金属电极及使用该金属电极封装的半导体激光器的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种金属电极，并同时公开了使用该金属电极封装的半导体激光器。该金属电极具有长方体形的本体，在本体的一个侧面或者两个侧面上具有向外突出的突出部，突出部具有用于与半导体激光器芯片的正极面或者负极面焊接的焊接面，焊接面垂直于本体的上表面，并且焊接面的顶端与本体的上表面平齐，焊接面的尺寸与半导体激光器芯片的尺寸匹配。该金属电极通过充分增加芯片方向的高度，在不降低芯片间距的情况下，提高了电极的尺寸和热容量，增大了电极的导热截面，降低了芯片附近电极的局部温度，提高了单片芯片的散热功率，适合于高功率半导体激光器芯片的封装和散热。
【专利说明】金属电极及使用该金属电极封装的半导体激光器
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种用于半导体激光器的金属电极，同时涉及使用上述金属电极封装的半导体激光器，属于激光【技术领域】。
【背景技术】
[0002]高功率半导体激光器阵列，又称半导体激光巴条(Laser Diode Bar)或者半导体激光器阵列芯片(以下简称芯片)，是一种含有多个发光管芯的线状光源。芯片I的结构如图1A和图1B所示，芯片I是一个长方形的薄片，其沿长度方向延伸的两个侧面(见图1A和IB中的左侧面和右侧面)分别为芯片的负极面IA和正极面1B，在正极面IB上分布有多个发光管芯IC (即有源区)。根据行业标准，芯片的发光宽度LI约为10mm，厚度L2为0.1?
0.15mm,高度L3为0.5?5.0mm (即腔长)。芯片I的实际发光区域为正极面IB上尺寸为I?3umX IOmm的有源区。
[0003]半导体激光器阵列为高功率器件，散热结构设计是芯片封装首要考虑的因素。以常见的10X1X0.12臟尺寸的40180811111 AlGaAs半导体激光器芯片为例，典型状态下，其工作电流约45A，工作电压约1.8V，输出光功率约40W。在芯片正极的10 X Imm区域，会产生高达45AX 1.8V-40ff=41ff的热。如此高的功率密度，对芯片的封装散热提出了极大的挑战。
[0004]如图2、图3A和图3B所示，传统的芯片封装方式是采用高度与芯片I腔长一致的金属电极2，从芯片I两侧焊接并夹持芯片I的正负极面，再将金属电极2的底面(即与芯片I的出光面相反的一侧)焊接到金属化的高热导率陶瓷片3上。在实际使用中，为了满足小体积、大功率的使用需求，通常将多个芯片封装成如图2所示的垂直叠层，多个金属电极2和多个芯片I依次堆叠，金属电极2连接相邻芯片I的正负极，同时作为其中一个芯片I的热沉实现导热作用。
[0005]在半导体激光器封装结构中，金属电极2的散热能力，以及芯片I附近的局部温度和热应力，是影响芯片寿命的重要因素。热量从芯片I的有源区传导到金属电极2，再由金属电极2传导到陶瓷片3上，最终通过焊接在陶瓷片3的另外一侧的散热体4将热量传导出去。现有技术中，使用长方体形的金属电极2实现半导体激光器的封装，金属电极2的高度受到芯片I腔长的限制，金属电极2的尺寸和体积也受到相应的限制，进而限制了直接导热热沉的热容量，这在很大程度上限制了芯片的散热能力，并在电极靠近芯片正极的位置产生较高的温度，影响激光器的寿命。
[0006]具体来说，如图3A和3B所示，芯片I的散热方向是，由芯片I正极到金属电极2，再由金属电极2到陶瓷片3，因此，金属电极2自身的局部温度在垂直于芯片I的方向形成一个由高到低的温度梯度，并逐渐趋近于陶瓷片3另外一侧散热体4的温度。如果为了降低金属电极2的温度,需要增大金属电极2的热容量,就必须延长金属电极2的宽度。而温度梯度的渐进特征，使得通过延长金属电极2的宽度实现降低局部温度的方法受到限制。实际经验表明，这种封装方式最多可以实现单个芯片连续50W?60W的散热能力，并无法进一步提升。同时，电极与芯片接触的焊接面存在一个明显的温度梯度，尤其在激光器启停瞬间和脉冲工作状态下，会因为电极局部温度的骤然升高和降低产生较大的温差，造成芯片的热应力损伤。由于电极散热截面和热应力问题，具有该种封装结构的激光器在脉冲工作时寿命很低。
【发明内容】
[0007]本实用新型所要解决的首要技术问题在于提供一种结构更加合理的金属电极。
[0008]本实用新型所要解决的另一技术问题在于提供一种使用上述金属电极封装的半导体激光器。
