一種低熱應力結構的高功率半導體激光器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種低熱應力結構的高功率半導體激光器，該結構的半導體激光器熱應力低，能夠適應復雜工作環(huán)境。該高功率半導體激光器主要包括依次層疊的四層結構，第一層是作為正極連接塊的熱沉，熱沉的安裝平面上設置有芯片安裝區(qū)和絕緣區(qū)，第二層包括半導體激光器芯片和絕緣片，半導體激光器芯片焊接于所述芯片安裝區(qū)，絕緣片安裝于所述絕緣區(qū)，第三層是起導電作用的電極連接層，第四層是負極連接塊；所述電極連接層中，與半導體激光器芯片焊接的部位為平面齒狀結構，用以降低電極連接層與芯片之間的熱應力，該部位與負極連接塊保持間隙，電極連接層的其他部位與負極連接塊焊接。
【專利說明】一種低熱應力結構的高功率半導體激光器
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種低應力的半導體激光器。
【背景技術】
[0002]半導體激光器封裝產生的應力嚴重制約著器件的輸出光功率、工作壽命和光譜特性，是造成高功率半導體激光器可靠性差的主要因素。
[0003]對于半導體激光器而言，產生熱應力的主要原因是半導體激光器芯片的正極面、負極面與相應的導電塊(通常以連接層或直接采用熱沉的形式)之間(接觸面)的熱膨脹系數(shù)不一致導致的。以正極面為例，為了良好的散熱，通常是將半導體激光器芯片正極面焊接到具有高導熱的金屬熱沉上。由于半導體激光器芯片和熱沉的熱膨脹系數(shù)不一致，溫度變化將導致熱應力的產生和激光器芯片的翹曲變形，若熱應力過大甚至會造成芯片與金屬熱沉之間的焊接層開裂，半導體激光器芯片斷裂等問題，嚴重影響半導體激光器的可靠性和壽命。例如芯片的熱膨脹系數(shù)為6.7ppm/K，熱沉選用金屬銅，金屬銅的熱膨脹系數(shù)17.8ppm/K,同樣長度芯片和銅，每變化TC，銅的長度變化將是芯片的2.7倍。如果金屬層與芯片表面是分離的，金屬連接層將會在芯片表面移動，且位移量較大。然而在一般情況下，金屬連接層是黏附或者焊接在芯片表面的，它不可能在芯片表面移動，但存在這種趨勢，所以在芯片和金屬連接層或者芯片與熱沉之間就會存在剪切應力。這個力可能會使芯片上附著的金屬層、產生滑移，造成金屬條間短路或開路，也可能會使芯片破裂影響半導體激光器的可靠性和壽命。
[0004]半導體激光器在復雜環(huán)境中工作時，從室溫到極端寒冷環(huán)境下的溫度循環(huán)過程，半導體激光器芯片與熱沉(接觸面)之間的熱膨脹系數(shù)的差異會產生很大的熱應力導致分層或者開裂。
[0005]此外，對于與半導體激光器芯片接觸的金屬層區(qū)域若為一整體區(qū)域(塊)，芯片與接觸的金屬區(qū)域通常通過焊料進行固定連接，焊料層通常是兩邊厚，中間薄會導致在激光器工作的過程中，半導體激光器芯片和與激光器芯片接觸的焊接層，以及半導體激光器芯片與金屬熱沉之間存在溫度差，整個半導體激光器芯片寬度內發(fā)光單元所遭受的非均勻熱應力將會造成波長分布不均，導致光譜展寬導致芯片產生較大的熱應力，造成激光波長漂移，以及出現(xiàn)寬的光譜及肩峰。
[0006]對于半導體激光器通常降低熱應力的方法有如下幾種:
[0007](I)選用與半導體激光器芯片熱膨脹系數(shù)較為接近的導熱材料，例如銅鎢，但是銅鎢材料的導熱性能比金屬銅低，導致選用銅鎢作為熱沉的半導體激光器整體的導熱性能較低。
[0008](2)在半導體激光器芯片與熱沉之間選用軟焊料進行焊接，例如選用銦金屬作為焊料，但銦在高電流下易產生電遷移和電熱遷移，這又極大地降低了半導體激光器的可靠性。
【發(fā)明內容】

[0009]為克服現(xiàn)有技術的缺點，本發(fā)明提供一種低熱應力結構的高功率半導體激光器，該結構的半導體激光器熱應力低，能夠適應復雜工作環(huán)境。
[0010]本發(fā)明的技術方案如下:
[0011]一種低熱應力結構的高功率半導體激光器，主要包括依次層疊的四層結構，第一層是作為正極連接塊的熱沉，熱沉的安裝平面上設置有芯片安裝區(qū)和絕緣區(qū)，第二層包括半導體激光器芯片和絕緣片，半導體激光器芯片焊接于所述芯片安裝區(qū)，絕緣片安裝于所述絕緣區(qū)，第三層是起導電作用的電極連接層，第四層是負極連接塊；
