一種高功率半導體激光器的封裝結構及其制備方法與流程

本發明涉及半導體激光器領域，尤其涉及一種高功率半導體激光器的封裝結構及其制備方法。

背景技術：

圖1為現有的半導體激光器封裝結構示意圖，如圖1所示，由于激光芯片（巴條）1與熱沉5（制冷器）的熱膨脹系數（CTE，Coefficient of thermal expansion）不匹配，因此需要采用襯底3作為過渡熱沉，來平衡激光芯片1和熱沉5之間的熱膨脹系數不匹配，但即使這樣，激光芯片1與襯底3鍵合的P面仍會受到由于熱沉5收縮產生的應力，此應力會導致激光芯片（巴條）向上彎曲（如圖2所示），這樣不僅使得激光光束質量降低，還嚴重影響后續準直和耦合的效率。

技術實現要素：

有鑒于此，本發明實施例提供一種高功率半導體激光器的封裝結構及其制備方法，能夠在改善散熱的情況下，有效地平衡激光芯片P面受到的熱應力，大大降低激光器的近場非線性效應。

本發明的技術方案如下：

本發明實施例提供一種高功率半導體激光器的封裝結構，包括：制冷器、以及半導體激光器單元；其中，所述半導體激光器單元由激光芯片、以及與所述激光芯片鍵合的起導電散熱作用的襯底組成；所述襯底為具有多個熱膨脹系數的一體式多層復合襯底，通過焊料鍵合到所述制冷器上，所述襯底各層的熱膨脹系數自激光芯片端到制冷器端呈增大趨勢。

上述方案中，所述具有多個熱膨脹系數的一體式多層復合襯底，為：熱膨脹系數呈離散型分布，且自激光芯片端到制冷器端突變增大的一體式襯底。

上述方案中，所述一體式多層復合襯底由至少三層熱膨脹系數自激光芯片端到制冷器端突變增大的高導熱材料復合而成。

上述方案中，所述具有多個熱膨脹系數的一體式多層復合襯底，為：熱膨脹系數呈線性分布，且自激光芯片端到制冷器端漸變增大的一體式襯底。

上述方案中，所述一體式多層復合襯底由至少三層熱膨脹系數自激光芯片端到制冷器端均勻漸變增大的高導熱材料復合而成。

上述方案中，所述制冷器為液體制冷型制冷器、和/或傳導冷卻型制冷器。

本發明實施例還提供一種高功率半導體激光器的制備方法，所述方法包括：利用焊料將激光芯片鍵合到具有多個熱膨脹系數的一體式多層復合襯底上，形成半導體激光器單元；將所述半導體激光器單元通過焊料鍵合到制冷器上，并安裝絕緣層和電極；其中，所述襯底各層的熱膨脹系數自激光芯片端到制冷器端呈增大趨勢。

上述方案中，所述具有多個熱膨脹系數的一體式多層復合襯底，為：熱膨脹系數呈離散型分布，且自激光芯片端到制冷器端突變增大的一體式襯底。

上述方案中，所述具有多個熱膨脹系數的一體式多層復合襯底，為：熱膨脹系數呈線性分布，且自激光芯片端到制冷器端漸變增大的一體式襯底。

附圖說明

圖1為現有半導體激光器封裝結構示意圖；

圖2為現有半導體激光器芯片彎曲示意圖；

圖3為本發明襯底的組成結構示意圖一；

圖4為本發明襯底的組成結構示意圖二。

附圖標號說明：1為激光芯片，2為用于鍵合激光芯片與襯底的焊料，3襯底，4為用于鍵合襯底與制冷器的焊料，5為制冷器，31為襯底的第一層，32為襯底的第二層，33為襯底的第三層。

具體實施方式

本發明實施例提供一種高功率半導體激光器的封裝結構及其制備方法，所述封裝結構的特點在于，采用具有多個熱膨脹系數的一體式多層復合襯底來平衡激光芯片與制冷器之間的熱膨脹系數不匹配，這里所說的具有多個熱膨脹系數的一體式多層復合襯底，指的是所述一體式襯底由多層高導熱材料復合而成，各層之間的熱膨脹系數互不相同，并且具有一定的變化規律。

上述一體式多層復合襯底的熱膨脹系數可以呈離散型分布，并由激光芯片端到制冷器端突變增大，具體可以由至少三層熱膨脹系數自激光芯片端到制冷器端突變增大的高導熱材料復合而成，突變具體指的是：這種襯底各層的熱膨脹系數呈離散型分布，也即各層之間的熱膨脹系數呈階梯式變化。

