一種熱沉絕緣的液體制冷半導(dǎo)體激光器及其疊陣的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型提供一種熱沉絕緣的液體制冷半導(dǎo)體激光器及其疊陣，滿足高功率、環(huán)境適應(yīng)性以及可靠性等要求。該熱沉絕緣的液體制冷半導(dǎo)體激光器的液體制冷器的上表面設(shè)置有第一絕緣層，所述第一絕緣層設(shè)置有第一導(dǎo)電導(dǎo)熱層，該導(dǎo)電導(dǎo)熱層在不同位置分別布置有激光芯片和負(fù)極銅片，其中激光芯片的正極面直接鍵合于第一導(dǎo)電導(dǎo)熱層，負(fù)極銅片與第一導(dǎo)電導(dǎo)熱層表面之間存在絕緣隔層，負(fù)極銅片通過(guò)金線或者直接與激光芯片的負(fù)極面連接。
【專利說(shuō)明】
一種熱沉絕緣的液體制冷半導(dǎo)體激光器及其疊陣
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本實(shí)用新型涉及一種液體制冷半導(dǎo)體激光器。
【背景技術(shù)】
[0002]目前半導(dǎo)體激光器封裝結(jié)構(gòu)主要分為液體制冷型和傳導(dǎo)冷卻型兩大類，傳導(dǎo)冷卻型由于散熱原理的限制，在功率的實(shí)現(xiàn)上也受到了限制，很難實(shí)現(xiàn)大功率器件。液體制冷型的半導(dǎo)體激光器封裝結(jié)構(gòu)是目前實(shí)現(xiàn)大功率器件的主要選擇方式。
[0003]液體制冷型的半導(dǎo)體激光器封裝結(jié)構(gòu)主要包括微通道和宏通道兩類:
[0004]I)微通道液體制冷型半導(dǎo)體激光器，由于微通道熱沉散熱非常好(內(nèi)部有微小的散熱通道)，所以可以實(shí)現(xiàn)較高功率，但由于其熱沉帶電工作，存在電化學(xué)腐蝕，導(dǎo)致長(zhǎng)期使用存在通道堵塞的問(wèn)題;該結(jié)構(gòu)對(duì)制冷液體水質(zhì)的要求很高，一旦客戶使用自來(lái)水或換水不及時(shí)，很快就會(huì)失效；
[0005]2)現(xiàn)有宏通道液體制冷型半導(dǎo)體激光器，雖然宏通道熱沉具有較大的液體通道，明顯改善了微通道熱沉堵塞的問(wèn)題，但是由于自身散熱效率限制，在實(shí)現(xiàn)更高功率方面受到限制。雖然其內(nèi)部通道大，可以降低水質(zhì)要求。但由于其熱沉帶電工作，如果水質(zhì)太差(比如自來(lái)水)，產(chǎn)品還是會(huì)在使用中因電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的金屬氧化堵塞物而失效；
[0006]上述兩種結(jié)構(gòu)激光器的熱沉均在激光器工作時(shí)帶電，使用中均存在制冷液的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的金屬氧化堵塞物而失效。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0007]本實(shí)用新型提供一種熱沉絕緣的液體制冷半導(dǎo)體激光器，滿足高功率、環(huán)境適應(yīng)性以及可靠性等要求。
[0008]本實(shí)用新型的技術(shù)方案如下:
[0009]—種熱沉絕緣的液體制冷半導(dǎo)體激光器，包括激光芯片和液體制冷器，該液體制冷器內(nèi)部具有液體制冷回路;液體制冷器的上表面設(shè)置有第一絕緣層，所述第一絕緣層設(shè)置有第一導(dǎo)電導(dǎo)熱層，該導(dǎo)電導(dǎo)熱層在不同位置分別布置有激光芯片和負(fù)極銅片，其中激光芯片的正極面直接鍵合于第一導(dǎo)電導(dǎo)熱層，負(fù)極銅片與第一導(dǎo)電導(dǎo)熱層表面之間存在絕緣隔層，負(fù)極銅片通過(guò)金線或者直接與激光芯片的負(fù)極面連接。
[0010]在以上方案的基礎(chǔ)上，本實(shí)用新型還進(jìn)一步作了以下重要優(yōu)化:
[0011 ]液體制冷器的下表面設(shè)置有第二絕緣層，在第二絕緣層上設(shè)置有第二導(dǎo)電導(dǎo)熱層，第二導(dǎo)電導(dǎo)熱層通過(guò)導(dǎo)電連接件連接至所述第一導(dǎo)電導(dǎo)熱層。
[0012]這里所說(shuō)的“液體制冷器的上下表面”，上、下是相對(duì)的概念，而并非絕對(duì)方位的限定。
