一種帶石墨烯層的半導(dǎo)體激光器熱沉及其制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種帶石墨烯層的半導(dǎo)體激光器熱沉，包括從下至上依次沉積的基體材料層、無(wú)氧銅層和石墨烯層，所述基體材料層采用的材料是氮化鋁陶瓷、氧化鋁陶瓷、氧化鋯陶瓷、氮化硅陶瓷、碳化硅或氮化硼中的任意一種。本發(fā)明還對(duì)應(yīng)給出了制作所述熱沉的方法。本發(fā)明采用石墨烯層作為熱沉的散熱材料，充分利用石墨烯熱導(dǎo)率高的物理特性，將半導(dǎo)體激光器工作時(shí)產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)出來(lái)并發(fā)散掉，能夠在不增加半導(dǎo)體激光器重量、體積的情況下，大幅提高半導(dǎo)體激光器的散熱能力，降低半導(dǎo)體激光器工作時(shí)的溫度，保證半導(dǎo)體激光器的光電性能和可靠性，延長(zhǎng)半導(dǎo)體激光器的壽命。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種帶石墨烯層的半導(dǎo)體激光器熱沉及其制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件封裝【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是一種用于大功率半導(dǎo)體激光器封裝且具有石墨烯層的熱沉及其制作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]大功率半導(dǎo)體激光器具有體積小、電光轉(zhuǎn)換效率高、覆蓋的波段范圍廣，易集成等優(yōu)點(diǎn)。目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于激光測(cè)距、激光通信、材料處理、機(jī)械加工和醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域。但是隨著半導(dǎo)體激光器輸出功率的不斷提高，很大一部分電功率轉(zhuǎn)換成了熱功率。而半導(dǎo)體激光器的光學(xué)特性、輸出功率以及可靠性等都與器件的工作溫度有著密切的關(guān)系。因此，散熱問(wèn)題成了直接影響半導(dǎo)體激光器，特別是大功率半導(dǎo)體激光器性能的關(guān)鍵因素。
[0003]通過(guò)熱沉材料將半導(dǎo)體激光器工作時(shí)產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)出去，是降低半導(dǎo)體激光器工作溫度，保證半導(dǎo)體激光器的性能和可靠性的有效方法。熱沉材料的選擇主要考慮兩個(gè)方面，一是材料要具有較高的熱導(dǎo)率，能夠?qū)⒓す馄鞴ぷ鲿r(shí)產(chǎn)生的熱量及時(shí)散發(fā)出去；二是熱沉材料與激光器芯片的熱膨脹系數(shù)要盡可能匹配，以免激光器芯片因?yàn)闊釕?yīng)力而損壞。目前半導(dǎo)體激光器普遍使用的散熱材料是銅熱沉，因?yàn)殂~價(jià)格便宜，且容易加工。但是，金屬銅的熱膨脹系數(shù)與半導(dǎo)體激光器材料相比，差值比較大，容易產(chǎn)生由熱應(yīng)力引起的變形。為了起到更好的散熱效果，還常用金剛石作為銅和芯片之間的連接材料，因?yàn)榻饎偸臒釋?dǎo)率約是銅的5倍，且熱膨脹系數(shù)小。但是金剛石的價(jià)格昂貴、且金屬化工藝復(fù)雜，限制了其在半導(dǎo)體激光器熱沉方面的大規(guī)模應(yīng)用。
[0004]石墨烯作為一種二維蜂窩狀結(jié)構(gòu)碳質(zhì)新型材料已成為世界范圍內(nèi)的研究熱點(diǎn)。單層石墨烯的厚度只有0.335納米，是目前世界上最薄也是機(jī)械強(qiáng)度最大的納米材料。同時(shí)，它具有良好的散熱性能，它的熱導(dǎo)系數(shù)高達(dá)5300W/(m.k)，遠(yuǎn)高于目前導(dǎo)熱性能最好的金剛石(熱導(dǎo)率:600-2200W/(m.k))。作為單層碳原子結(jié)構(gòu)，石墨烯的理論比表面積高達(dá)2630m2/g。因此，本發(fā)明提出了一種將石墨烯應(yīng)用于半導(dǎo)體激光器的熱沉制作的技術(shù)方案。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種帶石墨烯層的半導(dǎo)體激光器熱沉及其制作方法，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中的熱沉結(jié)構(gòu)不利于半導(dǎo)體激光器散熱的問(wèn)題。
