專利名稱：一種可替換芯片的水平陣列大功率半導(dǎo)體激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于激光器制造領(lǐng)域，涉及一種半導(dǎo)體激光器，尤其是一種可替換芯 片的水平陣列大功率半導(dǎo)體激光器。
背景技術(shù)：
隨著半導(dǎo)體激光器輸出功率、轉(zhuǎn)換效率和性能穩(wěn)定性的不斷提高，大功率半導(dǎo)體 激光器在工業(yè)，醫(yī)療和軍事中的應(yīng)用更加廣泛，市場需求巨大，發(fā)展前景更加廣闊。目前，大 功率半導(dǎo)體激光器所面臨的主要問題仍然是激光器的輸出光功率、轉(zhuǎn)換效率、可靠性、性能 穩(wěn)定性差以及成本較高等問題，這些不足嚴重制約了它的應(yīng)用空間。激光器的性能除與芯 片有關(guān)外，還跟激光器的散熱和封裝有關(guān)。為了提高激光器的可靠性和性能穩(wěn)定性，降低生 產(chǎn)成本，設(shè)計高質(zhì)量的高效散熱結(jié)構(gòu)是必須的。這也對簡單、高效和低成本的封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計 和制造提出了更高的要求。目前，水平陣列大功率半導(dǎo)體激光器已經(jīng)有商業(yè)化產(chǎn)品出現(xiàn)。但是現(xiàn)有產(chǎn)品仍存 在以下幾方面的缺陷1)散熱能力差對于傳導(dǎo)冷卻型大功率半導(dǎo)體激光器陣列(E.Deichsel ； D. Schroder； J. Meusel, etc. , High Reliable qcw Laser Bars andStacks, Proceedings of SPIE，2008. 6876 (68760K))，該激光器發(fā)出的光是豎直向上的。多個巴條之間的距離非 常近，在高重頻模式下工作時會產(chǎn)生較多的熱量，這些熱量僅依靠兩側(cè)的金屬熱沉導(dǎo)出，散 熱路徑比較長，很容易導(dǎo)致芯片內(nèi)的有源區(qū)產(chǎn)生熱集中，使激光器的熱變得不均勻，最終導(dǎo) 致激光器的波長漂移，光譜展寬，性能穩(wěn)定性下降，可靠性差、使用壽命縮短。而且，多個巴 條要在水平方向使發(fā)光面處于同一水平位置，制作難度很大。2)可替換性差對于傳導(dǎo)冷卻型大功率半導(dǎo)體激光器陣列和液體制冷水平陣 列大功率半導(dǎo)體激光器陣列(一種大功率半導(dǎo)體激光器，中國實用新型專利，公開號 CN101071933，
公開日期2007年11月14日)，由于水平陣列結(jié)構(gòu)是由多個巴條焊接在一起 的，一旦一個巴條燒毀、短路或者不能正常工作就直接影響到整個激光器的輸出功率和輸 出光束，因此不能夠替換。同時，陣列中未損壞的巴條也會隨之浪費掉，因此，制造成本非常 尚ο3)無法對每個芯片進行單獨老化由于已有水平陣列產(chǎn)品采用多個巴條直接一 次回流成型的方法制成，因此組裝前無法對每個芯片進行單獨老化，只能組裝好之后對整 個器件進行整體老化。這樣，若其中某一個或幾個巴條燒毀、短路或者不能正常工作，整個 器件也將全部失效。4)芯片數(shù)有限制由于已有專利產(chǎn)品采用多個巴條一次回流成型的方法制成，因 此在生產(chǎn)時芯片數(shù)量不能太大，否則很難保證安裝精度和發(fā)光的一致性，所以芯片數(shù)量通 常控制在3-4以內(nèi)，這就限制了水平陣列半導(dǎo)體激光器的功率擴展。5)成本高由于已有水平陣列產(chǎn)品采用多個巴條一次回流成型的方法制成，若整 體老化中某一個或幾個巴條燒毀、短路或者不能正常工作，整個器件就無法工作。因此激光器的制造成本很高。6)使用壽命短在激光器工作的過程中，現(xiàn)有水平陣列產(chǎn)品產(chǎn)生的熱量散熱效果 不高，易使激光器產(chǎn)生比較嚴重的熱集中，導(dǎo)致激光器輸出波長發(fā)生漂移、光譜展寬、性能 穩(wěn)定性下降，最終導(dǎo)致激光器的可靠性和使用壽命短。