[0013]第一導(dǎo)電導(dǎo)熱層和第一絕緣層為一體結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步優(yōu)選DBC結(jié)構(gòu)或者DPC結(jié)構(gòu)。其中絕緣部分可采用氮化鋁陶瓷或者氧化鈹陶瓷。
[0014]導(dǎo)電連接件可以有多種形式，本實(shí)用新型提供具體以下三類結(jié)構(gòu):
[0015]1、導(dǎo)電連接件采用U型連接片的結(jié)構(gòu)形式，U型連接片由兩個(gè)平行端直部和連接這兩個(gè)平行端直部的彎折端部構(gòu)成;所述第二導(dǎo)電導(dǎo)熱層作為U型連接片的第二平行端直部與第二絕緣層表面貼合，該U型連接片的第一平行端直部貼合于第一導(dǎo)電導(dǎo)熱層表面。
[0016]其中，所述U型連接片與激光芯片的相對(duì)位置優(yōu)選設(shè)置為分別位于液體制冷器的兩端，設(shè)兩者連線的方向?yàn)檩S向，則U型連接片的彎折端部的設(shè)置方位滿足U型開口方向?yàn)檩S向。
[0017]2、導(dǎo)電連接件是自第一導(dǎo)電導(dǎo)熱層貫穿液體制冷器至第二導(dǎo)電導(dǎo)熱層形成的內(nèi)部連通管道;該內(nèi)部連通管道中設(shè)置有導(dǎo)電介質(zhì)，或該內(nèi)部連通管道自身具有導(dǎo)電性。
[0018]3、導(dǎo)電連接件是柔性材質(zhì)的電連接條或金線;該導(dǎo)電連接件與激光芯片相對(duì)分別位于液體制冷器的兩端，第二導(dǎo)電導(dǎo)熱層在導(dǎo)電連接件所在的一端平面延展超出液體制冷器，導(dǎo)電連接件自第一導(dǎo)電導(dǎo)熱層繞過(guò)液體制冷器連接至第二導(dǎo)電導(dǎo)熱層平面延展超出液體制冷器的部位。
[0019]選材方面，第一絕緣層、第二絕緣層和絕緣隔層可分別采用氮化鋁陶瓷、氧化鈹陶瓷和聚酰亞胺中的任意一種材質(zhì)，第一導(dǎo)電導(dǎo)熱層為銅箔。
[0020]以前述液體制冷半導(dǎo)體激光器為單元，可簡(jiǎn)便地組裝獲得高功率液體制冷半導(dǎo)體激光器疊陣，具體來(lái)說(shuō)，該疊陣由多個(gè)液體制冷半導(dǎo)體激光器沿激光芯片的慢軸依次排列構(gòu)成，或者由多個(gè)液體制冷半導(dǎo)體激光器沿激光芯片的快軸依次疊加構(gòu)成。
[0021]具體連接形式通常是疊陣最上方的半導(dǎo)體激光器的負(fù)極區(qū)引出接電源負(fù)極，疊陣最下方的半導(dǎo)體激光器的正極區(qū)引出接電源正極，疊陣的半導(dǎo)體激光器相互串聯(lián)或并聯(lián)。
[0022]本實(shí)用新型具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0023]1、使用液體制冷型Cooler結(jié)構(gòu)，滿足了高功率器件的散熱需求，同時(shí)熱沉電絕緣，并在電極和Cooler連接面都有絕緣層隔絕，可以保證微通道Cooler在工作中完全絕緣，避免了電化學(xué)腐蝕。
[0024]2、激光芯片不直接接觸熱沉，降低了芯片應(yīng)力，省去了增加銅鎢緩釋層工序。
[0025]3、熱沉絕緣前提下的正負(fù)極電連接更加可靠，尤其設(shè)計(jì)的U型電極連接片結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)明，使用方便，非常適合在半導(dǎo)體激光器中可靠使用。在垂直疊陣結(jié)構(gòu)中，如何實(shí)現(xiàn)上下2個(gè)Cooler的電聯(lián)接是一項(xiàng)技術(shù)難點(diǎn)。本實(shí)用新型通過(guò)U型電極連接片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以將絕緣的Cooler直接應(yīng)用到垂直疊陣結(jié)構(gòu)中?；赨型電極連接片，每個(gè)Cooler的負(fù)極和位于其上的Cooler的正極緊密聯(lián)接，電極和Cooler間有絕緣層隔絕，不會(huì)影響Cooler電隔絕的特性。
【附圖說(shuō)明】
[0026]圖1為本實(shí)用新型的基本結(jié)構(gòu)示意圖。
