一种泵浦激光器封装结构及封装方法
阅读说明：本技术 一种泵浦激光器封装结构及封装方法 (Pump laser packaging structure and packaging method ) 是由 付传尚 开北超 孙素娟 徐现刚 郑兆河 于 2019-10-30 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种泵浦激光器封装结构及封装方法,属于半导体激光器叠阵封装技术领域。封装结构包括mini巴条、钨铜热沉、AlN陶瓷片、散热热沉和电极,mini巴条和钨铜热沉焊接组成巴条阵列,巴条阵列通过AlN陶瓷片焊接在散热热沉上,电极通过电极绝缘片封装到散热热沉两端。本发明封装的泵浦激光器发光面积与晶体端面相匹配,发出的光能够完全进入所要泵浦的晶体棒中,解决了多余的光照射在晶体侧面或者其他位置导致的产热问题。(The invention relates to a packaging structure and a packaging method of a pump laser, and belongs to the technical field of stack array packaging of semiconductor lasers. The packaging structure comprises a mini bar, a tungsten-copper heat sink, an AlN ceramic chip, a heat dissipation heat sink and electrodes, wherein the mini bar and the tungsten-copper heat sink are welded to form a bar array, the bar array is welded on the heat dissipation heat sink through the AlN ceramic chip, and the electrodes are packaged at two ends of the heat dissipation heat sink through electrode insulation sheets. The light emitting area of the pump laser packaged by the invention is matched with the end face of the crystal, the emitted light can completely enter the crystal rod to be pumped, and the problem of heat generation caused by the fact that redundant light irradiates on the side face of the crystal or other positions is solved.)
技术领域
本发明涉及一种泵浦激光器封装结构及封装方法，属于半导体激光器叠阵封装技术领域。
背景技术
传导冷却半导体激光器具备体积小、价格低、效率高、寿命长的优点，主要应用于工业泵浦、材料加工、医疗美容、和科研军工等领域。在泵浦应用领域，主要集中在对Nd：YAG、Nd:YVO4等晶体的泵浦，对于晶体端面泵浦的应用，对激光器的封装体积和集成度要求越来越高。目前市场常用的的传导冷却半导体激光器主要采用厘米巴条进行封装，在周期方向上尺寸基本固定为1cm，为了减小封装体积，提高封装集成度，通常采用减小巴条发光间距的方法来减小封装面积，但由于厘米巴条构成的激光器不能满足某些领域对激光器体积的要求，尤其是对于Nd:YAG晶体棒端面泵浦的应用方向，晶体棒的端面直径通常小于1cm，采用1cm巴条组成的激光器发出的光不能完全被吸收，造成光能源浪费，另外，多余的激光照射在YAG晶体棒上，会产生热量，造成转换效率变低、激光器烧坏等不利影响。