實用新型內(nèi)容本實用新型的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，提供一種可替換芯片的水平陣 列大功率半導(dǎo)體激光器，這種半導(dǎo)體激光器由多個獨立的芯片安裝組件組成，多個芯片安 裝組件共用一個制冷器，且各芯片安裝組件之間的散熱不會互相影響。本實用新型的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的這種可替換芯片的水平陣列大功率半導(dǎo)體激光器，包括內(nèi)設(shè)有液體通道的制冷 器，所述制冷器的上端面是水平安裝面，水平安裝面上有多個相互平行且獨立的激光器芯 片安裝組件，所述激光器芯片安裝組件由芯片以及自下而上依次層疊固定的下絕緣片、正 極熱沉、上絕緣片、芯片負極連接片和電極連接片組成，所述芯片的正極面與正極熱沉連 接，芯片的負極面與電極連接片連接；所述多個激光器芯片安裝組件的上端設(shè)有固定板，所 述固定板將多個激光器芯片安裝組件連接為一體。上述制冷器為條狀塊體，制冷器的內(nèi)部軸向開設(shè)有一條或者多條液體通道。上述液體通道的橫截面形狀為矩形、圓形或橢圓形。上述制冷器由導(dǎo)熱率高的材料制成。上述制冷器由銅、鋁或銅鎢合金材質(zhì)制成。上述制冷器的水平安裝面上垂直設(shè)有多組螺孔，所述下絕緣片、正極熱沉、上絕緣 片、芯片負極連接片和電極連接片上均相應(yīng)設(shè)有通孔，固定板上對應(yīng)設(shè)有固定孔，固定孔上 有螺栓穿過；多個激光器芯片安裝組件通過螺栓、固定孔、各部件上的通孔以及水平安裝面 的螺孔的配合固定于水平安裝面上。上述的正極熱沉為銅、銅鎢合金或者陶瓷材質(zhì)。以上所述激光器芯片安裝組件的上的電極連接片由兩片銅片拼合組成，相鄰激光 器芯片安裝組件上的電極連接片相互連接，處于兩外側(cè)的激光器芯片安裝組件上的電極連 接片上垂直設(shè)有引出電極；所述固定板的兩端設(shè)有電極卡槽。上述固定板為絕緣材質(zhì)。本實用新型具體有以下幾點有益效果(1)可替換性強由于采用每個芯片單獨封裝然后組裝的制造工藝，每個激光器 互相獨立，并可在損壞的條件下迅速被替換掉，因此不會直接影響到其他激光器的正常工 作。(2)可修復(fù)性強由于本實用新型的各獨立發(fā)光的激光器芯片安裝組件相互獨 立，可在損壞時被單獨替換，所以修復(fù)性強，這樣可使整體的使用成本降低。(3)激光的輸出波長可選擇性強由于本實用新型在制備過程中，可對各個獨立 的半導(dǎo)體激光器芯片進行單獨的老化和測試，所以可進行波長的選擇，從而提高激光器的 波長一致性。(4)散熱能力強本實用新型采用液體制冷的主動散熱方式，芯片距離制冷器之間的間距小，這可大大提高陣列的散熱能力，可使激光器的功率大大擴展，滿足側(cè)泵和特殊 用途對大功率的要求。

圖1為本實用新型的結(jié)構(gòu)拆解示意圖；圖2為本實用新型的完整裝配示意圖。其中1為制冷器；2為下絕緣片；3為正極熱沉；4為芯片；5為上絕緣片；6為芯片 負極連接片；7為電極連接片；8為引出電極；9為固定孔；10為制冷器出水口 ；11為制冷器 進水口 ；12為電極卡槽；13為固定板；14為水平安裝面；15為螺孔。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖對本實用新型做進一步詳細描述參見圖1，本實用新型的可替換芯片的水平陣列大功率半導(dǎo)體激光器，包括一個制 成條狀塊體的制冷器1，制冷器1的內(nèi)部軸向開設(shè)有一條或者多條相互平行的液體通道，液 體通道在制冷器1的兩端分別設(shè)有制冷器進水口 11和制冷器出水口 10，液體通道的橫截面 形狀為矩形、圓形或橢圓形。當制冷器1內(nèi)部設(shè)有多條液體通道時，多條液體通道也可以公 用一組進出水口，也可以分別在制冷器1的兩端設(shè)置多組進出水口。為了提高散熱效果，該 制冷器1由導(dǎo)熱率高的材料制成，如銅、鋁或者銅鎢合金等材質(zhì)。制冷器1上端面是水平安 裝面14，水平安裝面14上陣列排布有多個相互平行且獨立的激光器芯片安裝組件(圖中是 具有三個激光器芯片安裝組件情況)，其中激光器芯片安裝組件由用于激光器的芯片4以 及自下而上依次層疊固定的下絕緣片2、正極熱沉3、上絕緣片5、芯片負極連接片6和電極 連接片7組成，芯片4的正極面與正極熱沉3連接，芯片4的負極面、電極連接片7和引出 電極8連接。