一种无焊安装的半导体激光器叠阵的制作方法

本实用新型涉及一种半导体激光器，具体为无焊安装的半导体激光器叠阵的封装结构。

背景技术：

现有的高功率半导体激光器叠阵的封装结构（如图1所示）为多个半导体激光器芯片和多个散热导电衬底键合为一个巴条组后，整体键合在绝缘衬底上，然后再将该模组键合在热沉上；或者激光芯片键合到导电衬底形成一个发光单元，多个发光单元再依次键合到绝缘衬底及热沉上。上述封装结构的半导体激光器叠阵结构中，激光芯片、导电衬底、绝缘衬底与热沉之间均采用相互键合的工艺，最终的叠阵在使用中一个芯片失效，整个叠阵均会失效；该结构的半导体激光器后期维护复杂，在长期使用中单个芯片的故障难以单独维修和更换，进而影响整个半导体激光器的可靠性。

中国专利CN201410538287.5（一种机械连接传导冷却型半导体激光器叠阵的封装结构）中公开了一种采用机械安装方式实现半导体激光器的叠阵的封装方法，该结构中的安装单元为芯片以及与其焊接的衬底，该结构机械安装方式是通过两端的电极块中的紧固螺钉施加压力，在实际操作中，这种施加压力的方法较难控制，有可能造成对芯片的损伤，导致器件可靠性降低。

目前的机械连接方法并未真正实现无焊安装，需要一次或者多次高温回流完成器件间的键合，高温回流可能导致应力分布不均匀，且对衬底材料的选择有严格的CTE匹配要求，生产加工精度要求高、合格率低。

技术实现要素：

为了解决现有技术的不足，本发明提出一种无焊安装的半导体激光器叠阵。

本发明的技术方案如下：

一种无焊连接的半导体激光器叠阵，包括多组激光芯片和导电衬底，所述的多组激光芯片分别夹持于相邻的导电衬底之间，且前述相邻的导电衬底之间设置有绝缘缓冲块，用于防止前述相邻的导电衬底之间短路；前述多组激光芯片、导电衬底以及绝缘缓冲块在外部机械压力作用下，使得相邻的导电衬底与激光芯片紧密贴合并连接为叠阵。

所述的激光芯片与导电衬底之间填充有弹性导电导热层，具体为碳纳米管薄膜，或者导热硅胶，或者导热硅脂。

所述绝缘缓冲块厚度大于激光芯片的厚度。

所述绝缘缓冲块设置于激光芯片的单侧，或者分为2部分设置于激光芯片的两侧。

所述导电衬底上设置有与绝缘缓冲块匹配的凹槽，绝缘缓冲块嵌入前述凹槽中。

所述相邻的导电衬底上设置有相互匹配的安装螺孔，使得相邻的导电衬底在螺栓的紧固压力作用下与激光芯片紧密贴合并连接为叠阵结构。

一种无焊连接的半导体激光器叠阵还可以包括U型安装外壳，多组激光芯片、导电衬底以及绝缘缓冲块安装于安装外壳内并依靠其四壁的紧固压力使得导电衬底与激光芯片紧密贴合。

一种无焊连接的半导体激光器叠阵还包括分别设置于叠阵两端的安装块，安装块上设置有安装螺孔，使得紧定螺钉安装于安装螺孔时向上述叠阵施加紧固压力。

所述绝缘缓冲块为AlN陶瓷，或者BeO陶瓷，或者SiC。

所述的导电衬底为铜钨，或者铜，或者石墨金属复合材料，或者金刚石，或者金刚石金属复合材料。

本发明具有以下优点：

1）本实用新型真正实现了半导体激光器叠阵的无焊安装，激光芯片、导电衬底之间均采用外部压力连接，在使用中以及后期维护中可以对单个激光芯片进行拆装替换，可组装成任意长度的半导体激光器，具有更高的灵活性。

2)不需要经过高温回流工艺，可以在常温下进行，无CTE匹配问题，因此避免了由高温工艺导致的芯片翘曲，应力分布不均匀，CTE不匹配导致芯片破裂的问题。

3）本实用新型中施压于激光芯片的机械压力经过绝缘结构和弹性导电导热层的缓冲，调节了激光芯片所承受的压力，有效避免了激光芯片因外部压力导致的损伤和失效，提高的了器件的成品率。

