一種高功率半導體激光器的制造方法
【專利摘要】本實用新型提出一種新型高功率半導體激光器，可以有效解決現(xiàn)有結構方案中激光器合格率低、工藝復雜、鍵合質量差以及可靠性不高等問題，促進傳導冷卻型高功率半導體激光器向更高功率發(fā)展。該高功率半導體激光器包括散熱器和由若干個激光器芯片及其襯底構成的芯片組模塊，襯底的底部通過焊料鍵合到散熱器上，所述襯底的主體為絕緣導熱塊；對應于襯底上激光器芯片的鍵合區(qū)域，所述絕緣導熱塊的正面和背面均設置有導電導熱層，正面的導電導熱層與背面的導電導熱層之間經(jīng)由絕緣導熱塊的表面和/或內部貫通設置的導電材料形成電連接。
【專利說明】
一種高功率半導體激光器
技術領域
[0001]本實用新型涉及一種高功率半導體激光器的結構。
【背景技術】
[0002]現(xiàn)有的傳導冷卻型高功率半導體激光器的封裝工藝如圖1?2所示。
[0003]圖1所示方案是將多個芯片和多個導電導熱襯底(如銅、銅鎢、鉬銅等)同時焊接后，再整體焊接在絕緣導熱基片上，然后將該模塊鍵合在散熱器上，固定通電電極，完成激光器的制備。
[0004]該方案存在以下缺點:
[0005](I)散熱差:步驟I中，由于多個導電導熱襯底加工工藝問題，很難做到上下平齊(公差較大，總有高度差)，導致步驟2中很難均勻的鍵合在絕緣導熱片上，使得該產(chǎn)品的散熱差，難以實現(xiàn)高功率、高占空比應用。
[0006](2)可靠性差:該制備過程利用了不同焊料的階梯熔點特性，所以步驟2和步驟3須用比步驟I熔點低的焊料，低熔點焊料長時間穩(wěn)定性和可靠性低，對使用環(huán)境要求高(無法高溫使用)，加之該結構無法克服的散熱性差，產(chǎn)品整體的壽命較短，可靠性低。
[0007]圖2為目前主流的傳導冷卻型高功率半導體激光器陣列獨立陶瓷新型結構制備方法，將單個芯片、導電導熱襯底及絕緣導熱片同時焊接，制成半導體激光器發(fā)光單元(C0C-Chip on Carrier)，對半導體發(fā)光單元進行相應的測試、老化、篩選，然后將合格的半導體激光器發(fā)光單元通過絕緣導熱片鍵合在散熱器上，制成傳導冷卻型高功率半導體激光器。
[0008]存在如下缺點:
[0009](I)工藝復雜，成本高:該工藝過程中芯片先后通過兩次鍵合，工藝要求高；半導體激光器發(fā)光單元與散熱器的鍵合需要精密夾具并對位，對封裝設備及操作人員要求極高，整個過程人工及設備投入高。
[0010](2)合格率低:該工藝過程中芯片先后通過兩次鍵合，會對芯片造成重復損傷；二次鍵合會出現(xiàn)空洞、虛焊、浸潤性差，最終導致焊接質量較差，合格率低。焊接不良也會導致散熱差，可靠性及壽命降低。
【實用新型內容】
[0011]為了克服現(xiàn)有高功率半導體激光器封裝技術存在的不足，本實用新型提出一種新型高功率半導體激光器，可以有效解決現(xiàn)有結構方案中激光器合格率低、工藝復雜、鍵合質量差以及可靠性不高等問題，促進傳導冷卻型高功率半導體激光器向更高功率發(fā)展。
[0012]本實用新型的基本方案如下:
[0013]—種高功率半導體激光器，包括散熱器和由若干個激光器芯片及其襯底構成的芯片組模塊，襯底的底部通過焊料鍵合到散熱器上，所述襯底的主體為絕緣導熱塊;對應于襯底上激光器芯片的鍵合區(qū)域，所述絕緣導熱塊的正面和背面均設置有導電導熱層，正面的導電導熱層與背面的導電導熱層之間經(jīng)由絕緣導熱塊的表面和/或內部貫通設置的導電材料形成電連接。
