半导体激光器的封装结构及封装方法与流程

本发明涉及半导体激光器技术领域，尤其是涉及一种半导体激光器的封装结构及封装方法。

背景技术：

现有的半导体激光器封装结构中，微通道水冷(mcccooler)式结构存在以下问题：通道小，易堵塞，且热容小。该问题在一定程度上制约了半导体激光器的散热能力，不利于提高半导体激光器的可靠性。

目前的制冷器(cooler)多采用铜质，铜质的cooler与芯片之间存在热膨胀系数(cte)不匹配的问题，因此一般需要加cte匹配的衬底，该方法使得工艺复杂，成本高；或采用铟焊料封装，该方法使得容易发生材料迁移和热疲劳，可靠性较差。当选择加装衬底时，采取的封装形式为：芯片－衬底－(绝缘层)－cooler式。该封装形式存在以下问题：结构复杂，导热截面积小。不仅结构复杂导致封装时的工艺复杂，而且有绝缘层的结构导热截面积小、界面多，导致芯片的散热效果不好。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种半导体激光器的封装结构及封装方法，以解决现有半导体激光器封装结构采用微通道水冷结构通道小、易堵塞、不利于半导体激光器散热的技术问题。

一方面，本发明提供一种半导体激光器的封装结构，包括封装单元，所述封装单元包括第一电极，第二电极，设置在所述第一电极和所述第二电极之间、且与所述第一电极和所述第二电极接触的芯片，以及与所述芯片分隔的冷却介质通道；

所述冷却介质通道形成于所述第一电极和所述第二电极之间，或，所述冷却介质通道形成于所述第一电极背离所述芯片的一侧。

进一步地，所述半导体激光器的封装结构包括一个所述封装单元；

所述封装单元中，所述冷却介质通道设置在所述第一电极和第二电极之间，且所述第一电极和第二电极之间还设置有第一绝缘隔层和第二绝缘隔层，所述第一绝缘隔层用以将所述冷却介质通道与所述芯片分隔；所述第二绝缘隔层用于与所述第一绝缘隔层，以及所述第一电极、所述第二电极位于所述第一绝缘隔层和第二绝缘隔层之间的部分形成冷却介质通道。

进一步地，所述半导体激光器的封装结构包括一个所述封装单元；

所述封装单元中，所述第一电极和所述第二电极之间设置有第一绝缘隔层；所述第一电极背离所述第二电极的一侧开设有凹槽且设置有覆盖所述凹槽的辅助件，所述凹槽与所述辅助件形成所述冷却介质通道。

进一步地，包括多个所述封装单元，多个所述封装单元依次叠置在一起形成叠阵结构。

进一步地，每个所述封装单元中，所述芯片键合在所述第一电极的第一端，且所述第一电极的第二端与所述芯片之间设置有第一绝缘隔层；

相邻的封装单元中，第一个封装单元朝向第二个封装单元的电极与第二个封装单元朝向第一个封装单元的电极为同一电极；

所述半导体激光器的封装结构还包括绝缘底板，所述绝缘底板、所述电极与所述第一绝缘隔层之间形成所述冷却介质通道。

进一步地，每个所述电极的长度相同，所述绝缘底板与各所述电极的第二端连接；每个所述芯片两侧的所述电极和所述第一绝缘隔层以及所述绝缘底板之间形成独立的所述冷却介质通道。

进一步地，位于所述叠阵结构首端的电极与位于所述叠阵结构末端的电极长度大于其他所述电极，且与所述绝缘底板连接；各所述电极和所述第一绝缘隔层以及所述绝缘底板之间形成所述冷却介质通道。

进一步地，所述电极长短交替排列，其中，长度较长的所述电极与所述绝缘底板连接；每个长度较短的电极与其两侧的长度较长的所述电极以及所述第一绝缘隔层、所述绝缘底板之间形成所述冷却介质通道。

