一种热沉绝缘型半导体激光器封装结构及叠阵的制作方法

本发明涉及半导体激光器封装领域，尤其涉及一种热沉绝缘型半导体激光器封装结构及叠阵。

背景技术：

目前，高功率半导体激光器的封装结构主要可以分为：液体制冷型和传导冷却型。传导冷却型由于散热原理的限制，在功率的实现上受到了制约，很难实现大功率器件；液体制冷型的封装结构是目前实现高功率半导体激光器的主要封装形式。

液体制冷型的封装结构目前主要包括：微通道液体制冷、宏通道液体制冷。对于微通道液体制冷方式来说，巴条直接键合到微通道热沉（液体制冷器）上。这种封装方式中，热沉不仅需要作为散热介质，还需要作为激光芯片的电极（一般为正极）使用。

微通道液体制冷的封装方式有如下缺点：

第一，微通道容易由于水通道狭窄而造成堵塞；

第二，微通道热沉本身带电，所以必须采用去离子水进行冷却，对离子浓度有很高的要求；

第三，带电的微通道热沉在使用过程中很容易造成电化学腐蚀，破坏微通道结构，造成堵塞，导致产品失效；

第四，微通道热沉的整体强度与刚度缺乏，容易在组装和制造过程中发生折弯、变形，影响封装质量。

另外，巴条可以先键合在热膨胀系数相匹配的导电衬底上，再与微通道热沉进行封装，但是却增加了散热路径，降低了散热能力。

对于宏通道液体制冷方式来说，其优点是通道较大，不易产生通道堵塞，液体的流速相对较低，可以减少通道的侵蚀。同时，这也造成了宏通道封装器件的散热能力差、通道内温度不均匀的问题，并且其热沉也是带电的；这种封装一般适合在功率较低的应用场合。

因此，热沉带电直接或间接地限制了半导体激光器的散热能力和封装质量。目前，现有技术中已存在绝缘型的半导体激光器封装结构，即热沉绝缘，但由于其叠阵组装时电极连接结构复杂，增加了工艺难度，功率密度也不高。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明实施例的主要目的在于提供一种新型的热沉绝缘型半导体激光器封装结构及叠阵，能够将半导体激光器的封装结构进行模块化设计，简化了工艺，易于叠阵组装，并且可以成倍扩展功率密度。

本发明实施例的主要技术方案如下：

本发明实施例提供一种热沉绝缘型半导体激光器封装结构，包括至少一个半导体激光器单元，每个半导体激光器单元包括：第一半导体激光器模块、第二半导体激光器模块、连接电极、制冷器；其中，第一半导体激光器模块和第二半导体激光器模块均包括：激光芯片、导电层，所述激光芯片键合于所述导电层上，所述导电层设置于所述制冷器的表面，与所述制冷器彼此绝缘；第一半导体激光器模块的电极位置与第二半导体激光器模块的电极位置相反，通过连接电极实现第一半导体激光器模块和第二半导体激光器模块之间的电连接。

上述方案中，所述导电层设置于所述制冷器的表面，包括：所述第一半导体激光器模块和第二半导体激光器模块分别设置于不同的制冷器上；其中，所述第一半导体激光器模块的导电层，设置于与第一半导体激光器模块对应的制冷器的上表面；所述第二半导体激光器模块的导电层，设置于与第二半导体激光器模块对应的制冷器的上表面。

上述方案中，所述导电层设置于所述制冷器的表面，包括：所述第一半导体激光器模块和第二半导体激光器模块设置于同一制冷器上；其中，所述第一半导体激光器模块设置于所述制冷器的上表面，所述第二半导体激光器模块设置于所述制冷器的下表面。

上述方案中，所述导电层包括键合区、正电极区、负电极区；其中，所述键合区，用于键合激光芯片；所述正电极区用于作为半导体激光器模块的正电极，所述负电极区用于作为半导体激光器模块的负电极。

上述方案中，通过金线实现激光芯片正极与导电层的正电极区的电连接，以及激光芯片负极与导电层的负电极区的电连接。

上述方案中，所述第一半导体激光器模块的电极位置与第二半导体激光器模块的电极位置相反，为：所述第一半导体激光器模块正电极区的位置，对应于第二半导体激光器模块负电极区的位置；所述第一半导体激光器模块负电极区的位置，对应于第二半导体激光器模块正电极区的位置。

