激光模块、半导体激光器阵列封装组件及半导体激光器的制作方法

1.本技术涉及半导体激光技术领域，尤其涉及一种激光模块、半导体激光器阵列封装组件及半导体激光器。


背景技术：

2.随着大功率半导体激光器在增材制造、金属焊接、切割等众多领域的广泛应用，市场对大功率半导体激光器的需求也在逐年上升。
3.然而，目前市场上的大功率半导体激光器普遍存在着成本高、可靠性低、工艺复杂等问题。


技术实现要素：

4.本技术提供的一种激光模块、半导体激光器阵列封装组件及半导体激光器，以能够解决现有技术中的大功率半导体激光器普遍存在着成本高、可靠性低、工艺复杂的问题。
5.为解决上述技术问题，本技术采用的一个技术方案是：提供一种激光模块，其中，该激光模块包括：基板；正极导体层和负极导体层，间隔设置于基板上；激光芯片，设置于正极导体层上；金线，金线的一端连接于激光芯片，其另一端连接于负极导体层。
6.其中，激光芯片远离负极导体层的一侧边缘与基板的一侧边缘齐平。
7.其中正极导体层在第一方向上的长度大于激光芯片在第一方向上的长度，正极导体层在第二方向上的长度大于或等于激光芯片在第二方向上长度的两倍；其中，第一方向垂直激光芯片远离负极导体层的一侧边缘，第二方向垂直所述第一方向。
8.为解决上述技术问题，本技术采用的又一个技术方案是：提供一种半导体激光器阵列封装组件，其中，该半导体激光器阵列封装组件包括：多个激光模块；热沉，形成有多个阶梯型台阶，每个台阶上设置有至少一个激光模块；其中，激光模块为如上任一项的激光模块。
9.其中，半导体激光器阵列封装组件还包括正极导入连接件、负极导入连接件以及第一连接金线，正极导入连接件的一端用于连接外部电源的正极，其另一端连接多个激光模块中靠近正极导入连接件的第一激光模块的正极导体层，负极导入连接件的一端用于连接电源的负极，其另一端连接多个激光模块中靠近负极导入连接件的第二激光模块的负极导体层，并通过第一连接金线依次连接每相邻两个激光模块中一个的正极导体层和另一个的负极导体层，以实现正极导入连接件、负极导入连接件以及每一激光模块之间的串联连接。
10.其中，半导体激光器阵列封装组件还包括第二连接金线和第三连接金线，第二连接金线的一端连接正极导入连接件，其另一端连接第一激光模块的正极导体层，第三连接金线的一端连接负极导入连接件，其另一端连接第二激光模块的负极导体层。
11.其中，正极导入连接件包括第一正极导入连接件和第二正极导入连接件，第一正极导入连接件和第二正极导入连接件分别连接于第一激光模块位于的台阶的相对两端，并
均沿第三方向延伸布置；其中，第三方向为第一激光模块的延伸方向；负极导入连接件包括第一负极导入连接件和第二负极导入连接件，第一负极导入连接件和第二负极导入连接件分别连接于第二激光模块位于的台阶的相对两端，并均沿第三方向延伸布置。
12.其中，正极导入连接件包括第一连接部和第一延伸部，第一连接部的相对两端分别连接第一激光模块的正极导体层的相对两端，第一延伸部的一端连接第一连接部的其中一端，其另一端绕至热沉背离多个激光模块的一侧，并沿第四方向延伸布置；其中，第四方向垂直第一激光模块的延伸方向；负极导入连接件包括第二连接部和第二延伸部，第二连接部的相对两端分别连接第二激光模块的负极导体层的相对两端，第二延伸部的一端连接第二连接部的其中一端，其另一端沿第四方向延伸布置，以使第二延伸部的另一端与第一延伸部的另一端位于同一直线上。
13.其中，半导体激光器阵列封装组件还包括封装盖，封装盖设置在热沉背离多个激光模块的一侧，且封装盖上还设有进液孔和出液孔，并与热沉相互配合形成散热通道，散热通道至少与多个台阶位置对应，用于对多个激光模块进行散热。
