CN106785920B - 一种机械连接型的半导体激光器叠阵 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种机械连接型的半导体激光器叠阵，由多个半导体激光器单元构成，所述半导体激光器单元设置有凸起部和凹槽部，且凸起部与凹槽部相互匹配，使得相邻的半导体激光器单元的凸起部和凹槽部以插接方式连接形成叠阵结构。本发明的半导体激光器单元采用过盈配合的插接方式进行组装，不但可以实现半导体激光器单元的无损拆装，并且可实现较小的体积，利于产品散热。

Description

一种机械连接型的半导体激光器叠阵

技术领域

本发明涉及一种半导体激光器，具体为机械连接型的半导体激光器叠阵的封装结构。

背景技术

图1为现有的一种高功率半导体激光器叠阵的封装结构：多个激光芯片1和多个散热导电衬底2键合为一个巴条组后，整体键合在绝缘结构4上，然后再将该模组键合在热沉上；或者激光芯片键合到导电衬底形成一个发光单元，多个发光单元再依次键合到绝缘衬底及热沉上。

上述封装结构的半导体激光器叠阵结构中，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，进而影响整个半导体激光器的可靠性。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明提出一种机械连接型的半导体激光器叠阵。

本发明的技术方案如下：

一种机械连接型的半导体激光器叠阵，包括多个半导体激光器单元，其特征在于：所述半导体激光器单元设置有凸起部和凹槽部，且凸起部与凹槽部相互匹配，使得相邻的半导体激光器单元的凸起部和凹槽部以插接方式连接形成叠阵结构。

所述半导体激光器单元结构分为以下两种：

1）半导体激光器单元包括导电衬底和与导电衬底键合的激光芯片；所述凸起部和凹槽部分别设置于导电衬底的两个侧面，且凸起部与相邻半导体激光器单元的凹槽部插接处绝缘。

所述凸起部外部包裹绝缘套管。

2）所述半导体激光器单元包括导电衬底，与导电衬底键合的激光芯片以及热沉块；导电衬底设置于热沉块上且导电衬底与热沉块之间绝缘；前述凸起部和凹槽部分别设置于热沉块上对应于导电衬底安装面的两个侧面，使得相邻的半导体激光器单元热沉块的凸起部和凹槽部以插接方式连接并形成叠阵结构。

所述半导体激光器单元还包括正极连接片、负极连接片和绝缘缓冲块，用于相邻半导体激光器单元之间的电连接；所述正极连接片键合于导电衬底上，或者正极连接片与导电衬底为一体结构，所述负极连接片键合于激光芯片上并与相邻的半导体激光器单元的正极连接片连接；所述绝缘缓冲块设置于负极连接片与该半导体激光器单元的导电衬底之间，且厚度大于激光芯片的厚度。

所述凸起部为中空结构，作为所述叠阵结构液体制冷通道。

所述的导电衬底或者热沉块为梯形，使得多个半导体激光器单元依次以相互插接方式组装后形成圆环型或半圆形阵列，所述多个半导体激光器单元发出的激光光束有共同的会聚区域。

所述凸起部为销钉，所述凹槽部为销孔；或者所述凹槽部为燕尾槽，凸起部为与燕尾槽匹配的结构。

以下为本发明的另一种一种机械连接型的半导体激光器叠阵，包括以插接形式安装进热沉块中多个半导体激光器单元，其中，半导体激光器单元包括导电衬底以及键合于导电衬底上的激光芯片；所述半导体激光器单元底部设置有凸起部，所述热沉块上设置有与前述凸起部匹配的凹槽部，使得多个半导体激光器单元插接安装至热沉块形成叠阵，所述导电衬底与热沉块之间绝缘。

所述热沉块为绝缘材料，前述凸起部设置于导电衬底底部；或者所述热沉块为导电材料，半导体激光器单元还包括设置于导电衬底底部的绝缘结构，绝缘结构底部设置有凸起部或者绝缘结构自身作为凸起部。

所述多个半导体激光器单元紧密连接，其凸起部构成一个整体，所述热沉块仅设置有一个凹槽部，前述凸起部作为整体插接安装在热沉块上；或者所述热沉块设置有与半导体激光器单元数目相等的凹槽部，所述多个半导体激光器单元一一插接至热沉块并紧密连接。

所述半导体激光器单元还包括正极连接片、负极连接片和绝缘缓冲块，用于相邻半导体激光器单元之间的电连接；所述正极连接片键合于导电衬底上，或者正极连接片与导电衬底为一体结构，所述负极连接片键合于激光芯片上并与相邻的半导体激光器单元的正极连接片连接；所述绝缘缓冲块设置于负极连接片与该半导体激光器单元的导电衬底之间，且厚度大于激光芯片的厚度。

