一种带有复合阶梯的热沉和半导体激光器

1.本实用新型属于半导体激光器件的封装技术领域，涉及一种带有复合阶梯的热沉和半导体激光器。


背景技术：

2.高功率半导体激光器因其体积小，重量轻，光电转换效率和输出功率密度高等优点已经广泛应用在固体激光器泵浦、激光加工、激光医疗、激光显示以及军事应用等领域。随着高功率半导体需求不断增加，其中高功率激光二极管阵列应运而生，激光二极管阵列有多个发射器，相邻的发射器产生高温串扰，导致中间发射器的高温和边缘发射器的低温现象，每个发射器的温度不均匀性产生较大的“微笑”效应，导致每个发射器在阵列的横向方向上弯曲，严重影响激光二极管阵列的光束质量，所以温度的均匀化对于高功率激光二极管阵列是十分关键的因素。
3.通过无源热沉对半导体激光器器件进行散热是十分有效的散热方式之一。针对二极管阵列散热通常需要引入过渡热沉，加强散热途径，保证二极管阵列工作可靠性。一般过渡热沉首先选用高热导率性质的材料，这样可以在有限时间内快速散去多余的废热，然后考虑过渡热沉材料与芯片材料的热膨胀系数，尽可能匹配，由此减少温升带来的热应力影响。目前同时满足两者的热沉材料可供选择比较单一，例如价格昂贵的金刚石热沉，其制作工艺复杂，很大程度被限制应用于热沉材料。


