CN106684707A - 一种粘接型半导体激光器叠阵及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种粘接型半导体激光器叠阵的封装结构及其制备方法，该封装结构包括多个激光芯片与其对应的导电衬底排列形成的芯片模块，安装块以及基础热沉；安装块设置于芯片模块的两端，芯片模块与安装块之间，和/或安装块与基础热沉之间，和/或芯片模块与基础热沉之间采用粘胶进行粘接。本发明封装温度较低，不会对芯片造成高温损伤，并且可通过多种方法除去粘胶，实现叠阵中芯片单元的无损拆装，且具有较小的体积。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体激光器，具体为粘接型半导体激光器叠阵的封装结构及其制备方法。
背景技术
现有的高功率半导体激光器叠阵的封装结构中，激光芯片、导电衬底、绝缘衬底与热沉之间均采用相互键合的工艺，一个芯片烧坏，整个叠阵均会失效；并且该结构的半导体激光器后期维护复杂，在长期使用中单个芯片的故障难以单独维修和更换，拆装会导致激光芯片的损伤和失效，进而影响整个半导体激光器的可靠性。
中国专利ZL201410528287.5中公开了一种机械连接的半导体激光器叠阵，通过螺丝来实现叠阵的安装，但是这种机械方式往往体积较大，在一些应用领域受到限制。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明提出一种粘接型半导体激光器叠阵，实现了高功率半导体激光器中芯片单元的无损拆装。具体的技术方案为：
一种粘接型半导体激光器叠阵，包括多个激光芯片与其对应的导电衬底排列形成的芯片模块，安装块以及基础热沉；所述安装块设置于芯片模块的两端，所述导电衬底设置于基础热沉上且与基础热沉绝缘，所述芯片模块与安装块之间，和/或安装块与基础热沉之间，和/或芯片模块与基础热沉之间采用粘胶进行粘接。
所述芯片模块具体结构为激光芯片与导电衬底通过导电胶粘接固定排列形成；或者芯片模块具体结构为激光芯片与导电衬底在安装块的压力下固定排列形成；或者芯片模块包括多个芯片单元，芯片单元具体为激光芯片及与其键合的导电衬底，或者芯片单元具体为激光芯片及与其键合的导电衬底且导电衬底底部设置有绝缘层用于使导电衬底与基础热沉绝缘。
所述导电衬底底部，或者安装块底部，或者基础热沉上，或者绝缘层底部开有凹槽，用于预置粘胶。所述凹槽分为凹槽区和凸起区，凹槽区用于预置粘胶，凸起区放置高导热层。
所述高导热层为导热硅脂，或者导热硅胶片，或者金属薄片，或者焊料片，或者碳纳米薄膜。
所述的粘胶为热固性胶粘剂、或者热塑性胶粘剂、或者光学胶、或者瞬间胶、或者导热胶、或者导电胶。所述热固性胶为环氧树脂类胶，或者酚醛树脂类胶，或者聚氨酯类胶；所述热塑性胶为烯类聚合物；所述光学胶为UV胶。
一种粘接型半导体激光器叠阵的制备方法，其特征在于，包括以下几个步骤：
1）将多个激光芯片与其对应的导电衬底排列成芯片模块，在芯片模块的导电衬底、和/或基础热沉、和/或安装块上预置粘胶，且导电衬底与基础热沉之间绝缘；
2）将芯片模块与安装块、基础热沉通过预紧夹具压紧连接，并在第1）步预置粘胶的区域进行粘接；
3）胶固化处理，具体通过加热、光照、常温放置实现固化；
4) 待胶固化后去除预紧夹具。
所述的粘胶为热固性胶粘剂、或者热塑性胶粘剂、或者光学胶、或者瞬间胶、或者导热胶。所述导电衬底底部，或者安装块底部，或者基础热沉上开有凹槽，用于预置粘胶。
本发明具有以下优点：
1）激光芯片承受应力小，良率提升。现有产品中芯片承受双面键合应力，芯片易于出现破损，封装过程中有一定良率损失。本发明采用粘胶，芯片出现破损机率降低，良率较高；此外，本发明的粘胶型半导体激光器叠阵相比螺丝机械连接方式具有更小的体积。
2）本发明采用粘胶来封装半导体激光器叠阵，封装温度较低，不会对芯片造成高温损伤，并且可通过加热、浸泡或者脱胶剂等除去粘胶，实现叠阵中芯片单元的无损拆装。
附图说明
图1为本发明粘接型半导体激光器叠阵的结构示意图。
图2 为本发明粘接型半导体激光器叠阵的实施例二。