[0006]本發(fā)明解決上述技術(shù)問(wèn)題的技術(shù)方案如下:一種帶石墨烯層的半導(dǎo)體激光器熱沉，包括從下至上依次沉積的基體材料層、無(wú)氧銅層和石墨烯層，所述基體材料層采用的材料是氮化鋁陶瓷、氧化鋁陶瓷、氧化鋯陶瓷、氮化硅陶瓷、碳化硅或氮化硼中的任意一種。
[0007]在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本發(fā)明還可以做如下改進(jìn)。
[0008]進(jìn)一步，所述無(wú)氧銅層覆蓋所述基體材料層的全部區(qū)域或部分區(qū)域。
[0009]進(jìn)一步，所述石墨烯層覆蓋所述無(wú)氧銅層的全部區(qū)域或部分區(qū)域。
[0010]進(jìn)一步，所述石墨烯層采用的材料是單原子層石墨烯或多原子層石墨烯。
[0011]進(jìn)一步，所述石墨烯層上鍍有焊料層，且所述焊料層用于焊接半導(dǎo)體激光器。[0012]進(jìn)一步，所述基體材料層上還鍍有與所述無(wú)氧銅層絕緣的金層，且所述金層上焊有金線(xiàn)，所述金線(xiàn)用于將半導(dǎo)體激光器的η面電極連接到所述金層上，并通過(guò)所述金層引出半導(dǎo)體激光器的η電極。
[0013]本發(fā)明的技術(shù)方案還包括一種制作上述熱沉的方法，包括以下步驟:
[0014]步驟1，利用銅箔作為堿催化劑層，對(duì)甲烷、氫和氬的混合反應(yīng)氣體進(jìn)行化學(xué)氣相沉積，形成單層石墨烯；
[0015]步驟2，將PET薄膜和單層石墨烯進(jìn)行壓力粘合，再溶解銅箔，并將單層石墨烯轉(zhuǎn)移到PET薄膜上；
[0016]步驟3，重復(fù)步驟2，將至少一個(gè)單層石墨烯層疊到PET薄膜上；
[0017]步驟4，將層疊到PET薄膜上的所有單層石墨烯轉(zhuǎn)移到無(wú)氧銅層上，得到石墨烯層；
[0018]步驟5，將無(wú)氧銅層沉積到采用氮化鋁陶瓷、氧化鋁陶瓷、氧化鋯陶瓷、氮化硅陶瓷、碳化硅或氮化硼形成的基體材料層上。
[0019]對(duì)于上述制作熱沉的技術(shù)方案，本發(fā)明也還可以作如下改進(jìn)。
[0020]進(jìn)一步，所述方法還包括:在所述石墨烯層上蒸鍍焊料層，并通過(guò)所述焊料層焊接半導(dǎo)體激光器。
[0021]進(jìn)一步，通過(guò)所述焊料層焊接半導(dǎo)體激光器具體包括:采用真空燒結(jié)的方法，將半導(dǎo)體激光器P面向下燒結(jié)在焊料層上，并在燒結(jié)時(shí)保證半導(dǎo)體激光器的出光面與熱沉的邊緣嚴(yán)格對(duì)齊。
[0022]進(jìn)一步，所述方法還包括:在所述基體材料層上鍍一層金層，且在所述金層上焊接金線(xiàn)，通過(guò)金線(xiàn)將半導(dǎo)體激光器的η面電極連接到所述金層上，并通過(guò)所述金層引出半導(dǎo)體激光器的η電極。
[0023]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明采用石墨烯層作為熱沉的散熱材料，充分利用石墨烯熱導(dǎo)率高的物理特性，將半導(dǎo)體激光器工作時(shí)產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)出來(lái)并發(fā)散掉。與具有金剛石膜的熱沉相比，本發(fā)明具有更好的散熱效果，且成本大幅降低。同時(shí)，由于石墨烯材料具有優(yōu)良導(dǎo)電性，無(wú)需經(jīng)過(guò)特殊處理，即可實(shí)現(xiàn)熱沉與半導(dǎo)體激光器芯片之間的連接。應(yīng)用本發(fā)明，能夠在不增加半導(dǎo)體激光器重量、體積的情況下，大幅提高半導(dǎo)體激光器的散熱能力，降低半導(dǎo)體激光器工作時(shí)的溫度，保證半導(dǎo)體激光器的光電性能和可靠性，延長(zhǎng)半導(dǎo)體激光器的壽命。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0024]圖1為本發(fā)明所述半導(dǎo)體激光器的熱沉的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025]附圖中，各標(biāo)號(hào)所代表的部件列表如下:
