专利名称：一种高功率半导体激光器的设计方法
技术领域：
本发明涉及一种高功率半导体激光器的设计方法。
背景技术：
半导体激光器又称二极管激光器(DL)。随着半导体激光器输出功率、电光转换 效率、可靠性和性能稳定性的不断提高、半导体激光器在激光通信、光存储、光陀螺、激光打 印、测距以及雷达等方面的应用更加广泛，市场需求巨大，发展前景更加广阔。目前，尽管半导体激光器技术已经有了长足的进步，但是随各应用领域的发展，对 半导体激光器的性能要求更加苛刻。很多应用中要求半导体激光器具有长寿命、高稳定性、 高可靠性和长储存时间的特点。如何确保半导体激光器在长时间的使用中仍然保持高效的 工作，这给半导体激光器本身和封装技术代来了极大的挑战。目前，大部分商业化的单发射腔大功率半导体激光器产品的封装类型是C-moimt 和CT-moimt。但是这两种结构存在功率低、成本高、散热能力差和热沉带电等缺点，尤其无 法同时保证芯片的绝缘性和高效散热。
发明内容
本发明旨在提供一种高功率半导体激光器的设计方法，旨在解决现有技术无法同 时保证芯片的绝缘性和高效散热的问题。本发明的技术方案如下—种高功率半导体激光器的设计方法，包括三个处理环节对芯片进行接触式散 热处理、对芯片进行降低热应力处理、对芯片进行绝缘处理。上述三个处理环节可以按照以下步骤执行(1)在靠近芯片有源区的一面对芯片进行降低热应力处理；(2)对芯片进行绝缘处理；(3)采用散热基座对芯片进行接触式散热处理。上述三个处理环节也可以按照以下步骤执行(1)在靠近芯片有源区的一面对芯片进行降低热应力处理；(2)采用散热基座对芯片进行接触式散热处理；(3)对芯片进行绝缘处理。上述三个处理环节也可以按照以下步骤执行(1)在靠近芯片有源区的一面同时对芯片进行降低热应力处理和绝缘处理；比 如，采用同一介质同时实现降低热应力处理和绝缘处理功能；(2)采用散热基座对芯片进行接触式散热处理。上述三种执行步骤方式，步骤(1)所述对芯片进行降低热应力处理，分为以下两 个步骤(1. 1)对芯片进行热模拟和热应力模拟分析，计算得出散热基座的外形尺寸；
(1. 2)设靠近芯片有源区的一面为芯片正极面，选择热膨胀系数与芯片相差小于 20%的材料作为与芯片正极面接触的应力缓释层的材料。上述应力缓释层仅在芯片发光区部位与芯片正极面接触，应力缓释层的材料热 导率大于120W/m*K ；所述绝缘处理是由热导率大于120W/m*K的绝缘层实现，最好是大于 130W/m*K。上述芯片为单管(single emitter)、微型巴条(Mini-Bar)、巴条芯片，或者所述芯 片是由多个单元并联或者串联或者混联而成的芯片组，这些单元可以是单管、微型巴条或 巴条芯片。上述应力缓释层通过硬焊料，如金锡焊料、铜基焊料、银基焊料、镍基焊料与芯片 正极面焊接。上述应力缓释层的材料为铜钨合金、陶瓷或者金刚石铜复合材料；所述绝缘层的 材料为陶瓷或金刚石；所述散热基座由铜、铜钨、金刚石或金刚石铜复合材料制成。上述应力缓释层的厚度小于1. 2mm，最好小于1. 0mm。本发明具有以下优点1、导热能力强，可支持大功率半导体激光器长时间工作。2、采用金锡焊料，半导体激光器使用寿命和储存时间显著延长。3、通过绝缘处理使得热沉不带电，安全性高。
图1为本发明实施例一的绝缘散热处理模型示意图。图2为本发明实施例二的绝缘散热处理模型示意图。图3是各种应力缓释层的结构示意图。附图标号说明1-芯片，2-降低热应力层(应力缓释层)，3-绝缘层，4-散热层，5-凹槽。
具体实施例方式实施例一如图1，高功率半导体激光器的设计方法，按照以下步骤执行(1)在靠近芯片有源区的一面对芯片进行降低热应力处理，具体是(1. 1)对芯片 进行热模拟和热应力模拟分析，计算得出散热基座尺寸；(1. 设靠近芯片有源区的一面 为芯片正极面，选择热膨胀系数与芯片相差小于20%的材料作为与芯片正极面接触的应力 缓释层的材料，如0. 8mm厚的铜钨合金薄片，应力缓释层通过金锡焊料与芯片正极面焊接；(2)对芯片进行绝缘处理，绝缘层的材料为陶瓷或者金刚石；(3)采用散热基座对芯片进行接触式散热处理，散热基座材料为铜。实施例二如图2，高功率半导体激光器的设计方法，按照以下步骤执行(1)在靠近芯片有源区的一面对芯片进行降低热应力处理，具体是(1. 1)对芯片 进行热模拟和热应力模拟分析，计算得出散热基座尺寸；(1. 设靠近芯片有源区的一面 为芯片正极面，选择热膨胀系数与芯片相差小于20%的材料作为与芯片正极面接触的应力缓释层的材料，如1. Imm厚的陶瓷薄片，应力缓释层通过金锡焊料与芯片正极面焊接；(2)采用散热基座对芯片进行接触式散热处理，散热基座由金刚石铜复合材料制 成；(3)对芯片进行绝缘处理，绝缘层也采用陶瓷薄片。