多個陣列的激光器芯片安裝組件上端共同設(shè)有一個固定板13。制冷器1的 水平安裝面14上垂直設(shè)有多組螺孔15，下絕緣片2、正極熱沉3、上絕緣片5、芯片負極連接 片6、電極連接片7、引出電極8和固定板13上均相應(yīng)設(shè)有通孔，固定板13上對應(yīng)設(shè)有固定 孔9，固定孔9上有螺栓穿過，多個激光器芯片安裝組件通過螺栓、固定孔9、各部件上的通 孔以及水平安裝面14的螺孔15的配合固定于水平安裝面14上。從而可以通過固定板13 和螺栓將多個激光器芯片安裝組件連接為一體。上述正極熱沉3可以設(shè)置為圖示具有臺階 的片狀結(jié)構(gòu)以補償由于芯片4和上絕緣片5的厚度不同造成的厚度差，當芯片4和上絕緣 片5是相同厚度時，正極熱沉3設(shè)置為沒有臺階的片狀結(jié)構(gòu)，該正極熱沉3采用銅、銅鎢合 金或者陶瓷材質(zhì)。如圖1和圖2，激光器芯片安裝組件上的電極連接片7由兩片銅片拼合組成，相鄰 激光器芯片安裝組件上的電極連接片7相互連接，處于兩外側(cè)的激光器芯片安裝組件上電 極連接片7上垂直設(shè)有引出電極8 ；固定板13的兩端設(shè)有電極卡槽12。當固定板13安裝 時，引出電極8從電極卡槽12穿過，伸出到固定板13的上方兩端，固定板13由透明絕緣材 質(zhì)制作，便于觀察各激光器芯片安裝組件的狀態(tài)。本實用新型的制造方法具體如下1)加工如圖1所示的正極熱沉3 ；2)在正極熱沉3貼芯片的上側(cè)面鍍金屬膜，采用貼片工藝或者回流工藝將芯片4貼裝在正極熱沉3的上側(cè)面上；3)對每個貼片好的芯片4進行單獨測試，對每個測試合格的芯片4分別進行48小 時老化；老化后再進行一次測試；4)在測試合格的芯片4中，根據(jù)熱模擬的結(jié)果進行匹配，選擇波長匹配的芯片4， 采用貼片工藝或者回流工藝，將電極連接片7、芯片負極連接片6、上絕緣片5、正極熱沉3、 下絕緣片2和制冷器1焊接在一起，實現(xiàn)芯片4和電極連接片7、正極熱沉3的互聯(lián)，形成緊 固電連接的激光器芯片安裝組件；5)并排設(shè)置多組激光器芯片安裝組件，將多組(本實用新型以3個激光器為例) 激光器芯片安裝組件對應(yīng)放置在制冷器1的水平安裝面14上；6)將固定板13放置在整個激光器芯片安裝組件陣列上面；7)最后利用螺栓將制冷器1、下絕緣片2、正極熱沉3、芯片4、上絕緣片5、芯片負 極連接片6、電極連接片7、引出電極8和固定板13連接在一起，形成緊固的電連接；制成 IXN水平陣列大功率半導(dǎo)體激光器(N> 1)。本實用新型的工作原理如下以圖1和圖2所示的具有三個激光器芯片安裝組件的水平陣列大功率半導(dǎo)體激光 器結(jié)構(gòu)圖為例，連接在制冷器ι上的每個激光器芯片安裝組件上的芯片4(即p-n結(jié)半導(dǎo)體 材料)通過電極連接片7和引出電極8與電源接通，芯片4就將電能轉(zhuǎn)換成光能，以激光的 形式發(fā)射出來。激光器工作時產(chǎn)生的熱量通過正極熱沉3垂直向下傳導(dǎo)至下絕緣片2，這些 熱量再從下絕緣片2傳導(dǎo)至最底層的制冷器1的水平安裝面14上，這些熱量通過制冷器1 來散熱，流過制冷器1的冷卻液由制冷器進水口 11進入制冷器1內(nèi)的液體通道，然后由制 冷器出水口 10流出，冷卻液將芯片4工作時發(fā)出的熱量帶出。本實用新型以多個獨立的大功率半導(dǎo)體激光器芯片(巴條)為核心，在水平方向 排列成激光器芯片安裝組件陣列，多個激光器芯片安裝組件共用一個制冷器，可以提高散 熱能力，增加激光器的輸出光功率，減小熱阻，在外加準直系統(tǒng)的條件下可大大提高激光光
束質(zhì)量。
