阅读说明：本技术 半导体激光器阵列的封装结构 (The encapsulating structure of semiconductor laser array ) 是由 闫立华 李德震 徐会武 于 2019-09-27 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种半导体激光器阵列的封装结构,涉及半导体激光器芯片封装技术领域,包括芯片、第一硬焊料、第二硬焊料以及次热沉；第二硬焊料的外侧面至芯片的距离大于第一硬焊料外侧面至芯片的距离；次热沉底面上设有用于连通第一硬焊料和第二硬焊料的第一金属化区域,次热沉的底面与芯片的高反面之间设有第二间隙。本发明提供的半导体激光器阵列的封装结构,第一硬焊料和第二硬焊料非对称的设置于芯片的两侧,能够利用较大长度的第二硬焊料实现对芯片P面的有效散热,第一间隙的设置增加了相邻的芯片单元之间物理隔离,避免了多芯片贴装时因芯片数量增加导致的应力累加,具有散热效果良好、无应力累加、芯片数量扩展性好等优点。(The present invention provides a kind of encapsulating structure of semiconductor laser array, it is related to semiconductor laser chip encapsulation technology field, including chip, the first hard solder, the second hard solder and secondary heat sink；The lateral surface of second hard solder is greater than the distance of the first hard solder lateral surface to chip to the distance of chip；Secondary heat sink bottom surface is equipped with the first metallized area for being connected to the first hard solder and the second hard solder, is equipped with the second gap between the high reverse side of secondary heat sink bottom surface and chip.The encapsulating structure of semiconductor laser array provided by the invention, first hard solder and the asymmetrical two sides for being set to chip of the second hard solder, effective heat dissipation to the face chip P can be realized using the second hard solder of greater depth, the setting in the first gap increases to be physically isolated between adjacent chip unit, because stress caused by number of chips increase is cumulative when avoiding multi-chip attachment, have many advantages, such as heat dissipation effect it is good, it is unstressed add up, number of chips favorable expandability.)

半导体激光器阵列的封装结构

技术领域

本发明属于半导体激光器芯片封装技术领域，更具体地说，是涉及一种半导体激光器阵列的封装结构。

背景技术

近年来，随着对半导体激光器芯片的寿命、可靠性、功率、效率要求的提高，对半导体激光器阵列封装设计的要求也进一步提高。传统的激光器阵列封装一般采用对称式，即同一芯片两侧热沉的横向尺寸相同；在工艺实现上，采用硬焊料和软焊料相结合的方式进行焊接使用，但是软焊料存在的电热迁移效应严重影响阵列的寿命。

另外一种工艺方法是全部界面均采用硬焊料进行封装的形式，但方式随着阵列中芯片的堆栈数量的增加，硬焊料应力累加将会造成芯片内在应力的积累，这种积累严重后会导致芯片烧焊后崩裂、存放后腔面局部出现裂纹等问题，并且封装引入的应力对器件寿命、阈值电流、光子极化状态、光谱宽度等都有影响，难以保证激光器阵列的稳定性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种半导体激光器阵列的封装结构，以解决现有技术中存在阵列封装中硬焊料应力累加造成的阵列寿命短以及稳定性差的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种半导体激光器阵列的封装结构，包括芯片、第一硬焊料、第二硬焊料以及次热沉；芯片的板面沿上下方向设置且平行排布有若干个；第一硬焊料设置于芯片的N面；第二硬焊料设置于芯片的P面且外侧面至芯片的P面的距离大于第一硬焊料外侧面至芯片的N面的距离，相邻两个芯片之间的第一硬焊料和第二硬焊料之间设有第一间隙；次热沉位于芯片的上方，且次热沉底面上设有用于连通第一硬焊料和第二硬焊料的第一金属化区域，次热沉的底面与芯片的高反面之间设有第二间隙。