图3a-3e 为导电衬底底部凹槽的结构示意。
图4a-4b 为基础热沉上的凹槽结构示意。
附图标号说明：1-安装块，2-激光芯片3-导电衬底，4-粘胶区B，5-粘胶区C，6-粘胶区A，7-基础热沉，8-连接部件，9-绝缘层，10为连接部件与安装块之间的粘胶区，11-凹槽。
具体实施方式
图1为本发明粘接型半导体激光器叠阵的结构示意图，包括多个激光芯片2与其对应的导电衬底3排列形成的芯片模块、安装块1和基础热沉7。所述安装块设置于芯片模块的两端，所述导电衬底设置于基础热沉上且与基础热沉绝缘。
所述芯片模块具体结构可以分为以下几种形式：
1. 激光芯片与导电衬底通过导电胶粘接固定排列形成；
2.芯片模块为激光芯片与导电衬底在安装块的压力下固定排列形成；
3. 芯片模块包括多个芯片单元，芯片单元具体为激光芯片及与其键合的导电衬底，或者芯片单元具体为激光芯片及与其键合的导电衬底且导电衬底底部设置有绝缘层用于使导电衬底与基础热沉绝缘。
本发明粘接型半导体激光器叠阵具体的制备过程为：将多个激光芯片与其对应的导电衬底排列成芯片模块，选择性的在芯片模块的导电衬底、基础热沉、安装块上预置粘胶；在预紧夹具的作用下，芯片模块、安装块1、基础热沉压紧在一起，在如下3处粘胶区选择性通过粘胶固定：粘胶区A 6（芯片单元与安装块之间）、粘胶区B 4（安装块与基础热沉之间）和粘胶区C 5（芯片单元与基础热沉之间）为3处可选的粘胶区域，待粘胶固化后去除预紧夹具。
粘胶区可使用的胶类型包括：热固性胶粘剂、热塑性胶粘剂、光学胶、瞬间胶、导热胶与导电胶，且前述粘胶在经其失效处理后可去除。前述失效处理包括加热，水煮，水蒸汽熏，丙酮或乙醇浸泡，或者长时间水浸泡等，必要时可采用溶解剂将处理后的胶去除。
需要拆解半导体激光器叠阵时，只需要根据选用粘胶的失效条件进行相应处理，粘胶分解，而后使用溶解剂将残胶清洗干净，即可实现无损拆装。所述热固性胶可以选择环氧树脂类胶或者酚醛树脂类胶或者聚氨酯类胶；所述热塑性胶可以选择烯类聚合物；所述光学胶优选UV胶。需要说明是，导电胶优选用于粘胶区A 6 ，若粘胶区B 4或者粘接区C 5使用导电胶粘接时，应注意在导电衬底与基础热沉之间增加绝缘层，以防止激光芯片短路。
举例说明前述的粘接方式：可以在粘胶区A 6和粘胶区B 4上预置粘胶，将芯片模块与安装块1、基础热沉7通过预紧夹具压紧连接，粘接区C 5可以不需要粘接，仅靠压力连接；进一步的，可以在粘接区C 5 预置导热层，优选金属导热层（比如焊料片）或者碳纳米管薄膜 ，以增强导电衬底与基础热沉之间的热传导性能。
因此上述3个粘胶区可以选择性的选其一，或者其二，或者全部进行粘接，选其一粘胶区进行粘接时，为了保证半导体激光器叠阵的可靠性，可以在其他粘接区进行键合，比如仅对粘胶区C 5进行粘接时，可以将安装块1键合至基础热沉7，拆解时，由于导电衬底仅采用粘接方式，仍可以无损拆装；又比如仅对粘胶区B 4进行粘接，在预紧夹具的作用下，芯片模块和安装块1通过压力已经压紧，因此无需在其他位置再进行粘接。
为了对上述方案进行优化，可以在芯片模块的导电衬底3底部开凹槽11（参考图3a的结构），或者在安装块底部设置凹槽，或者在基础热沉表面开与导电衬底或者安装块匹配的凹槽11（参考图4a-4b），用于预置粘胶，避免无凹槽结构中粘胶溢出问题。如图4a所示，凹槽11一一对应于导电衬底或者安装块的底部；如图4b，为基础热沉的俯视图，凹槽11设置于基础热沉的2个边沿处（此时也可以视为边沿处为台阶结构），芯片单元粘接于基础热沉，具体粘接位置为芯片单元的两端。此种结构优选光学胶，从基础热沉2个侧面可以直接进行光照。此外，对于导电衬底底部设置有绝缘层的结构，如图3b，凹槽设置于绝缘层下方。
进一步的，为了优化散热效果，芯片单元的导电衬底3底部的凹槽可以设置为如图3c-3e中的结构类型，具体为图3c中条形间隔凹槽11，也可以为图3d贯通导电衬底底部的长方形凹槽11，也可以为图3e中间隔排列的圆形凹槽11。凹槽11内预置粘胶，凹槽外的凸起部分（图3c-3e中的空白区域）放置高导热层，以增加导电衬底3至基础热沉7的导热性能，高导热层具体优选导热硅脂，或者导热硅胶片，或者金属薄片，或者焊料片（不进行键合，仅作增加散热效果之用），或者碳纳米薄膜。