进一步地，每个所述封装单元中，所述芯片键合在所述第一电极的第一端；

相邻的封装单元中，第一个封装单元朝向第二个封装单元的电极与第二个封装单元朝向第一个封装单元的电极为同一电极；

所述封装结构还包括绝缘腔体，且所述绝缘腔体内装有所述冷却介质；所有所述电极的第二端的从所述绝缘腔体的一侧伸入所述绝缘腔体内；

所述绝缘腔体与各所述电极形成所述冷却介质通道。

进一步地，所述冷却介质的流通方向平行于所述第一电极和/或所述第二电极位于所述冷却介质通道区域内的表面。

进一步地，多个所述封装单元的冷却介质通道连通，且冷却介质从所述叠阵结构的首端流向所述叠阵结构的末端。

进一步地，所述第一电极和/或第二电极的材料的导热系数在300－1000w/(m·k)范围内。

进一步地，所述冷却介质通道内充入冷却介质，所述冷却介质为去离子水、氟利昂、液氨、液氮中的至少一种。

本发明还提供一种封装方法，用于制备上述技术方案提供的任一种所述的半导体激光器的封装结构，包括：

s1：将所述芯片直接键合到所述第一电极和/或所述第二电极上；

s2：将s1得到的所述封装单元叠置形成叠阵结构；

s3：向s2得到的所述叠阵结构中的所述冷却介质通道内通入所述冷却介质。

本发明提供的半导体激光器的封装结构及封装方法能产生如下有益效果：

本发明提供一种半导体激光器的封装结构，包括封装单元，封装单元包括第一电极，第二电极，设置在第一电极和第二电极之间、且与第一电极和第二电极接触的芯片，以及与芯片分隔的冷却介质通道；冷却介质通道形成于第一电极和第二电极之间，或，冷却介质通道形成于第一电极背离芯片的一侧。在使用时，冷却介质通道的内部充入冷却介质，芯片在运行过程中散发出的热量经与其接触的第一电极和第二电极传递到与第一电极和/或第二电极接触的冷却通道内的冷却介质，从而冷却介质带走芯片的热量。

基于本发明提供的半导体激光器的封装结构及封装方法，通过选取与芯片隔离的冷却介质通道作为冷却介质对芯片散热的空间，增加了冷却面积，这样不仅解决了传统微通道设计导致的散热受限的问题，而且在较大程度上提高了散热效果；进一步的，通过采用与芯片cte相匹配的高导热材料作为电极，使得芯片可以直接无铟化键合在第一电极上，不仅省去了衬底，而且电极可以作为冷却装置，将电极、衬底、制冷器的功能合三为一，在大幅度减小激光器体积的同时，有效地增大了功率密度，简化了封装工艺。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一中半导体激光器的封装结构方式一的结构示意图；

图2为本发明实施例一中半导体激光器的封装结构方式二的结构示意图；

图3为本发明实施例二中半导体激光器的封装结构方式一的结构示意图；

图4为本发明实施例二中半导体激光器的封装结构方式二的结构示意图；

图5为本发明实施例二中半导体激光器的封装结构方式三的结构示意图；

图6为本发明实施例二中半导体激光器的封装结构方式四的结构示意图；

图7为本发明实施例三中半导体激光器的封装结构中相邻封装单元之间的结构示意图；

图8为本发明实施例三中半导体激光器的封装结构方式一的结构示意图；

图9为本发明实施例三中半导体激光器的封装结构方式二的结构示意图；

图10为本发明实施例三中半导体激光器的封装结构方式三的结构示意图；

图11为本发明实施例三中半导体激光器的封装结构方式四的结构示意图；

图12为本发明实施例四中半导体激光器的封装结构中相邻封装单元之间的结构示意图；

图13为本发明实施例四中半导体激光器的封装结构方式一的结构示意图；

图14为本发明实施例四中半导体激光器的封装结构方式二的结构示意图；

图15为本发明实施例四中半导体激光器的封装结构方式三的结构示意图。

图标：1－第一电极；2－第二电极；3－芯片；4－冷却介质通道；5－第一绝缘隔层；5.1－第二绝缘隔层；6－绝缘底板；7－绝缘腔体；8－辅助件；11－第一封装单元；12－第二封装单元。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

