一种封装热沉、半导体激光器和半导体激光器模组
阅读说明：本技术 一种封装热沉、半导体激光器和半导体激光器模组 (Packaging heat sink, semiconductor laser and semiconductor laser module ) 是由 郑义 于 2021-06-30 设计创作，主要内容包括：本发明适用于半导体激光器技术领域,提供了一种封装热沉、半导体激光器和半导体激光器模组,包括：热沉底座和凸台部,所述热沉底座的顶面具有第一区域和第二区域,所述第一区域设置有正极孔和负极孔,所述凸台部设置于所述第二区域；所述凸台部上设置有沿轴向方向上延伸的凹槽,所述凹槽与所述正极孔和所述负极孔沿轴向方向上的投影重叠。该技术方案提供一种既具有光纤整形、热沉绝缘功能,又具有良好散热性能、高功率性能,还能够实现小尺寸和自动化生产的半导体激光器。(The invention is suitable for the technical field of semiconductor lasers, and provides a packaged heat sink, a semiconductor laser and a semiconductor laser module, which comprises: the heat sink comprises a heat sink base and a boss part, wherein the top surface of the heat sink base is provided with a first area and a second area, the first area is provided with a positive pole hole and a negative pole hole, and the boss part is arranged in the second area; the boss portion is provided with a groove extending in the axial direction, and the groove overlaps with projections of the positive electrode hole and the negative electrode hole in the axial direction. The technical scheme provides the semiconductor laser which has the functions of optical fiber shaping and heat sink insulation, has good heat dissipation performance and high power performance, and can also realize small-size and automatic production.)
技术领域
本发明涉及半导体激光器
技术领域
，尤其是涉及一种封装热沉、半导体激光器和半导体激光器模组。背景技术
在应用半导体激光器制造激光产品的过程中，总是希望在尽可能小的尺寸上实现尽可能高的激光输出，也总是希望激光器的使用尽可能方便。
目前，高功率半导体激光器的封装主要采用C-mount型封装结构进行封装。其中，COS封装的半导体激光器具有功率高、寿命长的优势，但其不能单独使用，需要被固定于各种形状的热沉上，且在散热良好和绝缘导热的情况下才能够更好的发挥其优势。MOUNT封装的半导体激光器具有良好的散热性，与COS封装结合使用，能够发挥两者的优势，实现高功率，同时由于其体积大，更易于提高柱形光纤在使用中的稳定性。
中国专利文献CN105182548A公开了一种高性能半导体激光器，采用传统C-mount型封装结构，展示了一种可靠的光纤固定方法。但由于芯片设置于结构的边缘，使用中会造成产品空间浪费，增加产品死重，非常不利于产品的小尺寸化与轻量化；并且由于其结构的固有特性导致，使用只能手工安装与焊接，不适用大批量生产。
然而，TO封装具有尺寸小、易自动化生产的优势，但由于其固有结构导致输出功率受限，且散热性较差。同时，TO封装中用于芯片安装的接触面较窄，难以容纳COS激光器，也无法通过结合COS激光器提高输出功率。
中国专利文献CN111129956A公开了一种多芯片激光器组件，其中，双芯片单元采用传统TO封装结构，并将整形透镜与固定板固定连接，此时固定板与热沉之间及固定板与整形透镜之间均通过胶固定，而由于胶在受热后较易发生变形，且该发明中采用两次胶固定叠加的方式进行连接，将导致产品使用中变形问题更加明显。同时，中国专利文献CN201018188Y公开了一种激光器芯片封装用热沉，该热沉同样应用于传统TO封装，该热沉可加装整形光纤，且其采用胶固定的方式将整形光纤悬空于芯片发光部的上方，使用中同样会导致产品使用中存在严重的变形问题。可见，现有TO封装中光学元件的固定使用了较多的固定胶，导致使用中胶受热后产生的变形较大，影响激光器的使用寿命。并且，采用上述专利文献得到的激光器，由于TO封装传统结构的影响，导致其激光输出功率难以超过W级。
综上所述，现有技术存在的技术问题有：
1.传统C-MOUNT封装的半导体激光器，体积大，难以大批量生产；
2.传统TO封装的半导体激光器的散热性差，输出功率受限；
3.传统TO封装的半导体激光器中光学元件采用悬空或多次胶固定叠加的方式，导致产品使用中光学元件存在严重的变形问题，减小了激光器的使用寿命；
4.传统TO封装中用于芯片安装的接触面较窄，难以容纳COS激光器，无法通过结合COS激光器提高输出功率。
