半导体激光器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体激光器，更特别地涉及高功率的半导体激光器。本发明涉及用于高功率的半导体激光器的封装件，更特别地涉及具有良好的散热能力的封装件。本发明涉及用于高功率的半导体激光器封装件的电力调度结构。本发明涉及用于高功率的半导体激光器封装件的绝缘结构。
【背景技术】
[0002]日本未经审查的专利申请公布号2003-23205(对比文件1)公开了半导体激光器组件的结构。所公开的装置具有其中多个半导体激光器阵列竖直堆叠的结构。这样的装置被称为竖直激光条堆。根据所公开的装置，每个半导体激光器阵列包括独立水冷却的热沉，热沉的通道由粘合剂连接。多个半导体激光器阵列通过堆叠和焊接被串联地连接。
[0003]日本未经审查的专利申请公布号2012-514860(对比文件2)公开了所谓的C型安装座(C-mount)，其是半导体激光器的封装件之一。C型安装座典型地应用于相对低功率的半导体激光器。
[0004]日本专利号3800116(对比文件3)公开了一种用于半导体激光器的子安装座，其中CTE (热膨胀系数)是通过堆叠两种金属进行控制的。
[0005]日本专利号5075165(对比文件4)公开了一种用于半导体激光器的子安装座，其中热膨胀系数是通过堆叠A1N(氮化铝)和铜进行控制的。
[0006]日本专利号5296977(对比文件5)公开了一种用于半导体激光器的子安装座，其中钼和铜被堆叠以控制总的热膨胀系数。该文献还公开了一种用于半导体激光器的子安装座，其中热膨胀系数是通过堆叠氮化铝和铜进行控制的。
[0007]日本未经审查的专利申请公布号2008-283064(对比文件6)公开了确定材料的热膨胀系数的公式，其中不同种类的材料被堆叠。
[0008]日本未经审查的专利申请公布号2008-311556(对比文件7)公开了一种构造，其中应力松弛剂被添加到焊料层中，用于连接半导体激光器和子安装座。
[0009]日本未经审查的专利申请公布号2009-158645(对比文件8)公开了一种通过扩散具有与原始的焊料材料不同的热膨胀系数的粒子来控制焊料的热膨胀的方法。
[0010]在对比文件1中描述的半导体激光器组件使连接机构在多个水冷却的热沉中以使得它的组装工艺是复杂的且存在漏水危险。由于在半导体激光器阵列中的电连接件通过焊接实现，因此它显示出电子连接件的差的生产力和差的可靠性。
[0011]利用在对比文件2中描述的C型安装座的半导体激光器是便宜的但是它仅发射低的功率，由此该类型的半导体激光器不能代替竖直类型的激光条堆。
【发明内容】
[0012]为了解决以上问题，本发明包括半导体激光器芯片，导电的安装座，绝缘块，上部电极和下部电极。半导体激光器芯片和绝缘块被接合(bond)到导电的安装座的第一表面。上部电极被接合到绝缘块。上部电极的上表面和半导体芯片通过导电的引线(wire)被连接。下部电极被接合到导电的安装座的第二表面。
[0013]本发明通过引线接合机构提供了放置在热沉上的多个半导体激光器之间的电子连接性。由此，不必连接多个水冷却的热沉。因此本发明提供了不太复杂的生产工艺并消除了漏水危险。根据本发明，多个半导体激光器通过模片接合工艺被放置在所述热沉上，所述模片接合工艺提供了良好的生产力和高的可靠性。
【附图说明】
[0014]附图形成说明书的一部分并且要与其结合阅读。然而，示出的实施例仅是例子并且不是用来进行限制的。在各个附图中相同的附图标记和符号表示相同的元件。
[0015]图1是作为本发明的第一实施例的半导体激光器10的示意图；
[0016]图2是激光源模块20的示意图；
[0017]图3是在半导体激光器21和22之间的连接构架(architecture)的示意图；
[0018]图4是作为本发明的第二实施例的激光源模块50的示意图；
[0019]图5是热沉51的示意图；
[0020]图6是包括激光源模块50的固态激光器的示意图；
[0021]图7是作为本发明的第三实施例的半导体激光器60的示意图；
[0022]图8是激光源模块70的示意图；
[0023]图9是作为本发明的第四实施例的半导体激光器80的示意图；
[0024]图10是激光源模块90的示意图；
