一種傳導冷卻疊層陣列高功率半導體激光器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提出一種新的傳導冷卻疊層陣列高功率半導體激光器，解決了現(xiàn)有封裝結構體積偏大、系統(tǒng)集成性差的問題。該傳導冷卻疊層陣列高功率半導體激光器中，激光芯片組的安裝位置對應于熱沉的中部，與熱沉之間設置有導熱絕緣層；正極連接塊、負極連接塊均為L形結構，兩者呈中心對稱設置，并通過導熱絕緣層與熱沉焊接；L形結構中，長部與短部扭轉相接形成不同方向的焊接面；正極連接塊和負極連接塊L形結構的長部分別與所述疊陣模塊的兩個端面相貼并焊接；正極連接塊和負極連接塊L形結構的短部為孔板形式作為引出電極，安裝位置對應于熱沉的兩翼，分別通過電極絕緣層與熱沉焊接。
【專利說明】一種傳導冷卻疊層陣列高功率半導體激光器
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種傳導冷卻疊層陣列高功率半導體激光器，尤其適用于高功率半導體激光器泵浦固體激光器或直接照明應用。
【背景技術】
[0002]半導體激光器具有體積小巧、重量輕、電光轉換效率高、可靠性高和壽命長等優(yōu)點，可廣泛應用于泵浦固體和光纖激光器，這些激光器可應用于激光信息傳輸、材料加工、醫(yī)療和美容、科學研究、激光印刷、軍事國防和激光娛樂顯示等方面；也可經(jīng)過光學整形后直接應用于材料表面處理、激光夜視照明系統(tǒng)、激光脫毛等領域。越來越多的應用要求半導體激光器具有更高的功率密度，更長的壽命、更高的穩(wěn)定性和可靠性，以及更長的儲存時間的特點。如何保證高功率半導體激光器在長時間的使用過程中持續(xù)保持高效的工作能力，這給半導體激光器本身和封裝技術帶來了巨大的挑戰(zhàn)。
[0003]為滿足上述要求，目前的商業(yè)化傳導冷卻型高功率半導體激光器產(chǎn)品已經(jīng)開始采用金錫焊料封裝技術，可以有效避免由于軟焊料銦封裝導致的電遷移、電熱遷移以及熱疲勞所引起的失效，也可滿足長存儲時間以及在苛刻條件下穩(wěn)定工作的要求。因此，這些激光器產(chǎn)品有望在外太空探索、航空航天、自由空間通信、脈沖式激光材料加工、高溫泵浦固體/光纖激光器等領域得到廣泛的應用。
[0004]圖5為目前傳統(tǒng)的傳導冷卻型半導體激光器疊陣，是將多個半導體激光芯片和多個襯底銅鎢同時焊接即一次焊接后整體焊接在絕緣導熱片上，然后再將該模組焊接在散熱器上；引出電極設置在激光芯片層疊方向的兩側，即正負引出電極連線平行于激光芯片層疊方向。該結構存在以下不足:
[0005](I)體積偏大。由于正負引出電極的中心連線垂直于激光芯片縱向，即正負引出電極中心連線平行于激光芯片層疊方向，使得該模塊的體積偏大，在產(chǎn)業(yè)上難以實現(xiàn)小型化；
[0006](2)系統(tǒng)集成性差；由于該設計結構在激光芯片層疊方向的寬度偏大，導致體積偏大，不利于空間有限的系統(tǒng)集成，限制了其在激光器半導體側泵固體激光器的應用。
[0007]如圖6為傳統(tǒng)的傳導冷卻型半導體激光器疊陣正負極引出電極與激光芯片層疊方向的關系示意圖；傳統(tǒng)傳導冷卻疊層陣列高功率半導體激光器引出電極設置在激光芯片層疊方向的兩側，正負引出電極的中心連線平行于激光芯片層疊方向，即如圖6所示10為引出正電極和引出負電極連線，10與激光器芯片層疊方向9相垂直。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0008]本發(fā)明提出一種新的傳導冷卻疊層陣列高功率半導體激光器，解決了現(xiàn)有封裝結構體積偏大、系統(tǒng)集成性差的問題。
