CN104269735A - 一种机械连接传导冷却型半导体激光器叠阵封装结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种机械连接式的传导冷却半导体激光器叠阵封装结构，以提高产品的可靠性和工作寿命。本发明在绝缘结构上，激光器叠阵居中，正极连接块和负极连接块分列激光器叠阵的两侧；正极连接块和负极连接块分别通过紧固螺钉斜向下穿过所述绝缘结构与基础热沉连接固定；正极连接块和负极连接块相向的内侧面均为斜面，两个斜面整体呈向下合拢状，整个激光器叠阵的两端外侧面也为斜面，分别与所述两个斜面相适配，以满足在紧固螺钉斜向下的旋紧作用下所有芯片模块整体上被正极连接块和负极连接块同时向中间和向下紧压，最终实现机械连接式的传导冷却型半导体激光器叠阵封装结构。
Description
技术领域
本发明属于半导体激光器封装领域，涉及一种传导冷却型半导体激光器叠阵封装结构。
背景技术
目前，现有的半导体激光器封装普遍是将激光器芯片焊接在热沉上，对于电极连接块也同样采用焊料将其焊接在热沉上，这种方法封装的半导体激光器，若激光器芯片损坏或者电极连接块损坏，则整个半导体激光器器件将不能再使用，同时对于电极连接块或者激光器芯片不可更换。此外零部件较多，制备工艺难度大，成品率低下，也导致产品的可靠性和长期寿命相对较低。
对于传导冷却型大功率半导体激光器阵列和液体制冷水平阵列大功率半导体激光器阵列(一种大功率半导体激光器，中国实用新型专利，公开号CN101071933，公开日期2007年11月14日)，由于水平阵列结构是由多个巴条焊接在一起的，一旦一个巴条烧毁、短路或者不能正常工作就直接影响到整个激光器的输出功率和输出光束，因此不能够替换。同时，阵列中未损坏的巴条也会随之浪费掉，因此，制造成本非常高。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明提供一种机械连接式的传导冷却半导体激光器叠阵封装结构，以提高产品的可靠性和工作寿命。
本发明的解决方案如下：
一种机械连接传导冷却型半导体激光器叠阵封装结构，包括基础热沉、正极连接块、负极连接块和主要由多个芯片模块构成的激光器叠阵，正极连接块、激光器叠阵和负极连接块经绝缘结构安装于基础热沉上，其中激光器叠阵处的绝缘结构还具有导热和应力缓释性能；所述芯片模块包括衬底和与衬底焊接的激光芯片，芯片模块的两侧分别设置为正极和负极；其特殊之处在于：
在绝缘结构上，激光器叠阵居中，正极连接块和负极连接块分列激光器叠阵的两侧；正极连接块和负极连接块分别通过紧固螺钉斜向下穿过所述绝缘结构与基础热沉连接固定；正极连接块和负极连接块相向的内侧面均为斜面，两个斜面整体呈向下合拢状，整个激光器叠阵的两端外侧面也为斜面，分别与所述两个斜面相适配，以满足在紧固螺钉斜向下的旋紧作用下所有芯片模块整体上被正极连接块和负极连接块同时向中间和向下紧压，最终实现机械连接式的传导冷却型半导体激光器叠阵封装结构。
基于以上基本解决方案，本发明还作了如下优化设计：
上述基础热沉整体为凸型结构，正极连接块、负极连接块经相应的绝缘片分别安装于凸型结构两翼的台阶上，所有芯片模块通过具有导热和应力缓释性能的绝缘结构安装于所述凸型结构中部的凸台上。
在这种凸型结构平台上，前述“绝缘结构”相当于分为三个区域，其中：对应于正极连接块、负极连接块的区域即为绝缘片，该绝缘片可以不具备导热、应力缓释性能；对应于激光器叠阵的区域，所谓的“具有导热和应力缓释性能的绝缘结构”实际可以是兼具导热和绝缘性能的应力缓释层，也可以是多层组合，只要能够整体上对外体现导热、绝缘以及应力缓释的作用。
当然，基础热沉除了上述凸型结构外，也可以有其他的形状。比如，基础热沉具有一整块的安装平面，上述绝缘结构也可以是一体件或者水平拼接的组件，只要对应于激光器叠阵的部位具有导热和应力缓释性能即可。
上述每个芯片模块的衬底底部均焊接有微热沉，所有芯片模块整体通过具有导热性能的应力缓释层安装于所述凸型结构中部的凸台上，微热沉和应力缓释层中至少有一个为绝缘材料。
