專利名稱：一種傳導制冷型高功率半導體激光器及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及半導體激光器，是一種傳導冷卻型高功率半導體激光器及其制備方法，屬于激光技術領域。
背景技術：
半導體激光器又稱二極管激光器(DL)。高功率半導體激光器不但具有體積小、 重量輕、電光轉化效率高、可靠性高、使用壽命長等優(yōu)點，而且由于其采用電驅動，便于在各個平臺上使用，因此高功率半導體激光器展示出了更為廣闊的應用，如在激光加工、激光通信、醫(yī)療和美容、科學研究、軍事國防和激光娛樂顯示等方面。很多應用中要求半導體激光器具有長壽命、高穩(wěn)定性、高可靠性和長儲存時間的特點。如何確保半導體激光器在長時間的使用中仍然保持高效的工作，這給半導體激光器本身和封裝技術帶來了極大的挑戰(zhàn)。采用傳導制冷方式、硬焊料封裝技術，能夠避免由于軟焊料封裝導致的電遷移和電熱遷移所引起的失效，也可以滿足長存儲時間以及在極端環(huán)境下穩(wěn)定工作的要求，因此傳導制冷型半導體激光器產(chǎn)品有望在各類航空航天、自由空間通信、加工、高溫泵浦固體/ 光纖激光器等領域得到廣泛的應用。圖1為目前傳統(tǒng)傳導冷卻型半導體激光器疊陣制備流程，其是將多個芯片和多個銅鎢同時焊接后整體焊接在絕緣導熱片上，然后再將該模組焊接在散熱器上。該結構存在以下缺點(1)成品率低。將多個芯片和多個銅鎢片進行同時焊接時，若其中一個芯片損壞， 則這個產(chǎn)品將不能使用，導致產(chǎn)品成品率非常低。(2)散熱性和可靠性差。焊接好的多個芯片和多個銅鎢焊接在絕緣導熱片上時，中間位置的銅鎢片由于工藝復雜，很難焊接在絕緣導熱片上，使得該結構產(chǎn)品的散熱性差，可靠性低。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術的缺點，提供一種傳導冷卻型高功率半導體激光器及其制備方法，以解決現(xiàn)有技術中傳導冷卻型高功率半導體激光器成品率低、散熱性差、可靠性低等問題。本發(fā)明的目的是通過以下技術方案來解決的一種傳導冷卻型高功率半導體激光器，包括散熱器和一個或者多個半導體激光器單元；其特殊之處在于所述半導體激光器單元由芯片、與芯片焊接的起散熱導電作用的襯底、以及與襯底焊接的起絕緣散熱作用的絕緣片組成，半導體激光器單元通過絕緣片焊接在散熱器上。上述半導體激光器單元是經(jīng)過測試、老化、篩選后的半導體激光器單元。上述芯片為單管芯片(Single Emitter)、短陣列(如微型巴條(Mini-bar)和半巴條(Half-bar)、標準厘米巴條)或者多個單管芯片組。
上述襯底的材質為既具有導電性能并且熱導率高于170W/(m2 · K)的材料(比如銅、銅鎢、鉬銅、銅金剛石等金屬材料或金屬基復合材料)。上述絕緣片的熱導率高于120W/(m2 · K)；可以是陶瓷(如A1N，BeO)、金剛石等材料。上述散熱器采用水冷、風冷或者電子制冷或者結合其中的兩種或兩種以上散熱方式的散熱結構。上述散熱器的個數(shù)可以為單個，也可以有多個。一種制備上述傳導冷卻高功率半導體激光器的方法，包括以下步驟(1)取單管芯片或短陣列(如微型巴條和半巴條或者標準厘米巴條)安裝在具有散熱導電作用的襯底上，將襯底安裝在具有絕緣散熱作用的絕緣片上制成半導體激光器單元；(2)對半導體激光器單元進行測試、老化、篩選；(3)將篩選后合格的多個半導體激光器單元通過絕緣片安裝在散熱器上，制成傳導冷卻型高功率半導體激光器。