一方面，本发明提供一种半导体激光器的封装结构，包括封装单元，封装单元包括第一电极1，第二电极2，设置在第一电极和第二电极之间、且与第一电极和第二电极接触的芯片3，以及与芯片分隔的冷却介质通道4；冷却介质通道形成述第一电极和第二电极之间，或，冷却介质通道形成于第一电极背离芯片的一侧。

优选的，本发明实施例中，所述第一电极和/或第二电极用于形成冷却介质通道的部分，表面可以设置有绝缘层，这里需说明的是，设置上述绝缘层的目的是为了将第一电极和/或第二电极与冷却介质相隔；在实际应用中，如果冷却介质为非导电型(例如：去离子水、氟利昂、液氨、液氮等)，则该绝缘层为非必要(即：可设置该绝缘层作为优化，当然也可不设置)；如果冷却介质为导电型，则必须在第一电极和/或第二电极位于冷却介质通道区域内的表面上涂覆或电镀绝缘层材料，以使得第一电极和/或第二电极与冷却介质之间相互绝缘。本发明实施例仅以冷却介质为非导电型，且未设置上述绝缘层为例进行说明，但这并不构成对本发明的限制。

其中，第一电极和/或第二电极的材料的热膨胀系数与芯片的热膨胀系数之间的差值在设定范围之内；上述所说的“差值在设定范围之内”，具体指的是第一电极和/或第二电极分别与芯片的热膨胀系数相匹配，使得芯片能够直接与第一电极和/或第二电极键合，或芯片直接与第一电极和/或第二电极接触。

本发明实施例中，芯片直接无铟化键合在第一电极上，不仅去掉了衬底，而且可以作为冷却装置，将电极、衬底、散热热沉的功能合三为一，大大简化了封装工艺。同时，第一电极的材料导热率更高，增大了热沉热容、冷却通道和冷却面积，结温温度更低，波长漂移小。第一电极与芯片的热膨胀系数相匹配能够大幅度降低封装的应力，提高光谱质量，可实现无铟化键合，得到可靠性更高的产品。

在第一电极、第二电极用于形成冷却介质通道的部分，其表面设置有绝缘层，绝缘层将第一电极与冷却介质、第二电极与冷却介质分隔开来。

具体地，在使用时，冷却介质通道的内部充入冷却介质，芯片在运行过程中散发出的热量经与其接触的第一电极和/或第二电极传递到与第一电极和/或第二电极接触的冷却通道内的冷却介质，冷却介质带走芯片的热量。

本发明实施例提供的半导体激光器的封装结构分为两种，分别为一个封装单元构成的半导体激光器的封装结构和多个封装单元构成的半导体激光器的封装结构，通过以下实施例做以详细说明。

其中，第一电极和/或第二电极的材料的导热系数在300－1000w/(m·k)范围内。

需要说明的是，芯片的导热系数为行业公知，在此设定第一电极的材料的导热系数在300－1000w/(m·k)范围内，即可使第一电极的材料的热膨胀系数与芯片的热膨胀系数之间的差值的设定范围确定，

或者，设定第一电极和第二电极的材料的导热系数都在300－1000w/(m·k)范围内，即可使第一电极和第二电极的材料的热膨胀系数与芯片的热膨胀系数之间的差值的设定范围确定.

另外，第一电极的材料为金刚石铜、金刚石铝、泡沫石墨铜、hopg、hopg复合材料、tpg、tpg复合材料、碳纤维、碳纤维复合材料、纳米管以及纳米管复合材料中的一种；或者，

第一电极和第二电极的材料都为金刚石铜、金刚石铝、泡沫石墨铜、hopg、hopg复合材料、tpg、tpg复合材料、碳纤维、碳纤维复合材料、纳米管以及纳米管复合材料中的一种或两种(即第一电极和第二电极材料可以都为高导热材料但具体材料不同，如第一电极用金刚石铜、第二电极用金刚石铝)。

