一种非水冷的半导体激光巴条封装结构

文档序号:409411 发布日期:2021-12-17 浏览:3次 >En<

阅读说明:本技术 一种非水冷的半导体激光巴条封装结构 (Non-water-cooled semiconductor laser bar packaging structure ) 是由 林涛 孙婉君 穆研 李亚宁 解佳男 于 2021-08-26 设计创作,主要内容包括:本发明公开了一种非水冷的半导体激光巴条封装结构,半导体激光巴条芯片的P面朝下与主热沉左端上表面通过焊料层焊接固定,所述半导体激光巴条芯片的N面与下散热热沉下表面通过焊料层焊接固定,所述半导体激光巴条芯片的P面焊接上散热热沉,构成三明治结构;所述三明治结构为P面焊接上散热热沉、N面分别焊接下散热热沉形成的三层结构,当所需半导体激光巴条芯片为2-3个时,直接将第一个三明治结构中的上散热热沉上焊接芯片P面朝下的上散热热沉,从而依次增加半导体激光器巴条个数。将半导体激光芯片焊接在主热沉和下散热热沉之间,使N面也有了高效的散热能力,还增加了背面散热方式,有效降低了器件的工作温度,提高寿命。(The invention discloses a non-water-cooled semiconductor laser bar packaging structure.A P surface of a semiconductor laser bar chip is downward and is welded and fixed with the upper surface of the left end of a main heat sink through a solder layer; the sandwich structure is a three-layer structure formed by welding an upper heat dissipation heat sink on a P surface and respectively welding a lower heat dissipation heat sink on an N surface, and when 2-3 semiconductor laser bar chips are needed, the P surface of the upper heat dissipation heat sink in the first sandwich structure is directly welded with the upper heat dissipation heat sink with the P surface facing downwards, so that the number of the semiconductor laser bar is sequentially increased. The semiconductor laser chip is welded between the main heat sink and the lower heat sink, so that the N surface has high-efficiency heat dissipation capacity, a back surface heat dissipation mode is added, the working temperature of the device is effectively reduced, and the service life is prolonged.)

一种非水冷的半导体激光巴条封装结构

技术领域

本发明涉及半导体激光器技术领域,具体为一种非水冷的半导体激光巴条封装结构。

背景技术

半导体激光器是激光行业中极具发展潜力的光电器件,己在工业、军事和医疗等领域得到了广泛的应用。随着应用领域对半导体激光器的光电性能要求不断提高,研制更高功率半导体激光器芯片和封装结构成为当前发展的必然道路。但随着半导体激光器的功率不断地提高,其产生的热量也将不断的增大,导致器件结温升高严重。半导体激光器的结温升高将会使器件的光电转换效率和功率降低,阈值电流增加,波长红移等问题,严重影响器件的性能和寿命。半导体激光巴条芯片作为大功率半导体激光器叠阵模组的核心部件,其封装结构直接影响半导体激光器的可靠性和寿命。半导体激光巴条芯片封装技术是大功率半导体激光器发展的关键技术。

对于多个激光条组成的大功率叠阵模块,其很高的输出功率对散热要求极为严格,需要采用微通道或者宏通道的水冷方式进行散热,这需要应用系统配备水冷机组,影响了一些简单使用场合的便携性。对单个巴条,考虑到系统的复杂度和制造成本,也有采用非水冷的传导冷却模块产品,但对于目前传统的非水冷激光巴条封装结构,需要在激光巴条芯片N面建合金线,从而引到负电极上,使半导体激光器正常工作。该封装工艺键合金线时,要使半导体激光巴条芯片正常工作金线需要承受很大的电流,通常要键合100-200根金线,使其制造工艺繁琐,成本昂贵;并且该类封装结构芯片N面无散热热沉,只进行底部散热,散热效果路径少。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足,本发明提供了一种非水冷的半导体激光巴条封装结构。对于少数几个(1-3)巴条组成的半导体激光模块,本发明提出了的非水冷的半导体激光巴条封装结构,N面无需再进行键合工艺,P面和N面均采用烧结工作制成,N面采用热沉直接进行导电,使N面也具有高效的散热能力,同时还增加了背面散热路径。当封装巴条个数为2-3根时,只需在模块应用系统中加入风冷单元,便能较好地发挥出激光器的特性。解决目前少数几个(1-3)巴条组成的半导体激光模块封装工艺复杂、成本高、散热能力低等问题。