[0009]本發(fā)明的解決方案如下:
[0010]一種傳導冷卻疊層陣列高功率半導體激光器，包括激光芯片組，正極連接塊、負極連接塊和熱沉，所述激光器芯片組采用了多個激光芯片形成疊陣模塊，其中各個激光芯片均帶有襯底；疊陣模塊芯片堆疊方向的兩個端面分別作為激光器芯片組的正極端和負極端，其特殊之處在于:
[0011]激光芯片組的安裝位置對應于熱沉的中部，與熱沉之間設置有導熱絕緣層；
[0012]所述正極連接塊、負極連接塊均為L形結構，兩者呈中心對稱設置，并通過導熱絕緣層與熱沉焊接；
[0013]L形結構中，長部與短部扭轉相接形成不同方向的焊接面；
[0014]正極連接塊和負極連接塊L形結構的長部分別與所述疊陣模塊的兩個端面相貼并焊接；
[0015]正極連接塊和負極連接塊L形結構的短部為孔板形式作為引出電極(這里所說的“孔板”，其“孔”是強調(diào)貫通，可以是傳統(tǒng)的圓孔，也可以是外緣處有缺口的孔)，安裝位置對應于熱沉的兩翼，分別通過電極絕緣層與熱沉焊接。
[0016]激光芯片組可以與導熱絕緣層接觸，這樣散熱會更好些；散熱要求不高時，也可以不接觸。從工藝上來說，接觸會使得工藝復雜，難度大；不接觸的工藝簡單。
[0017]基于上述解決方案，本發(fā)明還進一步作如下優(yōu)化限定和改進:
[0018]上述熱沉為凸臺形，底導熱絕緣層焊接于中間的凸臺部，兩處電極絕緣層分別焊接于兩翼的臺階部。
[0019]L形結構的長部與疊陣模塊端面相貼的面與疊陣模塊的出光方向相平行，與L形結構的短部的孔板平面相垂直。
[0020]通過正極連接塊和負極連接塊的L形結構的長部對激光芯片組的貼緊焊接固定，最好使激光芯片組懸空，即激光芯片組與導熱絕緣層之間留有空隙，以消除誤差帶來的不利影響，便于實際加工。
[0021]導熱絕緣層與電極絕緣層為一體件。
[0022]導熱絕緣層采用陶瓷或金剛石。
[0023]熱沉采用銅或銅鎢或者銅金剛石復合材料。
[0024]電極絕緣層采用陶瓷或金剛石。
[0025]利用多個上述傳導冷卻疊層陣列高功率半導體激光器，可以組裝形成環(huán)形系統(tǒng)，多個傳導冷卻疊層陣列高功率半導體激光器圍繞晶體棒環(huán)形排布，每個傳導冷卻疊層陣列高功率半導體激光器中，正極連接塊和負極連接塊的引出電極中心連線方向與晶體棒軸線平行。
[0026]本發(fā)明具有以下優(yōu)點:
[0027]充分利用了基礎熱沉的面積，配合設計了獨特的L形電極，結構緊湊，降低了封裝結構的體積且便于安裝固定，同時提高了散熱性能。
[0028]利用多個傳導冷卻疊層陣列高功率半導體激光器能夠形成緊湊的環(huán)形系統(tǒng)，在有限的空間下實現(xiàn)高功率輸出，對于半導體激光器側面泵浦固體激光器的應用具有非常重要的意義。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0029]圖1為本發(fā)明結構示意圖；
[0030]圖2為本發(fā)明結構拆解示意圖；
[0031]圖3為本發(fā)明激光芯片組結構示意圖；
[0032]圖4為本發(fā)明正負極引出電極與激光芯片層疊方向的關系示意圖；
[0033]圖5為傳統(tǒng)傳導冷卻疊層陣列高功率半導體激光器結構示意圖；
