一种半导体激光器封装结构及其制备方法与流程

本申请属于激光器技术领域，特别是涉及一种半导体激光器封装结构及其制备方法。

背景技术：

半导体激光器又称激光二极管，是用半导体材料作为工作物质的激光器。由于物质结构上的差异，不同种类产生激光的具体过程比较特殊。常用工作物质有砷化镓(gaas)、硫化镉(cds)、磷化铟(inp)、硫化锌(zns)等。激励方式有电注入、电子束激励和光泵浦三种形式。半导体激光器件，可分为同质结、单异质结、双异质结等几种。同质结激光器和单异质结激光器在室温时多为脉冲器件，而双异质结激光器室温时可实现连续工作。

由于半导体激光器具有光电转换效率高、重量轻、体积小等优点。在军事，医疗等行业有很广泛的应用。随着半导体激光器技术的发展，人们对其输出功率的要求逐渐增大，导致半导体激光器芯片结温升高。随着结温的升高使半导体激光器的波长红移，阈值电流增大，光电转换效率下降，寿命降低、可靠性下降。因此半导体激光器封装技术变得十分重要。

随着半导体激光器封装技术的发展，人们对高热导率，低热膨胀系数次热沉的尺寸要求越来越高。由于铜化钨材料具有高热导率，低热膨胀系数，导电性优良，是一个很好的次热沉材料，随着铜化钨尺寸的增大可以达到更好的散热效果。但由于铜化钨价格昂贵，导致半导体激光器的封装成本越来越高。

技术实现要素：

1.要解决的技术问题

基于随着半导体激光器封装技术的发展，人们对高热导率，低热膨胀系数次热沉的尺寸要求越来越高。由于铜化钨材料具有高热导率，低热膨胀系数，导电性优良，是一个很好的次热沉材料，随着铜化钨尺寸的增大可以达到更好的散热效果。但由于铜化钨价格昂贵，导致半导体激光器的封装成本越来越高的问题，本申请提供了一种新半导体激光器封装结构及其制备方法。

2.技术方案

为了达到上述的目的，本申请提供了一种半导体激光器封装结构及其制备方法，包括基础热沉，所述基础热沉上设置有辅助热沉，所述辅助热沉包括第一石墨热沉和第二石墨热沉，所述第一石墨热沉与所述第二石墨热沉之间设置有过渡热沉。

可选地，所述基础热沉上设置有辅助热沉，所述辅助热沉与所述基础热沉焊接，所述辅助热沉包括第一石墨热沉和第二石墨热沉，所述第一石墨热沉与所述第二石墨热沉之间设置有过渡热沉，所述第一石墨热沉与所述过渡热沉焊接，所述过渡热沉与所述第二石墨热沉焊接。

可选地，所述过渡热沉上设置有半导体激光器，所述半导体激光器与所述过渡热沉焊接。

可选地，所述半导体激光器通过金丝组件与电极相连接。

可选地，所述基础热沉为铜热沉，所述过渡热沉为铜化钨热沉，所述半导体激光器为边发射式单管半导体激光器，所述边发射式单管半导体激光器采用c-mount封装结构。

本申请还提供一种半导体激光器封装结构的制备方法，所述方法包括如下步骤：

1)对基础热沉进行清洗后保持干燥；

2)对辅助热沉进行表面金属化处理；

3)将处理好的辅助热沉和过渡热沉进行焊接；

4)在基础热沉上形成第一焊料层，将相互的焊接过渡热沉和辅助热沉放置于第一焊料层上进行焊接。

可选地，所述方法还包括：

在过渡热沉上形成第二焊料层，将固定半导体激光器放置于所述第二焊料层上进行焊接；

焊接好的半导体激光器温度降低到室温后，使用金丝键合机，将半导体激光器上表面和电极上表面采用金丝组件连接。

可选地，所述辅助热沉与所述过渡热沉通过金锡焊料紧密连接。

可选地，所述第二焊料层通过热蒸发或电子束蒸发工艺制备。

3.有益效果

与现有技术相比，本申请提供的一种半导体激光器封装结构及其制备方法的有益效果在于：

本申请提供的一种半导体激光器封装结构，通过在第一石墨热沉与第二石墨热沉之间设置过渡热沉，使得在减少过渡热沉尺寸的同时，仍然能够达到更好的散热效果，在封装材料选择上不再局限于增加成本较高的封装材料尺寸(如氮化铝，铜化钨，金刚石等)。同时，使半导体激光器在输出功率更大，产生更多废热的情况下仍然能够保持其较高的可靠性，较高的光电转化效率以及较高的寿命。