[0014]在以上基本方案的基礎上，本實用新型還作了以下重要的優(yōu)化和改進:
[0015]絕緣導熱塊及其正面和背面的導電導熱層以及構成電連接的導電材料為一體結構。
[0016]所述一體結構最好米用DBC結構(Direct Bonding Copper)或者DPC結構(DirectPlating Copper)。絕緣導熱塊表面和/或內部的導電導熱層可以通過鍍、覆、3D打印、物理氣相沉積(PVD)、化學氣相沉積(CVD)、物理化學氣相沉積(PCVD)、電子濺射、涂覆、噴涂、熔滲、結合化學物理拋光(CMP)、精密切割等工藝加工制成。
[0017]經(jīng)由絕緣導熱塊的表面設置的導電材料的結構形式可以分為兩大類:
[0018]1、設置于絕緣導熱塊頂部和/或絕緣導熱塊側部的覆層或者鍍層。
[0019]2、自正面的導電導熱層貫通至背面的導電導熱層的一處或多處柱形結構。
[0020]對于第二類結構，所述柱形結構優(yōu)選方柱、圓柱或者橢圓柱，或者這三種柱形中的任意組合。
[0021]考慮到適應目前常用的鍵合工藝(通常要對襯底底部進行金屬化處理)，本實用新型中絕緣導熱塊的底部宜經(jīng)金屬化處理形成有金屬薄膜，該金屬薄膜與絕緣導熱塊正面和背面的導電導熱層及其電連接結構之間保持間隔。
[0022]散熱器表面還可在襯底焊接位置對應設置有與激光器芯片方向平行的細槽以降低熱應力，細槽的寬度小于相鄰絕緣導熱塊之間的間距。
[0023]絕緣導熱塊可采用氧化鋁、氮化鋁、氧化鈹、碳化硅、金剛石或者金剛石銅復合材料;所有的導電材料可采用銅、鎢、鉬、金、銀、鋁、銅鎢、鉬銅、銅鉬銅或者金剛石銅復合材料。
[0024]本實用新型還提出一種制備上述高功率半導體激光器的方法，包括以下步驟:
[0025]I)按照同一工藝條件，批量加工權利要求1中所述的襯底；
[0026]2)將若干個激光器芯片及其襯底依次排列并鍵合在一起，制成芯片組模塊；
[0027]3)采用硬焊料將芯片組模塊鍵合在散熱器上，連接相關電極，制成傳導冷卻型高功率半導體激光器。
[0028]本實用新型具有以下特點和有益效果:
[0029]1、基于本實用新型襯底的結構，將芯片和襯底間隔排列，可一次性鍵合形成疊陣結構，鍵合效果一致性好，；能夠避免現(xiàn)有技術中芯片兩次鍵合(特別是第二次焊接)對芯片造成的損傷，可以大大降低芯片鍵合時的虛焊、空洞發(fā)生，保證每個芯片與襯底材料接觸良好，散熱均勻，最終提高激光器封裝的成品率。
[0030]2、基于本實用新型襯底的結構，可采用高熔點焊料，實現(xiàn)真正的硬焊料(無銦化)封裝，能增強產(chǎn)品的抗疲勞能力和熱穩(wěn)定性，最終提高產(chǎn)品的壽命和可靠性。
[0031]3、基于本實用新型襯底的結構，可以將所有襯底制成統(tǒng)一的標準件，克服了此前各個襯底之間的加工高度差問題，芯片組與散熱器之間的鍵合質量大大提高，加強了產(chǎn)品抗疲勞能力和穩(wěn)定性，能夠實現(xiàn)真正的硬焊料(無銦化)封裝，使產(chǎn)品更適用于高溫等復雜環(huán)境。
[0032]4、制備工藝極大簡化，封裝過程只需兩步，物料種類少，封裝夾具要求低，因此物料成本及人工成本節(jié)約顯著。
[0033]5、本實用新型的襯底自身可以利用目前成熟的加工技術一次加工成型，不用多次焊接，本身殘余應力小且一致性好;散熱器上通過刻槽，可以大大減小芯片組與散熱器之間熱膨脹系數(shù)不匹配問題影響，降低對芯片的額外受力和應力影響，可以提高產(chǎn)品的光譜、功率特性及長時間穩(wěn)定性。
