一种大功率激光模组及其封装方法
【专利摘要】本发明涉及一种大功率激光模组，包括热沉，在所述热沉的表面、且在出光端一侧设置有多个串联的激光单管芯片单元，所述的多个串联的激光单管芯片单元在热沉的出光端一侧呈圆弧形排列或圆弧形内切多段线排列。本发明通过大功率激光单管串联，实现了大功率模组的可替换性操作，解决了巴条过于密集导致的热效应，通过设计弧面，取代了慢轴压缩透镜，从而减少了激光的功率损耗。
【专利说明】一种大功率激光模组及其封装方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种大功率激光模组及其封装方法，属于半导体激光器封装的【技术领域】。
【背景技术】
[0002]由于半导体激光器体积小、质量轻、光电转换效率高、使用寿命长、易于调节等优点，使得它在工业、医疗、通讯、信息显示和军事等领域的应用非常广泛。高功率半导体激光器的研发水平影响了国防科技、工业等发展水平，它的应用可以主要作用于导弹的制导与跟踪、武器模拟和炸弹引爆、夜视雷达监控等方面。大功率的巴条激光器的应用还可以作用在工业金属切割和雕刻、金属熔涂覆再加工。在医疗领域，激光美容越来越受到人们的青睐。
[0003]半导体激光器是以半导体材料制备成的受激发射激光的器件，其工作原理:通过一定的激励方式，在半导体物质的能带(导带与价带)之间，或者半导体物质的能带与杂质(受主或施主)能级之间，实现非平衡载流子的粒子数反转，当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时，便产生受激发射作用。
[0004]激光器的性能除了与芯片有关外，还与激光器的散热和封装有关，为了提高激光器的可靠性和稳定性，降低生产成本，设计高效的散热结构是必须的。此外还要求封装结构设计和制造简单成本低，散热效率高。
[0005]目前，大功率半导体激光器的商业化产品存在着缺陷，如散热能力差，尤其以传导冷却的大功率巴条形式的封装，在高重频模式下工作会有较多的热量，这些热量仅靠传导冷却，传导路径较长，很容易导致芯片内的有源区废热集中，从而导致热变不均匀，激光器的波长伴随出现红移，光谱展宽，可靠性稳定性会下降。再如，可替换性差，对于传导冷却型的大功率半导体激光器，以一次成型和巴条封装的居多，然而一旦出现单发光点的烧毁等异常，整个激光器模组会出现整体失效的危险，而且不可替换。未损坏的芯片随之浪费，造成了高昂的成本损失。而且一次成型的激光器模组无法实现单芯片的老化，因此制作成本闻。
[0006]因此需要一种封装方法，利用该方法封装出的大功率激光模组，即可解决传导冷却大功率半导体激光器光的散热问题，又能达到失效芯片的可替换操作和单芯片测试老化的目的。
[0007]中国专利文献CN101834402A公开了《一种半导体激光器侧泵模块》，该对比专利中提及到了半导体激光侧泵模块，模块采用单巴条封装，其优势在于引入了一套光学系统，通过慢轴的扩束来满足泵浦源的要求，从而用单巴条代替了多巴条的侧泵模块，有效的降低生产成本。但是本对比专利中并未解决芯片的可替换性和热堆积问题。