作为本申请另一实施例，相邻两个第一金属化区域之间形成位于芯片上方的非金属化区域。

作为本申请另一实施例，次热沉的底面上设有开口向下且与芯片上下对应的隔离槽。

作为本申请另一实施例，隔离槽的水平投影的面积大于芯片的水平投影的面积。

作为本申请另一实施例，芯片的出光面、第一硬焊料的底面以及第二硬焊料的底面齐平。

作为本申请另一实施例，次热沉为氮化铝陶瓷次热沉或氧化硼热沉。

作为本申请另一实施例，次热沉的上方还设有铜基座。

作为本申请另一实施例，次热沉的顶面上设有与铜基座相连的第二金属化区域。

作为本申请另一实施例，次热沉与铜基座之间还设有和散热体，散热体为半导体制冷片、金属散热体或通水散热体中的一种。

作为本申请另一实施例，第一硬焊料与第二硬焊料为钨铜热沉、钼铜热沉、石墨热沉或导热率高且表面全部金属化的金刚石热沉中的一种。

本发明提供的半导体激光器阵列的封装结构的有益效果在于：与现有技术相比，本发明提供的半导体激光器阵列的封装结构，第一硬焊料和第二硬焊料非对称的设置于芯片的两侧，能够利用较大长度的第二硬焊料实现对芯片P面的有效散热，第一间隙的设置增加了相邻的芯片单元之间物理隔离，避免了多芯片贴装时因芯片数量增加导致的应力累加，具有散热效果良好、无应力累加、芯片数量扩展性好等优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的半导体激光器阵列的封装结构实施例一的仰视结构示意图；

图2为图1的主视剖视结构示意图；

图3为本发明实施例提供的半导体激光器阵列的封装结构实施例二的主视剖视结构示意图；

图4为图1中次热沉的仰视结构示意图。

其中，图中各附图标记：

100、芯片；200、第一硬焊料；210、第一间隙；300、第二硬焊料；400、次热沉；410、第二间隙；420、第一金属化区域；430、非金属化区域；440、隔离槽；500、铜基座；510、散热体；L1、一个芯片单元的宽度值；L2、芯片的宽度值；L3、第二硬焊料的外侧面至与其接触的芯片的侧面之间的距离；L4、第一硬焊料的外侧面至与其接触的芯片的侧面之间的距离；L5、第一间隙的宽度值。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请一并参阅图1至图4，现对本发明提供的半导体激光器阵列的封装结构进行说明。半导体激光器阵列的封装结构，包括芯片100、第一硬焊料200、第二硬焊料300以及次热沉400，芯片100的板面沿上下方向设置且平行排布有若干个；第一硬焊料200设置于芯片100的N面；第二硬焊料300设置于芯片100的P面且外侧面至芯片100的P面的距离大于第一硬焊料200外侧面至芯片100的N面的距离，相邻两个芯片100之间的第一硬焊料200和第二硬焊料300之间设有第一间隙210；次热沉400位于芯片100的上方，且次热沉400底面上设有用于连通第一硬焊料200和第二硬焊料300的第一金属化区域420，次热沉400的底面与芯片100的高反面之间设有第二间隙410。需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”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”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。本实施例中，芯片100的P面指的是芯片100的正极，P的英文全称为positive，芯片100的N面指的是芯片100的负极，N的英文全称为negative。通过设置于芯片100的P面的第二硬焊料300实现对芯片100的有效散热，L4为芯片100的有效的散热尺寸，也就是第二硬焊料300的横向宽度值，该值大于位于芯片100的N面的第一硬焊料200的横向宽度值，也就是第二硬焊料300的外侧面至与第二硬焊料300接触的芯片100的侧面之间的距离L3。通过实验测定L4从1mm增加到1.5mm，芯片100相对温度由43.5℃降低到39.5℃，温度降低4℃，可见增加L4的数值可以有效降低芯片100的相对温度，保证芯片100良好的散热性。

本发明提供的一种半导体激光器阵列的封装结构，与现有技术相比，本发明提供的半导体激光器阵列的封装结构，第一硬焊料200和第二硬焊料300非对称的设置于芯片100的两侧，能够利用较大长度的第二硬焊料300实现对芯片100的P面的有效散热，第一间隙210的设置增加了相邻的芯片单元之间物理隔离，避免了多芯片100贴装时因芯片100数量增加导致的应力累加，具有散热效果良好、无应力累加、芯片100数量扩展性好等优点，同时该封装结构还能是激光器阵列具有良好的功率指标兼容性，提高其使用性能。