[0034]圖6為傳統(tǒng)傳導冷卻疊層陣列高功率半導體激光器正負極引出電極與激光芯片層置方向的關系不意圖；
[0035]圖7為采用本發(fā)明的傳導冷卻疊層陣列高功率半導體激光器組裝的環(huán)形系統(tǒng)。
[0036]I為激光芯片組；2為正極連接塊；3為負極連接塊；4為導熱絕緣層；5為電極絕緣層；6為基礎熱沉；7為引出正電極；8為引出負電極；9為激光芯片層疊方向；10為引出正電極與引出負電極中心連線；11為晶體棒。
【具體實施方式】
[0037]如圖1所示為本發(fā)明結構示意圖，圖2為本發(fā)明結構拆解示意圖。本發(fā)明的傳導冷卻型半導體激光器包括激光芯片組1，正極連接塊2、負極連接塊3和基礎熱沉6。
[0038]激光器芯片組I采用了多個激光芯片形成疊陣模塊，其中各個激光芯片12均帶有襯底13，即將單個激光芯片12焊接在襯底13上組成模塊然后將多個這樣的模塊依次焊接在一起組成激光器芯片組，如圖3所示是本發(fā)明激光芯片組結構示意圖；疊陣模塊(即激光器芯片組I)堆疊方向的兩個端面分別作為激光器芯片組I的正極端和負極端，激光器芯片組I的安裝位置對應于基礎熱沉6的中部，與熱沉之間設置有導熱絕緣層4 ；
[0039]正極連接塊2、負極連接塊3均為L形結構，兩者呈中心對稱設置，并通過導熱絕緣層4與基礎熱沉6焊接；L形結構中，長部與短部扭轉相接形成不同方向的焊接面，短部作為引出電極；正極連接塊2和負極連接塊3L形結構的長部分別與所述疊陣模塊即激光芯片組I的兩個端面相貼并焊接；
[0040]正極連接塊2和負極連接塊3的L形結構的短部為孔板形式作為引出電極，這里所說的“孔板”，其“孔”是強調(diào)貫通，可以是傳統(tǒng)的圓孔，也可以是外緣處有缺口的孔，此為固定孔，安裝位置對應于基礎熱沉6的兩翼，分別通過電極絕緣層5與基礎熱沉6焊接；
[0041]正極連接塊2和負極連接塊3的L形結構的長部與疊陣模塊(即激光器芯片組I)的端面相貼的面與疊陣模塊的出光方向相平行，與L形結構的短部的孔板平面相垂直。
[0042]對于L型結構的具體設計，通?？紤]到結構緊湊和平整，簡化工藝，可以優(yōu)化設計為:L形結構的長部與疊陣模塊(即激光芯片組I)端面相貼的面為豎直面，孔板平面為水平面(豎直、水平是相對的概念)。當然，在實際加工時，也無須絕對垂直，可以作適應性的常規(guī)調(diào)整。
[0043]激光芯片組I可以與導熱絕緣層4接觸，這樣散熱會更好些；散熱要求不高時，也可以不接觸，正極連接塊2和負極連接塊3的L形結構的長部貼緊激光芯片組1，使得激光芯片組I懸空，即激光芯片組與導熱絕緣層之間留有空隙。從工藝上來說，接觸會使得工藝復雜，難度大；不接觸的工藝簡單。
[0044]正極連接塊2和負極連接塊3的L形結構的短部“孔板”的孔為固定孔，基礎熱沉6相應位置也可設有固定孔，當本發(fā)明作為側面泵浦源使用時可以進行固定。
[0045]導熱絕緣層4為起導熱絕緣作用的材料，既可以起到良好的導熱性能有可以起到絕緣的作用，從而使得基礎熱沉6不帶電同時保證激光器芯片組I不短路，可以是陶瓷如氮化鋁陶瓷，氧化鈹陶瓷或者金剛石等材料，為了使其可以與正極連接塊2和負極連接塊3及基礎熱沉6更好的焊接，在導熱絕緣層4的上下表面均鍍有增加焊接性的金屬多層結構材料，可以是金或者是先鍍一層鎳再鍍一層金。
[0046]所述基礎熱沉6的材料選擇導熱性能好的材料，可以是金剛石、銅、銅鎢或者金剛石銅復合材料。