需要说明的是，第一电极的材料还可以是其他处于导热系数在300－1000w/(m·k)范围内的材料。同理，第一电极和第二电极的材料都还可以是其他处于导热系数在300－1000w/(m·k)范围内的材料。

另外，冷却介质通道内充入冷却介质，冷却介质为去离子水、氟利昂、液氨、液氮中的至少一种。

实施例一

本实施例提供的半导体激光器的封装结构包括一个封装单元，其具体结构分为两种方式。

方式一：

参照图1，该半导体激光器的封装结构包括一个封装单元；该封装单元中，冷却介质通道设置在第一电极和第二电极之间，且第一电极和第二电极之间还设置有第一绝缘隔层5和第二绝缘隔层5.1，第一绝缘隔层用以将冷却介质通道与芯片分隔；第二绝缘隔层用于与第一绝缘隔层，以及第一电极、第二电极位于第一绝缘隔层和第二绝缘隔层之间的部分形成冷却介质通道。

方式二：

参照图2，该半导体激光器的封装结构包括一个封装单元；该封装单元中，第一电极和第二电极之间设置有第一绝缘隔层；第一电极背离第二电极的一侧开设有凹槽且设置有覆盖凹槽的辅助件8，由凹槽与辅助件8形成冷却介质通道。

实施例二

以实施例一的半导体激光器的封装结构为基础，本实施例提供的半导体激光器的封装结构包括多个实施例一中提供的封装单元，多个封装单元依次叠置在一起形成叠阵结构，其具体结构分为以下几种方式。

方式一：

参照图3，将实施例一中方式一提供的半导体激光器的封装结构采用机械结合得方式多个叠加构成叠阵结构。其中，相邻的两个封装单元中，第一封装单元的第二电极与第二封装单元的第一电极接触。具体地，每个封装单元中的冷却介质通道是独立的，且冷却介质的流通方向平行于第一电极和/或第二电极位于冷却介质通道区域内的表面。

方式二：

参照图4，在本实施例方式一的半导体激光器的封装结构的基础之上，在第一电极、第二电极上打孔，将之前独立的冷却介质通道相互连通；并且，在位于叠阵结构首端的第一电极/第二电极和位于叠阵结构末端的第二电极/第一电极上开设导通孔，且使冷却介质从叠阵结构的首端流向叠阵结构的末端。

需要说明的是，此处的导通孔开设在位于第一隔层和第二隔层之间的第一电极和/或第二电极上。

方式三：

参照图5，将实施例一中方式二提供的半导体激光器的封装结构采用机械结合的方式多个叠加构成叠阵结构。其中，除了位于叠阵结构末端的封装单元中设置有覆盖凹槽的辅助件，其他相邻的两个封装单元中，第一封装单元辅助件为第二封装单元的第二电极。具体地，每个封装单元中凹槽形成的冷却介质通道是独立的，且冷却介质的流通方向平行于第一电极和/或第二电极位于冷却介质通道区域内的表面。

方式四：

参照图6，在方式三的半导体激光器的封装结构的基础之上，在第一电极、第二电极以及第一绝缘隔层上打孔，将之前独立的冷却介质通道相互连通；并且，在位于叠阵结构首端的封装单元以及位于叠阵结构末端的封装单元上开设导通孔，且冷却介质从叠阵结构的首端流向叠阵结构的末端。

需要说明的是，此处的导通孔开设在第一隔层和第一隔层所覆盖的第一电极和/或第二电极上。

实施例三

本实施例提供的半导体激光器的封装结构为多个封装单元冶金结合形成的叠阵结构，每个封装单元中，芯片键合在第一电极的第一端，且第一电极的第二端与芯片之间设置有第一绝缘隔层；参照图7，相邻的封装单元中，第一个封装单元11朝向第二个封装单元12的电极与第二个封装单元朝向第一个封装单元的电极为同一电极，也即第一个封装单元的第二电极为第二个封装单元的第一电极；半导体激光器的封装结构还包括绝缘底板6，绝缘底板、电极与第一绝缘隔层之间形成冷却介质通道。

