專利名稱：一種雙向制冷式半導體激光器的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于激光器制造領域，涉及一種半導體激光器，尤其是一種雙向制冷 式半導體激光器。
背景技術：
半導體激光器又稱激光二極管(LD)。進入八十年代，人們吸收了半導體物理發(fā)展 的最新成果，采用了量子阱(QW)和應變量子阱(SL-QW)等新穎性結構，引進了折射率調制 Bragg發(fā)射器以及增強調制Bragg發(fā)射器最新技術，同時還發(fā)展了 MBE、MOCVD及CBE等晶 體生長技術新工藝，使得新的外延生長工藝能夠精確地控制晶體生長，達到原子層厚度的 精度，生長出優(yōu)質量子阱以及應變量子阱材料。于是，制作出的LD，其閾值電流顯著下降，轉 換效率大幅度提高，輸出功率成倍增長，使用壽命也明顯加長。隨著半導體激光器的性能穩(wěn)定性不斷改善、轉換效率和輸出功率不斷提高，半導 體激光器在激光通信、光存儲、光陀螺、激光打印、測距以及雷達等方面的應用更加廣泛，市 場需求巨大，發(fā)展前景更加廣闊。目前，雖然半導體激光器技術已經(jīng)有了長足的發(fā)展，但是由于當今科技的快速發(fā) 展，使得各應用領域對半導體激光器的性能要求更加苛刻。半導體激光器不僅是一個光源，同時也是一個熱源，其中電功率的40%轉換成光 功率，另外60%的電功率就以熱功率的形式散發(fā)出來，所以半導體激光器所面臨的主要問 題仍然是激光器的輸出光功率和轉換效率偏低，性能穩(wěn)定性差以及成本較高等，這些不足 嚴重制約了它的應用空間。激光器的性能除了與芯片有關外，還跟激光器的散熱和封裝有 關。為了提高激光器的可靠性和性能穩(wěn)定性，降低生產成本，設計高可靠性的封裝結構和高 效的散熱結構是必須的。這也對封裝結構的設計和制造提出了更高的要求，要求其具有更 加簡單、高效和低成本的特點?，F(xiàn)有技術中，功率電子器件的封裝形式中熱傳導冷卻型為單面熱傳導冷卻型 (”Two-dimensional high-power laser diode arrays cooled by Funryu heat sink，，· SPIE, vol. 889,66-70(2000)) 以大功率半導體激光器為例，說明這這種封裝形式。對于大 塊熱沉而言，容易產生器件溫度上升，這將導致器件的壽命和可靠性下降等問題的產生。因 此，用這種封裝形式的器件，其輸出功率一般只有幾瓦到幾十瓦，要想進一步擴展功率電子 器件的功率就十分困難。另一種現(xiàn)在已經(jīng)商業(yè)化生產的微通道液體制冷器結構。雖然其采用主動散熱，散 熱能力增強，使器件的功率得到很大的提高，但仍存在以下缺點1.使用和維護成本高由于該制冷器的冷卻液與電子器件正負極直接接觸，因此 在工作時必須使用高質量的去離子水作為冷卻介質，以防止正負極導通。去離子水成本高， 并且在使用時必須保持去離子水的低電導率，因此使用和維護成本很高。2.加工難度大微通道液體制冷器通常是由幾層很薄的銅片層疊加工成型，內部 的微通道大約為300微米，在制造過程中，需要對每一層銅片進行精確的加工，以使層疊后的微通道在液體流過時形成散熱能力強的湍流。因此，微通道制冷器的精確加工是一個難點。3.制造成本高由于微通道制冷器的精密加工難度相當大，其制造成本也是非常高的。4.使用壽命短在功率電子器件的工作過程中，若冷卻介質中存在雜質時，這些 雜質很容易附著在微通道內壁上。這些雜質顆粒會引起微通道管壁的電化學腐蝕，嚴重時 可能將微通道制冷器的管壁蝕穿，對器件的安全性造成極大地影響。這些都嚴重影響到功 率電子器件的使用壽命。5.密封要求高由于微通道制冷器中冷卻介質的流動空間非常狹小，因此容易產 生多余的壓力降，導致器件失效。綜上所述，單面熱傳導冷卻型和微通道液體制冷型這兩種封裝形式都不能夠完全 滿足大功率半導體激光器的要求。