实施例三高功率半导体激光器的设计方法，按照以下步骤执行(1)在靠近芯片有源区的一面同时对芯片进行降低热应力处理和绝缘处理，参考 图1，这时，应力缓释层和绝缘层合而为一，考虑直接设置具有绝缘性质的应力缓释层，具体 是(1. 1)对芯片进行热模拟和热应力模拟分析，计算得出散热基座尺寸；(1. 2)设靠近芯片有源区的一面为芯片正极面，选择热膨胀系数与芯片相差小于 20%的材料作为与芯片正极面接触的应力缓释层的材料；综合考虑绝缘特性，选择0. 6mm 厚的陶瓷薄片，应力缓释层通过金锡焊料与芯片正极面焊接；(2)采用散热基座对芯片进行接触式散热处理，散热基座由铜、金刚石或金刚石基 复合材料制成。以上三类实施例，考虑结合应力缓释层自身结构进一步降低热应力、压应力等，应 力缓释层仅在芯片发光区部位与芯片正极面接触，如图3所示的两种应力缓释层结构。其中，图3(a)选用图2的基本结构形式，其应力缓释层对应于芯片发光区部位为 突起状，其他部位留有空隙；即芯片正极面通过突起与散热层连接，然后设置绝缘层。突起 可有效的降低热应力，突起的形状可以是球形、椭球形或者其他形状。图3(b)选用图2的基本结构形式，其应力缓释层的凹槽对应于芯片发光区部位， 即芯片发光区部位为贴近散热层凹槽，凹槽可有效降低应力。
权利要求
1.一种高功率半导体激光器的设计方法，其特征在于，包括三个处理环节对芯片进 行接触式散热处理、对芯片进行降低热应力处理、对芯片进行绝缘处理。
2.根据权利要求1所述的高功率半导体激光器的设计方法，其特征在于，所述三个处 理环节是按照以下步骤执行(1)在靠近芯片有源区的一面对芯片进行降低热应力处理；(2)对芯片进行绝缘处理；(3)采用散热基座对芯片进行接触式散热处理。
3.根据权利要求1所述的高功率半导体激光器的设计方法，其特征在于，所述三个处 理环节是按照以下步骤执行(1)在靠近芯片有源区的一面对芯片进行降低热应力处理；(2)采用散热基座对芯片进行接触式散热处理；(3)对芯片进行绝缘处理。
4.根据权利要求1所述的高功率半导体激光器的设计方法，其特征在于，所述三个处 理环节是按照以下步骤执行(1)在靠近芯片有源区的一面同时对芯片进行降低热应力处理和绝缘处理；(2)采用散热基座对芯片进行接触式散热处理。
5.根据权利要求2至4任一所述的高功率半导体激光器的设计方法，其特征在于，步骤 (1)所述对芯片进行降低热应力处理，分为以下两个步骤(1.1)对芯片进行热模拟和热应力模拟分析，计算得出散热基座的外形尺寸；(1. 2)设靠近芯片有源区的一面为芯片正极面，选择热膨胀系数与芯片相差小于20% 的材料作为与芯片正极面接触的应力缓释层的材料。
6.根据权利要求5所述的高功率半导体激光器的设计方法，其特征在于所述应力缓 释层仅在芯片发光区部位与芯片正极面接触，应力缓释层的材料热导率大于120W/m*K ；所 述绝缘处理是由热导率大于120W/m*K的绝缘层实现。
7.根据权利要求6所述的高功率半导体激光器的设计方法，其特征在于所述芯片为 单管(single emitter)、微型巴条(Mini-Bar)、巴条芯片或者所述芯片是由多个单元并联 或者串联或者混联而成的芯片组，这些单元为单管、微型巴条或巴条芯片。
8.根据权利要求7所述的高功率半导体激光器的设计方法，其特征在于所述应力缓 释层通过硬焊料与芯片正极面焊接。
9.根据权利要求8所述的高功率半导体激光器的设计方法，其特征在于所述应力缓 释层的材料为铜钨合金、陶瓷或者金刚石铜复合材料；所述绝缘层的材料为陶瓷或金刚石； 所述散热基座由铜、铜钨、金刚石或金刚石铜复合材料制成。
10.根据权利要求9所述的高功率半导体激光器的设计方法，其特征在于所述应力缓 释层的厚度小于1.2mm。
全文摘要
本发明旨在提供一种高功率半导体激光器的设计方法，旨在解决现有技术无法同时保证芯片的绝缘性和高效散热的问题。该处理方法，包括三个处理环节对芯片进行降低热应力处理、对芯片进行绝缘处理、对芯片进行接触式散热处理。本发明具有以下优点导热能力强，可支持大功率半导体激光器长时间工作；通过绝缘处理使得热沉不带电，安全性高，且采用硬焊料，半导体激光器使用寿命和储存时间长。
文档编号H01S5/024GK102097744SQ20111000785
公开日2011年6月15日 申请日期2011年1月14日 优先权日2011年1月14日
发明者刘兴胜 申请人:刘兴胜