復(fù)雜的生產(chǎn)工藝并消除了漏水危險(xiǎn)。根據(jù)本發(fā)明，多個(gè)半導(dǎo)體激光器通過(guò)模片接合工藝被放置在所述熱沉上，所述模片接合工藝提供了良好的生產(chǎn)力和高的可靠性。
【附圖說(shuō)明】
[0014]附圖形成說(shuō)明書(shū)的一部分并且要與其結(jié)合閱讀。然而，示出的實(shí)施例僅是例子并且不是用來(lái)進(jìn)行限制的。在各個(gè)附圖中相同的附圖標(biāo)記和符號(hào)表示相同的元件。
[0015]圖1是作為本發(fā)明的第一實(shí)施例的半導(dǎo)體激光器10的示意圖；
[0016]圖2是激光源模塊20的示意圖；
[0017]圖3是在半導(dǎo)體激光器21和22之間的連接構(gòu)架(architecture)的示意圖；
[0018]圖4是作為本發(fā)明的第二實(shí)施例的激光源模塊50的示意圖；
[0019]圖5是熱沉51的示意圖；
[0020]圖6是包括激光源模塊50的固態(tài)激光器的示意圖；
[0021]圖7是作為本發(fā)明的第三實(shí)施例的半導(dǎo)體激光器60的示意圖；
[0022]圖8是激光源模塊70的示意圖；
[0023]圖9是作為本發(fā)明的第四實(shí)施例的半導(dǎo)體激光器80的示意圖；
[0024]圖10是激光源模塊90的示意圖；
[0025]圖11是作為本發(fā)明的第五實(shí)施例的半導(dǎo)體激光器100的示意圖；
[0026]圖12是激光源模塊110的示意圖；
[0027]圖13是作為本發(fā)明的第六實(shí)施例的半導(dǎo)體激光器120的示意圖；
[0028]圖14是作為本發(fā)明的第七實(shí)施例的激光源模塊130的示意圖；
[0029]圖15是熱沉131的示意圖；
[0030]圖16是作為本發(fā)明的第八實(shí)施例的半導(dǎo)體激光器140的示意圖；
[0031]圖17是作為本發(fā)明的第七實(shí)施例的激光源模塊160的示意圖；
[0032]圖18是熱沉161的示意圖；
[0033]圖19是作為本發(fā)明的第十實(shí)施例的半導(dǎo)體激光器170的示意圖；
[0034]圖20是作為本發(fā)明的第十一實(shí)施例的激光源模塊190的示意圖；
[0035]圖21是包括激光源模塊190的固態(tài)激光器210的示意圖；
[0036]圖22是半導(dǎo)體激光器220的示意圖；
[0037]圖23是作為本發(fā)明的第十二實(shí)施例的激光源模塊230的示意圖；
[0038]圖24是不出各種激光源t旲塊的近場(chǎng)圖案的不意圖；
[0039]圖25是作為本發(fā)明的第十三實(shí)施例的半導(dǎo)體激光器260的示意圖；
[0040]圖26是激光源模塊270的示意圖；
[0041]圖27是作為本發(fā)明的第十四實(shí)施例的半導(dǎo)體激光器280的示意圖；
[0042]圖28是具有不同形狀的匯流條287的不意圖；
[0043]圖29是安裝座171、粘合層286和半導(dǎo)體激光器芯片172的構(gòu)架的詳圖；
[0044]圖30是作為本發(fā)明的第十六實(shí)施例的盤(pán)形激光器290的示意圖；
[0045]圖31是作為本發(fā)明的第十七實(shí)施例的盤(pán)形激光器300的示意圖；
[0046]圖32是作為本發(fā)明的第十八實(shí)施例的薄膜板條激光器(slab laser)310的示意圖；
[0047]圖33是作為本發(fā)明的第十九實(shí)施例的薄膜板條激光器320的示意圖；
[0048]圖34是作為本發(fā)明的第二十實(shí)施例的盤(pán)形激光器330的示意圖；
[0049]圖35是作為本發(fā)明的第二^^一實(shí)施例的導(dǎo)熱間隔件(spacer) 340的示意圖；以及
