基于石墨烯膜的半导体激光器封装结构及其制备方法与流程

本发明属于激光器技术领域，特别是涉及一种基于石墨烯膜的半导体激光器封装结构及其制备方法。

背景技术：

由于半导体激光器具有体积小、重量轻、可靠性高、电光转换效率高和寿命长等优点，被广泛应用于激光加工、激光测距、激光通信和医疗卫生等领域。半导体激光器的电光转换效率一般在50％左右，随着激光器输出功率的提高，激光器产生的废热也随之增加。这些废热可能会导致激光器的激射波长红移、阈值电流增加、输出效率降低、光电转换效率降低等后果。所以解决半导体激光器的散热问题至关重要。

半导体激光器的封装方式主要有两种，正装封装和倒装封装。在进行焊接时，芯片与热沉从焊接高温冷却到室温，在这个过程中，芯片与热沉由于热膨胀系数不匹配的问题，会产生较大的热应力。当采用倒装封装时，芯片有源区与热沉距离较近，热应力会引入到有源区内。而采用正装封装，有源区与热沉之间被衬底隔开，衬底起到缓冲作用，从而应力值远小于与倒装封装。但是衬底具有较高的热阻，导致激光器产生的热量不能及时向下传递，有源区结温高于倒装封装。想要利用正装封装应力小、寿命长、可靠性高等优点，必须要解决正装封装中的散热问题。

技术实现要素：

本发明提供了一种基于石墨烯膜的半导体激光器封装结构及其制备方法，解决了半导体激光器在正装封装中的散热问题。

本发明解决上述问题的技术方案是：一种基于石墨烯膜的半导体激光器封装结构，其特殊之处在于：

包括基础热沉，所述基础热沉上设置有绝缘热沉，所述绝缘热沉包括第一绝缘热沉、第二绝缘热沉和半导体激光器；还包括石墨烯膜，所述石墨烯膜覆盖第一绝缘热沉、第二绝缘热沉和半导体激光器的顶部区域；所述石墨烯膜的顶部设置次级热沉，次级热沉包括第一次级热沉和第二次级热沉。

在基础热沉上设置绝缘热沉，起到防止芯片短路以及支撑石墨烯层的作用。在半导体激光器上设置石墨烯膜后，利用石墨烯膜的高横向导热率将有源区的热量分散开，使得有源区的热量既可以由衬底向下传导，又可以通过石墨烯薄横向传导到次级铜热沉。采用石墨烯膜后引入了新的散热通道，提高了半导体激光器的散热效率，能有效的降低有源区的结温。

石墨烯是一种由以sp²杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料，2004年用微机械剥离法成功从石墨中分离出来。其凭借其优异的光学、电学、力学特性，在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景。其稳定的晶格结构使石墨烯具有优秀的导热性，纯的无缺陷的单层石墨烯的导热系数高达5300w/mk，是目前为止导热系数最高的碳材料，高于单壁碳纳米管和多壁碳纳米管，其导热率要远高于目前激光器常使用的热沉材料，如铜、硅、碳化硅等。

优选地，上述第二次级热沉上设有绝缘薄膜，绝缘薄膜上设有电极，所述石墨烯膜通过金丝组件与电极连接。

优选地，上述第一绝缘热沉、第二绝缘热沉、半导体激光器均与基础热沉焊接；

优选地，上述石墨烯膜与第一绝缘热沉、第二绝缘热沉焊接，所述石墨烯膜与半导体激光器贴合。

优选地，上述基础热沉为铜热沉，所述第一绝缘热沉和第二绝缘热沉为aln材质，所述半导体激光器为边发射式单管半导体激光器，所述第一次级热沉和第二次级热沉为铜热沉，所述边发射式单管半导体激光器采用cos封装结构。

另外，本发明还提出一种上述基于石墨烯膜的半导体激光器封装结构的制备方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

1)对基础热沉进行清洗后保持干燥；

2)对绝缘热沉进行表面金属化处理；

3)在基础热沉上形成第一焊料层，将绝缘热沉和半导体激光器放置于第一焊料层上进行焊接；

4)在绝缘热沉上形成第二焊料层，将石墨烯膜放置于所述第二焊料层上进行焊接；

5)在石墨烯膜两侧靠近绝缘热沉的位置形成第三焊料层，将第一次级热沉和第二次级热沉放置在第三焊料层上进行焊接；

6)在第二次级热沉上依次设置绝缘薄膜和电极；

绝缘薄膜制备：可采用磁控溅射方法制备绝缘薄膜，即化学气相沉积方法制备绝缘薄膜，用活泼金属靶(al)，在溅射过程中充入适量的反应气体(n2)，使铝原子在沉积过程中被氧化成氮化铝。调节氮气的流量可以完成溅射速率和纯度的特有关系。绝缘的氮化铝落在基体上形成绝缘膜层。