上述方案中，所述制冷器为片状方形液体制冷器；其中，所述正电极区和负电极区分别位于：所述片状方形液体制冷器的两条长边处；所述键合区位于：所述片状方形液体制冷器的两条长边之间的一侧的短边处。

上述方案中，所述连接电极为u型电极，一端与第一半导体激光器模块的正电极区或负电极区相接触，另一端与第二半导体激光器模块的负电极区或正电极区相接触，用于实现第一半导体激光器模块的正电极区与第二半导体激光器模块的负电极区之间的电连接，或第一半导体激光器模块的负电极区与第二半导体激光器模块的正电极区之间的电连接。

上述方案中，所述半导体激光器单元还包括：绝缘层；所述绝缘层设置于液体制冷器的上表面与下表面，用于实现导电层或连接电极与液体制冷器之间彼此绝缘。

本发明实施例还提供一种热沉绝缘型半导体激光器叠阵，所述叠阵包括：多个以上所述的半导体激光器单元。

附图说明

图1为本发明基于实施例一的封装结构示意图一；

图2为本发明基于实施例一的封装结构示意图二；

图3a为本发明基于实施例一的叠阵示意图一；

图3b为本发明基于实施例一的叠阵示意图二；

图4为本发明基于实施例二的封装结构示意图一；

图5为本发明基于实施例二的封装结构示意图二；

图6a为本发明基于实施例二的叠阵示意图一；

图6b为本发明基于实施例二的叠阵示意图二。

附图标号说明：1为激光芯片，2为键合区，3为正电极区，4为负电极区，5为金线，6为连接电极，7为液体制冷器，71为液体制冷器上表面，72为液体制冷器下表面，8为绝缘层。

具体实施方式

本发明实施例提供一种新型的热沉绝缘的液体制冷型半导体激光器封装结构及叠阵，将半导体激光器的封装结构进行模块化设计，简化了工艺，易于叠阵组装，并且可以成倍扩展功率密度。

以下结合附图及2个具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明。

本发明实施例提供的封装结构包括至少一个半导体激光器单元，进一步的，每个半导体激光器单元可以包括：第一半导体激光器模块、第二半导体激光器模块、连接电极、液体制冷器。

上述第一半导体激光器模块和第二半导体激光器模块可以均包括：激光芯片1、导电层，所述激光芯片1键合于所述导电层上。所述导电层具体可以包括键合区2、正电极区3、负电极区4，且设置于所述液体制冷器7的表面，与所述液体制冷器彼此绝缘。

本发明实施例技术方案的特点在于：第一半导体激光器模块的电极位置与第二半导体激光器模块的电极位置相反，通过连接电极实现第一半导体激光器模块和第二半导体激光器模块之间的电连接。

上述方案中，所述“导电层设置于液体制冷器7的表面”可以具体分为两种情况：所述第一半导体激光器模块和第二半导体激光器模块分别设置于不同的液体制冷器上（即：第一半导体激光器模块的导电层与第二半导体激光器模块的导电层分别设置于不同的液体制冷器的上表面），或者，所述第一半导体激光器模块和第二半导体激光器模块设置于同一液体制冷器上（即：第一半导体激光器模块的导电层与第二半导体激光器模块的导电层分别设置于同一液体制冷器的不同表面）。

以下基于第一半导体激光器模块和第二半导体激光器模块设置于不同的液体制冷器上，作为实施例一；第一半导体激光器模块和第二半导体激光器模块设置于同一液体制冷器上，作为实施例二，对本发明技术方案做详细说明。

实施例一

实施例一的技术方案为：第一半导体激光器模块和第二半导体激光器模块设置于不同的液体制冷器上，其中，所述第一半导体激光器模块的导电层，设置于与第一半导体激光器模块对应的液体制冷器的上表面；所述第二半导体激光器模块的导电层，设置于与第二半导体激光器模块对应的液体制冷器的上表面。下面结合图1和图2中的结构进行具体说明。

图1为本发明基于实施例一的封装结构示意图一，图2为本发明基于实施例一的封装结构示意图二。图1的结构叠加图2的结构组成本发明实施例一的半导体激光器单元。

由图1和图2可知，位于图1中所示液体制冷器上表面71处的导电层、以及位于图2中所示液体制冷器上表面71处的导电层结构组成上基本一致，所述导电层具体包括：键合区2、正电极区3、负电极区4。