[0008]中国专利文献CN2762400公开一种《拱形半导体激光器侧泵浦模块》，该对比专利采用侧泵浦同心拱形排布，其中半导体激光器线列阵采用拱型封装结构，列阵芯片沿棒状激光介质的轴线方向排列并且均匀地排布在拱形的圆周面上。其优势在于提高了泵浦效率和功率，能够获得大能量、高光束质量的激光输出。但该专利的拱形结构并不是指芯片的出光的慢轴方向的拱形结构，而是在快轴方向的一种分布结构，其慢轴方向采用的仍是平行于棒状激光介质巴条，其改变在于围绕棒状激光介质的方式，并未能解决芯片的热堆积问题和可替换性操作。
[0009]中国专利文献CN102074890A公开了《一种管芯串联激光器封装方法》，该对比专利中提及的大功率激光封装方法，采用了多个单管水平排布，避免了巴条单管之间的紧密排列带来的热效应问题，而且单管芯片通过焊接在过渡热沉的方法，解决了多发光点各自封装形成的发光方向的不一致，满足其用作激光显示技术的三基色的出光一致性。但是该对比专利中单管芯片采用一次成型封装，其封装仍具有不可更换的缺陷。
[0010]中国专利文献CN102931585A公开了《一种外腔合束半导体激光光纤耦合模块》，该专利是光纤耦合的【技术领域】，多个单管半导体激光器发出的多路光束经过不同倾角入射到衍射光栅上，光斑在衍射光栅上发生重叠，通过衍射光栅的分光作用和外腔镜的反馈作用下，每只单管半导体激光器发出的光束在由激光器的后腔面和外腔镜构成的谐振腔内实现外腔反馈和波长锁定，并由衍射光栅将多路光束合成一束从而实现外腔合束，最后通过聚焦镜耦合进入多模光纤。该专利优势在于将通过多不同波长光束重叠于光栅一点从而实现了外腔的空间合束，实现了光纤耦合模块的细芯径、大功率、高光束质量激光输出。而本发明针对大功率半导体封装方法，提出单管串联取代密集排列的巴条从而有效解决了热堆积问题；通过单元独立测试老化和更换实现了芯片的可替换性操作，提高了产品可靠性；通过热沉设计弧面实现了非透镜的光斑的慢轴压缩，从而提高了工作效率，其中光斑汇聚不限于多芯片的光斑重叠，且弧形热沉不限于圆弧，可采用如梯形等结构。
[0011]综上所述，现有对比专利文献提及的封装的方法中，芯片的散热问题已得到足够重视，但芯片可替换性还需要优化，而且用于激光美容和工业金属修复领域的大功率激光器模组，往往通过光学透镜来实现光斑的汇聚作用。且一次成型的封装工艺相对要求较高，成本也高。
【发明内容】
[0012]针对现有技术的不足，本发明提供一种大功率激光模组。
[0013]本发明还提供一种上述大功率激光模组的封装方法。本发明利用该方法封装出来的大功率激光模组既能有效的解决芯片之间的热堆积问题，又能提供一种代替光学透镜而实现慢轴压缩效果的封装形式。该封装方法配合烧结夹具可实现大功率激光模组的规模化批量生产，且实现了单芯片的测试老化并实现了芯片的可替换性操作，从而大大提高了模组的可靠性和使用寿命，降低了生产成本。
[0014]本发明的技术方案如下:
[0015]—种大功率激光模组，包括热沉，在所述热沉的表面、且在出光端一侧设置有多个串联的激光单管芯片单元，所述的多个串联的激光单管芯片单元在热沉的出光端一侧呈圆弧形排列或圆弧形内切多段线排列。其中圆弧形或圆弧形内切多段线根据所制备大功率激光器的型号和功率的需要提供不同圆弧半径，为了达到大功率巴条的目的，所述的多个串联的激光单管芯片单元所产生的光斑在远离热沉的目标平面可调节为重合，也可调节为不重合。
[0016]根据本发明优选的，在所述激光单管芯片单元的出光端设置有快轴压缩的柱形透镜，通过快轴压缩实现对所述激光单管芯片单元出光在快轴方向的光斑调整。