具体地，本实施例提供的半导体激光器的封装结构又分为以下几种结构方式。

方式一：

参照图8，各个电极的长度相同，绝缘底板与各电极的第二端连接；每个芯片两侧的电极和第一绝缘隔层以及绝缘底板之间形成单独的冷却介质通道，每个冷却介质通道内的冷却介质的流通方向平行于第一电极和/或第二电极位于冷却介质通道区域内的表面。

方式二：

参照图9，在本实施例方式一半导体激光器的封装结构的基础之上，在每个电极位于第一绝缘隔层和绝缘底板之间的部分上开设导通孔，将之前独立的冷却介质通道相互连通，且使冷却介质从叠阵结构的首端流向叠阵结构的末端。导通孔的数量、位置和大小不做限定。

方式三：

参照图10，叠阵结构首端的电极与位于叠阵结构末端的电极长度大于其他所有电极，且与绝缘底板连接；各电极和第一绝缘隔层以及绝缘底板之间形成冷却介质通道，且冷却介质的流通方向平行于第一电极和/或第二电极位于冷却介质通道区域内的表面。

方式四：

叠阵结构中的电极以长短交替的方式排列，其中，长度较长的电极与绝缘底板连接；每个长度较短的电极与其两侧的长度较长的电极以及第一绝缘隔层、绝缘底板之间形成冷却介质通道。

并且，参照图11，在半导体激光器的封装结构中的长度较长的电极上开设导通孔，使冷却介质从叠阵结构的首端流向叠阵结构的末端。导通孔的数量、位置和大小不做限定。

实施例四

本实施例提供的半导体激光器的封装结构为多个封装单元冶金结合形成的叠阵结构，每个封装单元中，芯片键合在第一电极的第一端；参照图12，相邻的封装单元中，第一个封装单元朝向第二个封装单元的电极与第二个封装单元朝向第一个封装单元的电极为同一电极，也即第一个封装单元的第二电极为第二个封装单元的第一电极；封装结构还包括绝缘腔体7，且绝缘腔体内装有冷却介质；所有电极的第二端的从绝缘腔体的一侧伸入绝缘腔体内；绝缘腔体与各电极形成冷却介质通道。其具体结构方式分为以下三种。

方式一：

参照图13，每个电极长度相等，从绝缘腔体的一侧伸入，每个电极的第二端位于绝缘腔体内且不与绝缘腔体的内壁接触。所有电极与绝缘腔体形成冷却介质通道，该冷却介质的流通方向平行于第一电极和/或第二电极位于冷却介质通道区域内的表面。

方式二：

参照图14，在本实施例方式一的半导体激光器的封装结构的基础上，每个电极的长度相同，电极的第二端在绝缘腔体内，并且与电极伸入一侧相对的另一侧的内壁相连接。在绝缘腔体垂直于封装单元排列方向的两个侧面以及每个电极上开设有导通孔，使冷却介质从叠阵结构的首端流向叠阵结构的末端。导通孔的数量、位置和大小不做限定。

方式三：

参照图15，在本实施例方式一的半导体激光器的封装结构的基础上，叠阵结构中的电极以长短交替的方式排列，其中，长度较长的电极的第二端在绝缘腔体内，并且与电极伸入一侧相对的另一侧的内壁相连接；在绝缘腔体垂直于封装单元排列方向的两个侧面以及每个长度较长的电极上开设有导通孔，使冷却介质从叠阵结构的首端流向叠阵结构的末端。导通孔的数量、位置和大小不做限定。

另一方面，本发明实施例还提供一种半导体激光器封装方法，用于制备权利以上技术方案任一项中的半导体激光器的封装结构，包括：

s1：将芯片直接键合到第一电极和/或第二电极上；

s2：将s1得到的封装单元叠置形成叠阵结构；

s3：向s2得到的叠阵结构中的冷却介质通道内通入冷却介质。

需要说明的是，采用该方法制得的芯片的封装结构小巧，安装于半导体激光器内所占体积较小，从而使得激光器体积减小，功率密度增大。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。