實用新型內容本實用新型的目的在于克服上述現(xiàn)有技術的缺點，提供一種雙向制冷式半導體激 光器，該種集光器通過合理的結構設計，具有散熱性高，熱應力小的特點，并有效降低其制 造和使用成本。本實用新型的目的是通過以下技術方案來解決的這種雙向制冷式半導體激光器，包括正極片、負極片以及夾在正極片和負極片之 間的芯片，所述芯片與正極片或負極片之間設有一層熱應力消減層。本實用新型提供的一種較佳實施中，芯片的正極面與所述正極片貼合連接，所述 芯片的負極面與負極片之間設有熱應力消減層。上述熱應力消減層由一層均勻分布的焊熘突起構成。上述焊熘突起的形狀為球形、半球形、橢球形或者其他形狀；所述焊熘突起由高導 熱率材料制成。上述正極片表面進行可焊接處理。 上述正極片和負極片的由高導熱率材料制成。上述芯片為單發(fā)光單元芯片、多發(fā)光單元芯片或者由多個單發(fā)光單元芯片連接組 成。進一步，以上所述熱應力消減層是一層具有多條縫隙的傳熱介質層。本實用新型具有以下優(yōu)點(1)散熱性高，激光輸出功率高。本實用新型中芯片正負極均連接有正負極片作為 散熱塊，因此散熱能力大大增強，這種增加了散熱能力的結構，可顯著提高激光輸出的功率 而不用擔心散熱的問題；(2)降低熱應力。本實用新型中使芯片的一側或兩側面與熱應力消減層接觸，然后 再連接熱沉(即正負極片)，大大降低了熱應力；(3)壽命長、可靠性高。本實用新型的雙向制冷大功率半導體激光器由于在熱沉材 料上連接了熱應力消減層，可有效延長激光器的使用壽命，提高激光器的可靠性和穩(wěn)定性， 并且本實用新型的激光器在結構上還具有體型小巧的優(yōu)點。
圖1為本實用新型具有單層的結構示意圖；圖2為本實用新型的拆解示意圖；圖3為本實用新型的熱應力消減層不同結構示意圖；圖4為本實用新型中具有雙層熱應力消減層的結構示意圖。其中1為正極片；2為芯片；3為焊鎦突起；4負極片
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型做進一步詳細描述參見附圖，本實用新型的雙向制冷式半導體激光器，包括正極片1、負極片4以及 夾在正極片1和負極片4之間的芯片2，芯片2與正極片1或負極片4之間設有一層熱應力 消減層。本實用新型為了減小芯片2與其接觸的散熱部件之間的膨脹應力，在芯片2的一 側或兩側面設置有與正極片1或負極片4連接的熱應力消減層。該熱應力消減層由一層均 勻分布的焊熘突起3構成，如圖3，焊熘突起3的形狀可以為球形(如圖1)、半球形或橢球 形(如圖3c)，也可以是其他不規(guī)則或規(guī)則的形狀(如圖3d)，如條形突起(如圖3b)，矩形 突起(如圖3a)；由于熱應力消減層直接與芯片2接觸，所以焊熘突起3需要由高導熱率材 料制成，如可以采用金錫合金或銦制備。且焊熘突起3的直徑大小控制在100-200um。為了提高散熱性能，正級支撐塊1的材質選擇金屬銅、銅鎢合金或者其他高導熱 率材料。負極片4的材質同樣可以選擇金屬銅、銅鎢合金或者其他高導熱率材料。芯片2 可以是單發(fā)光芯片、多發(fā)光芯片或者多個單發(fā)光芯片連接組成。在本實用新型的較佳實施 例中，可以采用多個單發(fā)光芯片并聯(lián)的方式形成功率較大的芯片2。本實用新型的熱應力消減層也可以是一層具有多條縫隙的傳熱介質層。本實用新型提出的雙向制冷式半導體激光器包括有以下兩種不同的結構形式(1)參見圖1或圖2，該結構芯片2的正極面與正極片1貼合連接，首先正極片1 表面鍍金，芯片2焊接在正極片1的鍍金層上。芯片2的負極面與負極片4之間設置熱應 力消減層。(2)參見圖4，該結構在芯片2的兩側面都設置有熱應力消減層，熱應力消減層實 際上是分別與正極片1和負極片4相連接的，可以直接固化在正負極片1、4上。以下分別介紹本實用新型的幾種制備方法一、本實用新型的第一種雙向制冷大功率半導體激光器的制備方法包括以下步 驟1)首先采用高導熱率材料制備正極片1、負極片4 ；將正極片1和負極銅支撐塊4 用有機溶液和去離子水清洗干凈，烘干；2)在正極片上鍍金，金層厚度控制在2-5微米，將鍍金后的正極片放入氮氣柜中 儲存；3)在負極片4的一面均勻設置焊熘突起3，以形成熱應力消減層；4)將芯片2的負極面貼在焊熘突起3形成的熱應力消減層上；[0047]5)將芯片2的正極面焊接在正極片1上，制成雙向制冷式半導體激光器。二、本實用新型的第二種雙向制冷大功率半導體激光器的制備方法包括以下步驟1)首先采用高導熱率材料制備正極片和負極片；2)正極片和負極片表面進行可焊接處理；3)正極片的一面均勻設置突起以形成熱應力消減層；4)將芯片的正極面貼在熱應力消減層上；5)將芯片的負極面焊接在負極片上，制成雙向制冷式半導體激光器。