所述导电衬底对应于热沉块安装方向的两个侧面分别设置有第二凸起部和第二凹槽部，且第二凸起部与第二凹槽部相互匹配，使得多个半导体激光器单元插接安装至热沉块时，相邻半导体激光器单元之间以插接形式得以紧密固定，且第二凸起部与相邻半导体激光器单元的第二凹槽部插接处绝缘。

本发明具有以下优点：

1）半导体激光器单元可以实现独立测试、筛选、老化，提高了产品组装后的合格率；相邻半导体激光器单元通过插接这种机械连接方式连接，在使用中以及后期维护中可以对单个半导体激光器单元进行拆装替换，不会对激光芯片造成损坏。

2）本发明的插接方式可采用过盈配合或燕尾槽的形式，具体可采用销钉和销孔的结构，可实现较小的体积，并且空隙小，利于产品散热。

3）本发明可组装成任意长度的半导体激光器，从而实现长发光区半导体激光器的组装，具有更高的灵活性。

附图说明

图1为现有的封装形式。

图2和图3分别为本发明的实施例一的半导体激光器单元和对应的叠阵结构。

图4和图5分别为本发明的实施例二所对应的半导体激光器单元和对应的叠阵结构示意图。

图6为实施例二的半导体激光器单元的结构拆解视图。

图7为实施例二的结构图。

图8为本发明的实施例三。

图9为本发明的实施例四所对应的半导体激光器单元。

图10为本发明的实施例四的结构示意图。

图11和图12分别为实施例五和实施例五的替代方案。

图13和图14分别为实施例五优化结构的半导体激光器单元和相应的叠阵结构。

附图标号说明：1-激光芯片，2-导电衬底，3-热沉块，4-绝缘结构，5-凸起部，6-凹槽部，7-绝缘缓冲块，8-负极连接片，9-正极连接片，10-通水块，11-通水孔，12-绝缘层，13-绝缘套管，201-导电衬底的导电层，202-导电衬底的绝缘基底。

具体实施方式

图2和图3分别为本发明的实施例一，以及该实施例所对应的半导体激光器单元。图2中的半导体激光器单元包括导电衬底2，与导电衬底键合的激光芯片1，以及热沉块3；导电衬底2设置于热沉块3上且导电衬底2与热沉块3之间绝缘，当热沉块选用导电材料（比如铜、铜钨等）时，导电衬底2与热沉块3之间设置有绝缘结构4，具体而言，导电衬底2为铜钨等金属材料，绝缘结构4为氮化铝陶瓷或者覆在导电衬底2底部的绝缘薄膜,；当热沉块选用绝缘材料（比如陶瓷）时，前述绝缘结构4可省去。

上述热沉块3的两个侧面（对应于用于安装导电衬底2的安装面）分别设置有凸起部5和凹槽部6，且凸起部与凹槽部相互匹配，使得相邻的半导体激光器单元热沉块的凸起部和凹槽部以插接方式连接并形成叠阵结构。

上述热沉块的凸起部和凹槽部具体可以为销钉和销孔，或者燕尾槽以及匹配的凸起部，以过盈配合方式机械连接在一起。

图5和图4分别为本发明的实施例二，以及该实施例所对应的半导体激光器单元，实施例二实现了对实施例一在电连接结构和性能上的优化。图4中的半导体激光器单元还包括正极连接片9、负极连接片8和绝缘缓冲块7， 所述正极连接片9键合于导电衬底2上；为了实现更为简单的结构，可以将正极连接片9与导电衬底2形成一体结构。所述负极连接片8键合于激光芯片1上并与相邻的半导体激光器单元的正极连接片连接。

所述绝缘缓冲块7厚度大于激光芯片的厚度，设置于负极连接片8与该半导体激光器单元的导电衬底2之间，或者设置于负极连接片8与该半导体激光器单元的绝缘结构4之间。绝缘缓冲块7安装固定后，其安装边沿超出热沉块3的边沿，使得相邻半导体激光器单元以插接方式连接后对绝缘缓冲块施加了压力并至绝缘缓冲块7产生弹性形变，保证负极连接片8与相邻半导体激光器单元的正极连接片紧密连接。

为了匹配绝缘缓冲块的形状，负极连接片8包括平直区域和弯折区域，平直区域对应激光芯片的键合区域，弯折区域对应绝缘缓冲块的安装区。

需要说明的是负极连接片8、正极连接片9均与热沉块3绝缘，具体实现方式表现为负极连接片8、正极连接片9均与热沉块3保持绝缘的安全间距，或者在热沉块3的安装面上覆绝缘膜，优化绝缘效果。

图6为图4半导体激光器单元的结构拆解视图，图7为图5中实施例二的结构拆解图，为了提高半导体激光器叠阵的散热效率，可以在热沉块中设置液体制冷通道，进一步的，可以将凸起部设置为中空结构，作为液体制冷通道。图7中半导体激光器叠阵的两侧设置有通水块10，通水块设置有与液体制冷通道连通的通水孔11，用于外接液体制冷设备。