14.为解决上述技术问题，本技术采用的又一个技术方案是：提供一种半导体激光器，其中，该半导体激光器包括：半导体激光器阵列封装组件和光学组件阵列，光学组件阵列用于对多个激光模块发射的激光光束进行整形；其中，半导体激光器阵列封装组件为如上的半导体激光器阵列封装组件。
15.本技术的有益效果是：区别于现有技术，本技术提供的激光模块中的正极导体层和负极导体层间隔设置在其基板上，而激光芯片进一步设置于正极导体层上，且金线的一端连接激光芯片，其另一端连接负极导体层，以使得相应得到的激光模块结构简单易装配，易于批量生产测试，也方便于后续对多个激光模块进行高功率阵列封装排列，从而能够批量化生产高功率密度、高可靠性的半导体激光器。
附图说明
16.图1是本技术激光模块一实施方式的结构示意图；
17.图2是本技术半导体激光器阵列封装组件第一实施方式的结构示意图；
18.图3是本技术半导体激光器阵列封装组件第二实施方式的结构示意图；
19.图4是图3中半导体激光器阵列封装组件的背视图；
20.图5是本技术半导体激光器一实施方式的结构示意图。
具体实施方式
21.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
22.本技术中的术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。本技术的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。本技术实施例中所有方向性指示(诸
如上、下、左、右、前、后
……
)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
23.在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本技术的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
24.下面结合附图和实施例对本技术进行详细的说明。
25.请参阅图1，图1是本技术激光模块一实施方式的结构示意图。在本实施方式中，该激光模块10具体包括：基板11、正极导体层12、负极导体层13、激光芯片14以及金线15。
26.其中，本技术中提供的一种激光模块10具体是应用在半导体激光器中，以通过采用任一合理的阵列封装排列方式将多个激光模块10构成半导体激光器阵列封装组件，并与相应的光学组件阵列相配合，以进行激光光束的发射。
27.具体地，正极导体层12和负极导体层13相互间隔的设置在基板11上，以由基板11提供一定程度的强度支撑。
28.激光芯片14进一步设置在正极导体层12上，而金线15的一端连接于激光芯片14，其另一端连接于负极导体层13。
29.可理解的是，正极导体层12和负极导体层13分别能够外接一供电电源的正负极，或其他激光模块10中的负极导体层13和正极导体层12，以进而通过正极导体层12和负极导体层13对激光芯片14进行供电，从而能够由激光芯片14激发出相应的激光光束。
30.上述方案，通过将正极导体层12和负极导体层13间隔设置在基板11上，激光芯片14进一步设置于正极导体层12上，而金线15的相对两端分别连接激光芯片14和负极导体层13，以制得激光模块10，从而使得该激光模块10结构简单易装配，易于批量生产测试，也方便于后续对多个激光模块10进行高功率阵列封装排列，从而能够批量化生产高功率密度、高可靠性的半导体激光器。
31.在一实施例中，基板11的厚度大于正极导体层12的厚度，并呈比例设计，且具体需参考设置于正极导体层12上的激光芯片14的热膨胀系数，以使其热膨胀系数越接近越好，本技术对此不做限定。
32.在一实施例中，金线15的数量为多个，且多个金线15的相对两端具体是分别呈阵列排布，以键合于负极导体层13和激光芯片14上。
