[發明專利]一種高功率半導體激光器及其制備方法

在審

• 申請號: 201610164709.4
• 申請日: 2016-03-22
• 公開（公告）號: CN105790071A
• 公開（公告）日: 2016-07-20
• 發明（設計）人: 劉興勝;盧棟;王警衛;楊艷
• 申請（專利權）人: 西安炬光科技股份有限公司
• 主分類號: H01S5/22
• 分類號: H01S5/22;H01S5/024;H01S5/02
• 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

本發明涉及一種高功率半導體激光器的結構及其制備工藝。

背景技術

現有的傳導冷卻型高功率半導體激光器的封裝工藝如圖1～2所示。

圖1所示方案是將多個芯片和多個導電導熱襯底(如銅、銅鎢、鉬銅等) 同時焊接后，再整體焊接在絕緣導熱基片上，然后將該模塊鍵合在散熱器上， 固定通電電極，完成激光器的制備。

該方案存在以下缺點：

(1)散熱差：步驟1中，由于多個導電導熱襯底加工工藝問題，很難做 到上下平齊(公差較大，總有高度差)，導致步驟2中很難均勻的鍵合在絕緣 導熱片上，使得該產品的散熱差，難以實現高功率、高占空比應用。

(2)可靠性差：該制備過程利用了不同焊料的階梯熔點特性，所以步驟 2和步驟3須用比步驟1熔點低的焊料，低熔點焊料長時間穩定性和可靠性低， 對使用環境要求高(無法高溫使用)，加之該結構無法克服的散熱性差，產品 整體的壽命較短，可靠性低。

圖2為目前主流的傳導冷卻型高功率半導體激光器陣列獨立陶瓷新型結 構制備方法，將單個芯片、導電導熱襯底及絕緣導熱片同時焊接，制成半導 體激光器發光單元(COC-ChiponCarrier)，對半導體發光單元進行相應的測 試、老化、篩選，然后將合格的半導體激光器發光單元通過絕緣導熱片鍵合 在散熱器上，制成傳導冷卻型高功率半導體激光器。

存在如下缺點：

(1)工藝復雜，成本高：該工藝過程中芯片先后通過兩次鍵合，工藝要 求高；半導體激光器發光單元與散熱器的鍵合需要精密夾具并對位，對封裝 設備及操作人員要求極高，整個過程人工及設備投入高。

(2)合格率低：該工藝過程中芯片先后通過兩次鍵合，會對芯片造成重 復損傷；二次鍵合會出現空洞、虛焊、浸潤性差，最終導致焊接質量較差， 合格率低。焊接不良也會導致散熱差，可靠性及壽命降低。

發明內容

為了克服現有高功率半導體激光器封裝技術存在的不足，本發明提出一 種新型高功率半導體激光器及制備工藝，可以有效解決現有結構方案中激光 器合格率低、工藝復雜、鍵合質量差以及可靠性不高等問題，促進傳導冷卻 型高功率半導體激光器向更高功率發展。

本發明的基本方案如下：

一種高功率半導體激光器，包括散熱器和由若干個激光器芯片及其襯底 構成的芯片組模塊，襯底的底部通過焊料鍵合到散熱器上，所述襯底的主體 為絕緣導熱塊；對應于襯底上激光器芯片的鍵合區域，所述絕緣導熱塊的正 面和背面均設置有導電導熱層，正面的導電導熱層與背面的導電導熱層之間 經由絕緣導熱塊的表面和/或內部貫通設置的導電材料形成電連接。

在以上基本方案的基礎上，本發明還作了以下重要的優化和改進：

絕緣導熱塊及其正面和背面的導電導熱層以及構成電連接的導電材料為 一體結構。

所述一體結構最好采用DBC結構(DirectBondingCopper)或者DPC結 構(DirectPlatingCopper)。絕緣導熱塊表面和/或內部的導電導熱層可以通過 鍍、覆、3D打印、物理氣相沉積(PVD)、化學氣相沉積(CVD)、物理化學 氣相沉積(PCVD)、電子濺射、涂覆、噴涂、熔滲、結合化學物理拋光(CMP)、 精密切割等工藝加工制成。

經由絕緣導熱塊的表面設置的導電材料的結構形式可以分為兩大類：

1、設置于絕緣導熱塊頂部和/或絕緣導熱塊側部的覆層或者鍍層。

2、自正面的導電導熱層貫通至背面的導電導熱層的一處或多處柱形結 構。

對于第二類結構，所述柱形結構優選方柱、圓柱或者橢圓柱，或者這三 種柱形中的任意組合。

考慮到適應目前常用的鍵合工藝(通常要對襯底底部進行金屬化處理)， 本發明中絕緣導熱塊的底部宜經金屬化處理形成有金屬薄膜，該金屬薄膜與 絕緣導熱塊正面和背面的導電導熱層及其電連接結構之間保持間隔。

散熱器表面還可在襯底焊接位置對應設置有與激光器芯片方向平行的細 槽以降低熱應力，細槽的寬度小于相鄰絕緣導熱塊之間的間距。

絕緣導熱塊可采用氧化鋁、氮化鋁、氧化鈹、碳化硅、金剛石或者金剛 石銅復合材料；所有的導電材料可采用銅、鎢、鉬、金、銀、鋁、銅鎢、鉬 銅、銅鉬銅或者金剛石銅復合材料。

本發明還提出一種制備上述高功率半導體激光器的方法，包括以下步驟：