[0009]为实现上述目的，本实用新型采用下述技术方案:
[0010]一种用于半导体激光器的金属电极，具有长方体形的本体，在所述本体的一个侧面或者两个侧面上具有向外突出的突出部，所述突出部具有用于与所述半导体激光器芯片的正极面或者负极面焊接的焊接面，所述焊接面垂直于所述本体的上表面，所述焊接面的顶端与所述本体的上表面平齐，所述焊接面的尺寸与所述半导体激光器芯片的尺寸匹配。
[0011]其中较优地，所述本体的高度大于半导体激光器芯片的高度，所述突出部的高度小于所述本体的高度。
[0012]其中较优地，所述焊接面的高度和所述半导体激光器芯片的腔长相同，所述焊接面的宽度等于或者略大于所述半导体激光器芯片的宽度。
[0013]其中较优地，所述焊接面的高度为0.5?5.0mm。
[0014]其中较优地，所述焊接面的宽度为10mm。
[0015]其中较优地，所述金属电极采用紫铜或无氧铜材料。或者，其中较优地，所述金属电极采用钨铜合金材料。
[0016]一种半导体激光器，使用上述金属电极封装。
[0017]本实用新型提供的金属电极，在其至少一个侧面设置有突出部，便于芯片的定位与封装，在突出部下方留出的空间便于封装后激光芯片下部腔面的清洗。该金属电极通过充分增加芯片方向的高度，在不降低芯片间距的情况下，提高了电极的尺寸和热容量，增大了电极的导热截面，降低了芯片附近电极的局部温度，提高了单片芯片的散热功率，可以使其达到连续80?100W甚至更高的散热，比传统电极更适合高功率芯片的封装和散热。同时，在激光器启停瞬间和脉冲工作状态下，这种电极与芯片接触的焊接面产生的局部温差较小，降低了激光芯片的热应力损伤。局部温度的降低和热应力的减小，有效提高了激光器的寿命。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1A为半导体激光器芯片的立体不意图一；
[0019]图1B为半导体激光器芯片的立体示意图二 ；
[0020]图2为现有技术中，半导体激光器的封装结构示意图；
[0021]图3A为现有技术中，半导体激光器封装结构的散热示意图；
[0022]图3B为图2所示半导体激光器处于工作状态时，金属电极远离芯片不同距离的局部温度的变化示意图；
[0023]图4为本实用新型的第一实施例中，两侧带有突出部的金属电极的结构示意图；[0024]图5A为图4所示金属电极的正视示意图；
[0025]图5B为图4所示金属电极的侧视示意图；
[0026]图6为图4所示金属电极的封装结构示意图；
[0027]图7为图6所示封装结构的立体结构示意图；
[0028]图8为本实用新型的第二实施例中，一侧带有突出部的金属电极的结构示意图。【具体实施方式】
[0029]下面结合附图和具体实施例对本实用新型的技术内容进行描述。
[0030]图4所示为本实用新型第一实施例中的金属电极10，金属电极10具有长方体形的本体IOA和设置于本体IOA左右两侧的突出部IOB。突出部IOB用于定位和封装芯片1，在突出部IOB下方留出的空间便于封装后芯片I下部腔面的清洗。突出部IOB具有用于与芯片I的正极面或者负极面焊接的焊接面，焊接面垂直于本体的上表面，并且，焊接面的顶端与本体的上表面平齐，焊接面的尺寸与芯片I的尺寸匹配。
[0031]下面结合图5A和图5B，对金属电极10的具体结构及尺寸进行描述。为了扩展金属电极的热容量，金属电极10的整体高度H (即芯片方向的高度)大于芯片I的高度，并且可以扩展无限制，突出部IOB的高度h小于本体的高度。金属电极10的宽度Lo等于或者略大于芯片I的发光宽度LI,突出部IOB的宽度与金属电极10的宽度一致。金属电极10的整体厚度=本体的厚度L+两侧突出部IOB突出本体外部的厚度之和2 X 1，金属电极10的整体厚度决定了相邻芯片I的封装间距，在金属电极10整体厚度(即相邻芯片I的间距)确定的情况下，本体的厚度L和突出部的厚度I的尺寸可以调节。
[0032]在其本体两侧向外突出的突出部10B，其焊接面的尺寸与芯片I的尺寸匹配。焊接面的高度h和芯片I的腔长L3相同，焊接面的宽度与本体宽度Lo —致，等于或者略大于芯片的宽度LI。根据行业标准判断，焊接面的高度可以在0.5?5.0mm之间选择，焊接面的宽度可以在IOmm左右选择。而，突出部IOB突出于本体外部的厚度I可根据芯片的发热量、冲洗芯片腔体所需的工艺尺寸等进行调节。