33.可理解的是，激光模块10对应实现的工作功率越高，则其对应包括的金线15的数量便越多，以能够有效降低采用金线15供电的安全风险，也即激光模块10中的金线15的数量及多个金线15的排布行列数具体由激光模块10的工作功率确定，且金线15的数量应匹配激光模块10采用最大功率工作时，所通过的电流，本技术对此不做限定。
34.进一步地，在一实施例中，基板11对应正极导体层12的部分区域的厚度大于其对应负极导体层13的部分区域的厚度，也即基板11分别对应正极导体层12和负极导体层13的
部分区域形成具有高度差的阶梯型台阶，以使设置在基板11上的正极导体层12和负极导体层13对应形成高度差，进而能够降低实现负极导体层13和激光芯片14之间连接的金线15的线弧高度，以方便于统一进行金线15键合，尤其是在金线15的数量较多，相应排布的行列数较多时，通过使增大负极导体层13和激光芯片14之间的高度差，能够有效避免位于不同行列的金线15之间在键合时相互影响。此外，通过降低金线15的线弧高度还能够有效降低金线15的需求总长度，以节省实现成本。
35.在一实施例中，正极导体层12的厚度大于负极导体层13的厚度，以形成高度差，进而能够降低实现负极导体层13和激光芯片14之间连接的金线15的线弧高度，以方便于统一进行金线15键合。
36.可选地，该基板11具体还可以由两块分体式，厚度不同，且分别形成有导体层的基板11拼接而成。
37.可选地，激光芯片14远离负极导体层13的一侧边缘与基板11的一侧边缘齐平，或根据需要远离负极导体层13突出基板11的一侧边缘。
38.在一实施例中，正极导体层12在第一方向上的长度大于激光芯片14在第一方向上的长度，以使其既可以保证激光芯片14在键合时挤压出的焊料有足够的空间延伸，防止焊料堆积造成激光芯片14短路，又能够增加正极导体层12的导电面积，以减少电阻。
39.其中，第一方向具体是垂直于激光芯片14远离负极导体层13的一侧边缘。
40.进一步地，正极导体层12在第二方向上的长度大于或等于激光芯片14在第二方向上长度的两倍，以在将激光芯片14贴设在正极导体层12的设定位置，比如，中部位置时，正极导体层12上的对应于激光芯片14两端的空余区域即可以作为激光模块10独立测试的电路引出端口，又能作为与其他激光模块10实现连接的电路连接接口，而该空余区域的打线面积应满足产品的工作需求。
41.可理解的是，激光模块10工作在小电流的模式下可以适当减少正极导体层12在第二方向上的长度；而当激光模块10工作在高功率大电流模式下，则应保证正极导体层12在第二方向上的长度大于或等于激光芯片14在第二方向上长度的两倍，以增加打线面积，防止激光模块10长时间大电流工作时出现金线熔断。
42.其中，第二方向垂直于第一方向，而对应为正极导体层12的延伸方向。
43.在一实施例中，激光模块10还包括焊料片16或预镀焊料，而焊料片16或预镀焊料具体设置于正极导体层12和激光芯片14之间，以能够通过焊料片16对激光芯片14进行回流键合，以将激光芯片14焊接在正极导体层12上。
44.在一实施例中，正极导体层12上靠近激光芯片14相对两侧边的位置处分别形成有一凹槽，凹槽的远离负极导体层13的一侧边缘与正极导体层12远离负极导体层13的一侧边缘平齐，且凹槽的深度等于正极导体层12的厚度，以暴露出部分基板11。
45.可选地，该基板11具体可以为陶瓷基板11，或其他任一合理的散热性能较好的绝缘材料板，本技术对此不做限定。
46.可选地，该正极导体层12和负极导体层13具体可以是间隔形成于基板11上的覆铜层，或其他导电材料层，本技术对此不做限定。
47.可选地，激光芯片14具体包括相对设置的正极面和负极面，且具体是将其正极面贴设在正极导体层12上，并通过金线15连接其负极面以及负极导体层13。
48.可选地，金丝具体是通过超声热压键合到激光芯片14上，以作为电流引出的连接导线。