[0012]所述電極連接層中，與半導體激光器芯片焊接的部位為平面齒狀結構，用以降低電極連接層與芯片之間的熱應力，該部位與負極連接塊保持間隙，電極連接層的其他部位與負極連接塊焊接。
[0013]如上所述方案，主要解決了負極連接塊與半導體激光器芯片負極面焊接的熱膨脹系數(shù)匹配問題，較之于傳統(tǒng)方案，已取得了長足的進步。對于半導體激光器芯片正極面，仍可以采用在正極面直接焊接在熱沉薄片(熱膨脹系數(shù)與芯片相匹配)形成電連接的常規(guī)結構，也可以考慮本發(fā)明的以下更優(yōu)方案。
[0014]基于上述方案，本發(fā)明還進一步作如下優(yōu)化限定和改進:
[0015]對于芯片正極面與熱沉之間的焊接，本發(fā)明進一步給出兩個解決方案:
[0016]一、在熱沉的芯片安裝區(qū)上對應于半導體激光器芯片的位置設置有一熱沉連接層，該熱沉連接層采用金屬鑰。經分析和實驗，金屬鑰與芯片的熱膨脹特性最為匹配。
[0017]二、在熱沉的芯片安裝區(qū)上對應于半導體激光器芯片的位置設置有一熱沉連接層，該熱沉連接層由彼此保持間隙的多個小塊排布形成。
[0018]當然，第二種方案中熱沉連接層的小塊的材料優(yōu)選金屬鑰。
[0019]由于通常半導體激光器芯片的厚度小于絕緣片，因此本發(fā)明還進一步給出優(yōu)化的加工結構:靠近負極連接塊一側，半導體激光器芯片與絕緣片平面平齊；負極連接塊對應于所述平面齒狀結構的部位設置為臺階狀，使得該部位與負極連接塊保持間隙；所述熱沉連接層突起于熱沉平臺上，通過該熱沉連接層與半導體激光器芯片的正極面焊接。
[0020]當然，半導體激光器芯片與絕緣片也可以是另一側平面平齊，相應的，平面齒狀結構需要進行彎折以與半導體激光器芯片負極面焊接；那么熱沉連接層也無需突起于熱沉平臺上。甚至半導體激光器芯片與絕緣片兩側平面均無平齊也可，只是加工上或存在不便，穩(wěn)定性有限。
[0021]上述的平面齒狀結構優(yōu)選梳齒狀或者平面S形齒，當然也可以每個齒為不規(guī)則形態(tài)。梳齒狀或者平面S形齒，既便于加工，又能夠更準確地針對半導體激光器進行齒的尺寸設計和優(yōu)化。
[0022]經分析和實驗論證，上述電極連接層與半導體激光器芯片接觸的每個齒的寬度最
好大于;齒的數(shù)量至少為兩個； nII\cp{Tm-T0)
[0023]其中，I為半導體激光器芯片工作電流；P。為電極連接層的電阻率；t為工作時間；(:為電極連接層比熱容；P為電極連接層密度；Tm為電極連接層與半導體激光器芯片之間的焊料的熔融溫度Jtl為室溫出為與芯片接觸的電極連接層的齒厚度；n為齒的數(shù)量。[0024]基于本發(fā)明的平面齒狀結構的設計，上述電極連接層可以采用銅、銀或金材質。優(yōu)選銅，并在電極連接層與半導體激光器芯片的接觸表面鍍金。
[0025]上述絕緣層的材料優(yōu)選陶瓷或金剛石，厚度為0.2 - 0.5mm。
[0026]上述的熱沉優(yōu)選銅或者銅鶴。
[0027]本發(fā)明具有如下優(yōu)點:
[0028]本發(fā)明的低應力結構的高功率半導體激光器可靠性高，壽命長，光譜窄，可在復雜環(huán)境下進行工作。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0029]圖1為本發(fā)明的結構示意圖。
[0030]圖2為一種電極連接層的示意圖(與半導體激光器芯片焊接的部位為平面S形齒狀結構)。
[0031]圖3為另一種電極連接層的示意圖(與半導體激光器芯片焊接的部位為梳齒狀結構)。
[0032]圖4為梳齒狀結構每一個齒的尺寸定義。
[0033]附圖標號說明:
[0034]1-半導體激光器芯片；2 -熱沉；3 -電極連接層；4 -絕緣層；5 -負極連接塊；6 -齒-熱沉連接層；W -齒寬度；H -齒厚度；L -齒長度。
【具體實施方式】
[0035]本發(fā)明的高功率半導體激光器，主要包括依次層疊的四層結構，第一層是作為正極連接塊的熱沉，熱沉的安裝平面上設置有芯片安裝區(qū)和絕緣區(qū)，第二層包括半導體激光器芯片和絕緣片，半導體激光器芯片焊接于所述芯片安裝區(qū)，絕緣片安裝于所述絕緣區(qū)，第三層是電極連接層，第四層是負極連接塊。