[0050]圖36是具有接合的絕緣間隔件8和導(dǎo)熱層344的安裝座1以及具有導(dǎo)熱層345的熱沉11的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0051]本發(fā)明的實(shí)施例的細(xì)節(jié)在下面參照附圖進(jìn)行了描述。這些實(shí)施例沒(méi)有限制本發(fā)明。在附圖中相同的附圖標(biāo)記提供給相同的元件。
[0052][第一實(shí)施例]
[0053]圖1不出作為本發(fā)明的第一實(shí)施例的半導(dǎo)體激光器10。半導(dǎo)體激光器10包括安裝座1，半導(dǎo)體激光器芯片2，子安裝座3，絕緣塊4，上部電極5以及下部電極6。安裝座1包括安裝孔7。該封裝件構(gòu)架屬于所謂的C型安裝座封裝件。
[0054]子安裝座3被接合到安裝座1，半導(dǎo)體激光器芯片2被接合到子安裝座3。為了方便起見(jiàn)，安裝座1的其中接合半導(dǎo)體激光器芯片2的表面被限定為安裝座1的第一表面。絕緣塊4被接合到安裝座1的上部部分，上部電極5被接合到絕緣塊4。而且，下部電極6被接合到與安裝座1的第一表面相反的表面。為了方便起見(jiàn)，安裝座1的第一表面的相反表面被限定為安裝座1的第二表面。
[0055]在安裝座1的垂直于第一表面和第二表面兩者的表面之中，要附連在熱沉上的表面被限定為第三表面。而且，與第三表面相反的表面被限定為第四表面。
[0056]半導(dǎo)體激光器芯片2的結(jié)構(gòu)沒(méi)有限制。半導(dǎo)體激光器芯片2會(huì)是單個(gè)發(fā)射器類型的或多個(gè)發(fā)射器類型的。發(fā)射器會(huì)是單模類型的或多模類型的。本實(shí)施例采用了具有多個(gè)多模發(fā)射器的半導(dǎo)體激光器。在該專利說(shuō)明書(shū)中，除非另有說(shuō)明，半導(dǎo)體激光器芯片表示具有多個(gè)多模發(fā)射器的半導(dǎo)體激光器芯片。
[0057]安裝座1由具有金鍍層的無(wú)氧銅制成。安裝座1是導(dǎo)電的。子安裝座3由具有金鍍層的銅鎢合金(CuW)制成。子安裝座3是導(dǎo)電的。絕緣塊4由基于氧化鋁的陶瓷制成。上部電極5和下部電極6由具有金鍍層的無(wú)氧銅制成。
[0058]在該專利說(shuō)明書(shū)，術(shù)語(yǔ)“鍍(plating) ”表示通過(guò)濕處理工藝的金屬層沉積。
[0059]安裝座1，子安裝座3，絕緣塊4，上部電極5和下部電極6通過(guò)使用碳夾具(carbonjig)和銀焊接工藝被同時(shí)接合在一起。然后，安裝座1，子安裝座3，上部電極5和下部電極6同時(shí)鍍金。該生產(chǎn)方法會(huì)由于同時(shí)電鍍安裝座和子安裝座而降低生產(chǎn)成本。而且，該生產(chǎn)方法對(duì)沒(méi)有下部電極6的封裝件是有用的。
[0060]由于子安裝座是小的；放置電極用于電鍍?cè)谧影惭b座上是困難的。在該生產(chǎn)工藝中，第一，子安裝座被接合到安裝座，第二，子安裝座和安裝座被同時(shí)地電鍍，由此上述的問(wèn)題沒(méi)有發(fā)生。
[0061]然后，半導(dǎo)體激光器芯片2通過(guò)使用金錫合金(AuSn)被接合到子安裝座3。具有激光二極管結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器芯片2的表面被接合到子安裝座3。該構(gòu)架是所謂的結(jié)合(junct1n down)。
[0062]上部電極5和半導(dǎo)體激光器芯片2通過(guò)引線9連接到彼此。引線被接合到半導(dǎo)體激光器芯片2的背面。該背面是與具有激光二極管結(jié)構(gòu)的表面相反的表面。引線9由金制成。引線9可以是多個(gè)引線的集合體，或者帶狀的引線。
[0063]另一生產(chǎn)方法是可用的。在該工藝中，第一，安裝座1，絕緣塊4，上部電極5，和下部電極6通過(guò)使用碳夾具和銀焊接工藝被同時(shí)地接合在一起。第二，半導(dǎo)體激光器芯片2被接合到子安裝座3。第三，與半導(dǎo)體激光器芯片2接合的子安裝座3被接合到安裝座1。