進一步的，上述一體式多層復合襯底的熱膨脹系數還可以呈線性分布（各層的熱膨脹系數以一定的規律呈線性變化趨勢），并由激光芯片端到制冷器端漸變增大，具體可以由至少三層熱膨脹系數自激光芯片端到制冷器端均勻漸變增大的高導熱材料復合而成，這里所說的漸變可以理解為以非常微小的變化率漸變的一種情況，由于這種情況下各層之間的變化程度較小，因此相應的高導熱材料的復合層數也較多。

下面結合附圖及具體實施例對本發明技術方案作進一步詳細說明。

本發明實施例提供一種高功率半導體激光器的封裝結構，所述封裝結構包括：制冷器5、以及半導體激光器單元；其中，

所述半導體激光器單元由激光芯片1、以及與所述激光芯片1鍵合的起導電散熱作用的襯底3組成；所述襯底3為具有多個熱膨脹系數的一體式多層復合襯底，通過焊料4鍵合到所述制冷器5上，所述襯底各層的熱膨脹系數自激光芯片端到制冷器端呈增大趨勢。需說明的是，這里所說的多個熱膨脹系數是相對于現有襯底的熱膨脹系數為唯一確定值而言的，也即本發明所述的一體式襯底的熱膨脹系數并非是單一數值，而是呈一定規律變化的一系列數值。

具體的，圖3為本發明襯底的組成結構示意圖一，如圖3所示，所述具有多個熱膨脹系數的一體式多層復合襯底可以為：熱膨脹系數呈離散型分布，且自激光芯片1端到制冷器5端突變增大的一體式襯底。所述一體式襯底由至少三層熱膨脹系數自激光芯片端到制冷器端突變增大的高導熱材料復合而成。

這里，以圖3中所述襯底由三層高導熱材料復合而成為例，圖3中的橫軸表示各層的熱膨脹系數（CTE），Y軸表示各層的堆疊方向。具體的，所述襯底在靠近激光芯片端的第一層31可以為熱膨脹系數與激光芯片1相匹配的高導熱材料，所述高導熱材料具體可以為某一種單一成分，也可以為兩種及以上組分構成的混合物（比如，配比為1比9的銅、鎢）。

類似的，所述襯底的第二層32可以為熱膨脹系數適中的高導熱材料，這里所說的“適中”可以理解為其熱膨脹系數位于所述激光芯片與制冷器兩者之間。所述高導熱材料具體可以為某一種單一成分，也可以為兩種及以上組分構成的混合物（比如，配比為1比1的銅、鎢）；所述襯底的第三層33可以為熱膨脹系數與制冷器相匹配的高導熱材料，同樣，所述高導熱材料具體可以為某一種單一成分，也可以為兩種及以上組分構成的混合物（比如，配比為9比1的銅、鎢）

進一步的，圖4為本發明襯底的組成結構示意圖二，如圖4所示，圖4中的橫軸表示各層的熱膨脹系數（CTE），Y軸表示各層的堆疊方向。具體的，所述具有多個熱膨脹系數的一體式襯底可以為：熱膨脹系數呈線性分布，且自激光芯片1端到制冷器5端均勻漸變增大的一體式襯底。所述一體式襯底由至少三層熱膨脹系數自激光芯片1端到制冷器5端均勻漸變增大的高導熱材料復合而成。

通過上述技術方案可知，所述襯底中高導熱材料的比例增加，因此本發明所提供的技術方案還增強了半導體激光器的散熱能力。

上述方案中，所述制冷器可以根據實際需要選擇液體制冷型制冷器、和/或傳導冷卻型制冷器。

本發明實施例還提供一種高功率半導體激光器的制備方法，所述方法包括：利用焊料將激光芯片鍵合到具有多個熱膨脹系數的一體式多層復合襯底上，形成半導體激光器單元，所述焊料可以為金錫焊料；將所述半導體激光器單元通過焊料鍵合到制冷器上，這里所述焊料可以為錫，錫銅、錫銀銅或錫銀焊料，所述襯底各層的熱膨脹系數自激光芯片端到制冷器端呈增大趨勢。

進一步的，所述方法還可以包括：安裝絕緣層以及電極，具體可以通過引入金線或銅箔等方式安裝電極。

所述具有多個熱膨脹系數的一體式多層復合襯底可以為：熱膨脹系數呈離散型分布，且自激光芯片端到制冷器端突變增大的一體式襯底。

所述具有多個熱膨脹系數的一體式多層復合襯底可以為：熱膨脹系數呈線性分布，且自激光芯片端到制冷器端漸變增大的一體式襯底。

在實際應用中，可以根據具體需求，將利用上述封裝結構制成的半導體激光器在水平和/或垂直方向的疊層，形成水平或垂直陣列類的高功率半導體激光器。

以上所述，僅為本發明的較佳實施例而已，并非用于限定本發明的保護范圍。對于本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。