发明内容
本发明为了克服以上技术的不足，综合TO、COS、MOUNT封装的优点，提供一种外观是TO封装形式的，具有光纤整形、热沉绝缘功能，良好散热性能、高功率性能的半导体激光器。
本发明克服其技术问题所采用的技术方案是：
一种封装热沉，包括：热沉底座和凸台部，所述热沉底座的顶面具有第一区域和第二区域，所述第一区域设置有正极孔和负极孔，所述凸台部设置于所述第二区域；所述凸台部上设置有沿轴向方向上延伸凹槽，所述凹槽与所述正极孔和所述负极孔沿轴向方向上的投影重叠。
进一步的，所述凹槽包括第一凹槽和第二凹槽，所述第一凹槽与所述第二凹槽相邻。
进一步的，所述第一凹槽设置于所述第二凹槽两侧。
本发明还揭示了一种半导体激光器，包括：所述封装热沉、正电极引脚、负电极引脚、COS激光器和光学元件，所述正电极引脚设置于所述正极孔处，所述负电极引脚设置于所述负极孔处；所述COS激光器设置于所述凹槽中，所述COS激光器设置有发光部；所述光学元件设置于所述凸台部顶面，且与所述发光部沿轴向方向上的投影重叠。
进一步的，所述光学元件为柱形光学元件。
进一步的，所述COS激光器设置有芯片、正极部、负极部、基板和键合丝；所述芯片设置于所述正极部，所述芯片设置有发光部、芯片正极和芯片负极；所述正极部和所述负极部设置于所述基板上；所述基板设置于所述凹槽；所述芯片正极与所述正电极引脚之间、所述芯片负极与所述负电极引脚之间、所述芯片负极与所述负极部之间均用所述键合丝连接。
进一步的，所述正电极引脚由第一绝缘片固定，所述负电极引脚由第二绝缘片固定。
进一步的，所述凹槽包括第一凹槽和第二凹槽，所述第一凹槽与所述第二凹槽相邻，所述COS激光器设置于所述第二凹槽，所述第一绝缘片或第二绝缘片设置于所述第一凹槽。
进一步的，所述发光部面向所述凸台部的顶面设置。
另外，本发明还揭示了一种半导体激光器模组，其特征在于，包括一个或多个所述的半导体激光器和外壳，所述外壳设置有待装配孔，其中，所述封装热沉设置于所述外壳内。
本发明结合了TO、COS、MOUNT封装各自的优点，至少具有如下技术效果：
1.采用TO封装外形，具有小尺寸，且适合自动化、大批量生产的半导体激光器；
2.通过改变热沉凸台部的大小、正负极间距大小、设置凹槽等方式，使得COS激光器能够固定于TO封装的热沉上，将COS封装于TO封装相结合，解决了现有TO输出功率差的问题，有效提高了半导体激光器的输出功率功率，得到一种高功率半导体激光器；
3.将光学元件固定在热沉顶面上，该面与COS激光器的发光部相邻，且处于散热面的外沿，散热充分，很好的避免了由于光学元件带来的散热不良问题；同时，热沉整体采用导热材料，充分增加了传热表面积，有效提升了半导体激光器整体的散热性和热沉绝缘性；
4.光学元件位于凸台部顶面，且位于发光部上方，其两端分别用胶固定于凹槽两端，此时光学元件受到顶面的支撑和少量胶的固定，充分减少了胶在使用过程中受热变形所带来的影响，在保证光学元件具有良好牢固性的前提下，有效提升其使用中的稳定性，使半导体激光器具有光纤整形的功能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明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，下面所描述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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明中热沉的立体结构图；
图2是本发明中COS激光器的立体结构图；
图3是本发明中半导体激光器的立体结构图；
图4是本发明中半导体激光器的俯视图；
图5是本发明中半导体激光器模组的装配示意图。
其中，100、热沉，200、COS激光器，300、键合丝，400、正电极引脚，500、负电极引脚，601、第一绝缘片，602、第二绝缘片，700、光学元件，800、外壳，110、凸台部，120、热沉底座，121、第一区域，130、凹槽，131、第一凹槽，132、第二凹槽，141、正极孔，142、负极孔，210、芯片，211、发光部，220、正极部，230、负极部，240，基板。
具体实施方式
以下的说明提供了许多不同的实施例、或是例子，用来实施本发明的不同特征。以下特定例子所描述的元件和排列方式，仅用来精简的表达本发明，其仅作为例子，而并非用以限制本发明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"垂直"、"水平"、"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所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语"安装"、"相连"、"连接"应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接：可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之"上"或之"下"可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征"之上"、"上方"和"上面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征"之下"、"下方"和"下面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例1提供了一种封装热沉100，如图1所示，其包括：热沉底座120和凸台部110，所述热沉底座120的顶面具有第一区域121和第二区域(由于视图角度原因，图中未示出)，所述第一区域121设置有正极孔141和负极孔142，所述凸台部110设置于所述第二区域；所述凸台部110上设置有沿轴向方向上延伸凹槽130，所述凹槽130与所述正极孔141和所述负极孔142沿轴向方向上的投影重叠。
