一种高功率半导体激光器的封装结构及其制备方法与流程

本发明涉及半导体激光器领域，尤其涉及一种高功率半导体激光器的封装结构及其制备方法。

背景技术：

图1为现有的半导体激光器封装结构示意图，如图1所示，由于激光芯片（巴条）1与热沉5（制冷器）的热膨胀系数（CTE，Coefficient of thermal expansion）不匹配，因此需要采用衬底3作为过渡热沉，来平衡激光芯片1和热沉5之间的热膨胀系数不匹配，但即使这样，激光芯片1与衬底3键合的P面仍会受到由于热沉5收缩产生的应力，此应力会导致激光芯片（巴条）向上弯曲（如图2所示），这样不仅使得激光光束质量降低，还严重影响后续准直和耦合的效率。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明实施例提供一种高功率半导体激光器的封装结构及其制备方法，能够在改善散热的情况下，有效地平衡激光芯片P面受到的热应力，大大降低激光器的近场非线性效应。

本发明的技术方案如下：

本发明实施例提供一种高功率半导体激光器的封装结构，包括：制冷器、以及半导体激光器单元；其中，所述半导体激光器单元由激光芯片、以及与所述激光芯片键合的起导电散热作用的衬底组成；所述衬底为具有多个热膨胀系数的一体式多层复合衬底，通过焊料键合到所述制冷器上，所述衬底各层的热膨胀系数自激光芯片端到制冷器端呈增大趋势。

上述方案中，所述具有多个热膨胀系数的一体式多层复合衬底，为：热膨胀系数呈离散型分布，且自激光芯片端到制冷器端突变增大的一体式衬底。

上述方案中，所述一体式多层复合衬底由至少三层热膨胀系数自激光芯片端到制冷器端突变增大的高导热材料复合而成。

上述方案中，所述具有多个热膨胀系数的一体式多层复合衬底，为：热膨胀系数呈线性分布，且自激光芯片端到制冷器端渐变增大的一体式衬底。

上述方案中，所述一体式多层复合衬底由至少三层热膨胀系数自激光芯片端到制冷器端均匀渐变增大的高导热材料复合而成。

上述方案中，所述制冷器为液体制冷型制冷器、和/或传导冷却型制冷器。

本发明实施例还提供一种高功率半导体激光器的制备方法，所述方法包括：利用焊料将激光芯片键合到具有多个热膨胀系数的一体式多层复合衬底上，形成半导体激光器单元；将所述半导体激光器单元通过焊料键合到制冷器上，并安装绝缘层和电极；其中，所述衬底各层的热膨胀系数自激光芯片端到制冷器端呈增大趋势。

上述方案中，所述具有多个热膨胀系数的一体式多层复合衬底，为：热膨胀系数呈离散型分布，且自激光芯片端到制冷器端突变增大的一体式衬底。

上述方案中，所述具有多个热膨胀系数的一体式多层复合衬底，为：热膨胀系数呈线性分布，且自激光芯片端到制冷器端渐变增大的一体式衬底。

附图说明

图1为现有半导体激光器封装结构示意图；

图2为现有半导体激光器芯片弯曲示意图；

图3为本发明衬底的组成结构示意图一；

图4为本发明衬底的组成结构示意图二。

附图标号说明：1为激光芯片，2为用于键合激光芯片与衬底的焊料，3衬底，4为用于键合衬底与制冷器的焊料，5为制冷器，31为衬底的第一层，32为衬底的第二层，33为衬底的第三层。

具体实施方式

本发明实施例提供一种高功率半导体激光器的封装结构及其制备方法，所述封装结构的特点在于，采用具有多个热膨胀系数的一体式多层复合衬底来平衡激光芯片与制冷器之间的热膨胀系数不匹配，这里所说的具有多个热膨胀系数的一体式多层复合衬底，指的是所述一体式衬底由多层高导热材料复合而成，各层之间的热膨胀系数互不相同，并且具有一定的变化规律。

上述一体式多层复合衬底的热膨胀系数可以呈离散型分布，并由激光芯片端到制冷器端突变增大，具体可以由至少三层热膨胀系数自激光芯片端到制冷器端突变增大的高导热材料复合而成，突变具体指的是：这种衬底各层的热膨胀系数呈离散型分布，也即各层之间的热膨胀系数呈阶梯式变化。