[0017]根据本发明优选的，所述激光单管芯片单元与热沉通过第一焊料固定连接；所述激光单管芯片单元包括金属化陶瓷基板、在所述金属化陶瓷基板上设置有绝缘槽和激光单管芯片，所述激光单管芯片与所述金属化陶瓷基板通过第二焊料固定连接，所述第一焊料的熔点低于第二焊料熔点。
[0018]根据本发明优选的，所述热沉的出光端面为圆弧形，所述圆弧形出光端面的形状和尺寸与所述呈圆弧形排列的多个串联的激光单管芯片单元相适应:所述多个串联的激光单管芯片单元沿所述圆弧形出光端面排列。
[0019]根据本发明优选的，所述热沉的出光端面为圆弧形内切多段线形，所述出光端面的形状和尺寸与所述呈圆弧形内切多段线排列的多个串联的激光单管芯片单元相适应:所述多个串联的激光单管芯片单元沿所述圆弧形内切多段线形出光端面排列。
[0020]根据本发明优选的，在所述热沉的表面、且在出光端一侧设置有安装激光单管芯片单元的单元定位槽，所述单元定位槽的尺寸与所述的激光单管芯片单元的尺寸相适应。其中所述的单元定位槽内表面要求较高的平整度，且利用第一焊料将所述激光单管芯片单元安装至所述的单元定位槽内。
[0021]根据本发明优选的，在所述热沉的表面还设置有PCB电路板，所述串联的激光单管芯片单元与所述PCB电路板电连接。
[0022]根据本发明优选的，位于热沉表面两端的激光单管芯片单元分别与所述的PCB电路板电连接。
[0023]根据本发明优选的，在所述的PCB电路板的表面上还设置有2块金属层，位于热沉表面两端的激光单管芯片单元分别焊接在2块金属层上，所述2块金属层另一端连接工作电极线，形成串联回路。
[0024]根据本发明优选的，所述绝缘槽将所述金属化陶瓷基板表面绝缘分割为两块区域:在其中一块区域上设置有激光单管芯片，所述激光单管芯片通过导线和另一块区域与相邻设置的激光单管芯片单元相连。
[0025]根据本发明优选的，在所述金属化陶瓷基板上的绝缘槽，其轴向与激光单管芯片的出光方向一致。
[0026]一种大功率激光模组的封装方法，该方法采用烧结夹具对所述的大功率激光单管芯片进行封装，该方法包括步骤如下:
[0027](I)将所述激光单管芯片的P面向下，利用第二焊料将所述激光单管芯片的出光面与金属化的陶瓷基板的前边缘平齐并焊接，封装成激光单管芯片单元；金属化陶瓷基板带有绝缘槽，将激光单管芯片和绝缘槽另一侧通过焊线形成回路；在激光单管芯片单元的出光端采用独立的柱形透镜实现快轴压缩；此处设计的优点在于实现了激光单管芯片单元的独立测试和老化，并可实现替代性操作；所述的金属化陶瓷基板为过渡热沉，其材质为A1N，热传导系数更接近芯片陈底层材料，比直接贴片在铜热沉的热匹配效果好；
[0028](2)利用第一焊料将上述激光单管芯片单元安装在热沉上表面的出光端一侧，所述的多个串联的激光单管芯片单元在热沉的出光端一侧呈圆弧形排列或圆弧形内切多段线排列，热沉作用为传导冷却。本发明将所述的激光单管芯片单元串联呈圆弧形排列或圆弧形内切多段线排列，实现了慢轴压缩，代替了光学透镜实现的慢轴压缩，从而减少了引入透镜带来的功耗损失。
[0029]根据本发明优选的，在所述步骤(I)之前，按照现有技术将激光单管芯片安装在金属化陶瓷基板的绝缘槽的一侧；所述的金属化陶瓷基板的一面上设置有图案金属层，所述的图案金属层的图案带有绝缘槽。
[0030]根据本发明优选的，在步骤(I)中，利用烧结夹具沿垂直于金属化陶瓷基板的方向将所述的激光单管芯片与所述金属化陶瓷基板通过第二焊料紧密地焊接在一起。