另一種制備如上述傳導冷卻高功率半導體激光器的方法，包括以下步驟(1)由單管芯片或短陣列(如微型巴條和半巴條或者標準厘米巴條)安裝在具有散熱導電作用的襯底上，將襯底安裝在具有絕緣散熱作用的絕緣片上制成半導體激光器單元；(2)對半導體激光器單元進行測試、老化、篩選；(3)將篩選后合格的多個半導體激光器單元焊接在一起，然后將焊接在一起的多個半導體激光器單元通過絕緣片焊接在散熱器上，制成傳導冷卻型高功率半導體激光器。本發(fā)明具有以下有益效果(1)成本低。每個半導體激光器單元預先進行測試、老化、篩選，提高了生產(chǎn)制備過程中的成品率，大大節(jié)省了成本；( 散熱性好。將每個半導體激光器單元焊接在散熱器上，可保證每個半導體激光器單元與散熱器接觸良好，散熱性顯著提高，散熱效率高。(3)每個半導體激光器單元單獨進行測試、老化后篩選出性能已知合格的半導體激光器單元，將其安裝在散熱器上，可保證所制成的傳導冷卻型高功率半導體激光器性能已知良好。(4)可靠性高，適用于高溫等復雜多變的環(huán)境中使用。


圖1為傳統(tǒng)傳導冷卻高功率半導體激光器制備方法示意圖；圖2為本發(fā)明傳導冷卻型高功率半導體激光器第一種制備方法示意圖；圖3為本發(fā)明傳導冷卻型高功率半導體激光器第二種制備方法示意圖；圖4為本發(fā)明傳導冷卻型高功率半導體激光器結構示意圖。圖5為所制成的傳導冷卻型高功率半導體激光器在50°C時功率測試圖。圖6為所制成的傳導冷卻型高功率半導體激光器在50°C時光強測試圖。其中1為半導體激光器單元；2為散熱器；3為芯片；4為襯底；5為絕緣片。
具體實施例方式下面結合附圖對本發(fā)明做進一步詳細描述參見圖2給出了本發(fā)明的傳導冷卻型高功率半導體激光器第一種制備方法示意圖。(1)將半導體激光器芯片安裝在起散熱導電作用的襯底上，將襯底安裝在絕緣片上制成半導體激光器單元。(2)將半導體激光器單元進行測試、老化、篩選。(3)將篩選后合格的多個半導體激光器單元通過絕緣層安裝在散熱器上，制成傳導冷卻型高功率半導體激光器。參見圖3給出了本發(fā)明的傳導冷卻型高功率半導體激光器第二種制備方法示意圖。(1)將半導體激光器芯片安裝在起散熱導電作用的襯底上，將襯底安裝在絕緣片上制成半導體激光器單元。(2)將半導體激光器單元進行測試、老化、篩選。(3)將篩選后合格的多個半導體激光器單元焊接在一起，然后將焊接在一起的多個半導體激光器單元通過絕緣片焊接在散熱器上，制成傳導冷卻型高功率半導體激光器。圖4為本發(fā)明的傳導冷卻型高功率半導體激光器示意圖，一種傳導冷卻型高功率半導體激光器，包括半導體激光單元1和散熱器2。所述半導體激光器單元1焊接在散熱器2上。半導體激光器單元1包括芯片3、與芯片焊接的起散熱導電作用的襯底4以及與襯底4焊接的絕緣片5組成，半導體激光器單元1通過絕緣片5焊接在散熱器2上。半導體激光器單元1的個數(shù)為1個或者多個。半導體激光器單元1是經(jīng)過測試、老化、篩選后選出的已知性能合格的半導體激光器單元。芯片3可以是單管芯片、短陣列，如微型巴條和半巴條、標準厘米巴條或者多個單管芯片組。襯底4的材質為既導電又兼具高導熱率性能的材料，可以是銅、銅鎢、鉬銅、銅金剛石等金屬材料或金屬基復合材料。絕緣片5的材質為絕緣高導熱率材料，可以是陶瓷(如A1N，BeO)、金剛石等材料。散熱器2可以選用高導熱率的材料來制冷，也可使用水冷、風冷、電子制冷或者選擇兩種或兩種以上方式結合來散熱。本發(fā)明的工作原理如下通過外接電源，把電流加載到半導體激光器芯片上，半導體激光器芯片所發(fā)出的熱量通過襯底傳到絕緣片上再傳到散熱器上將熱量散出。本發(fā)明中將芯片焊接在襯底上，再在襯底上焊接絕緣片制成半導體激光器單元， 半導體激光器單元單獨老化，測試，篩選且可選用不同波長的芯片，實現(xiàn)寬光譜多波長的輸