进一步的，上述一体式多层复合衬底的热膨胀系数还可以呈线性分布（各层的热膨胀系数以一定的规律呈线性变化趋势），并由激光芯片端到制冷器端渐变增大，具体可以由至少三层热膨胀系数自激光芯片端到制冷器端均匀渐变增大的高导热材料复合而成，这里所说的渐变可以理解为以非常微小的变化率渐变的一种情况，由于这种情况下各层之间的变化程度较小，因此相应的高导热材料的复合层数也较多。

下面结合附图及具体实施例对本发明技术方案作进一步详细说明。

本发明实施例提供一种高功率半导体激光器的封装结构，所述封装结构包括：制冷器5、以及半导体激光器单元；其中，

所述半导体激光器单元由激光芯片1、以及与所述激光芯片1键合的起导电散热作用的衬底3组成；所述衬底3为具有多个热膨胀系数的一体式多层复合衬底，通过焊料4键合到所述制冷器5上，所述衬底各层的热膨胀系数自激光芯片端到制冷器端呈增大趋势。需说明的是，这里所说的多个热膨胀系数是相对于现有衬底的热膨胀系数为唯一确定值而言的，也即本发明所述的一体式衬底的热膨胀系数并非是单一数值，而是呈一定规律变化的一系列数值。

具体的，图3为本发明衬底的组成结构示意图一，如图3所示，所述具有多个热膨胀系数的一体式多层复合衬底可以为：热膨胀系数呈离散型分布，且自激光芯片1端到制冷器5端突变增大的一体式衬底。所述一体式衬底由至少三层热膨胀系数自激光芯片端到制冷器端突变增大的高导热材料复合而成。

这里，以图3中所述衬底由三层高导热材料复合而成为例，图3中的横轴表示各层的热膨胀系数（CTE），Y轴表示各层的堆叠方向。具体的，所述衬底在靠近激光芯片端的第一层31可以为热膨胀系数与激光芯片1相匹配的高导热材料，所述高导热材料具体可以为某一种单一成分，也可以为两种及以上组分构成的混合物（比如，配比为1比9的铜、钨）。

类似的，所述衬底的第二层32可以为热膨胀系数适中的高导热材料，这里所说的“适中”可以理解为其热膨胀系数位于所述激光芯片与制冷器两者之间。所述高导热材料具体可以为某一种单一成分，也可以为两种及以上组分构成的混合物（比如，配比为1比1的铜、钨）；所述衬底的第三层33可以为热膨胀系数与制冷器相匹配的高导热材料，同样，所述高导热材料具体可以为某一种单一成分，也可以为两种及以上组分构成的混合物（比如，配比为9比1的铜、钨）

进一步的，图4为本发明衬底的组成结构示意图二，如图4所示，图4中的横轴表示各层的热膨胀系数（CTE），Y轴表示各层的堆叠方向。具体的，所述具有多个热膨胀系数的一体式衬底可以为：热膨胀系数呈线性分布，且自激光芯片1端到制冷器5端均匀渐变增大的一体式衬底。所述一体式衬底由至少三层热膨胀系数自激光芯片1端到制冷器5端均匀渐变增大的高导热材料复合而成。

通过上述技术方案可知，所述衬底中高导热材料的比例增加，因此本发明所提供的技术方案还增强了半导体激光器的散热能力。

上述方案中，所述制冷器可以根据实际需要选择液体制冷型制冷器、和/或传导冷却型制冷器。

本发明实施例还提供一种高功率半导体激光器的制备方法，所述方法包括：利用焊料将激光芯片键合到具有多个热膨胀系数的一体式多层复合衬底上，形成半导体激光器单元，所述焊料可以为金锡焊料；将所述半导体激光器单元通过焊料键合到制冷器上，这里所述焊料可以为锡，锡铜、锡银铜或锡银焊料，所述衬底各层的热膨胀系数自激光芯片端到制冷器端呈增大趋势。

进一步的，所述方法还可以包括：安装绝缘层以及电极，具体可以通过引入金线或铜箔等方式安装电极。

所述具有多个热膨胀系数的一体式多层复合衬底可以为：热膨胀系数呈离散型分布，且自激光芯片端到制冷器端突变增大的一体式衬底。

所述具有多个热膨胀系数的一体式多层复合衬底可以为：热膨胀系数呈线性分布，且自激光芯片端到制冷器端渐变增大的一体式衬底。

在实际应用中，可以根据具体需求，将利用上述封装结构制成的半导体激光器在水平和/或垂直方向的叠层，形成水平或垂直阵列类的高功率半导体激光器。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。