在产业上，我们可以制备这样的焊接有激光芯片和微热沉的衬底，作为一个整体的芯片模块；这里，我们也可以将微热沉视为所述绝缘结构的一个组件，即绝缘结构分为三个区域，对应于激光器叠阵的这一区域包括具有导热性能的应力缓释层和与各个芯片模块一一对应的多个微热沉，微热沉和应力缓释层任一具有绝缘性能即可保证基础热沉不导电。
上述绝缘片采用金刚石或陶瓷。
上述应力缓释层采用铟薄膜或导热硅脂，所述微热沉采用陶瓷材料、金刚石、铜或者铜金刚石复合材料。
上述激光器叠阵中相邻芯片模块之间设置有导电的应力缓释膜。
上述导电的应力缓释膜优选铟薄膜或石墨膜。
考虑到元部件的加工方便和组装结构的简明特点，对于激光器叠阵与其两端电极连接块的接触结构，可以优化设计如下：作为激光器叠阵两个端部的部件，其中一个部件是属于芯片模块的衬底，另一个部件是(不带有激光芯片的)单独的衬底。
由于需要在这两个衬底上形成斜面，这两个衬底一般稍厚一些。考虑到所需激光芯片的数量、加工工艺等其他条件，作为激光器叠阵两个端部的部件也可以采用其他属性的部件，例如两端均为单独的衬底，或者是其他称谓的具有导电导热性能的部件。
作为正极连接块内侧面的斜面与作为负极连接块内侧面的斜面最好相互对称。
上述基础热沉采用铜、铜钨或铜金刚石复合材料。
本发明所说的具有导热和应力缓释性能，在产业上一般是导热率大于150W/mK，应力缓释热膨胀系数3.5-8*10-6/K，如果采用单一部件实现，可考虑陶瓷，铜钨等，或者在陶瓷或金刚石上镀覆一层与芯片热膨胀系数匹配的材料，镀覆的材料可以是铜、铜钨。
本发明有益效果：
1、基于单个激光芯片贴片在高导电高导热carrier和高导热绝缘层模块(COC—Chip onCarrier)的基本单元结构，采用灵活的机械连接组装方式，尽可能减少了焊接部位，便于芯片模块的拆装和更换，提高了产品的使用效率和工作寿命。该基本单元结构可以进行单独的测试和老化，再经筛选，组装在一起可以实现激光器叠阵中多个的发光单元的一致性。
2、加工工艺简单，仅需要做出激光芯片模块，再与基础热沉材料组装在一起即可，工艺简单，操作便捷。
3、这种可替换的机械连接结构，消除了现有结构导热陶瓷和两边的电极绝缘在垂直方向上的尺寸差异，因此可在测试和安装该产品时，降低热沉材料(陶瓷材料)碎裂的风险。整体的热沉材料也会避免现有结构导热陶瓷和两边的电极绝缘在垂直方向上的尺寸公差带来的组装问题。另外，还避免了引出电极外形结构复杂，加工难度大的问题，而且也避免了由于尺寸公差的问题导致引出电极和底部导热陶瓷之间出现焊接空洞的问题。
4、采用本发明的结构，对半导体激光器叠阵可进行无铟化封装，提高了产品的可靠性、储存时间和工作寿命。
5、多个激光芯片处于同一水平安装位置，经具有应力缓释作用的导电膜将多个芯片模块紧压在一起，能够保持多个发光区在同一个平面内。
附图说明
图1为机械连接式传导冷却半导体激光器叠阵。
图2为机械连接式传导冷却半导体激光器叠阵拆解图。
图3为芯片模块示意图。
1为基础热沉；2为正极连接块；3为负极连接块；4为绝缘片；5为绝缘结构；6为微热沉；7为衬底；8为导电的应力缓释膜；9为激光芯片；10为固定孔。
具体实施方式
以下实施例为本发明的最佳实施例，但本领域技术人员通过阅读前述解决方案，应当知晓，该实施例并非对本发明的限制。
本实施例的传导冷却型半导体激光器叠阵，如图1和图2所示包括基础热沉1、正极连接块2、负极连接块3(压接部位为楔形)和主要由多个芯片模块构成的激光器叠阵。正极连接块2和负极连接块3经绝缘片4安装于基础热沉上，激光器叠阵经绝缘结构5安装于基础热沉上，其中激光器叠阵处的绝缘结构5还具有导热和应力缓释性能；芯片模块主要包括衬底7和与衬底焊接的激光芯片9，芯片模块的两侧分别设置为正极和负极；激光器叠阵由多个芯片模块排列而成，每一个芯片模块的激光芯片9焊接在衬底7的侧面。
在绝缘片4和绝缘结构5整体的上方，激光器叠阵居中，正极连接块2和负极连接块3分列激光器叠阵的两侧；正极连接块2和负极连接块3分别通过紧固螺钉11斜向下穿过所述绝缘结构4与基础热沉1连接固定；激光器叠阵的两端与正极连接块2、负极连接块3的接触面均为斜面，两个斜面整体呈向下合拢状。紧固螺钉11(向中间方向)斜向下安装，倾斜角度可以是45°，依次穿过正极连接块2、负极连接块3、绝缘片4和基础热沉1，完成连接固定，并起到对激光器叠阵的压紧作用，该压紧作用在水平方向使得无需焊接即可将所有芯片模块稳定地组成激光器叠阵，同时将激光器叠阵压紧在应力缓释层上(亦避免了焊接结构)，最终实现机械连接式的传导冷却型半导体激光器叠阵封装结构。