權(quán)利要求1.一種可替換芯片的水平陣列大功率半導(dǎo)體激光器，包括內(nèi)設(shè)有液體通道的制冷器 (1)，其特征在于所述制冷器(1)的上端面是水平安裝面(14)，水平安裝面(14)上有多個 相互平行且獨立的激光器芯片安裝組件，所述激光器芯片安裝組件由芯片以及自下而 上依次層疊固定的下絕緣片O)、正極熱沉(3)、上絕緣片(5)、芯片負極連接片(6)和電極 連接片(7)組成，所述芯片⑷的正極面與正極熱沉(3)連接，芯片⑷的負極面與電極連 接片(7)連接；所述多個激光器芯片安裝組件的上端設(shè)有固定板(13)，所述固定板(13)將 多個激光器芯片安裝組件連接為一體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可替換芯片的水平陣列大功率半導(dǎo)體激光器，其特征在于 所述制冷器(1)為條狀塊體，制冷器(1)的內(nèi)部軸向開設(shè)有一條或者多條液體通道。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的可替換芯片的水平陣列大功率半導(dǎo)體激光器，其特征在于 所述液體通道的橫截面形狀為矩形、圓形或橢圓形。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可替換芯片的水平陣列大功率半導(dǎo)體激光器，其特征在于 所述制冷器(1)由導(dǎo)熱率高的材料制成。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的可替換芯片的水平陣列大功率半導(dǎo)體激光器，其特征在于 所述制冷器(1)由銅、鋁或銅鎢合金材質(zhì)制成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可替換芯片的水平陣列大功率半導(dǎo)體激光器，其特征在于 所述制冷器(1)的水平安裝面(14)上垂直設(shè)有多組螺孔(15)，所述下絕緣片O)、正極熱 沉(3)、上絕緣片(5)、芯片負極連接片(6)和電極連接片(7)上均相應(yīng)設(shè)有通孔，固定板 (13)上對應(yīng)設(shè)有固定孔(9)，固定孔(9)上有螺栓穿過；多個激光器芯片安裝組件通過螺 栓、固定孔(9)、各部件上的通孔以及水平安裝面(14)的螺孔(15)的配合固定于水平安裝 面(14)上。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可替換芯片的水平陣列大功率半導(dǎo)體激光器，其特征在于 所述的正極熱沉C3)為銅、銅鎢合金或者陶瓷材質(zhì)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可替換芯片的水平陣列大功率半導(dǎo)體激光器，其特征在于 激光器芯片安裝組件的上的電極連接片(7)由兩片銅片拼合組成，相鄰激光器芯片安裝組 件上的電極連接片(7)相互連接，處于兩外側(cè)的激光器芯片安裝組件上的電極連接片(7) 上垂直設(shè)有引出電極⑶；所述固定板(13)的兩端設(shè)有電極卡槽(12)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可替換芯片的水平陣列大功率半導(dǎo)體激光器，其特征在于 所述固定板(1 為絕緣材質(zhì)。
專利摘要本實用新型公開了一種可替換芯片的水平陣列大功率半導(dǎo)體激光器，包括內(nèi)設(shè)有液體通道的制冷器，制冷器的上端面是水平安裝面，水平安裝面上有多個相互平行且獨立的激光器芯片安裝組件，激光器芯片安裝組件由芯片以及自下而上依次層疊固定的下絕緣片、正極熱沉、上絕緣片、芯片負極連接片和電極連接片組成，芯片的正極面與正極熱沉連接，芯片的負極面與電極連接片連接；多個激光器芯片安裝組件的上端設(shè)有固定板。本實用新型以多個獨立激光器芯片(巴條)為核心，在水平方向排列成激光器芯片安裝組件陣列，多個激光器芯片安裝組件共用一個制冷器，可以降低熱阻提高散熱能力，增加激光器的輸出光功率，在外加準直系統(tǒng)的條件下可大大提高激光光束質(zhì)量。
文檔編號H01S5/40GK201927886SQ20102022330
公開日2011年8月10日 申請日期2010年6月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月11日
發(fā)明者劉興勝, 宗恒軍, 張艷春, 張路, 李鋒, 楊培彬, 梁雪杰, 袁振邦 申請人:西安炬光科技有限公司