[0031]根据本发明优选的，在步骤(2)中，在封装有激光单管芯片的金属化陶瓷基板另一面设置有金属图案层，通过所述的金属图案层将所述激光单管芯片单元与热沉表面的单元定位槽焊接在一起。
[0032]根据本发明优选的，所述的热沉为金属热沉。
[0033]根据本发明优选的，所述热沉为无氧铜热沉，且表面镀金。但是本发明所述的热沉并不限于无氧铜材质。比起常规避免热应力采取的钨铜热沉结构而言，成品更低廉。
[0034]本发明的优点在于:
[0035]1.本发明采用了独立的单管芯片封装，代替了整巴条的封装形式，有效的避免芯片紧密排列等形式带来的热堆积问题。
[0036]2.本发明采用了单芯片独立封装的结构，可实现单芯片独立的测试和老化，从而降低了成本，提高了产品的稳定性可靠性，并且芯片焊接和小单元焊接采用的焊料不同，小单元焊接采用的焊料熔点低于芯片焊接所采用的焊料熔点，从而实现在模组单芯片出现问题的情况下替换性操作。
[0037]3.本发明仅在芯片小单元的出光腔面采用柱形透镜进行快轴压缩，在慢轴方向采用热沉特殊设计实现慢轴压缩，取代了光学透镜，从而避免了多次透镜造成的功率损耗。
[0038]4.本发明采用了过渡热沉的形式，有效的解决了芯片和铜热沉在键合过程因热胀系数不同带来的热应力问题。
【专利附图】
【附图说明】
[0039]图1是本发明热沉的结构示意图；
[0040]图2是封装有激光单管芯片，并固定柱形透镜的激光单管芯片单元示意图；
[0041]图3是固定有PCB电路板和激光单管芯片的整体结构不意图；
[0042]图4、5是本发明所述热沉的出光端面为圆弧形内切多段线形的结构示意图；
[0043]图1-5中，1、热沉；2、单元定位槽；3、模组固定孔位；4、热沉圆弧形出光端面；5、金属化陶瓷基板；6、绝缘槽；7、快轴压缩的柱形透镜；8、激光单管芯片；9、PCB电路板；10、金属层；11、圆弧形内切多段线形出光端面。
【具体实施方式】
[0044]下面结合说明书附图和实施例对本发明做详细的说明，但不限于此。
[0045]实施例1、
[0046]如图1-3所示。
[0047]一种大功率激光模组，包括热沉1，在所述热沉I的表面、且在出光端一侧设置有多个串联的激光单管芯片单元，所述的多个串联的激光单管芯片单元在热沉的出光端一侧呈圆弧形排列。
[0048]在所述激光单管芯片单元的出光端设置有快轴压缩的柱形透镜7，通过快轴压缩实现对所述激光单管芯片单元出光在快轴方向的光斑调整。
[0049]所述激光单管芯片单元与热沉I通过第一焊料固定连接；所述激光单管芯片单元包括金属化陶瓷基板5、在所述金属化陶瓷基板5上设置有绝缘槽6和激光单管芯片8，所述激光单管芯片8与所述金属化陶瓷基板5通过第二焊料固定连接，所述第一焊料的熔点低于第二焊料熔点。
[0050]所述热沉I的出光端面4为圆弧形，所述圆弧形出光端面4的形状和尺寸与所述呈圆弧形排列的多个串联的激光单管芯片单元相适应:所述多个串联的激光单管芯片单元沿所述圆弧形出光端面4排列。
[0051]在所述热沉I的表面还设置有PCB电路板9，所述串联的激光单管芯片单元与所述PCB电路板9电连接。在所述的PCB电路板9的表面上还设置有2块金属层10，位于热沉I表面两端的激光单管芯片单元分别焊接在2块金属层10上，所述2块金属层10另一端连接工作电极线，形成串联回路。