49.可选地，金丝具体是直径50微米以内，且纯度为99.999％的金线15，并采用球焊的方式连接至激光芯片14和负极导体层13，以使其连接部位牢固稳定。
50.可选地，基板11、正极导体层12以及负极导体层13具体呈长条状，也即矩形状，而具体是采用巴条模块化封装架构制成相应的激光模块10。
51.可选地，正极导体层12和负极导体层13之间的最小间距大于0.5毫米，以防止二者间距过小，造成短路风险。
52.本技术还提供了一种半导体激光器阵列封装组件，请参阅图2，图2是本技术半导体激光器阵列封装组件第一实施方式的结构示意图。在本实施方式中，该半导体激光器阵列封装组件20包括：多个激光模块21和热沉22。
53.具体地，该热沉22上形成有多个阶梯型台阶221，且每个台阶221上分别设置有至少一个激光模块21，以通过采用阶梯阵列封装排列方式，配合特殊的电连接设计方案，便能够实现较低成本，且可靠性较高的散热方案，进而能够有效降低集成有半导体激光器阵列封装组件20的半导体激光器的制造工艺难度和制造成本，并提高其可靠性。
54.其中，激光模块21为如上任一项的激光模块10，具体请参阅附图1及相关文字内容，在此不再赘述。
55.在一实施例中，激光模块21中的基板背离激光芯片的一侧面上还设置有导体层，以能够通过该导体层与热沉上的台阶进行键合。
56.可选地，该导体层和热沉具体可以是采用同样的材料制成。
57.进一步地，在一实施例中，半导体激光器阵列封装组件20还包括散热件(图未标出)，该散热件具体设置在热沉22上并且形成有散热通道，散热通道至少与多个台阶221位置对应，用于对多个激光模块21进行散热。
58.其中，该热沉22具体包含无散热通道的传导性台阶221热沉22以及宏通道的或微通道的台阶221热沉22。
59.需说明的是，现有的高功率半导体激光器通常采用的是散热效率较高的微通道热沉，以将单个高功率半导体激光芯片经共晶焊接贴装组成单元模块，然后将多个单元模块在竖直方向上重叠对齐排列组成半导体激光器垂直叠阵，或在水平方向上并排对齐组成半导体激光器水平叠阵的形式进行输出。
60.而半导体激光器垂直叠阵一般采用的是微通道水冷的热沉进行散热，这种大功率微通道水冷半导体激光器对水质要求较高，长期工作时容易堵塞通道，微通道热沉工艺精细复杂且制造成本过高、叠阵单元数量过多时流量分配不均、叠阵容易变形、装配工艺复杂等问题。
61.可理解的是，在本实施例中，在采用阶梯阵列封装排列方式，配合特殊的电连接设计方案制造得到半导体激光器阵列封装组件20，则多个激光模块21便能够依次阵列排布在热沉22的每一阶梯型台阶221上，而热沉22便可采用主动散热的微通道或宏通道组成，以有效降低其实现成本，并提升其散热方案的可靠性，进而能够有效降低集成有半导体激光器阵列封装组件20的半导体激光器的制造工艺难度和制造成本，并提高其可靠性。
62.可选地，多个激光模块21具体是依次居中设置在热沉22的每一台阶221上，而热沉
22的台阶221和激光模块21键合后的总高度需要保证其不遮挡或干涉相邻激光模块21的光路。
63.进一步地，在一实施例中，半导体激光器阵列封装组件20还包括正极导入连接件23、负极导入连接件24以及第一连接金线25，正极导入连接件23的一端用于连接外部供电电源的正极，而其另一端连接至多个激光模块21中靠近正极导入连接件23的一个激光模块21的正极导体层，为方便理解，此处将靠近正极导入连接件23的激光模块21定义为第一激光模块(图未标出)；负极导入连接件24的一端用于与该电源的负极相连接，且其另一端具体连接至多个激光模块21中靠近负极导入连接件24的一个激光模块21的负极导体层，此处将靠近负极导入连接件24的激光模块21定义为第二激光模块(图未标出)；其中，每个台阶221上的激光模块21的正极导体层具体是通过第一连接金线25连接至与之相邻的激光模块21的负极导体层或正极导入连接件23，且其负极导体层通过第一连接金线25连接至与之相邻的激光模块21的正极导体层或负极导入连接件24，也即多个激光模块21具体是通过第一连接金线25依次连接每相邻两个激光模块21中一个的正极导体层和另一个的负极导体层，以实现正极导入连接件23、负极导入连接件24以及每一激光模块21之间的串联连接，进而又能够通过外部电源进行供电。