本实施例中，芯片单元指的是芯片100以及分别位于该芯片100两侧的第一硬焊料200和第二硬焊料300，第一间隙210设置于相邻两个芯片单元之间，实现两个芯片单元之间的物理隔离。

半导体激光器是用半导体材料作为工作物质的激光器，本实施例中，半导体激光器是最实用、最重要的一类激光器，它体积小、寿命长，并可采用简单的注入电流的方式来泵浦，其工作电压和电流与集成电路兼容。半导体激光器阵列则是采用砷化镓(GaAs)作为工作物质也就是芯片100，并将芯片100布设为阵列形式。尤其是高功率的半导体激光器，由于其具有高点光转化效率，半导体激光器阵列在激光通信、光存储、光陀螺、激光打印、测距以及雷达等方面得到了广泛的应用。要保证激光器有较高的效率，需要使其具有较好的光谱和较高的输出功率，本实施例中，则是通过优化半导体激光器的封装结构，从而减小其热阻，降低串联电阻，以便提高其光谱质量。

本实施例中，第一硬焊料200和第二硬焊料300分别为矩形块的形式，一个芯片100与该芯片100两侧的第一硬焊料200与第二硬焊料300形成一个芯片单元，相邻两个芯片单元之间设有第一间隙210。第一间隙210的间隙值L5指的是芯片100侧部的第一硬焊料200的外侧面与该芯片100相邻的另一个芯片100的第二硬焊料300的外侧面之间的距离，第一间隙210的设置，能够有效的保证相邻的芯片单元之间的相对独立性，避免多个芯片100在进行封装时所造成的应力累加的问题，同时还有助于保证良好的散热性，使芯片100的数量扩展性更好。

进一步的，第一间隙210的宽度值大于等于0.1mm。相邻两个芯片单元之间的第一间隙210设置为大于0.1mm的形式，在尽量减少半导体激光器阵列的材料占用量的同时，还要保证相邻芯片100之间良好的散热效果，保证相邻两个芯片单元之间具有足够的散热间距，提高散热效果，避免应力累加的问题。

本实施例中，芯片100的高反面也就是与次热沉400相邻的顶面，芯片100的出光面也就是芯片100远离次热沉400一侧的底面，芯片100的高反面与次热沉400之间设置的第二间隙410，用于保证芯片100顶部与次热沉400之间的有效隔离，避免二者之间相互接触造成的芯片100只发热不出光的问题。第一硬焊料200和第二硬焊料300的底面如果向下凸出于芯片100的出光面则会造成对芯片100出光光线的阻挡，该凸出值应设置为10微米以内，才能避免对芯片100出光光线的阻挡。本实施例中，芯片100的出光面采用与第一硬焊料200和第二硬焊料300的底面齐平的形式，能够有效避免芯片100的出光受到两侧的第一硬焊料200和第二硬焊料300的阻挡，保证芯片100的出光效果，同时该设置形式更利于保证芯片100与第一硬焊料200和第二硬焊料300相对位置的安装准确性，降低安装难度。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，请参阅图1至图4，相邻两个第一金属化区域420之间形成位于芯片100上方的非金属化区域430。本实施例中，芯片100采用相互串联的连接形式，用于实现半导体激光器阵列的功率累加，提高功率指标的兼容性。第一间隙210的设置，有效的避免了多个芯片100累加造成的应力集中以及散热性差的问题，提高了芯片100数量的扩展性。次热沉400为绝缘材质构件，加之与芯片100的高反面之间的第二间隙410，能够实现次热沉400与芯片100之间的有效隔离。次热沉400底面上的第一金属化区域420能够实现同一芯片100两侧的第一硬焊料200以及第二硬焊料300之间良好的导通，进而实现对芯片100的P面和N面电路连接，保证电路的导通。第一硬焊料200以及第二硬焊料300不仅作为芯片100的散热介质用，还能实现电路的导通作用。第一金属化区域420还能实现一个芯片100的N面的第一硬焊料200以及与该芯片100相邻的另一个芯片100的第二硬焊料300之间的导通，进而实现半导体激光器阵列中多个芯片100的有效串联，实现功率的提高，以达到高功率半导体激光器阵列在实际生产中的需要。非金属化区域430的设置，目的是为了避免芯片100的高反面与上述部件的导通，避免只发热不发光影响半导体激光器阵列正常使用的问题。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，请参阅图2和图3，次热沉400的底面上设有开口向下且与芯片100上下对应的隔离槽440。隔离槽440的设置能够避免设置在次热沉400底面上的第一金属化区域420与芯片100的高反面的导通发射，而只是利用第一硬焊料200以及第二硬焊料300实现与芯片100的P面和N面的电极导通。本实施例中，芯片100的厚度为100微米，而在实际安装中，芯片100的左右安装位置的误差量在10微米左右，为了避免半导体激光器阵列安装误差造成的第一金属化区域420与芯片100的高反面之间的导通，本实施例中设置了隔离槽440，既能有效的保证第二间隙410的存在，又能有效避免第一金属化区域420与芯片100的高反面的导通，最大限度的提高了产品使用的可靠性。隔离槽440与芯片100的上下位置相对应，隔离槽440的水平投影的面积大于芯片100的水平投影的面积，保证了隔离槽440的宽度大于芯片100在同一方向上的宽度值，避免了芯片100的高反面与第一金属化区域420电导通的风险。隔离槽440的宽度值大于芯片100的横向宽度值L2，隔离槽440的两个侧面相比芯片100的P面和N面分别向外侧扩展15微米以上，以有效的规避安装过程中误差值100微米的影响，保证其良好的使用性能。