(二)技术方案

为实现上述目的,本发明提供如下技术方案:一种非水冷的半导体激光巴条封装结构,主热沉、焊料层、半导体激光巴条芯片、上散热热沉、下散热热沉、N面负电极片、背部绝缘层、电极隔离层、背部散热热沉、三明治结构、风冷散热槽,所述半导体激光巴条芯片的P面朝下与主热沉左端上表面通过焊料层焊接固定,所述半导体激光巴条芯片的N面与下散热热沉下表面通过焊料层焊接固定,所述半导体激光巴条芯片的P面焊接上散热热沉,构成三明治结构;所述N面负电极片左端下表面与最上层下散热热沉固定连接,所述N面负电极片右端与电极隔离层固定连接;所述主热沉切割出来前后密度不同的风冷散热槽;所述背部散热热沉安装在封装好的半导体激光巴条芯片的后腔的位置;所述背部绝缘层左表面与三明治结构背部固定连接,所述背部绝缘层右表面与背部散热热沉固定连接;所述电极隔离层上表面连接背部散热热沉和N面负电极片,所述电极隔离层下表面固定连接主热沉;

所述三明治结构为P面焊接上散热热沉、N面分别焊接下散热热沉形成的三层结构,当所需半导体激光巴条芯片为2-3个时,直接将第一个三明治结构中的上散热热沉上焊接芯片P面朝下的上散热热沉,从而依次增加半导体激光器巴条个数。

优选的,所述半导体激光巴条芯片的封装个数为2-3个,所述三明治结构之间用AuSn焊料固定焊接。

优选的,所述背部绝缘层的厚度为0.3-0.5mm。所述背部绝缘层放置在半导体激光巴条芯片后端,用来隔绝正负电极,并进行背部散热,所述的电极隔离层是用来隔离主热沉与背部散热热沉和N面负电极片,防止半导体激光巴条芯片短接。

优选的,所述背部散热热沉在半导体激光巴条芯片背面与背部绝缘层使用In焊料固定焊接,背部散热热沉引入了背面散热方式,拓宽了散热路径,有效提高了散热效果。对于1-3根巴条组成的半导体激光模块,其正常工作时所产生的更大的热量,仅靠三面传导散热是不够的,所以要加入风冷散热。将半导体激光巴条芯片正下方的主热沉上切割出高密度的风冷散热槽作为出风口,后方也要切割出密度小散热槽为进风口。风冷散热槽进风口风阻小,出风口接触面积大,增加了散热面积,大大提高了散热效率。

优选的,所述N面负电极片的左端比右端薄,左端通过In焊料焊接在下散热热沉上,右端通过In焊料焊接在电极隔离层上,为半导体激光巴条芯片提供负电。所述主热沉1引出正电极为半导体激光巴条芯片3加正电,使半导体激光巴条芯片正常工作。

优选的,所述主热沉为矩形结构且四角开设安装螺孔。

(三)有益效果

本发明提供了一种非水冷的半导体激光巴条封装结构。具备以下有益效果:

1)本发明提供的非水冷的半导体激光器巴条封装结构,将半导体激光芯片焊接在主热沉和下散热热沉之间,使N面也有了高效的散热能力,还增加了背面散热方式,将半导体激光巴条芯片的散热路径拓展到3条,有效降低了器件的工作温度,提高寿命。

2)本发明是对于1-3根巴条组成的半导体激光模块进行封装,引入风冷散热。将第一散热热沉上切割出密度不同的散热槽,增加热沉的散热面积,芯片正下方切割的密度大为出风口,其中密度小的部分为进风口,进风口风阻小,出风口接触面积大,散热好提高了散热效率。

