[實用新型]一種低熱應力結構的高功率半導體激光器

有效

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• 申請日: 2013-12-25
• 公開（公告）號: CN203747236U
• 公開（公告）日: 2014-07-30
• 發(fā)明（設計）人: 劉興勝;王警衛(wèi)
• 申請（專利權）人: 西安炬光科技有限公司
• 主分類號: H01S5/024
• 分類號: H01S5/024;H01S5/042
• 代理公司: 西安智邦專利商標代理有限公司 61211
• 代理人: 胡樂

技術領域

本實用新型涉及一種低應力的半導體激光器。

背景技術

半導體激光器封裝產(chǎn)生的應力嚴重制約著器件的輸出光功率、工作壽命和光譜特性，是造成高功率半導體激光器可靠性差的主要因素。

對于半導體激光器而言，產(chǎn)生熱應力的主要原因是半導體激光器芯片的正極面、負極面與相應的導電塊（通常以連接層或直接采用熱沉的形式）之間（接觸面）的熱膨脹系數(shù)不一致導致的。以正極面為例，為了良好的散熱，通常是將半導體激光器芯片正極面焊接到具有高導熱的金屬熱沉上。由于半導體激光器芯片和熱沉的熱膨脹系數(shù)不一致，溫度變化將導致熱應力的產(chǎn)生和激光器芯片的翹曲變形，若熱應力過大甚至會造成芯片與金屬熱沉之間的焊接層開裂，半導體激光器芯片斷裂等問題，嚴重影響半導體激光器的可靠性和壽命。例如芯片的熱膨脹系數(shù)為6.7ppm/K，熱沉選用金屬銅，金屬銅的熱膨脹系數(shù)17.8ppm/K，同樣長度芯片和銅，每變化1℃，銅的長度變化將是芯片的2.7倍。如果金屬層與芯片表面是分離的，金屬連接層將會在芯片表面移動，且位移量較大。然而在一般情況下，金屬連接層是黏附或者焊接在芯片表面的，它不可能在芯片表面移動，但存在這種趨勢，所以在芯片和金屬連接層或者芯片與熱沉之間就會存在剪切應力。這個力可能會使芯片上附著的金屬層、產(chǎn)生滑移，造成金屬條間短路或開路，也可能會使芯片破裂影響半導體激光器的可靠性和壽命。

半導體激光器在復雜環(huán)境中工作時，從室溫到極端寒冷環(huán)境下的溫度循環(huán)過程，半導體激光器芯片與熱沉（接觸面）之間的熱膨脹系數(shù)的差異會產(chǎn)生很大的熱應力導致分層或者開裂。

此外，對于與半導體激光器芯片接觸的金屬層區(qū)域若為一整體區(qū)域（塊），芯片與接觸的金屬區(qū)域通常通過焊料進行固定連接，焊料層通常是兩邊厚，中間薄會導致在激光器工作的過程中，半導體激光器芯片和與激光器芯片接觸的焊接層，以及半導體激光器芯片與金屬熱沉之間存在溫度差，整個半導體激光器芯片寬度內(nèi)發(fā)光單元所遭受的非均勻熱應力將會造成波長分布不均，導致光譜展寬導致芯片產(chǎn)生較大的熱應力，造成激光波長漂移，以及出現(xiàn)寬的光譜及肩峰。

對于半導體激光器通常降低熱應力的方法有如下幾種：

（1）選用與半導體激光器芯片熱膨脹系數(shù)較為接近的導熱材料，例如銅鎢，但是銅鎢材料的導熱性能比金屬銅低，導致選用銅鎢作為熱沉的半導體激光器整體的導熱性能較低。

（2）在半導體激光器芯片與熱沉之間選用軟焊料進行焊接，例如選用銦金屬作為焊料，但銦在高電流下易產(chǎn)生電遷移和電熱遷移，這又極大地降低了半導體激光器的可靠性。

實用新型內(nèi)容

為克服現(xiàn)有技術的缺點，本實用新型提供一種低熱應力結構的高功率半導體激光器，該結構的半導體激光器熱應力低，能夠適應復雜工作環(huán)境。

本實用新型的技術方案如下：

一種低熱應力結構的高功率半導體激光器，主要包括依次層疊的四層結構，第一層是作為正極連接塊的熱沉，熱沉的安裝平面上設置有芯片安裝區(qū)和絕緣區(qū)，第二層包括半導體激光器芯片和絕緣片，半導體激光器芯片焊接于所述芯片安裝區(qū)，絕緣片安裝于所述絕緣區(qū)，第三層是起導電作用的電極連接層，第四層是負極連接塊；

所述電極連接層中，與半導體激光器芯片焊接的部位為平面齒狀結構，用以降低電極連接層與芯片之間的熱應力，該部位與負極連接塊保持間隙，電極連接層的其他部位與負極連接塊焊接。

如上所述方案，主要解決了負極連接塊與半導體激光器芯片負極面焊接的熱膨脹系數(shù)匹配問題，較之于傳統(tǒng)方案，已取得了長足的進步。對于半導體激光器芯片正極面，仍可以采用在正極面直接焊接在熱沉薄片（熱膨脹系數(shù)與芯片相匹配）形成電連接的常規(guī)結構，也可以考慮本實用新型的以下更優(yōu)方案。

基于上述方案，本實用新型還進一步作如下優(yōu)化限定和改進：

對于芯片正極面與熱沉之間的焊接，本實用新型進一步給出兩個解決方案：

一、在熱沉的芯片安裝區(qū)上對應于半導體激光器芯片的位置設置有一熱沉連接層，該熱沉連接層采用金屬鉬。經(jīng)分析和實驗，金屬鉬與芯片的熱膨脹特性最為匹配。

二、在熱沉的芯片安裝區(qū)上對應于半導體激光器芯片的位置設置有一熱沉連接層，該熱沉連接層由彼此保持間隙的多個小塊排布形成。

當然，第二種方案中熱沉連接層的小塊的材料優(yōu)選金屬鉬。