一種宏通道液冷高功率半導體激光器模塊和裝置的制造方法
【技術領域】
[0001 ]本發明涉及一種高功率半導體激光器封裝結構。
【背景技術】
[0002]高功率半導體激光器的散熱設計是封裝的核心內容之一。目前的高功率半導體激光器通常由以下幾種方式封裝:
[0003]a)如圖1、圖2所示，激光器巴條直接鍵合到熱沉上，熱沉采用一種基于微通道的結構熱沉。這種封裝結構通過熱沉的疊加可以實現較大功率的輸出，但該方式封裝的有如下缺點:首先，微通道容易因為水通道狹窄，容易造成堵塞;第二，熱沉本身帶電，所以必須采用去離子水進行冷卻，且對于離子濃度有很高的要求;第三，微通道內的高速水流，會造成通道的侵蝕，導致產品失效;第四，微通道熱沉的整體強度與剛度缺乏，容易在組裝和制造過程中發生折彎、變形，從而影響封裝的質量。
[0004]這種封裝因為巴條與熱沉材料的CTE不匹配，通常只能選擇軟焊料封裝以降低因為熱應力造成的巴條內部微損傷甚至撕裂，制約了激光器可靠性的提升。這種封裝形式的激光器巴條也可以先鍵合在CTE匹配的導電襯底(通常是銅鎢)上，再封裝到熱沉上。這樣的優點是可以使用硬焊料進行封裝，但是卻增加了散熱路徑，降低了散熱能力。
[0005]另外，還存在一種宏通道的熱沉用于巴條的封裝，類似圖1所示結構，通過貫通的入水口、出水口起到散熱的作用。其優點是通道較大，不易產生通道堵塞，液體的流速也會相對較低，可以減少通道的侵蝕。但是，這也造成了宏通道封裝器件的散熱能力較差、且存在通道內溫度不均勻的問題，熱沉也是帶電的。所以這種封裝只適用于在功率較低的應用場合。
[0006]13)相關專利文獻例如:1^5105429、1^5311530、1]56480514、1]56865200、1]57016383，US7944955B2、US7660335B2等。常見的一種封裝形式是:激光器巴條鍵合到CTE匹配的襯底形成一個發光單元，多個發光單元并列組合，封裝到絕緣塊上，再封裝到通常為宏通道的熱沉上。這樣的封裝形式，因為熱沉與激光器發光組件整體絕緣，為后續的應用提供了方便，同時可以使用硬焊料封裝，實現非去離子水(DIW)制冷。因為襯底與絕緣塊的存在，該封裝的主要缺點是巴條的散熱路徑比較長，難以適應高功率高占空比的場合。配合使用的宏通道熱沉可以通過水制冷或者其他方式制冷。基于這種熱沉結構的每個產品，很難進行組裝拼接以實現巴條數目的擴展。當需要更多bar條時，只能做不同尺寸的底部熱沉進行匹配適應。
【發明內容】
[0007]本發明提出一種宏通道液冷高功率半導體激光器模塊，采用獨特的熱沉設計與芯片組結合，結構性好，散熱效率高。
[0008]本發明的技術方案如下:
[0009]—種宏通道液冷高功率半導體激光器模塊，包括熱沉和芯片組;芯片組的各個激光器芯片鍵合在相應的導熱導電的襯底上，各個激光器芯片及其襯底依次堆疊并形成電連接，襯底經絕緣層安裝在同一熱沉上;沿激光器芯片及其襯底的堆疊方向，在垂直于芯片組安裝面的熱沉側面貫通開設有相互平行的入水口和出水口，熱沉內部設置有宏通道的液冷回路。
[0010]在以上方案的基礎上，本發明還進一步作了如下優化:
[0011]上述絕緣層有以下三種具體的結構形式:
[0012]1、絕緣層分為多個導熱絕緣塊，分別與各個激光器芯片及其襯底一一對應；