技术实现要素：

4.本次实用新型是针对高功率激光二极管阵列引入一种阶梯式复合过渡热沉，进行阵列间温度均匀优化处理的一种技术方案。用于解决激光二极管阵列之间的温差不均匀从而影响激光器的工作可靠性。
5.本次发明的技术方案通过以下具体步骤进行实现：
6.本实用新型提供一种带有复合阶梯的热沉，包括从下至上依次相连的底座热沉层、阶梯式复合过渡热沉层和巴条芯片层；所述阶梯式复合过渡热沉层包括过渡热沉基底和填充热沉材料，所述过渡热沉基底的中部开设有阶梯式凹槽，所述填充热沉材料嵌设在所述阶梯式凹槽内；所述填充热沉材料包括相对设置的第一阶梯面和第二阶梯面，所述第一阶梯面与底座热沉层相连，所述第二阶梯面与巴条芯片层相连；其中，所述第一阶梯面向所述底座热沉层的投影长度小于所述第二阶梯面向所述底座热沉层的投影长度。
7.进一步的，所述过渡热沉基底的材料为氮化铝陶瓷，所述阶梯热沉的材料为碳化硅陶瓷。
8.进一步的，所述底座热沉层的材料为无氧铜。
9.进一步的，所述底座热沉层上镀有第一焊料层，所述第一焊料层用于将所述阶梯式复合过渡热沉层焊接在底座热沉层上；所述阶梯式复合过渡热沉层上镀有第二焊料层，所述第二焊料层用于将所述巴条芯片层焊接在所述阶梯式复合过渡热沉层上。
10.进一步的，所述第一焊料层/所述第二焊料层采用金锡硬焊料。
11.本实用新型还提供如上述的带有复合阶梯的热沉的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：预备过渡热沉基底；向所述过渡热沉基底的中部进行切割，并切割出阶梯式凹槽，去除切割产生多余材料，获得切割完成的过渡热沉基底；在真空环境下使用高温压力使填充热沉材料发生形变，获得流体形态的填充热沉材料；将所述流体形态的填充热沉材料填充至切割完成的过渡热沉基底中，利用机械键合的方式将所述填充热沉材料和过渡热沉基底进行复合，获得带有复合阶梯的热沉。
12.进一步的，在所述向所述过渡热沉基底的中部进行切割，并切割出阶梯式凹槽，去除切割产生多余材料，获得切割完成的过渡热沉基底的步骤中，具体包括：通过激光扫描所述过渡热沉基底的中部的方式切割出阶梯式凹槽，并利用激光烧蚀去除切割产生多余材料，再用腐蚀液清除所述过渡热沉基底的表面杂质，获得切割完成的过渡热沉基底。
13.本实用新型又提供一种半导体激光器，包括如上述的带有复合阶梯的热沉。
14.进一步的，所述底座热沉层上还镀有第一绝缘层，所述底座热沉层上与所述阶梯式复合过渡热沉层相连的部分镀有所述第一焊料层；所述阶梯式复合过渡热沉层设置有正电极铜箔层，正电极铜箔层上设置有第二绝缘层和所述巴条芯片层，所述第二绝缘层上还设置有负电极铜箔层；所述负电极铜箔层通过金丝引线与所述巴条芯片层的n面电极相连。
15.本实用新型提供的技术方案至少具有以下优点：
16.本实用新型提供一种一种带有复合阶梯的热沉和半导体激光器。该带有复合阶梯的热沉包括从下至上依次相连的底座热沉层、阶梯式复合过渡热沉层和巴条芯片层，通过引入阶梯式复合过渡热沉层后，利用复合热沉材料纵向热导率差异性质，将巴条芯片层中间散热能力大幅度提高而使整体温差得到降低，比较传统氮化铝封装二极管阵列温度降低效果明显，散热能力得到大幅度提高，同时很大程度上缓解了高功率二极管阵列中间温度高，边缘温度低的不均匀性，达到不改变整体封装结构体积，保证高功率二极管阵列温度均匀可靠性，提高高功率半导体激光器的光电性能。
附图说明
17.一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。
18.图1为本实用新型提供的带有复合阶梯的热沉的结构示意图；
19.图2为本实用新型提供的半导体激光器的结构示意图；
20.1-底座热沉层，2-过渡热沉基底，3-巴条芯片层，4-第一绝缘层，5-负电极铜箔层，6-正电极铜箔层，7-金丝引线，8-第二绝缘层，9-填充热沉材料。
具体实施方式
21.由背景技术可知，目前现有的同时满足两者的热沉材料可供选择比较单一，例如价格昂贵的金刚石热沉，其制作工艺复杂，很大程度被限制应用于热沉材料。但是对于价格低廉传统无氧铜、氮化铝、碳化硅等陶瓷。可以采用两种材料或多种材料上的复合，达到实用效果。由此，本次发明提出一种将两种传统过渡热沉材料进行阶梯式复合的半导体激光器封装技术方案。
22.下面结合所绘附图对本次发明具体特征和原理进一步说明：
23.如图1所示，本实用新型提供一种带有复合阶梯的热沉，包括从下至上依次为底座热沉层1，阶梯式复合过渡热沉层(包括过渡热沉基底2，以及嵌设在过渡热沉基底2中的填充热沉材料9)和巴条芯片层3。
24.其中，底座热沉层的材料为无氧铜，尺寸为25mm
×
25mm
×
6mm；过渡热沉基底2的材料是氮化铝，填充热沉材料9的材料为碳化硅，阶梯式复合过渡热沉层的整体尺寸为12mm
×
3mm
×
1mm，填充热沉材料9的尺寸以阶梯深度表征，依次为0.1mm、0.6mm、0.3mm；巴条芯片层3为19个发光单元，材料为gaas，尺寸为10mm
×
1.5mm
×
0.12mm，芯片封装方式采用p面向下的倒装焊接在阶梯式复合过渡热沉层的上表面。
25.如图2所示，本实用新型还提供一种半导体激光器，包括如上所述的带有复合阶梯的热沉。其中，底座热沉层1上表面进行第一绝缘层4处理，然后镀上第一焊料层，焊料选择为金锡硬焊料，第一焊料层用于焊接阶梯式复合过渡热沉层。
26.阶梯式复合过渡热沉层上表面同样进行绝缘处理，绝缘层上表面进行正电极铜箔层6处理，通过金丝引线7引出巴条芯片层3的正电极，并且在正电极铜箔层6部分区域渡有第二绝缘层8，在第二绝缘层8上表面进行负电极铜箔层5处理，通过金丝引线7引出巴条芯片层3的负电极，由此，芯片正负电极连接完成，该半导体激光器封装由此完成。可以进行相关测试。
27.本实用新型又提供一种带有复合阶梯的热沉的制备方法，包括以下步骤：预备过渡热沉基底2；向所述过渡热沉基底2的中部进行切割，并切割出阶梯式凹槽，去除切割产生多余材料，获得切割完成的过渡热沉基底2；在真空环境下使用高温压力使填充热沉材料9发生形变，获得流体形态的填充热沉材料9；将所述流体形态的填充热沉材料9填充至切割完成的过渡热沉基底2中，利用机械键合的方式将所述填充热沉材料9和过渡热沉基底2进行复合，获得带有复合阶梯的热沉。
28.优选的的，在所述向所述过渡热沉基底2的中部进行切割，并切割出阶梯式凹槽，去除切割产生多余材料，获得切割完成的过渡热沉基底2的步骤中，具体包括：通过激光扫描所述过渡热沉基底2的中部的方式切割出阶梯式凹槽，并利用激光烧蚀去除切割产生多余材料，再用腐蚀液清除所述过渡热沉基底2的表面杂质，获得切割完成的过渡热沉基底2。
29.具体的，本实用新型提供的一种带有复合阶梯的热沉的制备方法，包括以下步骤：首先使用模具对所述过渡热沉基底2进行固定，然后使用光纤激光器对过渡热沉基底2的中部区域进行凹槽切割，凹槽深度纵横尺寸依次0.1mm
×
0.8mm，0.6mm
×
0.9mm，0.3mm
×
1.3mm，然后通过无水乙醇进行清洗，获得切割完成的过渡热沉基底2。
30.同理对过渡热沉基底2的空余区域(即与凹槽相匹配的位置)进行填充热沉材料9的切割制作，其切割尺寸与空余区域完全互补。
31.将与制作好的过渡热沉基底2与填充热沉材料9通过模具复合固定一起，放入真空压力设备中，抽取真空并通入少量氮气，升温至1200℃到1500℃并且保温10min至20min，同时给以15mpa到20mpa的双向约束挤压，然后进行冷却降压，在温度为1200℃上时，对真空内压力进行保压冷却，冷却速度10℃/min到20℃/min，在温度低于1200℃时，进行卸压，以最大50℃/min的速度冷却至200℃，打开真空门，进行取样，由此制作完成带有复合阶梯的热沉。
32.本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本技术的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本技术的精神和范围。任何本领域技术人员，在不脱离本技术的精神和范围内，均可作各自更动与修改，因此本技术的保护范围应当以权利要求限定的范围为准。