图1中的激光芯片1、键合区2、正电极区3、负电极区4构成第一半导体激光器模块，图2中的激光芯片1、键合区2、正电极区3、负电极区4构成第二半导体激光器模块。

其中，所述键合区2，用于键合激光芯片1，优选的，可以通过硬焊料（例如：金锡、金锗等）将激光芯片1的正极朝向键合区2进行键合（在本发明的设计构思和理念之下，采用将激光芯片的负极朝向键合区2进行键合的方式，也应包含在本发明的保护范围之内），这里使用硬焊料封装可以使半导体激光器产品适应更加苛刻的使用条件，具有较高的可靠性。所述正电极区3用于作为半导体激光器模块的正电极，所述负电极区4用于作为半导体激光器模块的负电极。

具体的，可以通过金线5实现激光芯片正极与导电层的正电极区3的电连接，以及激光芯片负极与导电层的负电极区的电连接，如图1、图2所示。

在这里，结合图1、图2可以看到，所述第一半导体激光器模块的电极位置与第二半导体激光器模块的电极位置相反，具体可以为：图1中所述第一半导体激光器模块正电极的位置（即图1中正电极区3所处位置），对应于图2中第二半导体激光器模块负电极的位置（即图2中负电极区4所处位置）；图1中所述第一半导体激光器模块负电极的位置（即图1中负电极区4所处位置），对应于图2中第二半导体激光器模块正电极的位置（即图2中正电极区3所处位置）。

进一步的，所述制冷器为片状方形液体制冷器；所述正电极区3和负电极区4分别位于：所述片状方形液体制冷器7的两条长边处，如图1、图2所示。所述键合区2位于：所述片状方形液体制冷器7的两条长边之间的一侧的短边处，如图1、图2所示。由附图可知，本发明实施例所述的键合区2、正电极区3、负电极区4的形状均为长条方形，位置分别位于液体制冷器的短边及长边处，但这并不构成唯一性限制，在可实现本发明技术方案的前提下，任意形状及位置都应包含在本发明所述范围内。

所述连接电极6由导电材料制成，具体可以为u型电极（也可以为其他可实现电连接的任意形状），一端与第一半导体激光器模块的正电极区3或负电极区4相接触，另一端与第二半导体激光器模块的负电极区4或正电极区3相接触，用于实现第一半导体激光器模块的正电极区3与第二半导体激光器模块的负电极区4之间的电连接，或第一半导体激光器模块的负电极区4与第二半导体激光器模块的正电极区3之间的电连接。

基于上述关于连接电极6的描述，以图1、图2所示结构为例，连接电极6的一端与图1中第一半导体激光器模块的正电极区3相接触，另一端与图2中第二半导体激光器模块的负电极区4相接触，以此实现第一半导体激光器模块的正电极区3与第二半导体激光器模块的负电极区4之间的电连接。在进行叠阵组装时，连接电极6的使用能够将各半导体激光器模块、各半导体激光器单元以串联的形式实现电连接。

进一步的，所述半导体激光器单元还包括绝缘层8，所述绝缘层8设置于液体制冷器7的上表面71与下表面72，用于实现导电层或连接电极与液体制冷器之间彼此绝缘。

本发明实施例中，所述绝缘层8和导电层可以为一体式结构，该一体式结构可以为：热膨胀系数（cte）与激光芯片相匹配的、表面经金属化处理的绝缘材料，可以将该一体式结构称之为“衬底”，所述绝缘材料可以包括但不限于：氮化铝、和/或氧化铍、和/或金刚石等。优选的，液体制冷器7上表面和下表面处的绝缘层材料可以选为相同材料，这样可以保证在封装时液体制冷器上表面与下表面受力均匀，以提高产品的可靠性。

由于所述导电层包括键合区2、正电极区3、负电极区4，因此，在实际的结构设计过程中，可以将上述绝缘材料的整体表面进行分区域金属化处理，也可以根据需求将上述绝缘结构分为若干个部件分别进行金属化处理。