如图1和图2所示基础热沉1为凸型结构，为高导热材料，可以选用铜、铜钨合金材料或铜金刚石复合材料。
在基础热沉1凸型结构“凸”台两侧的台阶处分别设置正极连接块2和负极连接块3，正极连接块2和负极连接块3的一个内侧面分别与激光器叠阵的两极(两端)连接。在“凸”台两侧的台阶处正极连接块2和负极连接块3之间分别设置有绝缘片4；绝缘片4亦为导热材料，可选用金刚石，陶瓷，主要是为了防止热沉带电。
如图3所示每个芯片模块的衬底7底部均焊接有微热沉6，所有芯片模块整体通过具有导热性能的应力缓释层安装于所述凸型结构中部的凸台上，微热沉为高导热材料，可选用绝缘的陶瓷材料、金刚石，也可选用导电的材料，如铜，铜钨合金材料或铜金刚石复合材料，应力缓释层采用铟薄膜或导热硅脂。微热沉6和应力缓释层中至少有一个为绝缘材料，以保证热沉不导电，提高整个器件的安全性能。
如图2所示相邻芯片模块之间设置有导电的应力缓释膜8，导电的应力缓释膜8主要是为了使多个激光芯片之间导电联通，同时实现芯片模块的可拆卸功能，若其中一个芯片模块损伤，可拆卸替换。该导电的应力缓释膜可以选用铟薄膜或石墨膜。
如图1和图2所示机械连接式半导体激光器设置有两个固定孔10，在半导体激光器作为泵浦源或者其他用途时起到固定的作用。
Claims (10)
1.一种机械连接传导冷却型半导体激光器叠阵封装结构，包括基础热沉、正极连接块、负极连接块和主要由多个芯片模块构成的激光器叠阵，正极连接块、激光器叠阵和负极连接块经绝缘结构安装于基础热沉上，其中激光器叠阵处的绝缘结构还具有导热和应力缓释性能；所述芯片模块包括衬底和与衬底焊接的激光芯片，芯片模块的两侧分别设置为正极和负极；
其特征在于：
在绝缘结构上，激光器叠阵居中，正极连接块和负极连接块分列激光器叠阵的两侧；正极连接块和负极连接块分别通过紧固螺钉斜向下穿过所述绝缘结构与基础热沉连接固定；正极连接块和负极连接块相向的内侧面均为斜面，两个斜面整体呈向下合拢状，整个激光器叠阵的两端外侧面也为斜面，分别与所述两个斜面相适配，以满足在紧固螺钉斜向下的旋紧作用下所有芯片模块整体上被正极连接块和负极连接块同时向中间和向下紧压，最终实现机械连接式的传导冷却型半导体激光器叠阵封装结构。
2.根据权利要求1所述的机械连接传导冷却型半导体激光器叠阵封装结构，其特征在于：所述基础热沉整体为凸型结构，正极连接块、负极连接块经相应的绝缘片分别安装于凸型结构两翼的台阶上，所有芯片模块通过具有导热和应力缓释性能的绝缘结构安装于所述凸型结构中部的凸台上。
3.根据权利要求2所述的机械连接传导冷却型半导体激光器叠阵封装结构，其特征在于：每个芯片模块的衬底底部均焊接有微热沉，所有芯片模块整体通过具有导热性能的应力缓释层安装于所述凸型结构中部的凸台上，微热沉和应力缓释层中至少有一个为绝缘材料。
4.根据权利要求3所述的机械连接传导冷却型半导体激光器叠阵封装结构，其特征在于：所述绝缘片采用金刚石或陶瓷。
5.根据权利要求3所述的机械连接传导冷却型半导体激光器叠阵封装结构，其特征在于：所述应力缓释层采用铟薄膜或导热硅脂或石墨膜，所述微热沉采用陶瓷材料、金刚石、铜或者铜金刚石复合材料。
6.根据权利要求1至5任一所述的机械连接传导冷却型半导体激光器叠阵封装结构，其特征在于：相邻芯片模块之间设置有导电的应力缓释膜。
7.根据权利要求6所述的机械连接传导冷却型半导体激光器叠阵封装结构，其特征在于：所述导电的应力缓释膜采用石墨膜或铟薄膜。
8.根据权利要求6所述的机械连接传导冷却型半导体激光器叠阵封装结构，其特征在于：作为激光器叠阵两个端部的部件，其中一个部件是属于芯片模块的衬底，另一个部件是单独的衬底。
9.根据权利要求6所述的机械连接传导冷却型半导体激光器叠阵封装结构，其特征在于：作为正极连接块内侧面的斜面与作为负极连接块内侧面的斜面相互对称。
10.根据权利要求6所述的机械连接传导冷却型半导体激光器叠阵封装结构，其特征在于：所述基础热沉采用铜、铜钨或铜金刚石复合材料。
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