由于粘胶自身的热导性能相比导电衬底以及传统的键合材料差，因此在保证粘接强度的情况下，余下面积应尽量增大。在此基础上， 粘胶区A6或者C 5可以不粘接，进一步的，此处增加高导热层以增加热传导效果。
图2为本发明的实施例二，视为在粘胶区A 6进行粘接的一种具体实施方式。安装块1与芯片模块之间还设置有连接部件8，安装块的其中之一朝向芯片模块的方向为斜面（以下称为斜面安装块），通过连接部件所施加的压力可以压紧芯片模块与安装块，实现叠阵的连接。此方案中，安装块须与基础热沉固定，安装块与基础热沉之间的固定可以通过在粘胶区B 4进行粘接，也可以将安装块直接键合于基础热沉上，二者也可以为一体。
连接部件8与斜面安装块1通过粘胶区10粘接，粘接可选光学胶（具体为UV胶）此时连接部件采用可透过UV光的材料，具体为透明玻璃或者透明塑料，比如K9玻璃等。此外，与斜面安装块对应的另一安装块与芯片模块之间也可以使用粘胶粘接，或者仅靠压力连接。
在需要拆卸半导体激光器叠阵的情况，仅需对叠阵做相应的温度处理（低于-60℃或者高于150℃），可分解UV胶，实现激光芯片模块的无损拆装。
所述基础热沉7可以为导电材料，也可以为绝缘材料；如果基础热沉为导电材料，可以在导电衬底与基础热沉之间增加绝缘层9，用于芯片模块与基础热沉的绝缘。
Claims (10)
1.一种粘接型半导体激光器叠阵，包括多个激光芯片与其对应的导电衬底排列形成的芯片模块，安装块以及基础热沉；所述安装块设置于芯片模块的两端，所述导电衬底设置于基础热沉上且与基础热沉绝缘，其特征在于：所述芯片模块与安装块之间，和/或安装块与基础热沉之间，和/或芯片模块与基础热沉之间采用粘胶进行粘接。
2.根据权利要求1所述的粘接型半导体激光器叠阵，其特征在于：所述芯片模块具体结构为激光芯片与导电衬底通过导电胶粘接固定排列形成；
或者芯片模块具体结构为激光芯片与导电衬底在安装块的压力下固定排列形成；
或者芯片模块包括多个芯片单元，芯片单元具体为激光芯片及与其键合的导电衬底，或者芯片单元具体为激光芯片及与其键合的导电衬底且导电衬底底部设置有绝缘层用于使导电衬底与基础热沉绝缘。
3.根据权利要求2所述的粘接型半导体激光器叠阵，其特征在于：所述导电衬底底部，或者安装块底部，或者基础热沉上，或者绝缘层底部开有凹槽，用于预置粘胶。
4.根据权利要求3所述的粘接型半导体激光器叠阵，其特征在于：所述凹槽分为凹槽区和凸起区，凹槽区用于预置粘胶，凸起区放置高导热层。
5.根据权利要求4所述的粘接型半导体激光器叠阵，其特征在于：所述高导热层为导热硅脂，或者导热硅胶片，或者金属薄片，或者焊料片，或者碳纳米薄膜。
6.根据权利要求1-5之一所述的粘接型半导体激光器叠阵，其特征在于：所述的粘胶为热固性胶粘剂、或者热塑性胶粘剂、或者光学胶、或者瞬间胶、或者导热胶、或者导电胶。
7.根据权利要求6所述的粘接型半导体激光器叠阵，其特征在于：所述热固性胶为环氧树脂类胶，或者酚醛树脂类胶，或者聚氨酯类胶；所述热塑性胶为烯类聚合物；所述光学胶为UV胶。
8.一种粘接型半导体激光器叠阵的制备方法，其特征在于，包括以下几个步骤：
1）将多个激光芯片与其对应的导电衬底排列成芯片模块，在芯片模块的导电衬底、和/或基础热沉、和/或安装块上预置粘胶，且导电衬底与基础热沉之间绝缘；
2）将芯片模块与安装块、基础热沉通过预紧夹具压紧连接，并在第1）步预置粘胶的区域进行粘接；
3）胶固化处理，具体通过加热、光照、常温放置实现固化；
4) 待胶固化后去除预紧夹具。
9.根据权利要求8所述的粘接型半导体激光器叠阵的制备方法，其特征在于: 所述的粘胶为热固性胶粘剂、或者热塑性胶粘剂、或者光学胶、或者瞬间胶、或者导热胶。
10.根据权利要求8所述的粘接型半导体激光器叠阵的制备方法，其特征在于: 所述导电衬底底部，或者安装块底部，或者基础热沉上开有凹槽，用于预置粘胶。
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