进一步的，将第一硬焊料200以及第二硬焊料300的高度设置为大于芯片100高度的形式，且使芯片100的底面与第一硬焊料200以及第二硬焊料300的底面齐平，也可以在芯片100的高反面与次热沉400的底面之间形成第二间隙410，保证芯片100的高反面与第一金属化区域420的有效隔离，进而实现芯片100正常发光的性能。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，次热沉400为氮化铝陶瓷次热沉400或氧化硼热沉。次热沉400采用氮化铝陶瓷材质，氮化铝陶瓷材质指氮化铝陶瓷，它是以氮化铝为主晶相的陶瓷。氮化铝陶瓷的化学组成AL65.81％，N34.19％，比重3.261g/cm3，白色或灰白色，为一种高温耐热材料，比氧化铝高5-8倍，所以耐热冲击好，能耐2200℃的极热。氮化铝陶瓷基片，热导率高，膨胀系数低，强度高，耐高温，耐化学腐蚀，电阻率高，介电损耗小，是理想的大规模集成电路散热基板和封装材料。氮化铝硬度高，是新型的耐磨陶瓷材料。氮化铝耐热、耐熔融金属的侵蚀，对酸稳定，但在碱性溶液中易被侵蚀。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，请参阅图2至图3，次热沉400的上方还设有铜基座500。次热沉400顶面上的铜基座500作为散热构件，具有良好的热传导性，能够将第一硬焊料200，尤其是第二硬焊料300向上传递给次热沉400的热量有效的传输至上方的铜基座500，实现芯片100温度的快速降低，进而保证芯片100的性能优良。这是由于铜具有良好的导热性，而合金的导热性比纯金属差的差，所以此处采用纯铜材质的铜基座500使次热沉400从第一硬焊料200和第二硬焊料300上传导来的热量快速散出，提高了芯片100的散热效率，保证其正常使用。本实施例中，铜基座500还可以采用CuW基座、BeO基座或Si基座来替代，均可以实现良好的散热效果。CuW基座指的是钨铜材质的基座，钨铜是指钨和铜组成的合金，常用合金的含铜量为10％～50％，通常采用合金用粉末冶金方法制取，具有很好的导电导热性，较好的高温强度和一定的塑性。BeO基座指的是高导热的氧化铍陶瓷材质的基座。Si基座则是硅材质的基座，上述几种材质的基座均就有良好的导热性，能够实现形成良好的散热通道，提高次热沉400热量的散出效率。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，请参阅图2至图3，次热沉400的顶面上设有与铜基座500相连的第二金属化区域。次热沉400的顶面上设置的第二金属化区域能够实现与铜基座500的有效焊接，起到增加焊接面积的作用，且能提高次热沉400与铜基座500的连接牢固度。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，请参阅图2至图3，次热沉400与铜基座500之间还设有散热体510，散热体510为半导体制冷片、金属散热体或通水散热体中的一种。半导体制冷片在设置时，采用冷面与次热沉400相连的形式。另外半导体制冷片也可以采用金属散热体或者通水散热体中的一种，均可以起到良好的散热效果。通水散热体可以采用水冷板进行冷却的形式，利用冷水将次热沉400上的热量带出。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，请参阅图1至图3，第一硬焊料200与第二硬焊料300为钨铜热沉、钼铜热沉、导热率高且表面全部金属化的金刚石热沉或石墨热沉中的一种。热沉材料的选择主要从两个方面考虑，一是材料的热导率要高，二是材料与芯片100之间的热膨胀系数尽可能匹配。上述材料作为第一硬焊料200与第二硬焊料300使用具有导热率高，热膨胀系数与芯片100的热膨胀系数相接近，能够实现与GaAs基质芯片的热膨胀系数的有效匹配，避免热膨胀产生的应力集中的问题。