绝缘层8的设计可以使得液体制冷器绝缘，即完全实现水电分离，有效降低了液体制冷器通道电化学腐蚀的风险，提高了产品的可靠性，在一定程度上可实现无限堆叠的叠阵产品。

图3a和图3b为基于图1、图2结构的叠阵示意图。通过上述模块化的封装结构设计，能够在较大程度上简化叠阵的组装工艺，易于操作，为实现功率扩展提供了保证。另一方面，模块化的结构设计，使得可以对每个半导体激光器单元进行单独测试、老化、筛选，为优化产品的最终性能奠定了基础。

实施例二

实施例二的技术方案与实施例一的不同之处主要在于：实施例二中，第一半导体激光器模块和第二半导体激光器模块设置于同一液体制冷器上，其中，所述第一半导体激光器模块设置于所述液体制冷器的上表面71，所述第二半导体激光器模块设置于所述制冷器的下表面72。

因此，下文将主要对以上二者的不同之处进行描述，与第一实施例相同的结构、动作及效果将适当省略。

图4为基于本发明实施例二的封装结构示意图一，即液体制冷器上表面处的封装结构示意图；图5为基于本发明实施例二的封装结构示意图二，即液体制冷器下表面处的封装结构示意图，也就是将图4中的结构旋转180°后，液体制冷器下表面处的结构示意图。

图4中的激光芯片1、键合区2、正电极区3、负电极区4在液体制冷器7的上表面71处构成第一半导体激光器模块，图5中的激光芯片1、键合区2、正电极区3、负电极区4在液体制冷器7的下表面72处构成第二半导体激光器模块。

由图4、图5可以看出，在实施例二中，液体制冷器7上表面71处的封装结构与液体制冷器7下表面72处的封装结构基本一致，主要不同在于：图4中第一半导体激光器模块的电极位置与图5中第二半导体激光器模块的电极位置相反，具体为：图4中第一半导体激光器模块正电极的位置（即图4中正电极区3所处位置），对应于图5中第二半导体激光器模块负电极的位置（即图5中负电极区4所处位置）；图4中第一半导体激光器模块负电极的位置（即图4中负电极区4所处位置），对应于图5中第二半导体激光器模块正电极的位置（即图5中正电极区3所处位置）。

与实施例一类似，实施例二中液体制冷器7的上表面71和下表面72处均设置有绝缘层8，用于实现导电层或连接电极与液体制冷器之间彼此绝缘。

所述连接电极6可以为u型电极，一端与第一半导体激光器模块的正电极区3或负电极区4相接触，另一端与第二半导体激光器模块的负电极区4或正电极区3相接触，用于实现第一半导体激光器模块的正电极区3与第二半导体激光器模块的负电极区4之间的电连接，或第一半导体激光器模块的负电极区4与第二半导体激光器模块的正电极区3之间的电连接。

关于连接电极6，以图4、图5所示结构为例，连接电极6的一端与图4中第一半导体激光器模块的负电极区4相接触，另一端与图5中第二半导体激光器模块的正电极区3相接触，以此实现第一半导体激光器模块的负电极区4与第二半导体激光器模块的正电极区3之间的电连接。

图6a和图6b为基于实施例二结构的叠阵示意图。实施例二的叠阵结构与实施例一的区别点还在于：一个液体制冷器上键合两个芯片，也即双芯片集成结构，具有成倍增加的功率密度及更高的可靠性。

本发明所述的液体制冷器内部具有液体制冷回路，具体可以为微通道液体制冷器，也可以为宏通道液体制冷器，所述液体制冷器上设置有的贯穿上表面和下表面的通液孔，所述通液孔的数量为至少一个，通过在通液孔外端面设置密封圈可以实现各液体制冷器之间的“无缝隙”连接。所述液体制冷器内部流通的制冷介质可以包括但不限于：去离子水、水、液氮、液氨、氟利昂、液态金属等。

基于本发明提供的热沉绝缘型半导体激光器封装结构及叠阵，模块化的设计一方面能够有效地实现功率扩展，一个液体制冷器上键合两个激光芯片的封装方式大大提高了功率密度，另一方面，每个模块可以单独进行测试、老化、以及筛选，以实现优化产品最终性能的目的。

本发明实施例所涉及的“上”、“下”、“第一”、“第二”等均为相对概念，仅用于描述具体实施例，并不构成对本发明技术方案可实施范围的限制，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容的情况下，当亦视为本发明可实施的范畴。

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。