[0036]如果電極連接層與半導體激光器芯片整體焊接，則與半導體激光器芯片接觸的面積較大，半導體激光器芯片與接觸的電極連接薄層區(qū)域通過焊料進行固定連接，焊料層通常是兩邊厚，中間薄，會存在溫差導致半導體激光器芯片受到的熱應力較大，同時因為半導體激光器芯片整個面積與電極連接層接觸，接觸面積大，導致電極連接層與半導體激光器芯片接觸的區(qū)域的應變較大，對半導體激光器芯片熱應力會大。
[0037]因此，本發(fā)明考慮半導體激光器芯片及絕緣片上方的電極連接層主要起導電的作用。由于對芯片焊接面作了平面齒狀結構的設計，可以允許一定范圍的熱膨脹系數(shù)的差異，以利于散熱。
[0038]電極連接層的熱膨脹系數(shù)比半導體激光器芯片的熱膨脹系數(shù)大，但是電極連接層與半導體激光器芯片的接觸區(qū)域設置為梳齒狀或者平面S齒狀，使得電極連接層與半導體激光器芯片的接觸部位分割成多個小的單元，每個小單元與芯片的接觸面積小，應變較小，對芯片熱應力顯著降低。
[0039]進一步考慮，每個齒的寬度不能太寬也不能太窄。如果齒狀的寬度太寬，對于半導體激光器芯片的熱應力降低不多，達不到效果；如果齒狀的寬度太窄，如做成細絲狀，可以很大程度降低熱應力，但不能承受較大的電流，若電流過大窄的齒狀發(fā)出的熱量將會使焊料熔化導致半導體激光器的整體可靠性降低。
[0040]電極連接層與半導體激光器芯片接觸的每個齒的寬度最好大于
【權利要求】
1.一種低熱應力結構的高功率半導體激光器，其特征在于:主要包括依次層疊的四層結構，第一層是作為正極連接塊的熱沉，熱沉的安裝平面上設置有芯片安裝區(qū)和絕緣區(qū)，第二層包括半導體激光器芯片和絕緣片，半導體激光器芯片焊接于所述芯片安裝區(qū)，絕緣片安裝于所述絕緣區(qū)，第三層是起導電作用的電極連接層，第四層是負極連接塊； 所述電極連接層中，與半導體激光器芯片焊接的部位為平面齒狀結構，用以降低電極連接層與芯片之間的熱應力，該部位與負極連接塊保持間隙，電極連接層的其他部位與負極連接塊焊接。
2.根據(jù)權利要求1所述的低熱應力結構的高功率半導體激光器，其特征在于:在熱沉的芯片安裝區(qū)上對應于半導體激光器芯片的位置設置有一熱沉連接層，該熱沉連接層采用金屬鑰。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的低熱應力結構的高功率半導體激光器，其特征在于:在熱沉的芯片安裝區(qū)上對應于半導體激光器芯片的位置設置有一熱沉連接層，該熱沉連接層由彼此保持間隙的多個小塊排布形成。
4.根據(jù)權利要求3所述的低熱應力結構的高功率半導體激光器，其特征在于:靠近負極連接塊一側，半導體激光器芯片與絕緣片平面平齊；負極連接塊對應于所述平面齒狀結構的部位設置為臺階狀，使得該部位與負極連接塊保持間隙；所述熱沉連接層突起于熱沉平臺上，通過該熱沉連接層與半導體激光器芯片的正極面焊接。
5.根據(jù)權利要求3所述的低熱應力結構的高功率半導體激光器，其特征在于:所述平面齒狀結構為梳齒狀或者平面S形齒。
6.根據(jù)權利要求3所述的低熱應力結構的高功率半導體激光器，其特征在于:電極連接層與半導體激光器芯片接觸的每個齒的寬度大于士 J ,^t τ、齒的數(shù)量至少為兩


nil cP(Tm-T )個； 其中，I為半導體激光器芯片工作電流；P。為電極連接層的電阻率；t為工作時間；c為電極連接層比熱容；P為電極連接層密度；Tm為電極連接層與半導體激光器芯片之間的焊料的熔融溫度Jtl為室溫；H為與芯片接觸的電極連接層的齒厚度；n為齒的數(shù)量。
7.根據(jù)權利要求3所述的低熱應力結構的高功率半導體激光器，其特征在于:所述電極連接層為銅、銀或金。
8.根據(jù)權利要求7所述的低熱應力結構的高功率半導體激光器，其特征在于:所述電極連接層為銅，在電極連接層與半導體激光器芯片的接觸表面鍍金。
9.根據(jù)權利要求3所述的低熱應力結構的高功率半導體激光器，其特征在于:所述絕緣層的材料為陶瓷或金剛石，厚度為0.2 - 0.5mm。
10.根據(jù)權利要求3所述的低熱應力結構的高功率半導體激光器，其特征在于:所述的熱沉為銅或者銅鶴。
【文檔編號】H01S5/042GK103715600SQ201310738638
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年12月25日 優(yōu)先權日:2013年12月25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