构成叠阵结构的半导体激光器单元还可以为这种结构：包括导电衬底2和与导电衬底键合的激光芯片1，所述凸起部5和凹槽部6分别设置于导电衬底的两个侧面。具体包括以下两种可选实施方式：1）如图8所示，导电衬底包括绝缘基底202，和设置于绝缘基底202表面的导电层201，所述凸起部5和凹槽部6分别设置于导电衬底的绝缘基底的两个侧面，使得凸起部与相邻半导体激光器单元的凹槽部插接处绝缘；激光芯片键合于导电层201上，并与相邻半导体激光器的导电层连接。2）导电衬底为导电材料，具体为铜钨等，凸起部和凹槽部分别直接设置于铜钨的两个侧面，凸起部外部设置绝缘套管，以实现凸起部与相邻半导体激光器单元的凹槽部之间的绝缘，可以参考图13和图14中的示意结构，此时凸起部和凹槽部等同与图13中第二凸起部和第二凹槽部的位置。

图9和图10分别为本发明的实施例四，以及该实施例所对应的半导体激光器单元。实施例四的半导体激光器单元采用梯形热沉块结构，使得相邻的半导体激光器单元相互插接后可以得到环形结构的半导体激光器叠阵，且半导体激光器单元所发出的激光有共同的会聚区域。

为了优化上述环形结构的电连接效果，实施例四的电连接方式具体为：热沉块为导电材料（具体为铜），在热沉块3设有凸起部和凹槽部的侧面设置绝缘层12，正极连接片9自导电衬底延伸至相应的热沉块的绝缘层12上，负极连接片8自激光芯片1延伸至相应的热沉块的绝缘层12上，相邻的半导体激光器单元以过盈配合插接连接后，相邻热沉块3的紧密连接，使得相邻半导体激光器单元的正极连接片和负极连接片紧密连接实现电连接。当热沉块3为绝缘材料（比如陶瓷），上述绝缘层12可以省去。

实施例四在固体激光器泵浦的应用中具有显著的优势：相邻的半导体激光器单元已插接方式连接，便于后期更换失效的半导体激光器单元，也可以灵活选择作为侧泵单元的半导体激光器单元的个数以实现不同的应用条件。

图12和图11为本发明的实施例五。一种机械连接型的半导体激光器叠阵，包括以插接形式安装进热沉块3中多个半导体激光器单元；其中，所述半导体激光器单元包括导电衬底2，键合于导电衬底的激光芯片1，所述半导体激光器单元底部设置有凸起部，所述热沉块上设置有与前述凸起部匹配的凹槽部，使得多个半导体激光器单元插接安装至热沉块形成叠阵。

图11为热沉块3中设置有多个与半导体激光器单元凸起部数目相等且匹配的凹槽部，半导体激光器单元一一对应的插接安装在热沉块上并紧密连接。图12为所述热沉块仅设置有一个凹槽部，叠阵模块中多个半导体激光器单元紧密连接，其绝缘衬底构成共同的凸起部，前述叠阵模块作为整体插接安装在热沉块上。

需要说明的是半导体激光器单元中的导电衬底2与热沉块3绝缘，保证相邻半导体激光器单元之间的电连接。具体的，热沉块为导电材料（具体为铜等），半导体激光器单元还包括设置于导电衬底底部的绝缘结构，绝缘结构4设置有凸起部或者绝缘结构自身作为凸起部（图11和12中的绝缘结构自身为凸起部），绝缘结构为氮化铝陶瓷等；或者采用绝缘材料的热沉块3，凸起部设置于导电衬底底部（如图13所示），或者将导电衬底直接插入热沉块与其匹配的凹槽部中。

此外，实施例五中的热沉块也可以采用弧形或者半圆形结构，使得半导体激光器单元以插接形式安装进热沉块3后，得到环形结构的半导体激光器叠阵，且半导体激光器单元所发出的激光有共同的会聚区域。

本实施例还可以有如下优化：如图13和图14所示，半导体激光器单元的导电衬底对应于热沉块安装方向的两个侧面分别设置有第二凸起部14和第二凹槽部15，且第二凸起部14与第二凹槽部15相互匹配，使得多个半导体激光器单元插接安装至热沉块3时，相邻半导体激光器单元之间以插接形式得以紧密固定，且第二凸起部与相邻半导体激光器单元的第二凹槽部插接处绝缘。

上述绝缘方案具体为：在第二凸起部外部包裹绝缘套管13，优选弹性绝缘套管，使得第二凸起部插入相邻半导体激光器的第二凹槽部时紧密连接。

Claims (13)