中国专利文件(公告号：CN104242048B)公开了一种传导冷却叠阵半导体激光器封装结构，包括激光芯片组和绝缘热沉，所述激光器芯片组采用了多个激光芯片形成叠阵模块，其中各个激光芯片均带有衬底；其特征在于：所述叠阵模块芯片堆叠方向的两个端面贴合焊接有正极连接块和负极连接块；所述绝缘热沉的表面以中心对称方式设置有互不接触的两个L形导电片，分别作为引出正电极、引出负电极；正极连接块和负极连接块的底部分别对应焊接固定于两个L形导电片的长部，叠阵模块对应于这两个L形导电片在绝缘热沉的表面围成的区域；两个L形导电片的短部设置有安装孔。该发明未提及巴条横向尺寸问题，对于端面比较小的YAG晶体，仍然无法满足使用需求，多余的光泄漏会导致晶体棒累积热量，容易造成失效。
中国专利文件(公开号：CN103457151A)公开了一种高温硬焊料准连续半导体激光器巴条叠阵封装方法，利用特殊工装夹具，采用高温硬焊料将n个巴条、n+1个导电散热隔块和n+1个电绝缘散热片交替堆叠、一次回流焊接成激光器巴条叠阵单元，然后采用温度相对较低的软焊料将激光器巴条叠阵单元与热沉再次回流焊接成型。该方法能够显著降低高温硬焊料准连续半导体激光器巴条叠阵封装时的焊接应力，提高器件的寿命、产出率和光电性能。本方法一次性封装多个巴条，但未对输出光进行光学处理，对于端面比较小的YAG晶体，使用效果相对较差。
有鉴于此，研发一种有效解决光不能完全吸收和余光产热问题的泵浦激光器封装结构是十分有必要的。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种泵浦激光器封装结构，有效解决光不能完全吸收和余光产热的问题。
本发明还提供一种泵浦激光器封装结构的封装方法。
本发明的技术方案如下：
一种泵浦激光器封装结构，包括mini巴条、钨铜热沉、AlN陶瓷片、散热热沉和电极，mini巴条和钨铜热沉焊接组成巴条阵列，巴条阵列通过AlN陶瓷片焊接在散热热沉上，电极通过电极绝缘片封装到散热热沉两端。
优选的，巴条阵列上方安装透镜，透镜通过垫条进行固定，垫条固定于散热热沉上端。
进一步优选的，垫条的横截面为L型，垫条数量为两个，两个垫条对称设置在散热热沉上端两侧，垫条上表面与钨铜热沉上表面平行，两个垫条之间设置透镜。
进一步优选的，透镜选用O型柱形透镜。
优选的，AlN陶瓷片上设有AlN陶瓷片开槽，mini巴条与AlN陶瓷片开槽位置对应，AlN陶瓷片开槽的槽宽与mini巴条厚度一致，通过开槽减少封装应力。
进一步优选的，AlN陶瓷片表面和背面金属化处理，金属化成分为镍金；AlN陶瓷片侧面和槽非金属化，AlN陶瓷片侧面和槽内为非金属化区域。
优选的，在散热热沉中间位置开设有安装固定孔，通过安装固定孔实现装置整体的固定。
优选的，在散热热沉两端位置开设有电极固定孔，通过电极固定孔进行两端电极的固定。
优选的，mini巴条焊接到钨铜热沉上时使用高温焊料，AlN陶瓷片焊接到散热热沉上使用高温焊料，mini巴条阵列与AlN陶瓷片之间采用低温焊料焊接。
进一步优选的，高温焊料为AuSn焊料，低温焊料为SnAg焊料。
优选的，mini巴条长度为3mm-10mm，长度与钨铜热沉长度一致。
优选的，钨铜热沉厚度为0.3mm-1mm。
一种泵浦激光器封装结构的封装方法，封装步骤如下：
根据泵浦晶体的直径确定mini巴条解理长度，将所解理的mini巴条通过高温焊料封装成巴条阵列，将AlN陶瓷片通过高温焊料封装到散热热沉上，再将封装的巴条阵列通过低温焊料焊接到AlN陶瓷片上，将电极通过电极绝缘片封装到散热热沉两端，最后在巴条列阵上方安装透镜，通过透镜对各个巴条进行光学处理，获得能量集中、光斑匀化的泵浦光。
本发明的有益效果在于：
1、本发明封装的泵浦激光器发光面积与晶体端面相匹配，发出的光能够完全进入所要泵浦的晶体棒中，解决了多余的光照射在晶体侧面或者其他位置导致的产热问题。
2、采用透镜对光斑进行聚焦、匀化，使激光器能量分布更加集中，均匀，提高了泵浦光的光束质量，提高泵浦效率。
3、本发明封装的泵浦激光器可通过中间孔位固定，可以简化泵浦激光器的配套部件。