[0027]圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例一的不意圖。
[0028]圖3為U型電極連接片的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0029]圖4為本實(shí)用新型實(shí)施例二的示意圖。
[0030]圖5為本實(shí)用新型實(shí)施例三的示意圖。
[0031 ] 附圖標(biāo)號(hào)說(shuō)明:
[0032]1-熱沉(液體制冷器)，2_激光芯片，3-第一絕緣層，4-第二絕緣層，5-第一導(dǎo)電導(dǎo)熱層(銅箔)，6_負(fù)極銅片，7-U型連接片;8-導(dǎo)電管道，9-第二導(dǎo)電導(dǎo)熱層，10-金線，11-絕緣隔層。
【具體實(shí)施方式】
[0033]如圖1所示，本實(shí)用新型的熱沉絕緣的液體制冷半導(dǎo)體激光器，主要由熱沉、激光芯片、第一絕緣層、第一導(dǎo)電導(dǎo)熱層和負(fù)極銅片組成。第一絕緣層使得熱沉與激光芯片絕緣隔離，第一絕緣層上的第一導(dǎo)電導(dǎo)熱層在不同位置分別布置激光芯片和負(fù)極銅片，其中激光芯片的正極面直接鍵合于第一導(dǎo)電導(dǎo)熱層，負(fù)極銅片與第一導(dǎo)電導(dǎo)熱層表面之間存在絕緣隔層，負(fù)極銅片通過(guò)金線與激光芯片的負(fù)極面連接。
[0034]熱沉材料優(yōu)選銅，第一絕緣層3和銅箔5優(yōu)選一體結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，比如DBC(DirectBonded Copper)結(jié)構(gòu)或者DPC(Direct Plate Copper)，其中第一絕緣層的材質(zhì)可采用氮化鋁陶瓷。
[0035]本實(shí)用新型的半導(dǎo)體激光器可以作為半導(dǎo)體激光器疊陣的組成單元。為了便于疊陣結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)，可以在熱沉下方設(shè)置第二絕緣層4，使液體制冷器上方與下方電連接。電連接方式至少有以下三種優(yōu)選的結(jié)構(gòu):
[0036]I)如圖2、圖3所示的U型電極連接方式；
[0037]2)如圖4所示，設(shè)置導(dǎo)電管道8，連通銅箔5和下方的第二導(dǎo)電導(dǎo)熱層9，且保證與熱沉絕緣；
[0038]3)如圖5所示，銅箔5與底部的導(dǎo)電層9通過(guò)金線10連接。
[0039]考慮到第一絕緣層采用DBC結(jié)構(gòu)，目前成本較高，所以第二絕緣層可采用成本較低的PI (聚酰亞胺)絕緣材料。
[0040]半導(dǎo)體激光器疊陣可分為水平陣列和垂直疊陣兩種組裝形式:
[0041 ] I)水平陣列:多個(gè)半導(dǎo)體激光器沿激光芯片的慢軸依次排列，各自獨(dú)立連接電源，或者正極區(qū)(銅箔5)、負(fù)極區(qū)(負(fù)極銅片6)分別并聯(lián)后接至電源；
[0042]2)垂直疊陣:多個(gè)半導(dǎo)體激光器沿激光芯片的快軸疊加排列，負(fù)極區(qū)(負(fù)極銅片6)與相鄰半導(dǎo)體激光器的第二導(dǎo)電導(dǎo)熱層9(正極區(qū))連接，實(shí)現(xiàn)串聯(lián)。
[0043]以圖2所示結(jié)構(gòu)為例，本實(shí)用新型的半導(dǎo)體激光器的制備過(guò)程如下:
[0044]1.熱沉同現(xiàn)有液體制冷Cooler結(jié)構(gòu)相同，具有液體制冷回路；
[0045]2.芯片使用金錫焊料固定在DPC表面(由于AlN熱膨脹系數(shù)同芯片的GaAs材質(zhì)接近，可以使用硬焊料。)
[0046]3.將載有芯片的DPC同Cooler通過(guò)焊料回流(熔點(diǎn)較低)的方式固定在一起；
[0047]4.負(fù)極電極和U型電極，通過(guò)一種熱固性PI材質(zhì)(聚酰亞胺)，在150°C左右溫度下固化，并緊密結(jié)合；
[0048]5.最后，通過(guò)金線鍵合的方式，將芯片N面和負(fù)極電極聯(lián)接；
[0049]這樣，就完成了一個(gè)半導(dǎo)體激光器單元的封裝過(guò)程。