64.可选地，该第一连接金线25具体还可以是铝线或铜线等任一合理材质的导电线，本技术对此不做限定。
65.进一步地，在一实施例中，半导体激光器阵列封装组件20还包括第二连接金线26和第三连接金线27，且第二连接金线26的一端具体是连接正极导入连接件23，其另一端连接多个激光模块21中靠近正极导入连接件23的一个激光模块21的正极导体层，也即第一激光模块的正极导体层，而第三连接金线27的一端连接负极导入连接件24，其另一端连接多个激光模块21中靠近负极导入连接件24的一个激光模块21的负极导体层，也即第二激光模块的负极导体层，以能够分别通过第二连接金线26和第三连接金线27实现正极导入连接件23和负极导入连接件24与每一激光模块21之间的串联连接。
66.可选地，第一连接金线25、第二连接金线26以及第三连接金线27分别连接在相应激光模块21的正极导体层或负极导体层的端部，以避免影响到该激光模块21中实现激光芯片(图未标出)与负极导体层之间连接的金线(图未标出)的键合位置。
67.可选地，第一连接金线25、第二连接金线26以及第三连接金线27均包括多根金线，且均呈矩阵排列，以键合至相应激光模块21的正极导体层或负极导体层，以及正极导入连接件23或负极导入连接件24上。
68.可选地，正极导入连接件23具体连接在热沉22的多个阶梯型台阶221中的底部台阶221的相对两端，而负极导入连接件24具体连接在热沉22的多个阶梯型台阶221中的顶部台阶221的相对两端。
69.可理解的是，半导体激光器阵列封装组件20的供电电流具体能够由电源的正极导入至正极导入连接件23，并经过第一连接金线25到达紧邻正极导入连接件23的一激光模块21中的正极导体层上未设置激光芯片(图未标出)的区域，并由该正极导体层导入到该激光芯片，在经过激光模块21中的金线211到达其负极导体层后，由连接至该负极导体层两端的第三连接金线27导入至相邻台阶221上的激光模块21中的正极导体层，依次类推，直到经过紧邻负极导入连接件24的激光模块21中的负极导体层，以由第二连接金线26导入负极导入
连接件24，进而回至电源的负极，完成整个半导体激光器阵列封装组件20的驱动电路。
70.在一实施例中，该正极导入连接件23具体还可以包括第一正极导入连接件231和第二正极导入连接件232，且第一正极导入连接件231和第二正极导入连接件232分别连接于第一激光模块所在台阶221的相对两端，并均沿第三方向延伸布置，其中，该第三方向具体为第一激光模块的延伸方向，也即垂直金线211实现连接的方向。
71.进一步地，负极导入连接件24具体还可以包括第一负极导入连接件241和第二负极导入连接件242，且第一负极导入连接件241和第二负极导入连接件242分别连接于第二激光模块位于的台阶221的相对两端，并均沿第三方向延伸布置。
72.请结合参阅图3和图4，其中，图3是本技术半导体激光器阵列封装组件第二实施方式的结构示意图，图4是图3中半导体激光器阵列封装组件的背视图。本实施方式中的半导体激光器阵列封装组件与图2中本技术提供的半导体激光器阵列封装组件第一实施方式的区别在于，半导体激光器阵列封装组件30中的正极导入连接件33进一步包括第一连接部331和第一延伸部332，且负极导入连接件24进一步包括第二连接部341和第二延伸部342。
