專利名稱：以SiC晶片作為一級熱沉的單發射腔半導體激光器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種單發射腔半導體激光器，特別是ー種以SiC晶片作為ー級熱沉的單發射腔半導體激光器。
背景技術：
半導體激光器以其體積小、重量輕、稱合效率高、壽命長、響應速度快、與光纖適配、可直接調制等優點，在エ業、醫療、通信和軍事上都有廣泛的應用。隨著大功率半導體激光器輸出功率的不斷提高，產生的熱量也隨之增加，積累的熱量將會導致激光器有源區的溫度上升，波長紅移、輸出功率和轉換效率降低，甚至導致激光器失效。熱效應已經成為ー個制約大功率半導體激光器發展的瓶頸之一。半導體激光器芯片的熱流密度可達到每平方厘米千瓦量級，首先必須降低熱流密度，擴展有效散熱面積，而后才能通過常規傳熱方法散熱。因此，與芯片直接接觸的ー級熱沉起著關鍵作用。目前普遍應用無氧銅(無氧銅的導熱系數約386w/m*K)作為熱沉材料，·為使熱膨脹系數與外延片材料體系更匹配，中間襯以氮化鋁作為過渡層(氮化鋁的導熱系數約170w/m*K)。這種熱沉結構雖然降低了層間熱應力，但以增加熱阻為代價，并不是理想的ー級熱沉。
發明內容
本發明的目的在于提供ー種以SiC晶片作為ー級熱沉的單發射腔半導體激光器，以最短的熱傳導路徑，最大限度擴展芯片有效散熱面積，均化熱流密度分布，其與次級銅熱沉結合形成的新型熱沉結構，有效提升單發射腔半導體激光器的散熱性能，顯著提高其輸出功率。本發明涉及ー種以SiC晶片作為ー級熱沉的單發射腔半導體激光器的熱沉結構設計。所述的SiC晶片的法向導熱系數比氮化鋁高一倍以上，平面切向的導熱系數比氮化鋁提高兩倍以上，而其熱脹系數與芯片襯底材料的熱脹系數相近。以SiC晶片作為ー級熱沉，可最大限度擴展芯片有效散熱面積，均化熱流密度分布。次級銅熱沉采用改進的F封裝結構，使一級熱沉傳遞的熱量沿最大溫度梯度方向且以最短的熱傳導路徑散熱。同吋，電極引線7、8直接從+-極Au-Sn焊層引出，減少了電極引線焊接點，有利于提高器件整體可靠性。所形成的新型熱沉結構設計可以顯著降低系統熱阻，提高可靠性，從而顯著減少芯片エ作時熱量的積累，有利于提高輸出光功率。數值模擬表明，在同等外部環境條件下，采用此種新型熱沉結構設計可使芯片產生的高熱流密度峰值分布迅速趨于平坦，散熱功率増加近60%。所述的以SiC晶片作為ー級熱沉的單發射腔半導體激光器包括一級熱沉I,Au-Sn焊層2 (正扱)，Au-Sn焊層3 (負極)，激光器芯片4，連接金線5，次級銅熱沉6，電極引線7。利用光刻和濺射鍍膜在一級熱沉I上表平面沉積互不相連的兩個Ti/Pt/Au多層膜，經加熱熔融后形成Au-Sn焊層2 (正扱)和Au-Sn焊層3 (負極)，如圖I所示。激光器芯片4表面鍍金后，P面朝下，經加熱熔接，通過Au-Sn焊層2與一級熱沉I連接。Au-Sn焊層2作為正扱，與電極引線7焊接后引出。芯片4上表面通過連接金線5，與Au-Sn焊層3連接，作為-極，再與電極引線7焊接后引出，如圖2所示。圖2是單發射腔半導體激光器封裝結構示意圖，采用改進的F封裝結構，電極引線7直接從正負極Au-Sn焊層2、3引出，減少了電極引線焊接點，有利于提高器件整體可靠性。一級熱沉I與次級銅熱沉6焊接，通過次級銅熱沉上的螺孔最終與冷板表面固定，形成散熱通路。