[0034]6、本實用新型的襯底可進行焊料鍍膜或焊料預固定處理，能實現(xiàn)批量化、高精度、
高效率生產(chǎn)。
[0035]7、本實用新型更適合于多芯片、長腔長產(chǎn)品的封裝，能夠實現(xiàn)更高功率密度、更高峰值功率的輸出。
【附圖說明】
[0036]圖1、圖2為現(xiàn)有技術的不意圖。
[0037]圖3為本實用新型的制備工藝示意圖。
[0038]圖4為本實用新型的高功率半導體激光器封裝結構示意圖。圖中，1-襯底，2-激光器芯片，3-出光方向，4-散熱器。
[0039]圖5為本實用新型中襯底結構的第一個實施例。圖中，11-襯底本體(高導熱絕緣材料)，12-襯底上具有頂部覆/鍍層的芯片電連接結構(高導熱導電材料)，13-底部的導電導熱覆/鍍層。
[0040]圖6為本實用新型中襯底結構的第二個實施例。圖中，11-襯底本體(高導熱絕緣材料)，12-襯底上具有側部覆/鍍層的芯片電連接結構(高導熱導電材料)，13-底部的導電導熱覆/鍍層。
[0041]圖7為本實用新型中襯底結構的第三個實施例。圖中，11-襯底本體(高導熱絕緣材料)，12-襯底具有內部貫通填充的芯片電連接結構(高導熱導電材料)，13-底部的導電導熱覆/鍍層。
[0042 ]圖8-圖1O為圖7所示結構的剖面示意圖。圖中，11 -襯底本體(高導熱絕緣材料)，12-襯底具有內部貫通填充的芯片電連接結構(高導熱導電材料)，13-底部的導電導熱覆/鍍層，14-芯片電連接結構中的柱形貫通部分。
[0043]圖11為本實用新型中散熱器的優(yōu)化結構示意圖。圖中，41-散熱器本體，42-散熱器表面的細槽。
【具體實施方式】
[0044]如圖4所示，本實用新型的高功率半導體激光器主要由襯底1、激光器芯片2、散熱器4及相互焊接在一起的焊料層構成。其中，襯底I可以認為是一種絕緣高導熱材料覆(鍍)高導熱導電材料基片，分為兩類不同的結構形式:
[0045]第一種如圖5和圖6所示，襯底的主體為高導熱絕緣材料。對應于襯底上激光器芯片的鍵合區(qū)域，襯底正面和背面也均有覆(鍍)層高導熱導電材料(即這兩面的高導熱導電材料至少覆蓋激光器芯片的鍵合區(qū)域)，并通過襯底頂部和/或側部覆(鍍)層高導熱導電材料形成襯底正面與襯底背面之間的導電聯(lián)通。襯底底部有覆(鍍)層高導熱導電材料，用于與散熱器直接焊接;這部分覆(鍍)層高導熱導電材料須與前述導電聯(lián)通的覆(鍍)層高導熱導電材料隔開不相連。
[0046]第二種如圖7所示，該方案與第一種方案大體相同，不同的是:為了將襯底正面和襯底背面導電聯(lián)通，是在絕緣高導熱材料的襯底本體內部貫通設置覆(鍍)層高導熱導電材料，其貫通形狀可以是方柱孔、圓柱孔、橢圓柱孔或若干個圓柱孔、橢圓柱孔等的組合(參見圖8、圖9、圖10)。貫通填充的材料與襯底正面和襯底背面的覆(鍍)層高導熱導電材料為同種材料，一體成型。
[0047 ]本實用新型中的高導熱絕緣材料熱導率宜大于150ff/m.k，如陶瓷材料、陶瓷金屬復合材料、金剛石材料或金剛石金屬復合材料，具體可以采用氧化鋁、氮化鋁、氧化鈹、碳化硅、金剛石、金剛石銅等復合材料;覆(鍍)層高導熱導電材料的厚度宜大于12um，可以為鋁、
銅、銀、金等。
[0048]本實用新型中的激光器芯片可以是單管芯片、巴條芯片或者微型巴條芯片(多發(fā)光點芯片)，也可以是多個管芯片連接組成，或多個巴條芯片(或微型巴條芯片)串接或并接組成。
[0049]本實用新型中的散熱器為高熱率材料制成，熱導率宜大于200W/m.k;可以使用風冷、液體制冷、電制冷或其中兩種或兩種以上組合方式制冷。
