[發明專利]一種具有圖形化結構的半導體激光器熱沉及其制造方法

在審

• 申請號: 202010117958.4
• 申請日: 2020-02-17
• 公開（公告）號: CN111162448A
• 公開（公告）日: 2020-05-15
• 發明（設計）人: 蔣鍇;李星宇;孫旺根;夏偉;唐文婧
• 申請（專利權）人: 濟南大學
• 主分類號: H01S5/024
• 分類號: H01S5/024
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

一種具有圖形化結構的半導體激光器熱沉及其制造方法，通過在基體上下表面預先制備了立體圖形結構陣列，大幅增加了基體材料的表面積和表面化學鍵能，提高了與基體材料接觸的功能層、過渡金屬層I及過渡金屬層II的粘附性的粘附性，通過在立體圖形結構陣列上制造功能層，有效的結合基體材料和功能層材料熱導率或熱膨脹系數各自特點，調節符合材料整體的熱導率或熱膨脹系數，保證與半導體激光器材料本身熱失配小的前提下降低熱沉材料的熱阻，提高散熱性能，保證了激光器光電性能和可靠性。

技術領域

本發明涉及激光器封裝技術領域，具體涉及一種具有圖形化結構的半導體激光器熱沉及其制造方法。

背景技術

半導體激光器芯片廣泛應用于通訊、加工、醫學、科研、傳感等領域，具有體積小、效率高、重量輕、壽命長、工藝兼容性好等諸多優點，近年來發展尤為迅速，極大地促進了信息、測量、醫療、娛樂等相關產業的發展。半導體激光器本身器件特性和各類應用需求的特殊性，幾乎所有半導體激光器(或巴條)都必須經過貼片封裝工藝方能投入下游應用端生產。由于半導體激光器屬于典型的電光轉換芯片，隨著半導體激光器輸出功率的不斷提高，受制于電光轉換效率的影響，除轉化為有效光功率輸出的部分外，最少存在30％以上的電功率轉換成了無效的廢熱功率，而此類廢熱將反過來直接影響半導體激光器的輸出功率、光學特性以及可靠性等各項參數。因此半導體激光器芯片應用中實際性能與其工作溫度和廢熱控制有著密切的相關性，散熱問題成為直接影響半導體激光器，特別是大功率半導體激光器性能的關鍵因素。

目前最常用的散熱方法是采用熱沉材料將半導體激光器工作時產生的廢熱傳導出去，從而降低器件的正常工作溫度，保證器件的輸出性能和可靠性。由于半導體激光器在應用中的重點要求集中于高功率輸出、高光束質量、高可靠性和較低的使用成本等方面，相應的熱沉材料開發對應聚焦在高熱導率、匹配的熱膨脹系數和盡可能低的成本三方面。熱沉的高熱導率可以將激光器工作時產生的熱量及時散出，匹配的熱膨脹系數則保證良好的光學特性及避免芯片或熱沉本身因熱應力失配出現損壞，盡可能低的成本最終保證其在激光器封裝中能夠得到更快更廣的應用。

從以上角度出發，現今作為半導體激光器熱沉材料的主要是鎢銅(CuW)、氮化鋁(AlN)和氧化鈹(BeO)。如公開號為CN 103413791 A的發明專利，采用AlN或BeO基板制備熱沉，最大的優勢為具有與現有GaAs類半導體激光器芯片接近的熱膨脹系數(～6.7′10^-6/K)，但是材料的熱導率(170～270W m^-1 K^-1)均不高且部分材料(BeO)本身或制備過程中存在劇毒物質，已經無法滿足大功率半導體激光器散熱的迫切需求，限制了半導體激光器在高端領域的應用。此外，因為半導體激光器封裝中焊接工藝要求熱沉表面必需制備多層金屬合金(包含焊料)，金屬合金與熱沉基材之間的粘附性受金屬材料本身性質及具體工藝影響顯著，極易出現因工藝波動或熱失配等界面原因引發的金屬脫落問題。該專利技術方案采用離子注入、濺射技術和化學鍍或電鍍工藝試圖解決表面金屬牢固性問題，但仍存在離子注入工藝過程復雜且大尺寸熱沉生產均勻性難以保證，濺射工藝成本顯著高于電子束蒸發等傳統工藝，化學鍍或電鍍制備的材料致密性差和純度偏低等問題。

另外，如發明專利CN 103887703 B采用的技術方案中，采用高熱導率的石墨烯層作為熱沉表層以提高激光器散熱能力的方案，理論上石墨烯沿平面(平行于熱沉表面)熱導率非常高，但技術方案中由于石墨烯層只有一個或幾個原子層，厚度僅有幾十納米，相較于基材本身數百微米的量級，對于垂直于熱沉表面的熱導率幾乎沒有作用。此外，方案中表層石墨烯采用化學氣相沉積后、溶解再轉移的方法制備工藝復雜，成本偏高。再者，石墨烯本身為石墨的一個單原子層，也就是一層sp2鍵合的碳原子排列成六角形或蜂窩狀晶格，因此該層石墨原子層內原子間強度較高，但作為中間層時，與上下兩層材料結合時仍為分子間作用力，結合力較弱(類似石墨層間作用力)，因此該石墨烯層及其上層材料不易與基體材料牢固結合，意外剝落的較大可能性。

發明內容