[0047]基礎熱沉6可以為凸臺形，導熱絕緣層4焊接于中間的凸臺部，兩處電極絕緣層5分別焊接于兩翼的臺階部，電極絕緣層5可以是陶瓷如氮化鋁陶瓷，氧化鈹陶瓷或者金剛石等材料。
[0048]導熱絕緣層4與電極絕緣層5也可以為一體件。
[0049]圖4為本發(fā)明正負極引出電極與激光芯片層疊方向的關系示意圖；此種結構的傳導冷卻疊層陣列高功率半導體激光器引出電極設置在激光芯片層疊方向的兩側，正負引出電極的連線垂直于激光芯片層疊方向。如圖4所示，引出正電極與引出負電極中心連線10與激光器芯片層疊方向9相垂直。
[0050]如圖7所示用本發(fā)明多個傳導冷卻疊層陣列高功率半導體激光器圍繞晶體棒環(huán)形排布，每個傳導冷卻疊層陣列高功率半導體激光器中，正極連接塊2和負極連接塊3的引出電極中心連線(引出正電極7與引出負電極8的電極中連線)方向與晶體棒軸線平行。
【權利要求】
1.一種傳導冷卻疊層陣列高功率半導體激光器，包括激光芯片組，正極連接塊、負極連接塊和熱沉，所述激光器芯片組采用了多個激光芯片形成疊陣模塊，其中各個激光芯片均帶有襯底；疊陣模塊芯片堆疊方向的兩個端面分別作為激光器芯片組的正極端和負極端，其特征在于: 激光芯片組的安裝位置對應于熱沉的中部，與熱沉之間設置有導熱絕緣層； 所述正極連接塊、負極連接塊均為L形結構，兩者呈中心對稱設置，并通過導熱絕緣層與熱沉焊接； L形結構中，長部與短部扭轉相接形成不同方向的焊接面； 正極連接塊和負極連接塊L形結構的長部分別與所述疊陣模塊的兩個端面相貼并焊接; 正極連接塊和負極連接塊L形結構的短部為孔板形式作為引出電極，安裝位置對應于熱沉的兩翼，分別通過電極絕緣層與熱沉焊接。
2.根據(jù)權利要求1所述的傳導冷卻疊層陣列高功率半導體激光器，其特征在于:所述熱沉為凸臺形，底導熱絕緣層焊接于中間的凸臺部，兩處電極絕緣層分別焊接于兩翼的臺階部。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的傳導冷卻疊層陣列高功率半導體激光器，其特征在于:L形結構的長部與疊陣模塊端面相貼的面與疊陣模塊的出光方向相平行，與L形結構的短部的孔板平面相垂直。
4.根據(jù)權利要求3所述的傳導冷卻疊層陣列高功率半導體激光器，其特征在于:激光芯片組與導熱絕緣層之間留有空隙。
5.根據(jù)權利要求3所述的傳導冷卻疊層陣列高功率半導體激光器，其特征在于:導熱絕緣層與電極絕緣層為一體件。
6.根據(jù)權利要求3所述的傳導冷卻疊層陣列高功率半導體激光器，其特征在于:所述的導熱絕緣層采用陶瓷或金剛石。
7.根據(jù)權利要求3所述的傳導冷卻疊層陣列高功率半導體激光器，其特征在于:所述的熱沉采用銅或銅鎢或銅金剛石復合材料。
8.根據(jù)權利要求3所述的傳導冷卻疊層陣列高功率半導體激光器，其特征在于:所述的電極絕緣層采用陶瓷或金剛石。
9.基于權利要求1所述傳導冷卻疊層陣列高功率半導體激光器組裝的環(huán)形系統(tǒng)，其特征在于:多個傳導冷卻疊層陣列高功率半導體激光器圍繞晶體棒環(huán)形排布，每個傳導冷卻疊層陣列高功率半導體激光器中，正極連接塊和負極連接塊的引出電極中心連線方向與晶體棒軸線平行。
【文檔編號】H01S5/024GK104269736SQ201410529131
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年10月9日 優(yōu)先權日:2014年10月9日
【發(fā)明者】王警衛(wèi), 宗恒軍, 劉興勝 申請人:西安炬光科技有限公司