附图说明

图1为现有的封装形式。

图2、图3为本实用新型的结构示意图。

图4为本实用新型的机械压力施加的实施例一。

图5a为图4的侧视剖面图。

图5b 为图5a的优化方案。

图6为本实用新型的机械压力施加的实施例二。

图7为本实用新型的机械压力施加的实施例三。

附图标号说明：1-激光芯片，2-导电衬底，3-绝缘层，4-绝缘缓冲块，5-弹性导电导热层，6-安装螺孔，7-螺栓，8-安装外壳，9-安装块。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本实用新型进行说明。

图2为本实用新型一种无焊连接的半导体激光器叠阵的实施例，为了便于说明结构，图2采用爆炸视图。无焊连接的半导体激光器叠阵包括多组激光芯片1和导电衬底2，所述的多组激光芯片1分别夹持于相邻的导电衬底2之间，且前述相邻的导电衬底之间设置有绝缘缓冲块4，用于防止前述相邻的导电衬底2之间短路；前述多组激光芯片1、导电衬底2以及绝缘缓冲块4在外部机械压力作用下，使得相邻的导电衬底与激光芯片紧密贴合并连接为叠阵，前述绝缘缓冲块4厚度略大于激光芯片的厚度，可以缓冲激光芯片所承受的压力，提高器件的可靠性。图2中箭头方向为外部机械压力的施压方向。

为了优化激光芯片和导电衬底之间的导电和导热性能，所述的激光芯片与导电衬底之间填充有弹性导电导热层，具有一定的弹性和流动性，高温(<100℃)性能与热电性能稳定，并填充导电衬底与激光芯片之间的接触面的空隙。弹性导电导热层具体为碳纳米管薄膜，或者导热硅胶，或者导热硅脂，为了获得更好的导热性，可以在导热硅胶和导热硅脂中添加微量金属。

图3为图2的优化结构，导电衬底上设置有与绝缘缓冲块匹配的凹槽，绝缘缓冲块嵌入前述凹槽中，便于无焊安装中绝缘缓冲块的安装固定。

所述绝缘缓冲块4设置于激光芯片的单侧（为一整体，参考图6中绝缘缓冲块的位置，位于激光芯片谐振腔方向的后端），或者分为两部分设置于激光芯片的两侧，如图5a和图5b中绝缘缓冲块的位置。

图4-7是对上述外部机械压力的几种具体实施方式的说明。

如图4所示，所述相邻的导电衬底2上设置有相互匹配的安装螺孔6，使得相邻的导电衬底2在螺栓7的紧固压力作用下与激光芯片紧密贴合并连接为叠阵结构，螺栓与导电衬底之间电绝缘。图5a为图4的侧视剖面图，为了减小本实用新型的半导体激光器叠阵的体积，图5b做了优化，在导电衬底和绝缘缓冲块4上设置贯通的安装螺孔6。

图6为外部机械压力的第二种实施方式，无焊连接的半导体激光器叠阵还包括安装外壳8，安装外壳具体为U型，U型安装外壳的内壁宽度略大于导电衬底的宽度，多组激光芯片、导电衬底以及绝缘缓冲块安装于U型安装外壳内并依靠其内壁的紧固压力使得导电衬底与激光芯片紧密贴合。安装外壳选用高导热材料，可以为导电材料，比如铜；也可以为绝缘材料，比如陶瓷。当安装外壳为导电材料时，须在安装外壳和导电衬底之间设置绝缘层3，防止导电衬底之间短路。绝缘层为高导热绝缘的材料，并具有一定的弹性，建立从导电衬底的侧面、底面到U型安装外壳的热传导通路。

U型安装外壳可以为被动散热、制冷液主动散热、或者TEC散热等。

图7为本实用新型的机械压力施加的实施例三，无焊连接的半导体激光器叠阵还包括分别设置于叠阵两端的安装块9，安装块9上设置有安装螺孔，使得紧定螺钉安装于安装螺孔时向上述叠阵施加紧固压力，图中箭头方向为两个紧定螺钉所施加的压力方向。

上述所提及绝缘缓冲块为高导热材料，具体为AlN陶瓷，或者BeO陶瓷，或者SiC ，MAX相复合材料。

所述的导电衬底为高导电导热材料，包括金属材料、金属合金材料、金属与非金属的复合材料，具体为铜钨、或者铜、或者石墨金属复合材料、或者金刚石，或者金刚石金属复合材料。