[0052]所述绝缘槽6将所述金属化陶瓷基板5表面绝缘分割为两块区域:在其中一块区域上设置有激光单管芯片8，所述激光单管芯片8通过导线和另一块区域与相邻设置的激光单管芯片单元相连。
[0053]在所述金属化陶瓷基板5上的绝缘槽6，其轴向与激光单管芯片8的出光方向一致。
[0054]实施例2、
[0055]如实施例1所述一种大功率激光模组，其区别在于，在所述热沉I的表面、且在出光端一侧设置有安装激光单管芯片单元的单元定位槽2，所述单元定位槽2的尺寸与所述的激光单管芯片单元的尺寸相适应。
[0056]实施例3、
[0057]如图4、5所示。
[0058]如实施例1所述的一种大功率激光模组，其区别在于，所述的多个串联的激光单管芯片单元在热沉的出光端一侧呈圆弧形内切多段线排列。
[0059]所述热沉的出光端面为圆弧形内切多段线形，所述出光端面的形状和尺寸与所述呈圆弧形内切多段线排列的多个串联的激光单管芯片单元相适应:所述多个串联的激光单管芯片单元沿所述圆弧形内切多段线形出光端面排列。
[0060]实施例4、
[0061]一种如实施例1-2所述大功率激光模组的封装方法，该方法采用烧结夹具对所述的大功率激光单管芯片进行封装，该方法包括步骤如下:
[0062]( I)将所述激光单管芯片8的P面向下，利用第二焊料将所述激光单管芯片8的出光面与金属化的陶瓷基板5的前边缘平齐并焊接，封装成激光单管芯片单元；金属化陶瓷基板5带有绝缘槽6，将激光单管芯片8和绝缘槽6另一侧通过焊线形成回路；在激光单管芯片单元的出光端采用独立的柱形透镜7实现快轴压缩；
[0063](2)利用第一焊料将上述激光单管芯片单元安装在热沉I上表面的出光端一侧，所述的多个串联的激光单管芯片单元在热沉I的出光端一侧呈圆弧形排列，热沉I作用为传导冷却。
[0064]在所述步骤(I)之前，按照现有技术将激光单管芯片安装在金属化陶瓷基板的绝缘槽的一侧；所述的金属化陶瓷基板的一面上设置有图案金属层，所述的图案金属层的图案带有绝缘槽。
[0065]在步骤(I)中，利用烧结夹具沿垂直于金属化陶瓷基板的方向将所述的激光单管芯片与所述金属化陶瓷基板通过第二焊料紧密地焊接在一起。
[0066]在步骤(2)中，在封装有激光单管芯片的金属化陶瓷基板另一面设置有金属图案层，通过所述的金属图案层将所述激光单管芯片单元与热沉表面的单元定位槽焊接在一起。
[0067]所述热沉为无氧铜热沉，且表面镀金。
[0068]实施例5、
[0069]—种如实施例4所述大功率激光模组的封装方法,其区别在于:
[0070]步骤(2)利用第一焊料将上述激光单管芯片单元安装在热沉I上表面的出光端一侧，所述的多个串联的激光单管芯片单元在热沉I的出光端一侧呈圆弧形内切多段线排列，热沉作用为传导冷却。
【权利要求】
1.一种大功率激光模组，其特征在于，该大功率激光模组包括热沉，在所述热沉的表面、且在出光端一侧设置有多个串联的激光单管芯片单元，所述的多个串联的激光单管芯片单元在热沉的出光端一侧呈圆弧形排列或圆弧形内切多段线排列。
2.根据权利要求1所述一种大功率激光模组，其特征在于，在所述激光单管芯片单元的出光端设置有快轴压缩的柱形透镜，通过快轴压缩实现对所述激光单管芯片单元出光在快轴方向的光斑调整。
3.根据权利要求1所述一种大功率激光模组，其特征在于，所述激光单管芯片单元与热沉通过第一焊料固定连接；所述激光单管芯片单元包括金属化陶瓷基板、在所述金属化陶瓷基板上设置有绝缘槽和激光单管芯片，所述激光单管芯片与所述金属化陶瓷基板通过第二焊料固定连接，所述第一焊料的熔点低于第二焊料熔点；在所述金属化陶瓷基板上的绝缘槽，其轴向与激光单管芯片的出光方向一致。