三、本實用新型的第三種雙向制冷大功率半導體激光器的制備方法包括以下步 驟1)首先采用高導熱率材料制備正極片和負極片；2)正極片和負極片進行可焊接處理；3)在芯片的一面或者兩面均勻設置突起以形成熱應力消減層；4)將設置有熱應力消減層的芯片焊接在正極片和負極片上。四、本實用新型的第四種雙向制冷大功率半導體激光器的制備方法包括以下步 驟1)首先采用高導熱率材料制備正極片和負極片；2)正極片和負極片表面進行可焊接處理；3)在正極片一面和負極片的一面均勻設置突起以形成熱應力消減層；4)將芯片的正極焊接在正極片設置有熱應力消減層的一面，將芯片的負極焊接在 負極片設置有熱應力消減層的一面。本實用新型的雙向制冷器工作過程如下芯片2的p-n結半導體材料被加上正向偏壓，ρ區(qū)接正極片，η區(qū)接負極片，正向電 壓的電場與ρ-η結的自建電場方向相反，它削弱了自建電場對晶體中電子擴散運動的阻礙 作用，使η區(qū)中的自由電子在正向電壓的作用下不間斷地通過ρ-η結向ρ區(qū)擴散，同時在結 區(qū)內存在大量導帶中的電子和價帶中的空穴時，它們將在注入?yún)^(qū)產生復合，當導帶中的電 子躍遷到價帶時，多余的能量就以光的形式發(fā)射出來，半導體激光器工作時芯片2發(fā)出的 熱量傳到正極片1上，還可以穿過焊鎦突起3到負極銅支撐塊4上，由正負極銅支撐塊將熱 量散去同時降低熱應力。實施例根據(jù)本實用新型的雙向制冷大功率半導體激光器結構及其制備方法，制作出了 808nm單芯片大功率半導體激光器，即這種半導體激光器發(fā)出的光的波長是808nm，其結構 也如圖1所示，并且此激光器在連續(xù)波工作下輸出光功率達到12W。為了保障808nm單芯片 大功率半導體激光器的高可靠性，規(guī)定其工作在6瓦條件下。此時，激光器的典型的電光轉 換效率為41. 20%，最大電光轉換效率為42. 40%,綜上所述，本實用新型的雙向制冷式半導體激光器采用雙面散熱結構，芯片正負 極均連接散熱塊，芯片通過焊熘突起形成的熱應力消減層與正極或負極片連接，因此散熱 能力大大增強的同時熱應力降級，這種增加了散熱能力的結構，可顯著提高激光輸出的功 率而不用擔心熱應力的問題，本實用新型主要應用于大功率半導體激光器，功率十幾瓦到 幾十瓦。
權利要求1.一種雙向制冷式半導體激光器，其特征在于包括正極片(1)、負極片(4)以及夾在 正極片⑴和負極片⑷之間的芯片(2)，所述芯片⑵與正極片⑴或負極片⑷之間設 有一層熱應力消減層。
2.根據(jù)權利要求1所述的雙向制冷式半導體激光器，其特征在于所述芯片(2)的正 極面與所述正極片(1)貼合連接，所述芯片(2)的負極面與負極片(4)之間設有熱應力消 減層。
3.根據(jù)權利要求2所述的雙向制冷式半導體激光器，其特征在于所述熱應力消減層 (3)由一層均勻分布的焊熘突起(3)構成；所述焊熘突起(3)的形狀為球形、半球形、橢球 形、矩形或條形；所述焊熘突起(3)由高導熱率材料制成。
4.根據(jù)權利要求2所述的雙向制冷式半導體激光器，其特征在于所述正極片(1)進 行可焊接處理，所述芯片(2)焊接在正極片(1)的可焊接表面層上。
5.根據(jù)權利要求1所述的雙向制冷式半導體激光器，其特征在于所述正極片(1)和 負極片(4)是由高導熱率材料制成。
6.根據(jù)權利要求1所述的雙向制冷式半導體激光器，其特征在于所述芯片(2)為單 發(fā)光單元芯片、多發(fā)光單元芯片或者由多個單發(fā)光單元芯片連接組成。
7.根據(jù)權利要求1所述的雙向制冷式半導體激光器，其特征在于所述熱應力消減層 是一層具有多條縫隙的傳熱介質層。
專利摘要本實用新型涉及一種雙向制冷式半導體激光器，該激光器包括正極片、芯片、焊熘突起及負極片。所述正極片與芯片正極焊接；所述負極銅支撐塊的一面設有焊熘突起；所述芯片的負極貼在焊熘突起上。本實用新型采用雙面散熱結構，芯片正負極均連接有散熱塊，芯片通過焊熘突起與負極片連接，因此散熱能力大大增強的同時熱應力降級，這種增加了散熱能力的結構，可顯著提高激光輸出的功率而不用擔心熱應力的問題。本實用新型主要應用于大功率半導體激光器，功率十幾瓦到幾十瓦。
文檔編號H01S5/024GK201898279SQ201020663800
公開日2011年7月13日 申請日期2010年12月16日 優(yōu)先權日2010年12月16日
發(fā)明者劉興勝 申請人:劉興勝