[0013]2、絕緣層為一個整體導熱絕緣塊，所有襯底均鍵合于該絕緣塊上；
[0014]3、絕緣層是在熱沉的芯片組安裝面(可以是僅在芯片組的安裝位置上鍍，也可以是在熱沉的芯片組安裝面的整個表面)上鍍的絕緣膜，襯底鍵合于絕緣膜上。
[0015]上述入水口位于芯片組的近端，出水口位于芯片組的遠端。
[0016]上述熱沉內部具有多層分隔的循環水路;循環水路分別自所述入水口起，繞經熱沉在芯片組與入水口之間的區域再回流到出水口(即各層循環水路之間相互并聯)。
[0017]實現上述多層分隔的循環水路，優選以下兩種具體結構:
[0018]1、熱沉由多個獨立的通水板沿入水口、出水口貫通方向層疊組成，在每個通水板的內部均設置有與所述入水口、出水口連通的循環水路；
[0019]2、熱沉為一體件，在內部開設多層相互隔離的循環水路，循環水路所在平面與入水口、出水口貫通方向垂直。
[0020]為進一步提高芯片組安裝面的散熱均勻性，相鄰兩層循環水路在入水口、出水口處的通水接口對稱設置，使相鄰兩層循環水路的流向相反。
[0021]對于激光器芯片-襯底的組裝形式，一種是每個激光器芯片對應一個襯底;還有一種優化的結構設計:每個激光器芯片夾于一對襯底之間，相鄰激光器芯片對應的兩個襯底直接接觸或再間隔一個單獨的襯底。
[0022]上述襯底的材質優選金剛石-銅合金，激光器芯片與襯底通過硬焊料鍵合，所述硬焊料為金錫或金鍺，導熱絕緣塊的材質優選金剛石或陶瓷，絕緣膜的材料優選氮化鋁或金剛石。
[0023]本發明還提出一種宏通道液冷高功率半導體激光器裝置，采用若干個上述宏通道液冷高功率半導體激光器模塊沿入水口、出水口貫通方向依次對準組裝，使得所有宏通道液冷高功率半導體激光器模塊的熱沉形成統一的入水口、出水口；相鄰宏通道液冷高功率半導體激光器模塊的入水口、出水口位置安裝有密封圈。這樣，多個激光器模塊在組裝的同時，實現t吳塊之間的電和水路的串聯聯接。
[0024]考慮到產品的可配置性、可靠性，建議每個宏通道液冷高功率半導體激光器模塊的激光器芯片數量為1?10個。
[0025]本發明具有以下優點:
[0026]宏通道的熱沉，水通道相對較大，降低了通道被侵蝕、堵塞的風險;采用獨特的多層并聯循環水路結構，顯著提高了散熱效果，并能夠保證較好的結構性，剛性大，不易變形，適合后續組裝。熱沉與巴條組之間絕緣，可不使用去離子水冷卻，水質要求降低。
[0027]巴條組的結構，實現巴條P-N兩個面的散熱，提高了散熱效率。使用硬焊料封裝，適應于更苛刻的環境使用，提高了可靠性。
[0028]多個模塊能夠很方便地機械組裝、維護，實現功率的彈性擴展。且每個模塊自成功能單元，可以真正在工作狀態下單獨進行測試、老化、篩選，以實現最終產品的優化性能。
[0029]使用高導熱率的材料作為襯底與絕緣塊，襯底為銅金剛石，絕緣塊為金剛石，實現與微通道產品同樣的連續高功率輸出。
【附圖說明】
[0030]圖1、圖2為傳統方案的結構示意圖；其中，圖1(a)為主視圖，圖1(b)為側視圖；圖中標號:1-散熱器(金屬片);2-激光器芯片;3-負極連接片;4-絕緣層;5-入水口； 6-出水口。
[0031]圖3、圖4為本發明的宏通道液冷高功率半導體激光器模塊的結構示意圖，其中圖3為主視圖；圖4為側視圖。
[0032]圖5為本發明多個模塊組裝擴展的示意圖。