73.其中，第一连接部331的相对两端分别连接第一激光模块(图未标出)的正极导体层的相对两端，且其中间部位与第一激光模块相间隔，第一延伸部332的一端连接第一连接部331的其中一端，而其另一端绕至热沉32背离多个激光模块31的一侧，并沿第四方向延伸布置，其中，该第四方向垂直第一激光模块的延伸方向，也即与第三方向向垂直。
74.可选地，第一延伸部332的另一端与热沉32背离多个激光模块31的一侧面相间隔，或相接触，本技术对此不做限定。
75.进一步地，第二连接部341的相对两端分别连接第二激光模块(图未标出)的负极导体层的相对两端，且第二延伸部342的一端连接第二连接部341的其中一端，其另一端沿第四方向延伸布置，以使第二延伸部342的另一端与第一延伸部332的另一端相平齐，也即位于同一直线上，以方便于通过第一延伸部332的另一端和第二延伸部342的另一端与外部电源的正、负极实现连接，并尽可能的减小半导体激光器阵列封装组件30在第一方向的占用空间，以方便后续的产品组装及使用。
76.可选地，第一连接部331和第二连接部341呈n字型。
77.在一实施例中，半导体激光器阵列封装组件30还包括封装盖321，该封装盖321具体设置在热沉32背离多个激光模块31的一侧，且在封装盖321上还设有进液孔3211和出液孔3212，并与热沉32相互配合形成内部中空的散热通道(图未标出)，该散热通道至少与多个台阶221位置对应，以能够对多个激光模块31进行散热。
78.可理解的是，冷水、冷却液或其他任一合理的具有散热效果的液体具体能够由封装盖321上的进液孔3211中进入，以经由散热通道对多个激光模块31散热后，再由出液孔3212排出。
79.可选地，该进液孔3211具体位于封装盖321中垂直每一激光模块31的一侧面上，而出液孔3212位于封装盖321中平行每一激光模块31的一侧面上。
80.在另一实施例中，半导体激光器阵列封装组件20具体还可以包括两个相同的热沉32，且两个热沉32背离激光模块31的一侧相互连接固定，以利用两个热沉32之间的空隙形成散热通道，并采用密封垫作为隔液层进行导流，而使两个热沉32之间的散热通道相互串联。
81.可理解的是，激光模块31、热沉32、台阶321、第一连接金线35、第二连接金线36、第三连接金线37以及金线311分别同于激光模块21、热沉22、台阶221、第一连接金线25、第二连接金线26、第三连接金线27以及金线211，具体请参阅图2和图3及相关文字内容，在此不再赘述。
82.本技术还提供了一种半导体激光器，请参阅图5，图5是本技术半导体激光器一实施方式的结构示意图。在本实施方式中，该半导体激光器40包括：半导体激光器阵列封装组件41和光学组件阵列42；
83.其中，光学组件阵列42用于对半导体激光器阵列封装组件41中的多个激光模块(图未示出)发射的激光光束进行整形，而半导体激光器阵列封装组件41具体为如上任一项所述的半导体激光器阵列封装组件20，或半导体激光器阵列封装组件30，具体请参阅附图2-图4及相关文字内容，在此不再赘述。
84.本技术的有益效果是：区别于现有技术，本技术提供的激光模块中的正极导体层和负极导体层间隔设置于其基板上，而激光芯片进一步设置于正极导体层上，且金线的一端连接激光芯片，其另一端连接负极导体层，也即通过采用巴条模块化封装架构制得激光模块，以能够对应采用更灵活的阵列封装排列方式，比如，采用阶梯阵列封装排列方式将多个激光模块构造为半导体激光器阵列封装组件，以能够采用新的低成本，高可靠性的散热方案，进而能够有效降低相应得到的半导体激光器的工艺难度和制造成本，并提高其可靠性。
85.以上仅为本技术的实施方式，并非因此限制本技术的专利范围，凡是利用本技术说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本技术的专利保护范围内。