[0064]半導(dǎo)體激光器芯片2利用GaAs (砷化鎵)晶片。由銅鎢合金制成的子安裝座3具有幾乎與砷化鎵相同的CTE (熱膨脹系數(shù))。包含8-11%的銅的銅鎢合金是優(yōu)選的。尤其地，包含8-11%的銅的銅鎢合金是更優(yōu)選的。如果子安裝座3和半導(dǎo)體激光器芯片2之間的熱膨脹系數(shù)是更接近的，那么在高功率操作下的壽命得以改進(jìn)。
[0065]銅鎢合金的熱導(dǎo)率，180W/mK，低于銅的熱導(dǎo)率，400W/mK。在以上提到的設(shè)計(jì)中，子安裝座3具有使熱膨脹系數(shù)與半導(dǎo)體激光器芯片2匹配的功能，安裝座1具有散熱的功能。
[0066]子安裝座3可由金剛石顆粒彌散銅制成。該材料具有與砷化鎵匹配的熱膨脹系數(shù)。另外，該材料的熱導(dǎo)率高達(dá)500-600W/mK。
[0067]而且，安裝座1可由銅鎢合金或者金剛石顆粒彌散銅制成。在該設(shè)計(jì)中，子安裝座3被消除，半導(dǎo)體激光器芯片2直接地接合到安裝座1。
[0068]與標(biāo)準(zhǔn)的C型安裝座相比，半導(dǎo)體10具有下部電極6。上部電極5和下部電極6具有幾乎相同的尺度。上部電極5和下部電極6的厚度t優(yōu)選地等于或厚于0.3毫米；更優(yōu)選地，它們應(yīng)當(dāng)?shù)扔诨蚝裼?.5毫米。厚的電極能使將引線接合在電極的側(cè)表面上。
[0069]半導(dǎo)體激光器10的尺度例如如下。安裝座1的尺度是6mm x 8.4mm x 1.6mm。安裝孔7的直徑是2.3mm。子安裝座3的尺度是4.2mm x 1.2mm x 0.5mm。絕緣塊4的尺度是 1.4mm x 1.4mm x 1.4mm。上部電極 5 和 6 的尺度是 6.0mm x 0.8mm x 0.65mm。
[0070]如圖1 (b)和(c)所示的，半導(dǎo)體激光器10經(jīng)由絕緣間隔件8通過(guò)螺釘12被擰緊在熱沉11上。螺釘12是M2.0的絕緣螺釘。熱沉11包括螺釘孔13。熱沉11由具有金鍍層的無(wú)氧銅制成。
[0071]如圖1(c)所示的，激光14被發(fā)射以垂直于熱沉11的表面。
[0072]絕緣間隔件8由A1N(氮化鋁)制成。從熱導(dǎo)率的視角看，絕緣間隔件8的厚度優(yōu)選地等于或薄于0.5_。從機(jī)械強(qiáng)度的視角看，絕緣間隔件8的厚度優(yōu)選地等于或厚于0.2_。絕緣間隔件8包括對(duì)應(yīng)于安裝孔7的安裝孔。
[0073]A1N是絕緣體并且具有良好的熱導(dǎo)率例如170-230W/mK。由于該理由，A1N優(yōu)選的作為絕緣間隔件8的材料。
[0074]絕緣間隔件8可被接合到安裝座1。絕緣間隔件8和安裝座1可通過(guò)銀顆粒彌散粘合劑接合。接合到安裝座1的絕緣間隔件8的設(shè)計(jì)具有優(yōu)點(diǎn)例如容易處理和低的熱阻系數(shù)。該設(shè)計(jì)不要求敷金以使得生產(chǎn)成本不太昂貴。
[0075]作為銀顆粒彌散粘著劑的基底材料，可采用熱固性樹(shù)脂或熱塑性樹(shù)脂。作為熱固性樹(shù)脂，可采用環(huán)氧樹(shù)脂。
[0076]絕緣間隔件8被接合到垂直于安裝座1的第一表面和第二表面兩者并且與激光14的方向相反定位的表面。如以前所述的，該表面被限定為第三表面。
[0077]如果絕緣間隔件8被敷金，其他接合方法可適合于接合在安裝座1上。一例子是AuSn(金錫合金)。作為另一例子，基于金或銀的微顆粒的粘合劑是合適的?；谖㈩w粒金屬的粘合劑可在低溫下被燒結(jié)。絕緣間隔件8的敷金表面和安裝座1可通過(guò)上述的粘合劑被接合在一起。該設(shè)計(jì)以生產(chǎn)成本的代價(jià)提供了低的熱阻率。
[0078]作為敷金設(shè)計(jì)，多層結(jié)構(gòu)的Au/Pt/Ti/AIN是優(yōu)選的。Ti (鈦)提供了與氮化鋁的好的粘著。Pt