附图说明

图1是本申请的一种半导体激光器封装结构结构示意图；

图2是本申请的一种半导体激光器封装结构局部放大图；

图中：1-基础热沉、2-第一石墨热沉、3-第二石墨热沉、4-过渡热沉、5-半导体激光器、6-金丝组件、7-电极。

具体实施方式

在下文中，将参考附图对本申请的具体实施例进行详细地描述，依照这些详细的描述，所属领域技术人员能够清楚地理解本申请，并能够实施本申请。在不违背本申请原理的情况下，各个不同的实施例中的特征可以进行组合以获得新的实施方式，或者替代某些实施例中的某些特征，获得其它优选的实施方式。

石墨是一种热导率各向异性的低热阻材料。在石墨晶体中，每个碳原子均以sp²杂化轨道与相邻的三个碳原子形成共价单键，构成六角平面的网状结构，这些网状结构再次连成片层结构。在固体材料中，热传导方式主要分为两种。一种是由于自由电子振动实现，如金属材料。另一种为由晶格原子的振动波即声子振动实现，如石墨。在石墨的网状结构中，声子振动的热振幅很大，致使石墨具有高的晶面导热系数。但对于垂直网状结构的方向，由于声子振动的热振幅很小，在该方向的热导率较低，是一种高热导率的各向导热异性的材料。由于石墨的横向散热属于网状结构中的声子振动传热，导致石墨片具有极高的横向热导率。相比于其他热沉材料，其石墨热导率较高，成本较低。

结温(junctiontemperature)是处于电子设备中实际半导体芯片(晶圆、裸片)的中pn结的工作温度。它通常高于外壳温度和器件表面温度。

红移在物理学和天文学领域，指物体的电磁辐射由于某种原因波长增加的现象，在可见光波段，表现为光谱的谱线朝红端移动了一段距离，即波长变长、频率降低。

参见图1～2，本申请提供一种半导体激光器封装结构，包括基础热沉1，所述基础热沉1上设置有辅助热沉，所述辅助热沉包括第一石墨热沉2和第二石墨热沉3，所述第一石墨热沉2与所述第二石墨热沉3之间设置有过渡热沉4。在过渡热沉4两侧设置第一石墨热沉2和第二石墨热沉3来达到增加封装结构散热性能。

可选地，所述基础热沉1上设置有辅助热沉，所述辅助热沉与所述基础热沉1焊接，所述辅助热沉包括第一石墨热沉2和第二石墨热沉3，所述第一石墨热沉2与所述第二石墨热沉3之间设置有过渡热沉4，所述第一石墨热沉2与所述过渡热沉4焊接，所述过渡热沉4与所述第二石墨热沉3焊接。

可选地，所述过渡热沉4上设置有半导体激光器5，所述半导体激光器5与所述过渡热沉4焊接。

可选地，所述半导体激光器5通过金丝组件6与电极7相连接。

可选地，所述基础热沉1为铜热沉，所述过渡热沉4为铜化钨热沉，所述半导体激光器5为边发射式单管半导体激光器，所述边发射式单管半导体激光器采用c-mount封装结构。

本申请还提供一种半导体激光器封装结构的制备方法，所述方法包括如下步骤：

1)对基础热沉1进行清洗后保持干燥；

2)对辅助热沉进行表面金属化处理；

3)将处理好的辅助热沉和过渡热沉4进行焊接；

4)在基础热沉1上形成第一焊料层，将相互的焊接过渡热沉4和辅助热沉放置于第一焊料层上进行焊接。辅助热沉与过渡热沉4在基础热沉1上表面的焊接过程中使用夹具将其连接在一起。过渡热沉4和辅助热沉的前端面均与基础热沉1前端面对齐，过渡热沉4和辅助热沉的后端面均与基础热沉1后端面对齐。