[0026]1、基體材料層，2、無(wú)氧銅層,3、石墨烯層,4、焊料層,5、半導(dǎo)體激光器,6、金層,7、金線(xiàn)。
【具體實(shí)施方式】
[0027]以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的原理和特征進(jìn)行描述，所舉實(shí)例只用于解釋本發(fā)明，并非用于限定本發(fā)明的范圍。[0028]如圖1所示，本實(shí)施例給出了一種半導(dǎo)體激光器的熱沉，包括從下至上依次沉積的基體材料層1、無(wú)氧銅層2和石墨烯層3，所述基體材料層I采用的材料是氮化鋁陶瓷、氧化鋁陶瓷、氧化鋯陶瓷、氮化硅陶瓷、碳化硅或氮化硼中的任意一種。
[0029]本實(shí)施例中，所述石墨烯層3上鍍有焊料層4，且所述焊料層4用于焊接半導(dǎo)體激光器5。所述基體材料層I上還鍍有與所述無(wú)氧銅層2絕緣的金層6，且所述金層6上焊有金線(xiàn)7，所述金線(xiàn)7用于將半導(dǎo)體激光器5的η面電極連接到所述金層6上，并通過(guò)所述金層6引出半導(dǎo)體激光器5的η電極。
[0030]另外，所述無(wú)氧銅層2覆蓋所述基體材料層I的全部區(qū)域或部分區(qū)域，所述石墨烯層3覆蓋所述無(wú)氧銅層2的全部區(qū)域或部分區(qū)域，所述石墨烯層3采用的材料是單原子層石墨烯或多原子層石墨烯。
[0031]實(shí)際使用時(shí)，將半導(dǎo)體激光器芯片通過(guò)焊料層焊接在石墨烯層上，并通過(guò)無(wú)氧銅層引出電極，而無(wú)氧銅層焊接或粘接在半導(dǎo)體激光器芯片的管殼上。
[0032]實(shí)際應(yīng)用中，本實(shí)施例的熱沉可用于實(shí)現(xiàn)一種GaAs基半導(dǎo)體激光器的P面向下封裝，其采用尺寸為8mmX7mmX 5mm氮化娃陶瓷作為基體材料層，且氮化娃陶瓷基體材料層上的無(wú)氧銅層的尺寸為5mmX7mmX0.05mm。另外,氮化娃陶瓷基體材料層上的金層的尺寸為2mmX7mmX0.001mm,該金層用以引出N電極,且無(wú)氧銅層與金層之間絕緣。
[0033]本實(shí)施例的具體實(shí)施過(guò)程，即制作上述熱沉的步驟，具體包括:
[0034]步驟1，利用銅箔作為堿催化劑層，對(duì)甲烷、氫和氬的混合反應(yīng)氣體進(jìn)行化學(xué)氣相沉積，形成單層石墨烯。
[0035]步驟2，將PET薄膜和單層石墨烯進(jìn)行壓力粘合，再溶解銅箔，并將單層石墨烯轉(zhuǎn)移到PET薄膜上。
[0036]步驟3，重復(fù)步驟2，將至少一個(gè)單層石墨烯層疊到PET薄膜上。
[0037]步驟4，將層疊到PET薄膜上的所有單層石墨烯轉(zhuǎn)移到無(wú)氧銅層上，得到石墨烯層。
[0038]步驟5，將無(wú)氧銅層沉積到采用氮化鋁陶瓷、氧化鋁陶瓷、氧化鋯陶瓷、氮化硅陶瓷、碳化硅或氮化硼形成的基體材料層上。
[0039]步驟6，在所述石墨烯層上蒸鍍焊料層，并通過(guò)所述焊料層焊接半導(dǎo)體激光器。這里通過(guò)所述焊料層焊接半導(dǎo)體激光器又具體包括:采用真空燒結(jié)的方法，將半導(dǎo)體激光器P面向下燒結(jié)在焊料層上，并在燒結(jié)時(shí)保證半導(dǎo)體激光器的出光面與熱沉的邊緣嚴(yán)格對(duì)齊。
[0040]步驟7，在所述基體材料層上鍍一層金層，且在所述金層上焊接金線(xiàn)，通過(guò)金線(xiàn)將半導(dǎo)體激光器的η面電極連接到所述金層上，并通過(guò)所述金層引出半導(dǎo)體激光器的η電極。
[0041]通過(guò)上述7個(gè)步驟，完成了熱沉的制作，并將半導(dǎo)體激光器連接到熱沉上，開(kāi)始封裝。