3)本发明未采用金线键合,成本低,工艺简单,方便使用。

附图说明

图1为本发明的非水冷的半导体激光单巴封装结构立体图;

图2为本发明的非水冷的半导体激光单巴封装结构的侧视图;

图3为本发明的非水冷的半导体激光多个巴条封装结构的三明治结构示意图;

图4为本发明的非水冷的半导体激光器巴条封装结构的风冷散热槽的正视图。

图5为本发明的非水冷的半导体激光单巴封装结构的侧视图二

图中:1、主热沉;2、焊料层;3、半导体激光巴条芯片;4、上散热热沉;5、下散热热沉;6、N面负电极片;7、背部绝缘层;8、电极隔离层;9、背部散热热沉;10、安装螺孔;11、三明治结构;12、风冷散热槽。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,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,都属于本发明保护的范围。

如图1-3所示,本发明提供一种技术方案:

本发明实施例中,一种非水冷的半导体激光巴条的封装结构,其中半导体激光巴条芯片3采用输出功率为50W的808nm激光巴条芯片。焊料层2采用5μm厚度的AuSn焊料,用来使半导体激光巴条芯片3的P、N面与主热沉1和下散热热沉5相连接。主热沉1采用的是无氧Cu材料制作,加工尺寸为30×30×10mm,其作用是散热以及作为半导体激光巴条芯片3的正电极。风冷散热槽12的根据密度不同尺寸分别为1×5×6mm和4×23×6mm。下散热热沉5采用与半导体激光巴条芯片3材料热膨胀系数更加匹配的CuW,尺寸大小为10×1×1mm,下散热热沉5的下表面与半导体激光巴条芯片3的N面通过焊料层2焊接固定,其上表面通过In焊料固定焊接N面负电极片6的左端,避免了键合金线使半导体激光巴条芯片3的N面也能高效散热,提高器件寿命且工艺简单。N面负电极片6其制作成左端薄右端后的结构,左端通过下散热热沉5为半导体激光巴条芯片N面提供负电,右端直接使用In焊料焊接在电极隔离层8上,无需安装固定。背部散热热沉7的材料与下散热热沉5的一致,其固定在半导体激光巴条芯片3背面位置且与N面负电极片6相接,这种背面散热方式拓展了芯片散热路径,提高了散热效率。当所需的巴条个数超过一根时,使用上、下散热热沉分别焊接在芯片P、N面所形成三明治结构11。例如,所需的大功率半导体叠阵模块是两根半导体激光巴条芯片组成,在上面单个巴条封装基础上直接将P面朝下的三明治结构用AuSn焊料焊接在第一根巴条的下散热热沉上方。三明治结构的芯片N面散热热沉使用In焊料与N面负电极片6焊接在一起。背部绝缘层7和电极隔离层8采用0.3-0.5mm厚度的AlN材料制成,其中背部绝缘层7的右表面与背部散热热沉9使用In焊料焊接固定,背部绝缘层7的左表面与芯片背面固定焊接,起绝缘作用。电极隔离层8的上表面连接N面负电极片6和背部散热热沉7,下表面连接主热沉1,正负电极短接。

与传统的封装结构相比,本发明的特点如下:

本发明使半导体激光巴条的N面通过增加散热热沉进行了高效散热,在此基础上并添加了背面散热方式,进一步的拓宽了半导体激光巴条芯片的散热途径,更加有效的降低了器件工作时的有源区温度,提高了器件的性能和寿命。

本发明本不仅仅是针对单个巴条的非水冷封装结构,而是对于1-3根巴条组成的半导体激光模块封装,引入风冷散热。将主热沉上切割出密度不同的散热槽,增加热沉的散热面积,芯片正下方切割的密度大为出风口,密度小的部分为进风口,进风口风阻小,出风口接触面积大,散热好提高了散热效率。

本发明采用的都是简单的焊接工艺,并没有使用要求很高的键合工艺,且使用的都是常规材料价格低廉,操作简单且成本低。

需要说明的是,在本文中,诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来,而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且,术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素,而且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下,由语句“包括一个……”限定的要素,并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例,对于本领域的普通技术人员而言,可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型,本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

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