4.根据权利要求1所述一种大功率激光模组，其特征在于，所述热沉的出光端面为圆弧形，所述圆弧形出光端面的形状和尺寸与所述呈圆弧形排列的多个串联的激光单管芯片单元相适应:所述多个串联的激光单管芯片单元沿所述圆弧形出光端面排列。
5.根据权利要求1所述一种大功率激光模组，其特征在于，所述热沉的出光端面为圆弧形内切多段线形，所述出光端面的形状和尺寸与所述呈圆弧形内切多段线排列的多个串联的激光单管芯片单元相适应:所述多个串联的激光单管芯片单元沿所述圆弧形内切多段线形出光端面排列。
6.根据权利要求1所述一种大功率激光模组，其特征在于，在所述热沉的表面、且在出光端一侧设置有安装激光单管芯片单元的单元定位槽，所述单元定位槽的尺寸与所述的激光单管芯片单元的尺寸相适应。
7.根据权利要求1所述一种大功率激光模组，其特征在于，在所述热沉的表面还设置有PCB电路板，所述串联的激光单管芯片单元与所述PCB电路板电连接；位于热沉表面两端的激光单管芯片单元分别与所述的PCB电路板电连接；在所述的PCB电路板的表面上还设置有2块金属层，位于热沉表面两端的激光单管芯片单元分别焊接在2块金属层上，所述2块金属层另一端连接工作电极线，形成串联回路。
8.根据权利要求3所述一种大功率激光模组，其特征在于，所述绝缘槽将所述金属化陶瓷基板表面绝缘分割为两块区域:在其中一块区域上设置有激光单管芯片，所述激光单管芯片通过导线和另一块区域与相邻设置的激光单管芯片单元相连。
9.一种如权利要求1-8所述大功率激光模组的封装方法，该方法采用烧结夹具对所述的大功率激光单管芯片进行封装，其特征在于，该方法包括步骤如下: (1)将所述激光单管芯片的P面向下，利用第二焊料将所述激光单管芯片的出光面与金属化的陶瓷基板的前边缘平齐并焊接，封装成激光单管芯片单元；金属化陶瓷基板带有绝缘槽，将激光单管芯片和绝缘槽另一侧通过焊线形成回路；在激光单管芯片单元的出光端采用独立的柱形透镜实现快轴压缩； (2)利用第一焊料将上述激光单管芯片单元安装在热沉上表面的出光端一侧，所述的多个串联的激光单管芯片单元在热沉的出光端一侧呈圆弧形排列或圆弧形内切多段线排列，热沉作用为传导冷却。
10.根据权利要求9所述的大功率激光模组的封装方法，其特征在于，在所述步骤(I)之前，按照现有技术将激光单管芯片安装在金属化陶瓷基板的绝缘槽的一侧；所述的金属化陶瓷基板的一面上设置有图案金属层，所述的图案金属层的图案带有绝缘槽； 在步骤(I)中，利用烧结夹具沿垂直于金属化陶瓷基板的方向将所述的激光单管芯片与所述金属化陶瓷基板通过第二焊料紧密地焊接在一起； 在步骤(2 )中，在封装有激光单管芯片的金属化陶瓷基板另一面设置有金属图案层，通过所述的金属图案层将所述激光单管芯片单元与热沉表面的单元定位槽焊接在一起；所述热沉为无氧铜热沉，且表面镀金。
【文档编号】H01S5/00GK104283108SQ201310291835
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2013年7月11日 优先权日:2013年7月11日
【发明者】张骋, 孙素娟, 李沛旭, 汤庆敏 申请人:山东浪潮华光光电子股份有限公司