电极制备：在绝缘薄膜上镀一层au层。

7)焊接好的半导体激光器温度降低到室温后，使用金丝键合机，将石墨烯膜上表面和电极上表面采用金丝组件连接。

优选地，上述步骤3)中，所述绝缘热沉与基础热沉通过金锡焊料紧密连接。

优选地，上述步骤4)中，第二焊料层通过热蒸发或电子束蒸发工艺制备。

本发明的优点：

本发明提供的一种基于石墨烯膜的半导体激光器封装结构及其制备方法，通过在衬底顶部覆上石墨烯膜，从而引入了新的散热通道，使得有源区产生的热量既可以由衬底向下传导，又可以利用石墨烯膜的高横向导热率将有源区产生的热量扩散开来，然后通过次级铜热沉将热量消散掉，从而提高半导体激光器的散热效率，有效的降低了有源区的温度。

附图说明

图1是本发明一种基于石墨烯膜的半导体激光器封装结构示意图。

图中：1-基础热沉、2-第一次级热沉、3-第二次级热沉、4-第一绝缘热沉、5-第二绝缘热沉、6-半导体激光器、7-石墨烯膜、8-绝缘薄膜、9-电极、10-金丝组件。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。

参见图1，一种基于石墨烯膜的半导体激光器封装结构，包括基础热沉1，所述基础热沉1上设置有绝缘热沉，所述绝缘热沉包括第一绝缘热沉4和第二绝缘热沉5。所述第一绝缘热沉4与基础热沉1焊接，所述第二绝缘热沉5与基础热沉1焊接。在所述基础热沉1上设置绝缘热沉，起到防止芯片短路以及支撑石墨烯层的作用。所述基础热沉1设置有半导体激光器6，所述半导体激光器6与所述基础热沉1焊接。

所述石墨烯膜7覆盖所述第一绝缘热沉4、第二绝缘热沉5及所述半导体激光器6的顶部区域。在所述石墨烯膜7的顶部设置次级热沉，次级热沉包括第一次级热沉2和第二次级热沉3。在所述半导体激光器6上设置石墨烯膜后，利用石墨烯膜的高横向导热率将有源区的热量分散开，使得有源区的热量既可以由衬底向下传导，又可以通过石墨烯薄横向传导到次级铜热沉。采用石墨烯膜后引入了新的散热通道，提高了半导体激光器的散热效率，能有效的降低有源区的结温。

所述石墨烯膜7与所述第一绝缘热沉4焊接，所述石墨烯膜7与所述第二绝缘热沉5焊接，所述石墨烯膜7与所述半导体激光器6贴合。石墨烯膜7通过金丝组件10与电极9相连接。

一种基于石墨烯膜的半导体激光器封装结构的制备方法，包括以下步骤：

1)对基础热沉1进行清洗后保持干燥；

2)对绝缘热沉进行表面金属化处理；

3)在基础热沉上形成第一焊料层，将绝缘热沉和半导体激光器放置于第一焊料层上进行焊接，其中，第一绝缘热沉4的左端面、前端面均与基础热沉1对齐，第二绝缘热沉5的右端面、前端面均与基础热沉1对齐；半导体激光器6的前端面与基础热沉1的前端面对齐；

4)在绝缘热沉上形成第二焊料层，将石墨烯膜放置于所述第二焊料层上进行焊接；

5)在石墨烯膜7两侧靠近绝缘热沉的位置形成第三焊料层，将次级热沉放置在第三焊料层上进行焊接，其中，第二次级热沉3的前端面、左端面与第一绝缘热沉4的前端面、左端面对齐，第一次级热沉2的前端面、右端面与第二绝缘热沉5的前端面、右端面对齐；

6)在第二次级热沉上依次设置绝缘薄膜8和电极9；

绝缘薄膜8制备：可采用磁控溅射方法制备绝缘薄膜，即化学气相沉积方法制备绝缘薄膜，用活泼金属靶(al)，在溅射过程中充入适量的反应气体(n2)，使铝原子在沉积过程中被氧化成氮化铝。调节氮气的流量可以完成溅射速率和纯度的特有关系。绝缘的氮化铝落在基体上形成绝缘膜层。

电极9制备：在绝缘薄膜上镀一层au层。

7)焊接好的半导体激光器6温度降低到室温后，使用金丝键合机，将石墨烯膜7上表面和电极9上表面采用金丝组件连接。

进一步地，所述步骤3)中，绝缘热沉与基础热沉1通过金锡焊料紧密连接。

进一步地，所述步骤4)中，第二焊料层通过热蒸发或电子束蒸发工艺制备。

进一步地，该激光器芯片尺寸为4.5mmx0.5mmx0.105mm。基础热沉1尺寸为5.75mm×4.5mm×0.5mm。

以上所述仅为本发明的实施例，并非以此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的系统领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。