[0050]以上述半導(dǎo)體激光器為單元制作疊陣，可通過(guò)簡(jiǎn)單的機(jī)械結(jié)構(gòu)組裝，使用橡膠密封圈密封水路，通過(guò)U型電極完成電連接。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種熱沉絕緣的液體制冷半導(dǎo)體激光器，包括激光芯片和液體制冷器，該液體制冷器內(nèi)部具有液體制冷回路;其特征在于:液體制冷器的上表面設(shè)置有第一絕緣層，所述第一絕緣層設(shè)置有第一導(dǎo)電導(dǎo)熱層，該導(dǎo)電導(dǎo)熱層在不同位置分別布置有激光芯片和負(fù)極銅片，其中激光芯片的正極面直接鍵合于第一導(dǎo)電導(dǎo)熱層，負(fù)極銅片與第一導(dǎo)電導(dǎo)熱層表面之間存在絕緣隔層，負(fù)極銅片通過(guò)金線或者直接與激光芯片的負(fù)極面連接。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱沉絕緣的液體制冷半導(dǎo)體激光器，其特征在于:液體制冷器的下表面設(shè)置有第二絕緣層，在第二絕緣層上設(shè)置有第二導(dǎo)電導(dǎo)熱層，第二導(dǎo)電導(dǎo)熱層通過(guò)導(dǎo)電連接件連接至所述第一導(dǎo)電導(dǎo)熱層。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱沉絕緣的液體制冷半導(dǎo)體激光器，其特征在于:所述第一導(dǎo)電導(dǎo)熱層和第一絕緣層為一體結(jié)構(gòu)。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的熱沉絕緣的液體制冷半導(dǎo)體激光器，其特征在于:所述第一導(dǎo)電導(dǎo)熱層和第一絕緣層采用DBC結(jié)構(gòu)或者DPC結(jié)構(gòu)。5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的熱沉絕緣的液體制冷半導(dǎo)體激光器，其特征在于:所述導(dǎo)電連接件采用U型連接片的結(jié)構(gòu)形式，U型連接片由兩個(gè)平行端直部和連接這兩個(gè)平行端直部的彎折端部構(gòu)成;所述第二導(dǎo)電導(dǎo)熱層作為U型連接片的第二平行端直部與第二絕緣層表面貼合，該U型連接片的第一平行端直部貼合于第一導(dǎo)電導(dǎo)熱層表面。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的熱沉絕緣的液體制冷半導(dǎo)體激光器，其特征在于:所述U型連接片與激光芯片相對(duì)分別位于液體制冷器的兩端，設(shè)兩者連線的方向?yàn)檩S向，則U型連接片的彎折端部的設(shè)置方位滿足U型開口方向?yàn)檩S向。7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的熱沉絕緣的液體制冷半導(dǎo)體激光器，其特征在于:所述導(dǎo)電連接件是自第一導(dǎo)電導(dǎo)熱層貫穿液體制冷器至第二導(dǎo)電導(dǎo)熱層形成的內(nèi)部連通管道;該內(nèi)部連通管道中設(shè)置有導(dǎo)電介質(zhì)，或該內(nèi)部連通管道自身具有導(dǎo)電性。8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的熱沉絕緣的液體制冷半導(dǎo)體激光器，其特征在于:所述導(dǎo)電連接件是柔性材質(zhì)的電連接條或金線;該導(dǎo)電連接件與激光芯片相對(duì)分別位于液體制冷器的兩端，第二導(dǎo)電導(dǎo)熱層在導(dǎo)電連接件所在的一端平面延展超出液體制冷器，導(dǎo)電連接件自第一導(dǎo)電導(dǎo)熱層繞過(guò)液體制冷器連接至第二導(dǎo)電導(dǎo)熱層平面延展超出液體制冷器的部位。9.一種高功率液體制冷半導(dǎo)體激光器疊陣，其特征在于:以權(quán)利要求2所述的液體制冷半導(dǎo)體激光器為單元； 由多個(gè)液體制冷半導(dǎo)體激光器沿激光芯片的慢軸依次排列構(gòu)成，或者由多個(gè)液體制冷半導(dǎo)體激光器沿激光芯片的快軸依次疊加構(gòu)成。
【文檔編號(hào)】H01S5/02GK205622042SQ201620348033
【公開日】2016年10月5日
【申請(qǐng)日】2016年4月22日
【發(fā)明人】劉興勝, 于冬杉, 梁雪杰, 張林博, 賈陽(yáng)濤
【申請(qǐng)人】西安炬光科技股份有限公司