[0033]在该第一实施例中，本实用新型还提供了使用上述金属电极10封装的半导体激光器，其具体结构可参见图6和图7。在该半导体激光器中，芯片I的正极面和负极面分别与相邻两个金属电极10的突出部IOB的焊接面焊接，并将相邻金属电极10的底面分别焊接在金属化的高热导率陶瓷片3上。由于突出部IOB的尺寸与芯片I的尺寸匹配，可以保证芯片I的定位和封装，同时突出部IOB下方留出的空间便于封装后芯片I下部腔面的清洗。在对半导体激光器进行封装定位时，只需将芯片I的出光面ID与焊接面的顶端对齐即可。为了保证芯片I与金属电极10之间焊接良好，在配合软焊料封装时，金属电极10可采用紫铜或无氧铜材料；在配合硬焊料封装时，金属电极10可采用钨铜合金等材料，以做热应力匹配。
[0034]当然，金属电极10的结构并不局限于第一实施例中的结构，金属电极10也可以只有单侧具有突出部10B，同样可以实现芯片I的封装和金属电极10芯片方向高度的扩展，从而延长半导体激光器的寿命。使用一侧带有突出部的金属电极10封装的半导体激光器的结构如图8所示。该金属电极10单侧具有突出部，在使用其对芯片I进行封装时，将其突出部的焊接面与芯片I的正极面焊接在一起，并将金属电极10的底面焊接在金属化的高热导率陶瓷片3上。
[0035]为了加工方便，在本实用新型提供的实施例中，金属电极10采用了横截面呈台阶形的结构，突出部IOB具有平行于本体IOA上表面的底面，从而使得突出部IOB的上表面、下表面与焊接面行成垂直的直角，形成一个突出的棱便于芯片I定位封装。在实际使用中，突出部IOB的下表面和本体的侧面之间还可以采用弧面连接，从而在对芯片I的腔面清洗的过程中，减小了对突出部IOB形成的冲击。此外，上述实施例中，仅对金属电极10用于单个芯片I的封装进行了举例，金属电极10同样适用于多个芯片阵列的封装。
[0036]上面对本实用新型提供的金属电极及使用该金属电极封装的半导体激光器进行了介绍。本实用新型提供的金属电极，在其至少一个侧面设置有突出部，便于芯片的定位与封装，在突出部下方留出的空间便于封装后激光芯片下部腔面的清洗。由于芯片下部的腔面远离陶瓷片，减少了芯片封装以及激光器工作过程中，对芯片腔面光学膜层的损伤。该金属电极通过充分增加芯片方向的高度，在不降低芯片间距的情况下，提高了电极的尺寸和热容量，增大了电极的导热截面，降低了金属电极在芯片附近的局部温度，提高了单片芯片的散热功率，可以使其达到连续80?100W甚至更高的散热，比传统电极更适合高功率芯片的封装和散热。同时，在激光器启停瞬间和脉冲工作状态下，这种电极与芯片接触的焊接面中产生的局部温差较小，有效减小了激光芯片的热应力损伤。局部温度的降低和热应力的减小，有效提闻了激光器的寿命。
[0037]上面对本实用新型所提供的金属电极及使用该金属电极封装的半导体激光器进行了详细的介绍。对本领域的一般技术人员而言，在不背离本实用新型实质精神的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将构成对本实用新型专利权的侵犯，将承担相应的法
律责任。
【权利要求】
1.一种用于半导体激光器的金属电极，具有长方体形的本体，其特征在于: 在所述本体的一个侧面或者两个侧面上具有向外突出的突出部，所述突出部具有用于与所述半导体激光器芯片的正极面或者负极面焊接的焊接面，所述焊接面垂直于所述本体的上表面，所述焊接面的顶端与所述本体的上表面平齐，所述焊接面的尺寸与所述半导体激光器芯片的尺寸匹配。
2.如权利要求1所述的金属电极，其特征在于: 所述本体的高度大于半导体激光器芯片的高度，所述突出部的高度小于所述本体的高度。
3.如权利要求1所述的金属电极，其特征在于: 所述焊接面的高度和所述半导体激光器芯片的腔长相同，所述焊接面的宽度等于或者略大于所述半导体激光器芯片的宽度。
4.如权利要求1所述的金属电极，其特征在于: 所述焊接面的高度为0.5?5.0mm。
5.如权利要求1所述的金属电极，其特征在于: 所述焊接面的宽度为10mm。
6.如权利要求1所述的金属电极，其特征在于: 所述金属电极采用紫铜或无氧铜材料。
7.如权利要求1所述的金属电极，其特征在于: 所述金属电极采用钨铜合金材料。
8.一种半导体激光器，使用如权利要求1至7中任一项所述的金属电极封装。
【文档编号】H01L23/48GK203415570SQ201320396682
【公开日】2014年1月29日 申请日期:2013年7月4日 优先权日:2013年7月4日
【发明者】李阳, 李德龙 申请人:北京瑞通科悦科技有限公司