出ο根據(jù)本發(fā)明的傳導冷卻型高功率半導體激光器的制備方法，制備成功了傳導冷卻型高功率半導體激光器，其結構也如圖4所示，選用6個功率為200瓦的巴條芯片，將6個巴條芯片進行串聯(lián)。圖5為所制成的傳導冷卻型高功率半導體激光器在50°C時功率測試圖，由圖5可以看出，在50°C，本傳導冷卻型半導體激光器輸出峰值功率為1194瓦，轉換效率達到52%。圖6為所制成的傳導冷卻型高功率半導體激光器在50°C時光強測試圖，由圖 6可以看出，在50°C，本傳導冷卻型半導體激光器半峰全寬很窄為2. 93nm。由此可知本傳導冷卻型高功率半導體激光器散熱性能良好，可適用于高占空比和高溫環(huán)境。
權利要求
1.一種傳導冷卻型高功率半導體激光器，包括散熱器和一個或者多個半導體激光器單元；其特征在于所述半導體激光器單元由芯片、與芯片焊接的起散熱導電作用的襯底、以及與襯底焊接的起絕緣散熱作用的絕緣片組成，半導體激光器單元通過絕緣片焊接在散熱器上。
2.根據(jù)權利要求1所述的傳導冷卻型高功率半導體激光器，其特征在于所述半導體激光器單元是經(jīng)過測試、老化、篩選后的半導體激光器單元。
3.根據(jù)權利要求1所述的傳導冷卻型高功率半導體激光器，其特征在于所述芯片為單管芯片、短陣列或者多個單管芯片組。
4.根據(jù)權利要求1所述的傳導冷卻型高功率半導體激光器，其特征在于所述襯底的材質為既具有導電性能并且熱導率高于170W/(m2 · K)的材料。
5.根據(jù)權利要求1所述的傳導冷卻型高功率半導體激光器，其特征在于所述絕緣片的熱導率高于120W/(m2 · K)。
6.根據(jù)權利要求1所述的傳導冷卻型高功率半導體激光器，其特征在于所述散熱器采用水冷、風冷或者電子制冷或者結合其中的兩種或兩種以上散熱方式的散熱結構。
7.根據(jù)權利要求6所述的傳導冷卻型高功率半導體激光器，其特征在于所述散熱器的個數(shù)為單個或多個。
8.制備如權利要求1所述的傳導冷卻高功率半導體激光器的方法，包括以下步驟(1)取單管芯片或短陣列安裝在具有散熱導電作用的襯底上，將襯底安裝在具有絕緣散熱作用的絕緣片上制成半導體激光器單元；(2)對半導體激光器單元進行測試、老化、篩選；(3)將篩選后合格的多個半導體激光器單元通過絕緣片安裝在散熱器上，制成傳導冷卻型高功率半導體激光器。
9.制備如權利要求1所述的傳導冷卻高功率半導體激光器的方法，包括以下步驟(1)由單管芯片或短陣列安裝在具有散熱導電作用的襯底上，將襯底安裝在具有絕緣散熱作用的絕緣片上制成半導體激光器單元；(2)對半導體激光器單元進行測試、老化、篩選；(3)將篩選后合格的多個半導體激光器單元焊接在一起，然后將焊接在一起的多個半導體激光器單元通過絕緣片焊接在散熱器上，制成傳導冷卻型高功率半導體激光器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種傳導冷卻型高功率半導體激光器及其制備方法，以解決現(xiàn)有技術中傳導冷卻型高功率半導體激光器散熱能力低、成品率低、可靠性低和長期壽命短等問題。該傳導冷卻型高功率半導體激光器包括散熱器和一個或者多個半導體激光器單元；所述半導體激光器單元由芯片、與芯片焊接的起散熱導電作用的襯底、以及與襯底焊接的起絕緣散熱作用的絕緣片組成，半導體激光器單元通過絕緣片焊接在散熱器上。本發(fā)明的半導體激光器單元可預先進行測試、老化、篩選，提高了激光器的成品率，大大節(jié)省了生產(chǎn)成本；本發(fā)明是將每個半導體激光器單元焊接在散熱器上，其散熱性好、可靠性高，適用于高溫等復雜多變的環(huán)境中使用。
文檔編號H01S5/024GK102570291SQ201110453400
公開日2012年7月11日 申請日期2011年12月20日 優(yōu)先權日2011年12月20日
發(fā)明者劉興勝, 王警衛(wèi) 申請人:西安炬光科技有限公司