专利名称：纳米银焊膏封装60瓦 808纳米大功率半导体激光器模块及其封装方法
技术领域：
本发明涉及一种60瓦808纳米大功率半导体激光器的封装模块及其封装方法，属于大功率半导体激光器装置改进技术。
背景技术：
目前，对于60瓦808纳米大功率半导体激光器的模块主要由这几个部分组成热沉(正极块)、封装在热沉上的60W 808nm砷化镓基的巴条、芯片连接材料、镀金陶瓷片、铜箔和负极块组成。目前，市场上的主流的60瓦808纳米大功率半导体激光器模块的产品是以铟焊料为主，虽然铟焊料的熔点低、能有效释放应力、而且有良好的塑性形变能力和浸润性，但它极易氧化，大电流下铟也会出现电迁移现象，在高温梯度时易产生电热迁移，这导致芯片与散热衬底间出现空洞，导致热或热应力产生，可靠性急剧下降。而且铟焊料在激光器工作一段时间后，就会和衬底镀层金属形成金属间化合物，例如铟焊料容易和金形成脆弱的Auh合金相，从而导致激光器失效。焊接质量直接决定着大功率半导体激光器散热性能的好坏。在焊接工艺过程中，常常会由于热沉表面的不平整，杂质的侵入，或是油污的沾染等不确定因素导致的焊料层空洞，焊料层内的空洞对器件的散热状况的影响显著。并且单巴条半导体激光器件的巴条(芯片)是由数个发光单元组成的。每个发光单元为并联连接，互不干涉。半导体激光器所发出的光便是由所有的发光单元所发出的光叠加而成的。在半导体激光器工作的过程中，每个发光单元温度均勻上升。若芯片连接界面完整，则每个发光单元温度上升的程度将是均勻的，因此波长漂移也均勻，这样半导体激光器所发出光的光谱就是标准的高斯型；而当芯片连接界面不完整，例如焊料层内有空洞时，位于空洞上方的发光单元散热效果将大打折扣，这些发光单元的温度将急剧上升，形成一个局部高温区。 这样，这些发光单元的波长漂移量将比其他部位发光单元的大，各发光单元所发出的光叠加后就偏离了原本的高斯型，产生光谱展宽。因此，需要对大功率半导体激光器芯片连接材料进行改善或更换来实现器件的高性能。发明内容
本发明的目的之一在于提供一种60瓦808纳米大功率半导体激光器模块的封装方法，以该方法制得的60瓦808纳米大功率半导体激光器模块，使用低温烧结技术，操作过程简单，节能。
本发明的目的之二在于提供一种60瓦808纳米大功率半导体激光器封装模块， 该模块使用新的芯片连接材料进行封装，使得制成的模块热阻小，集成度高，光电转化效率高，节能环保。
本发明是通过下述技术方案加以实现的
本发明涉及的是一种60瓦808纳米大功率半导体激光器的封装模块，是在热沉 (1)上封装砷化镓基的巴条(3)，热沉与巴条之间采用纳米银焊膏( 作为连接材料，使用镀金陶瓷片(4)将器件的正负极相隔，然后用铜箔( 连接巴条上表面和陶瓷片的上表面， 用螺钉(7)固定好负极块(6)即完成该器件的封装。
本发明的60瓦808纳米大功率半导体激光器的封装模块的封装方法，包括以下步骤
1)使用丝网印刷的方法，在热沉(1)上使用胶带(8)选择好涂布纳米银焊膏(2) 的位置，贴出一个类似于丝网印刷中丝网的框架；
2)采用丝网印刷的方法将纳米银焊膏均勻地涂布在胶带控制的位置，将纳米银焊膏的厚度控制在50um以内；
3)去除胶带，在涂布好纳米银焊膏的热沉表面贴放好砷化镓基的巴条(3)；
4)巴条位置放置好后，将贴好巴条的热沉放置在烧结炉上；低温烧结连接巴条， 低温烧结的条件是先将温度从室温以每分钟3°C的速率升至50°C，保温30分钟；然后继续以每分钟5°C的速率升至100°C，保温30分钟；再以每分钟5°C的速率升至180°C，保温10 分钟；最后迅速升温至280°C，保温30分钟后降到室温即可；
5)连接好巴条后待模块温度降到室温以后，在热沉上粘结陶瓷片(4)并且使用铜箔(5)连接巴条上表面和陶瓷片上表面；
6)将负极块(6)用螺钉(7)与正极块固定在一起即封装完成。
具体说明如下
本发明的封装模块如