4、本发明封装的泵浦激光器封装过程中采用高温硬焊料，可靠性高，采用开槽的AlN陶瓷片绝缘，减小封装应力，提高可靠性。
5、本发明封装的泵浦激光器体积、质量更小，可满足要求条件苛刻行业的应用。
附图说明
图1为本发明的封装结构图。
图2为本发明的巴条阵列结构图。
图3为本发明的巴条阵列与AlN陶瓷片的封装结构图。
图4为本发明安装透镜前的部分结构图。
其中：1、mini巴条；2、钨铜热沉；3、散热热沉；4、电极；5、电极绝缘片；6、垫条；7、透镜；8、安装固定孔；9、电极固定孔；10、AlN陶瓷片；11、AlN陶瓷片开槽。
具体实施方式
下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。
实施例1：
如图1-4所示，一种泵浦激光器封装结构，包括mini巴条1、钨铜热沉2、AlN陶瓷片10、散热热沉3和电极4，mini巴条1和钨铜热沉2焊接组成巴条阵列，如图2所示，钨铜热沉2厚度为0.3mm，mini巴条1长度为3mm，mini巴条长度与钨铜热沉长度一致，巴条阵列通过AlN陶瓷片10焊接在散热热沉3上，电极4通过电极绝缘片5封装到散热热沉两端。钨铜热沉2长度与mini巴条长度一致，考虑到应力释放和散热能力问题，选取热导率为188W/(m*K)、CTE为6.5ppm/K的W90Cu作为钨铜热沉材料，热膨胀系数(CTE)与巴条材料基本一致，保证AuSn封装过程中应力释放。
根据所要泵浦YAG晶体的端面直径截取合适长度的mini巴条进行封装，使封装的泵浦激光器发光面积与晶体端面相匹配，发出的光能够完全进入所要泵浦的晶体棒中，解决了多余的光照射在晶体侧面或者其他位置导致的产热问题。
实施例2：
一种泵浦激光器封装结构，结构如实施例1所述，不同之处在于，钨铜热沉2厚度为10mm，mini巴条长度为1mm。
实施例3：
一种泵浦激光器封装结构，结构如实施例1所述，不同之处在于，巴条阵列上方安装透镜7，透镜通过垫条6进行固定，垫条6固定于散热热沉3上端，垫条的横截面为L型，垫条数量为两个，两个垫条对称设置在散热热沉上端两侧，垫条上表面与钨铜热沉上表面平行，两个垫条之间设置透镜，透镜7选用O型柱形透镜，可用于巴条快轴方向压缩，获得光束质量较高的泵浦光，采用透镜7对光斑进行聚焦、匀化，使激光器能量分布更加集中，均匀，提高了泵浦光的光束质量，提高泵浦效率。
实施例4：
一种泵浦激光器封装结构，结构如实施例1所述，不同之处在于，AlN陶瓷片10上设有AlN陶瓷片开槽11，mini巴条1与AlN陶瓷片开槽11位置对应，AlN陶瓷片开槽的槽宽与mini巴条厚度一致，AlN陶瓷片槽间距与钨铜热沉厚度一致，通过开槽减少封装应力，提高可靠性，AlN陶瓷片10用于mini巴条底部正负极绝缘，尺寸与封装的巴条阵列对应，AlN陶瓷片表面和背面金属化处理，金属化成分为镍金；AlN陶瓷片侧面和槽非金属化，AlN陶瓷片侧面和槽内为非金属化区域。
实施例5：
一种泵浦激光器封装结构，结构如实施例1所述，不同之处在于，在散热热沉3中间位置开设有安装固定孔8，通过安装固定孔8实现装置整体的固定，在散热热沉3两端位置开设有电极固定孔9，通过电极固定孔9进行两端电极的固定。
实施例6：
一种泵浦激光器封装结构，结构如实施例1所述，不同之处在于，mini巴条焊接到钨铜热沉上时使用高温焊料，AlN陶瓷片焊接到散热热沉上使用高温焊料，高温焊料为AuSn焊料，mini巴条阵列与AlN陶瓷片之间采用低温焊料焊接，低温焊料为SnAg焊料。
实施例7：
一种如实施例3所述的泵浦激光器封装结构的封装方法，封装步骤如下：
根据泵浦晶体的直径确定mini巴条解理长度，将所解理的mini巴条通过高温焊料封装成巴条阵列，将AlN陶瓷片通过高温焊料封装到散热热沉上，再将封装的巴条阵列通过低温焊料焊接到AlN陶瓷片上，将电极通过电极绝缘片封装到散热热沉两端，最后在巴条列阵上方安装透镜，通过透镜对各个巴条进行光学处理，获得能量集中、光斑匀化的泵浦光。
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