其中，凹槽130包括第一凹槽131和第二凹槽132，第一凹槽131与第二凹槽132深度相同或不同。同时，第一凹槽131与第二凹槽132相邻，进一步的，所述第一凹槽131设置于所述第二凹槽132两侧或一侧。所述沿轴向方向上的投影与俯视方向的投影相同，即图4所示方向。
所述封装热沉应用于TO封装外形，具有尺寸小，能够大批量生产的效果；热沉底座和凸台部均设置为铜质、表面镀金的热沉，使得热沉与各元件的接触面增大，有效提升了半导体激光器整体的散热性；正极孔和负极孔之间的距离大于传统TO封装正极孔和负极孔之间的距离，同时增大凸台部的上垂面，使得半导体激光器正负极之间具有较大空间，增加芯片安装的接触面，使得能够容纳至少一个COS激光器，从而有效提升半导体激光器的整体输出效率。
本发明实施例2还提供了一种半导体激光器，如图2、3和4所示。下面参考图3和图4详细描述，其中图2为COS激光器的立体结构图，图3为半导体激光器的立体结构图，图4为半导体激光器的俯视图。
如图2所示，所述COS激光器200设置有芯片210、正极部220、负极部230、基板240和键合丝300；所述芯片210设置于所述正极部220，所述芯片210设置有发光部211、芯片正极和芯片负极(由于视图角度原因，图中未示出)；所述正极部220和所述负极部230设置于所述基板240上；所述基板240设置于所述凹槽130；所述芯片正极与所述正电极引脚400之间、所述芯片负极与所述负电极引脚500之间、所述芯片负极与所述负极部230之间均用所述键合丝300连接。
如图3和图4所示，本发明实施例2中的一种半导体激光器包括：所述封装热沉100、正电极引脚400、负电极引脚500、COS激光器200和光学元件700。其中，封装热沉100的结构如实施例1所述。
所述正电极引脚400设置于所述正极孔141处，所述负电极引脚500设置于所述负极孔142处；所述COS激光器200设置于所述凹槽130中，所述COS激光器200设置有发光部211；所述光学元件700设置于所述凸台部710顶面，且与所述发光部211沿轴向方向上的投影重叠。其中，所述光学元件700为柱形光学元件，柱形光学元件为整形光纤，且镀有增透膜。
所述正电极引脚400由第一绝缘片601固定，所述负电极引脚500由第二绝缘片602固定。所述凹槽130包括第一凹槽131和第二凹槽132，所述第一凹槽131与所述第二凹槽132相邻，所述COS激光器200设置于所述第二凹槽132，所述第一绝缘片601或第二绝缘片602设置于所述第一凹槽131。所述发光部211面向所述凸台部710的顶面设置。
光学元件位于凸台部顶面，且位于COS激光器发光部的上方，其两端分别用胶固定于凹槽两端。光学元件受到顶面的支撑和少量胶的固定，充分减少了胶在使用过程中受热变形所带来的影响，在保证光学元件具有良好牢固性的前提下，有效提升其使用中的稳定性，为延长半导体激光器的使用寿命提供一种可能的解决方案。
同时，上述实施例中热沉凸台部较现有TO凸台部更宽，使得凸台部的凹槽足以容纳COS激光器，从而使TO封装的激光器能够综合COS激光器优势，降低半导体激光器的整体热阻，并提高其输出功率，达到输出功率大于10W的效果。同时，热沉底座和热沉凸台部的多个面均可通过传导参与散热，相比MOUNT封装更短的传热距离，与现有TO封装相比大幅增加了散热表面，很好的解决了现有TO封装散热性能差的问题。同时，光学元件固定在热沉顶面上，该面与COS激光器的发光部相邻，且处于散热面的外沿，散热充分，很好的避免了由于光学元件带来的散热不良问题。
其中，绝缘片600为玻璃材质；正电极引脚400、负电极引脚500均为铜质，且表面镀金；COS激光器200是绝缘的，上、下表面均镀金；键合丝300为金线。
同时，本发明实施例3还提供了一种半导体激光器模组，如图5所示，为半导体激光器模组的装配示意图。如图5所示，一种半导体激光器模组，包括一个或多个所述的半导体激光器和外壳800，所述外壳800设置有待装配孔，其中，所述封装热沉100设置于所述外壳800内。
本发明实施例4提供了一种半导体激光器模组的装配方法，如图5所示，半导体激光器模组包括一个或多个半导体激光器和外壳800，其步骤为：将热沉100翻转，拾取或真空吸附热沉底面；将热沉顶面转移至外壳800的待装配孔处；面向外壳800的待装配孔底部施压后，半导体激光器被固定到外壳800中。本实施例可通过自动化设备进行装配，且此种将TO封装器件与电路板封装在一起的自动化技术已非常成熟，方法、设备丰富，本实施例仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，类推方法此处不再详细列举。
本发明激光器的外观为TO封装形式，自身几何尺寸小，且其装配后的截面积约为Mount封装的0.5倍，使用中不浪费空间，并且更加适合自动化设备操纵。同时，提升了TO激光器的整体功率，其输出功率至少为10W；加强了传统TO激光器中柱形光学元件在使用中的稳定性，长期使用也不会出现移位、脱落等情况。
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。
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