1.一种机械连接型的半导体激光器叠阵，包括多个半导体激光器单元，其特征在于：所述半导体激光器单元设置有凸起部和凹槽部，且凸起部与凹槽部相互匹配，使得相邻的半导体激光器单元的凸起部和凹槽部以过盈配合插接方式连接形成叠阵结构。

2.根据权利要求1所述的一种机械连接型的半导体激光器叠阵，其特征在于：所述半导体激光器单元包括导电衬底和与导电衬底键合的激光芯片；所述凸起部和凹槽部分别设置于导电衬底的两个侧面，且凸起部与相邻半导体激光器单元的凹槽部插接处绝缘。

3.根据权利要求2所述的一种机械连接型的半导体激光器叠阵，其特征在于：所述凸起部外部包裹绝缘套管。

4.根据权利要求1所述的一种机械连接型的半导体激光器叠阵，其特征在于：所述半导体激光器单元包括导电衬底，与导电衬底键合的激光芯片以及热沉块；导电衬底设置于热沉块上且导电衬底与热沉块之间绝缘；前述凸起部和凹槽部分别设置于热沉块上对应于导电衬底安装面的两个侧面，使得相邻的半导体激光器单元热沉块的凸起部和凹槽部以过盈配合插接方式连接并形成叠阵结构。

5.根据权利要求4所述的一种机械连接型的半导体激光器叠阵，其特征在于：所述半导体激光器单元还包括正极连接片、负极连接片和绝缘缓冲块，用于相邻半导体激光器单元之间的电连接；

所述正极连接片键合于导电衬底上，或者正极连接片与导电衬底为一体结构，所述负极连接片键合于激光芯片上并与相邻的半导体激光器单元的正极连接片连接；所述绝缘缓冲块设置于负极连接片与该半导体激光器单元的导电衬底之间，且厚度大于激光芯片的厚度。

6.根据权利要求1-5之一所述的一种机械连接型的半导体激光器叠阵，其特征在于：所述凸起部为中空结构，作为所述叠阵结构液体制冷通道。

7.根据权利要求2-5之一所述的一种机械连接型的半导体激光器叠阵，其特征在于：所述的导电衬底或者热沉块为梯形，使得多个半导体激光器单元依次以相互插接方式组装后形成圆环型或半圆形阵列，所述多个半导体激光器单元发出的激光光束有共同的会聚区域。

8.根据权利要求1-5之一所述的一种机械连接型的半导体激光器叠阵，其特征在于：所述凸起部为销钉，所述凹槽部为销孔；或者所述凹槽部为燕尾槽，凸起部为与燕尾槽匹配的结构。

9.一种机械连接型的半导体激光器叠阵，其特征在于：包括以过盈配合插接形式安装进热沉块中多个半导体激光器单元，其中，半导体激光器单元包括导电衬底以及键合于导电衬底上的激光芯片；所述半导体激光器单元底部设置有凸起部，所述热沉块上设置有与前述凸起部匹配的凹槽部，使得多个半导体激光器单元过盈配合插接安装至热沉块形成叠阵，所述导电衬底与热沉块之间绝缘。

10.根据权利要求9所述的一种机械连接型的半导体激光器叠阵，其特征在于：所述热沉块为绝缘材料，前述凸起部设置于导电衬底底部；

或者所述热沉块为导电材料，半导体激光器单元还包括设置于导电衬底底部的绝缘结构，绝缘结构底部设置有凸起部或者绝缘结构自身作为凸起部。

11.根据权利要求10所述的一种机械连接型的半导体激光器叠阵，其特征在于：所述多个半导体激光器单元紧密连接，其凸起部构成一个整体，所述热沉块仅设置有一个凹槽部，前述凸起部作为整体插接安装在热沉块上；或者所述热沉块设置有与半导体激光器单元数目相等的凹槽部，所述多个半导体激光器单元一一插接至热沉块并紧密连接。

12.根据权利要求9-11之一所述的一种机械连接型的半导体激光器叠阵，其特征在于：所述半导体激光器单元还包括正极连接片、负极连接片和绝缘缓冲块，用于相邻半导体激光器单元之间的电连接；所述正极连接片键合于导电衬底上，或者正极连接片与导电衬底为一体结构，所述负极连接片键合于激光芯片上并与相邻的半导体激光器单元的正极连接片连接；所述绝缘缓冲块设置于负极连接片与该半导体激光器单元的导电衬底之间，且厚度大于激光芯片的厚度。

13.根据权利要求9所述的一种机械连接型的半导体激光器叠阵，其特征在于：所述导电衬底对应于热沉块安装方向的两个侧面分别设置有第二凸起部和第二凹槽部，且第二凸起部与第二凹槽部相互匹配，使得多个半导体激光器单元过盈配合插接安装至热沉块时，相邻半导体激光器单元之间以过盈配合插接形式得以紧密固定，且第二凸起部与相邻半导体激光器单元的第二凹槽部插接处绝缘。