图1 (a)、(b)和(C)所示，分别为纳米银焊膏作为巴条连接材料的60瓦808纳米大功率半导体激光器的主视图、俯视图和侧视图。是在热沉(1)上封装巴条(3)，热沉与巴条之间采用纳米银焊膏(2)作为连接材料，使用陶瓷片(4)将器件的正负极相隔，然后用铜箔( 连接巴条和陶瓷片，用螺钉(7)固定好负极块(6)即完成该器件的封装。模块中的巴条的连接材料使用的是纳米银焊膏，使用纳米银焊膏可以方便的使用丝网印刷的方法进行镀膜，可以有效地节约镀膜的时间，控制膜厚，且烧结后的纳米银焊膏是纯银，使得此60瓦808纳米大功率半导体激光器的封装模块热阻小，集成度高，光电转化效率高，节能环保。
在封装过程中采用丝网印刷的方法在热沉涂布纳米银焊膏，可以有效地节约时间，同时可以很好的控制纳米银焊膏的厚度，实现芯片连接，且纳米银焊膏烧结后是纯银， 给器件本身的性能和可靠性带来了很大的改善，使得器件的热阻小，集成度高，光电转化效率高，节能环保。
为了更好的反映使用纳米银焊膏后对器件散热情况的改善能力，同时模拟计算了使用传统焊料，其中包括铟焊料和金锡焊料，封装同一类型即60瓦808纳米大功率半导体激光器在理想环境下运行时的最高温度。将三种不同芯片连接材料应用于60瓦808纳米大功率半导体激光器时的结构最高温度和有源区最高温度模拟计算结果如下表1所示。
表1、三种不同芯片连接材料应用于60W 808nm CS-Mount传导制冷单巴条连续波大功率半导体激光器时的结构最高温度和有源区最高温度模拟计算结果
芯片连接材料结构最高温度/°c有源区最高温度/°c纳米银焊膏73.18857. 959
权利要求
1.一种纳米银焊膏封装60瓦808纳米大功率半导体激光器的封装模块，其特征是在热沉上封装巴条，热沉与巴条之间采用纳米银焊膏作为连接材料，使用镀金陶瓷片将器件的正负极相隔，然后用铜箔连接巴条上表面和陶瓷片的上表面，用螺钉固定好负极块即完成该器件的封装。
2.权利要求1的纳米银焊膏封装的60瓦808纳米大功率半导体激光器模块的封装方法，其特征在于包括以下步骤1)使用丝网印刷的方法，在热沉上使用胶带选择好涂布纳米银焊膏的位置，贴出一个类似于丝网印刷中丝网的框架；2)采用丝网印刷的方法将纳米银焊膏均勻地涂布在胶带控制的位置，将纳米银焊膏的厚度控制在50um以内；3)去除胶带，在涂布好纳米银焊膏的热沉表面贴放好巴条；4)巴条放置好后，将贴好巴条的热沉放置在烧结炉上；低温烧结连接巴条，低温烧结的条件是先将温度从室温以每分钟3°C的速率升至50°C，保温30分钟；然后继续以每分钟 5°C的速率升至100°C，保温30分钟；再以每分钟5°C的速率升至180°C，保温10分钟；最后迅速升温至280°C，保温30分钟后降到室温；5)连接好巴条后待模块温度降到室温以后，在热沉上粘结陶瓷片并且使用铜箔连接巴条和陶瓷片；6)将负极块用螺钉与正极块固定在一起。
全文摘要
本发明公开了一种纳米银焊膏封装60瓦808纳米大功率半导体激光器模块及其封装方法，热沉(1)作为60瓦808纳米大功率半导体激光器的正极块，在热沉(1)上使用芯片连接材料纳米银焊膏(2)封装60瓦808纳米半导体激光器巴条(3)，使用陶瓷片(4)将器件的正负极隔开，使用然后用铜箔(5)连接巴条上表面和陶瓷片的上表面，用螺钉(7)将负极块(6)连接好即封装完成。采用低温烧结技术连接巴条，且巴条的连接材料使用纳米银焊膏后可以方便的使用丝网印刷的方法进行镀膜，有效地节约镀膜的时间，控制膜厚，且纳米银焊膏烧结后即为纯银，可以降低半导体激光器封装模块的热阻，提高光电转化效率，为今后研制超大功率半导体激光器阵列打下了基础。
文档编号B23K1/008GK102522695SQ201110439650
公开日2012年6月27日 申请日期2011年12月23日 优先权日2011年12月23日
发明者鄢艺, 陈旭 申请人:天津大学