可选地，所述方法还包括：

在过渡热沉4上形成第二焊料层，将固定半导体激光器5放置于所述第二焊料层上进行焊接；半导体激光器5前端面与过渡热沉4前端面对齐。过渡热沉4宽度尺寸，在大于半导体激光器5宽度的基础上，随着尺寸的减小，散热性能随之增加。辅助热沉的宽度尺寸随着过渡热沉4的宽度的增加而减少，二者的宽度尺寸之和要小于基础热沉1的宽度。

焊接好的半导体激光器5温度降低到室温后，使用金丝键合机，将半导体激光器5上表面和电极7上表面采用金丝组件6连接。

可选地，所述辅助热沉与所述过渡热沉4通过金锡焊料紧密连接。

可选地，所述第二焊料层通过热蒸发或电子束蒸发工艺制备。

该激光器芯片尺寸为1.5mmx0.5mmx0.15mm。过渡热沉4的尺寸尽量小，其封装系统的散热性能更好。

该半导体激光器封装结构通过以下步骤完成：

(1)对基础热沉1进行清洁处理。具体实施为，首先用稀盐酸溶液浸泡5分钟进行表面氧化膜和油污的清洗；取出用清水冲洗；然后用丙酮擦涂其表面；随后把无氧铜底座放入盛水的容器中进行水浴加热清洗，温度在40℃～60℃之间，时间为30分钟；水浴加热清洗后用等离子水进行冲洗；最后用氮气吹干。

(2)将辅助热沉表面金属化。具体实施为，采用化学镀铜或者电镀铜的方法对第一石墨热沉2和第二石墨热沉3表面进行金属化，便于下面的辅助热沉焊接工作。

(3)将第一石墨热沉2和第二石墨热沉3与过渡热沉4共同焊接到基础热沉1上表面。具体实施为，首先将第一石墨热沉2和第二石墨热沉3与过渡热沉4两侧分别用金锡焊料焊接在一起，然后在第一石墨热沉2、第二石墨热沉3和铜化钨热沉的下表面与基础热沉1的上表面通过铟焊料焊接。在焊料熔点156℃以上时，将第一石墨热沉2和第二石墨热沉3与铜化钨热沉共同焊接在基础热沉1上。同时使第一石墨热沉2和第二石墨热沉3及铜化钨热沉的前端面与基础热沉1的前端面相齐平，第一石墨热沉2和第二石墨热沉3及铜化钨热沉的后端面与基础热沉1的前端面相齐平。冷却焊料，完成了第一石墨热沉2和第二石墨热沉3与铜化钨热沉的下表面与基础热沉1的上表面的固定。

(4)半导体激光器5焊接到铜化钨热沉上表面。具体实施为，半导体激光器5放于工作平台上，利用贴片机将半导体激光器5吸住，p面朝下。将半导体激光器5与铜化钨热沉前端面完全重合，确定位置后吸嘴自动下降，将半导体激光器5压至氮化铝上，手动开启加热器，等待焊接完成。

(5)金丝键合。具体实施为，焊接好的半导体激光器5温度降低到室温后，使用金丝键合机，将半导体激光器5上表面和电极7上表面采用直径为25μm的金丝组件6连接。

本申请提供的一种半导体激光器封装结构，通过在第一石墨热沉与第二石墨热沉之间设置过渡热沉，使得在减少过渡热沉尺寸的同时，仍然能够达到更好的散热效果，在封装材料选择上不再局限于增加成本较高的封装材料尺寸(如氮化铝，铜化钨，金刚石等)。同时，使半导体激光器在输出功率更大，产生更多废热的情况下仍然能够保持其较高的可靠性，较高的光电转化效率以及较高的寿命。

尽管在上文中参考特定的实施例对本申请进行了描述，但是所属领域技术人员应当理解，在本申请公开的原理和范围内，可以针对本申请公开的配置和细节做出许多修改。本申请的保护范围由所附的权利要求来确定，并且权利要求意在涵盖权利要求中技术特征的等同物文字意义或范围所包含的全部修改。