[0050]如圖11所示，為了更好的消除散熱器熱脹冷縮對芯片組影響，在散熱器表面與芯片組焊接位置刻有一系列與芯片方向平行的細槽42，細槽寬度小于相鄰絕緣導熱塊之間的間距。
[0051]該尚功率半導體激光器廣品的制備方法如下:
[0052]步驟一:按照同一工藝條件，批量加工襯底;這種高導熱絕緣材料覆(鍍)高導熱導電材料基片可進行焊料鍍膜或焊料預固定處理?？勺鰡蚊婊螂p面處理，該工藝可完全批量化生產(chǎn)，保證工藝一致性。
[0053]步驟二:將多個芯片及其襯底依次間隔排列焊接在一起，制成芯片組模塊。由于采用了一次焊接的思路，可以完全避免芯片二次焊接帶來的芯片損傷和焊接不良，大大提高芯片的焊接質量、散熱效果及合格率。
[0054]步驟三:將芯片組模塊焊接在散熱器上，連接相關電極，制成傳導冷卻型高功率半導體激光器。該工藝步驟可以使用比鍵合芯片熔點稍低的焊料，避免使用軟焊料(銦，錫鉛等)，提尚廣品可靠性。
[0055]產(chǎn)品工作原理:產(chǎn)品封裝完成通電后，通過高導熱絕緣材料覆(鍍)高導熱導電材料基片(襯底)導通芯片，芯片受激發(fā)光，未轉換成光的部分熱量通過高導熱絕緣材料覆(鍍)高導熱導電材料(襯底)傳遞到散熱器上，最終由散熱器帶走。
【主權項】
1.一種高功率半導體激光器，包括散熱器和由若干個激光器芯片及其襯底構成的芯片組模塊，襯底的底部通過焊料鍵合到散熱器上，其特征在于:所述襯底的主體為絕緣導熱塊;對應于襯底上激光器芯片的鍵合區(qū)域，所述絕緣導熱塊的正面和背面均設置有導電導熱層，正面的導電導熱層與背面的導電導熱層之間經(jīng)由絕緣導熱塊的表面和/或內部貫通設置的導電材料形成電連接。2.根據(jù)權利要求1所述的高功率半導體激光器，其特征在于:絕緣導熱塊及其正面和背面的導電導熱層以及構成電連接的導電材料為一體結構。3.根據(jù)權利要求2所述的高功率半導體激光器，其特征在于:所述一體結構為DBC結構(Direct Bonding Copper)或者DPC結構(Direct Plating Copper)。4.根據(jù)權利要求1所述的高功率半導體激光器，其特征在于:經(jīng)由絕緣導熱塊的表面設置的導電材料的結構形式是:設置于絕緣導熱塊頂部和/或絕緣導熱塊側部的覆層或者鍍層。5.根據(jù)權利要求1所述的高功率半導體激光器，其特征在于:經(jīng)由絕緣導熱塊的內部貫通設置的導電材料的結構形式是:自正面的導電導熱層貫通至背面的導電導熱層的一處或多處柱形結構。6.根據(jù)權利要求5所述的高功率半導體激光器，其特征在于:所述柱形結構為方柱、圓柱或者橢圓柱，或者這三種柱形中的任意組合。7.根據(jù)權利要求1所述的高功率半導體激光器，其特征在于:所述絕緣導熱塊的底部經(jīng)金屬化處理形成有金屬薄膜，該金屬薄膜與絕緣導熱塊正面和背面的導電導熱層及其電連接結構之間保持間隔。8.根據(jù)權利要求1所述的高功率半導體激光器，其特征在于:所述散熱器表面在襯底焊接位置對應設置有與激光器芯片方向平行的細槽以降低熱應力，細槽的寬度小于相鄰絕緣導熱塊之間的間距。
【文檔編號】H01S5/02GK205543689SQ201620222941
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年3月22日
【發(fā)明人】劉興勝, 盧棟, 王警衛(wèi), 楊艷
【申請人】西安炬光科技股份有限公司