[0025]图11是作为本发明的第五实施例的半导体激光器100的示意图；
[0026]图12是激光源模块110的示意图；
[0027]图13是作为本发明的第六实施例的半导体激光器120的示意图；
[0028]图14是作为本发明的第七实施例的激光源模块130的示意图；
[0029]图15是热沉131的示意图；
[0030]图16是作为本发明的第八实施例的半导体激光器140的示意图；
[0031]图17是作为本发明的第七实施例的激光源模块160的示意图；
[0032]图18是热沉161的示意图；
[0033]图19是作为本发明的第十实施例的半导体激光器170的示意图；
[0034]图20是作为本发明的第十一实施例的激光源模块190的示意图；
[0035]图21是包括激光源模块190的固态激光器210的示意图；
[0036]图22是半导体激光器220的示意图；
[0037]图23是作为本发明的第十二实施例的激光源模块230的示意图；
[0038]图24是不出各种激光源t旲块的近场图案的不意图；
[0039]图25是作为本发明的第十三实施例的半导体激光器260的示意图；
[0040]图26是激光源模块270的示意图；
[0041]图27是作为本发明的第十四实施例的半导体激光器280的示意图；
[0042]图28是具有不同形状的汇流条287的不意图；
[0043]图29是安装座171、粘合层286和半导体激光器芯片172的构架的详图；
[0044]图30是作为本发明的第十六实施例的盘形激光器290的示意图；
[0045]图31是作为本发明的第十七实施例的盘形激光器300的示意图；
[0046]图32是作为本发明的第十八实施例的薄膜板条激光器(slab laser)310的示意图；
[0047]图33是作为本发明的第十九实施例的薄膜板条激光器320的示意图；
[0048]图34是作为本发明的第二十实施例的盘形激光器330的示意图；
[0049]图35是作为本发明的第二^^一实施例的导热间隔件(spacer) 340的示意图；以及
[0050]图36是具有接合的绝缘间隔件8和导热层344的安装座1以及具有导热层345的热沉11的示意图。
【具体实施方式】
[0051]本发明的实施例的细节在下面参照附图进行了描述。这些实施例没有限制本发明。在附图中相同的附图标记提供给相同的元件。
[0052][第一实施例]
[0053]图1不出作为本发明的第一实施例的半导体激光器10。半导体激光器10包括安装座1，半导体激光器芯片2，子安装座3，绝缘块4，上部电极5以及下部电极6。安装座1包括安装孔7。该封装件构架属于所谓的C型安装座封装件。
[0054]子安装座3被接合到安装座1，半导体激光器芯片2被接合到子安装座3。为了方便起见，安装座1的其中接合半导体激光器芯片2的表面被限定为安装座1的第一表面。绝缘块4被接合到安装座1的上部部分，上部电极5被接合到绝缘块4。而且，下部电极6被接合到与安装座1的第一表面相反的表面。为了方便起见，安装座1的第一表面的相反表面被限定为安装座1的第二表面。
[0055]在安装座1的垂直于第一表面和第二表面两者的表面之中，要附连在热沉上的表面被限定为第三表面。而且，与第三表面相反的表面被限定为第四表面。
[0056]半导体激光器芯片2的结构没有限制。半导体激光器芯片2会是单个发射器类型的或多个发射器类型的。发射器会是单模类型的或多模类型的。本实施例采用了具有多个多模发射器的半导体激光器。在该专利说明书中，除非另有说明，半导体激光器芯片表示具有多个多模发射器的半导体激光器芯片。
[0057]安装座1由具有金镀层的无氧铜制成。安装座1是导电的。子安装座3由具有金镀层的铜钨合金(CuW)制成。子安装座3是导电的。绝缘块4由基于氧化铝的陶瓷制成。上部电极5和下部电极6由具有金镀层的无氧铜制成。
[0058]在该专利说明书，术语“镀(plating) ”表示通过湿处理工艺的金属层沉积。
[0059]安装座1，子安装座3，绝缘块4，上部电极5和下部电极6通过使用碳夹具(carbonjig)和银焊接工艺被同时接合在一起。然后，安装座1，子安装座3，上部电极5和下部电极6同时镀金。该生产方法会由于同时电镀安装座和子安装座而降低生产成本。而且，该生产方法对没有下部电极6的封装件是有用的。