[0042]需要說(shuō)明的是:
[0043]本實(shí)施例所述的熱沉也適用于GaN基、InP基半導(dǎo)體激光器，且所述焊料層的焊料還可選自銦、銀漿、銀銅、錫鉛、銅鋅、金錫、釬錫銀、錫銀銅或金鎘中的任一種。
[0044]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種帶石墨烯層的半導(dǎo)體激光器熱沉，其特征在于，包括從下至上依次沉積的基體材料層(I)、無(wú)氧銅層(2)和石墨烯層(3)，所述基體材料層(I)采用的材料是氮化鋁陶瓷、氧化鋁陶瓷、氧化鋯陶瓷、氮化硅陶瓷、碳化硅或氮化硼中的任意一種。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體激光器熱沉，其特征在于，所述無(wú)氧銅層(2)覆蓋所述基體材料層(I)的全部區(qū)域或部分區(qū)域。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體激光器熱沉，其特征在于，所述石墨烯層(3)覆蓋所述無(wú)氧銅層(2)的全部區(qū)域或部分區(qū)域。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體激光器熱沉，其特征在于，所述石墨烯層(3)采用的材料是單原子層石墨烯或多原子層石墨烯。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱沉，其特征在于，所述石墨烯層(3)上鍍有焊料層(4)，且所述焊料層(4 )用于焊接半導(dǎo)體激光器(5 )。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體激光器熱沉，其特征在于，所述基體材料層(I)上還鍍有與所述無(wú)氧銅層(2 )絕緣的金層(6 )，且所述金層(6 )上焊有金線(xiàn)(7 )，所述金線(xiàn)(7 )用于將半導(dǎo)體激光器(5)的η面電極連接到所述金層(6)上，并通過(guò)所述金層(6)引出半導(dǎo)體激光器(5)的η電極。
7.一種制作權(quán)利要求1至6中任一所述的半導(dǎo)體激光器熱沉的方法，其特征在于，包括: 步驟1，利用銅箔作為堿催化劑層，對(duì)甲烷、氫和氬的混合反應(yīng)氣體進(jìn)行化學(xué)氣相沉積，形成單層石墨烯； 步驟2，將PET薄膜和單層石墨烯進(jìn)行壓力粘合，再溶解銅箔，并將單層石墨烯轉(zhuǎn)移到PET薄膜上； 步驟3，重復(fù)步驟2，將至少一個(gè)單層石墨烯層疊到PET薄膜上； 步驟4，將層疊到PET薄膜上的所有單層石墨烯轉(zhuǎn)移到無(wú)氧銅層上，得到石墨烯層； 步驟5，將無(wú)氧銅層沉積到采用氮化鋁陶瓷、氧化鋁陶瓷、氧化鋯陶瓷、氮化硅陶瓷、碳化硅或氮化硼形成的基體材料層上。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法還包括:在所述石墨烯層上蒸鍍焊料層，并通過(guò)所述焊料層焊接半導(dǎo)體激光器。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，通過(guò)所述焊料層焊接半導(dǎo)體激光器具體包括:采用真空燒結(jié)的方法，將半導(dǎo)體激光器P面向下燒結(jié)在焊料層上，并在燒結(jié)時(shí)保證半導(dǎo)體激光器的出光面與熱沉的邊緣嚴(yán)格對(duì)齊。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法還包括:在所述基體材料層上鍍一層金層，且在所述金層上焊接金線(xiàn)，通過(guò)金線(xiàn)將半導(dǎo)體激光器的η面電極連接到所述金層上，并通過(guò)所述金層引出半導(dǎo)體激光器的η電極。
【文檔編號(hào)】H01S5/02GK103887703SQ201410119425
【公開(kāi)日】2014年6月25日 申請(qǐng)日期:2014年3月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月27日
【發(fā)明者】李剛, 張松, 崔碧峰, 徐旭紅, 趙瑞, 計(jì)偉 申請(qǐng)人:北京牡丹電子集團(tuán)有限責(zé)任公司