本实施例中，芯片100可以为GaAs基质芯片，GaAs基质芯片的CTE为5.8×10-6/℃，CTE的英文全称为Coefficient of Thermal Expansion，中文释义为热膨胀系数，指物体由于温度改变而有胀缩现象，其变化能力用等压下，单位温度变化所导致的体积变化，即热膨胀系数表示。线胀系数是指固态物质当温度改变摄氏度1度时，其长度的变化和它在0℃时的长度的比值。各物体的线胀系数不同，一般金属的线胀系数为摄氏度。大多数情况之下，此系数为正值。也就是说温度升高体积扩大。而一些陶瓷材料在温度升高情况下，几乎不发生几何特性变化，其热膨胀系数接近0。由于铜的CTE为17.8×10-6/℃，所以其参数值与GaAs基质芯片相差较大，可见，GaAs基质芯片和铜热沉的热膨胀系数不匹配程度很高，因此热膨胀产生的应力较为严重。而氮化铝的热膨胀系数为3.2-5×10-6/℃，钨铜热沉的CTE为6.0×10-6/℃，较为接近GaAs基质芯片的热膨胀系数，所以采用钨铜材料作为第一硬焊料200和第二硬焊料300进行使用，结合采用氮化铝次热沉400的使用能够有效缓解应力问题，在多个芯片100应用时，随着阵列长度增加，其应力匹配问题的影响越来越大，本实施例是一种非对称的热沉结构，有助于增强阵列封装结构的热耗散。

钼铜热沉，指的是利用钼铜合金材料替代钨铜合金材料进行使用的方式。钼铜合金材料是采用高品质钼粉及无氧铜粉，应用等静压成型，也就是高温烧结后渗铜的处理方式获得，钼铜合金材料综合了铜和钼的高强度、高比重、耐高温、耐电弧烧蚀、导电电热性能好的那个多个的优点，作为热沉使用，具有组织细密，断弧性能好，导电性好，导热性好，热膨胀小的诸多优势。

金刚石俗称金刚钻。也就是我们常说的钻石的原身，它是一种由碳元素组成的矿物，是碳元素的同素异形体。石墨和金刚石都属于碳单质，他们的化学性质完全相同，但金刚石和石墨不是同种物质，它们是由相同元素构成的同素异型体，所不同的是物理结构特征。石墨原子间构成正六边形是平面结构，呈片状，金刚石原子间构成的是立体的正四面体结构。本实施例中，可以通过在金刚石或者石墨的外部设置金属层以实现其金属导电的性能，结合二者的碳元素的良好的导热效果，可以实现类似于钨铜热沉或者钼铜热沉所具有的导电性好、导热性好的效果，以保证对芯片100良好的导热性，同时也能够匹配芯片100的热膨胀系数，提高半导体激光器的散热性，使芯片100的数量扩展性具有良好的优势。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。