[0060]由于子安装座是小的；放置电极用于电镀在子安装座上是困难的。在该生产工艺中，第一，子安装座被接合到安装座，第二，子安装座和安装座被同时地电镀，由此上述的问题没有发生。
[0061]然后，半导体激光器芯片2通过使用金锡合金(AuSn)被接合到子安装座3。具有激光二极管结构的半导体激光器芯片2的表面被接合到子安装座3。该构架是所谓的结合(junct1n down)。
[0062]上部电极5和半导体激光器芯片2通过引线9连接到彼此。引线被接合到半导体激光器芯片2的背面。该背面是与具有激光二极管结构的表面相反的表面。引线9由金制成。引线9可以是多个引线的集合体，或者带状的引线。
[0063]另一生产方法是可用的。在该工艺中，第一，安装座1，绝缘块4，上部电极5，和下部电极6通过使用碳夹具和银焊接工艺被同时地接合在一起。第二，半导体激光器芯片2被接合到子安装座3。第三，与半导体激光器芯片2接合的子安装座3被接合到安装座1。
[0064]半导体激光器芯片2利用GaAs (砷化镓)晶片。由铜钨合金制成的子安装座3具有几乎与砷化镓相同的CTE (热膨胀系数)。包含8-11%的铜的铜钨合金是优选的。尤其地，包含8-11%的铜的铜钨合金是更优选的。如果子安装座3和半导体激光器芯片2之间的热膨胀系数是更接近的，那么在高功率操作下的寿命得以改进。
[0065]铜钨合金的热导率，180W/mK，低于铜的热导率，400W/mK。在以上提到的设计中，子安装座3具有使热膨胀系数与半导体激光器芯片2匹配的功能，安装座1具有散热的功能。
[0066]子安装座3可由金刚石颗粒弥散铜制成。该材料具有与砷化镓匹配的热膨胀系数。另外，该材料的热导率高达500-600W/mK。
[0067]而且，安装座1可由铜钨合金或者金刚石颗粒弥散铜制成。在该设计中，子安装座3被消除，半导体激光器芯片2直接地接合到安装座1。
[0068]与标准的C型安装座相比，半导体10具有下部电极6。上部电极5和下部电极6具有几乎相同的尺度。上部电极5和下部电极6的厚度t优选地等于或厚于0.3毫米；更优选地，它们应当等于或厚于0.5毫米。厚的电极能使将引线接合在电极的侧表面上。
[0069]半导体激光器10的尺度例如如下。安装座1的尺度是6mm x 8.4mm x 1.6mm。安装孔7的直径是2.3mm。子安装座3的尺度是4.2mm x 1.2mm x 0.5mm。绝缘块4的尺度是 1.4mm x 1.4mm x 1.4mm。上部电极 5 和 6 的尺度是 6.0mm x 0.8mm x 0.65mm。
[0070]如图1 (b)和(c)所示的，半导体激光器10经由绝缘间隔件8通过螺钉12被拧紧在热沉11上。螺钉12是M2.0的绝缘螺钉。热沉11包括螺钉孔13。热沉11由具有金镀层的无氧铜制成。
[0071]如图1(c)所示的，激光14被发射以垂直于热沉11的表面。
[0072]绝缘间隔件8由A1N(氮化铝)制成。从热导率的视角看，绝缘间隔件8的厚度优选地等于或薄于0.5_。从机械强度的视角看，绝缘间隔件8的厚度优选地等于或厚于0.2_。绝缘间隔件8包括对应于安装孔7的安装孔。
[0073]A1N是绝缘体并且具有良好的热导率例如170-230W/mK。由于该理由，A1N优选的作为绝缘间隔件8的材料。
[0074]绝缘间隔件8可被接合到安装座1。绝缘间隔件8和安装座1可通过银颗粒弥散粘合剂接合。接合到安装座1的绝缘间隔件8的设计具有优点例如容易处理和低的热阻系数。该设计不要求敷金以使得生产成本不太昂贵。
[0075]作为银颗粒弥散粘着剂的基底材料，可采用热固性树脂或热塑性树脂。作为热固性树脂，可采用环氧树脂。
[0076]绝缘间隔件8被接合到垂直于安装座1的第一表面和第二表面两者并且与激光14的方向相反定位的表面。如以前所述的，该表面被限定为第三表面。
[0077]如果绝缘间隔件8被敷金，其他接合方法可适合于接合在安装座1上。一例子是AuSn(金锡合金)。作为另一例子，基于金或银的微颗粒的粘合剂是合适的。基于微颗粒金属的粘合剂可在低温下被烧结。绝缘间隔件8的敷金表面和安装座1可通过上述的粘合剂被接合在一起。该设计以生产成本的代价提供了低的热阻率。
[0078]作为敷金设计，多层结构的Au/Pt/Ti/AIN是优选的。Ti (钛)提供了与氮化铝的好的粘着。Pt