圖I是單發射腔半導體激光器一級熱沉的結構示意圖I, 一級熱沉 2, Au-Sn焊層(正極)3, Au-Sn焊層3 (負極)4，激光器芯片5，連接金線 圖2是單發射腔半導體激光器封裝結構示意圖6，次級銅熱沉7，電極引線
具體實施例方式以各向異性高導熱系數材料，例如改性SiC晶體，作為ー級熱沉，其與芯片GaAs襯底材料有相匹配的熱脹系數，是ー種性能優于目前采用的氮化鋁陶瓷的熱沉材料。用SiC晶片作為ー級熱沉，再與次級銅熱沉6焊接，通過銅熱沉上的螺孔最終與冷板表面固定，形成散熱通路。采用此種新型熱沉結構設計可最大限度擴展芯片有效散熱面積，均化熱流密度分布，使散熱功率増加近60%。利用光刻和濺射鍍膜在SiC熱沉平面上沉積互不相連的Ti/Pt/Au多層膜，經加熱熔融后形成兩個Au-Sn焊層分別作為正負電極，通過電極引線7直接從正負極Au-Sn焊層2、3引出。本發明提出的一級熱沉和改進的F封裝結構將有效降低系統熱阻，減少了電極引線焊接點，提高器件整體可靠性，顯著減少芯片工作時熱量的積累，提高輸出光功率。以上所述，僅是根據本發明技術方案提出的較佳實施例，并非對本發明作任何形式上和熱沉材料上的限制，凡是依據本發明的技術實質對以上實施例所做的簡單修改、等同變換以及類似性質材料代換，均仍屬于本發明權利要求的保護范圍內。
權利要求
1.一種以SiC晶片作為一級熱沉的單發射腔半導體激光器，其特征在于所述的單發射腔半導體激光器包括一級熱沉1，Au-Sn焊層2 (正極)，Au-Sn焊層3 (負極)，芯片4，連接金線5,次級銅熱沉6,電極引線7。
2.根據權利要求I所述的單發射腔半導體激光器，其特征在于所采用的SiC晶片的法向導熱系數比氮化鋁提高一倍以上，而平面切向的導熱系數比氮化鋁提高兩倍以上，且其熱脹系數與芯片襯底材料的熱脹系數相近。
3.根據權利要求I所述的單發射腔半導體激光器，其特征在于一級熱沉上表面上沉積互不相連的兩個Ti/Pt/Au多層膜，經加熱熔融后形成正負電極。
4.根據權利要求I所述的單發射腔半導體激光器，其特征在于激光器芯片P面朝下與一級熱沉表面的正電極熔接；芯片上表面通過金線與一級熱沉負電極相連。
5.根據權利要求I所述的單發射腔半導體激光器，其特征在于采用改進的F封裝結構，電極引線直接從+_極Au-Sn焊層引出，減少了電極引線焊接點。
6.根據權利要求I所述的單發射腔半導體激光器，其特征在于一級熱沉與次級銅熱沉焊接，通過銅熱沉上的螺孔最終與冷板表面固定，形成散熱通路。
全文摘要
本發明涉及一種以SiC晶片作為一級熱沉的單發射腔半導體激光器。包括一級熱沉，Au-Sn焊層電極(正負極)，激光器芯片，連接金線，次級銅熱沉以及改進的F封裝結構。本發明特色在于與芯片直接接觸的一級熱沉采用SiC晶片，其熱脹系數與芯片襯底材料的熱脹系數相近，在消除芯片與銅熱沉之間的熱脹系數不匹配的同時，最大限度擴展芯片有效散熱面積，均化熱流密度分布，降低了系統熱阻，從而顯著減少芯片工作時熱量的積累。數值模擬表明，在同等條件下，采用此種新型熱沉結構設計可使散熱功率增加近60％。采用改進的F封裝結構，電極引線7、8直接從+-極Au-Sn焊層引出，減少了電極引線焊接點，有利于提高器件整體可靠性。
文檔編號H01S5/024GK102709807SQ201210113009
公開日2012年10月3日 申請日期2012年4月18日 優先權日2012年4月18日
發明者徐靖中 申請人:徐靖中