本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體激光器，具體為機械連接型的半導(dǎo)體激光器疊陣的封裝結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

圖1為現(xiàn)有的一種高功率半導(dǎo)體激光器疊陣的封裝結(jié)構(gòu)：多個激光芯片1和多個散熱導(dǎo)電襯底2鍵合為一個巴條組后，整體鍵合在絕緣結(jié)構(gòu)4上，然后再將該模組鍵合在熱沉上；或者激光芯片鍵合到導(dǎo)電襯底形成一個發(fā)光單元，多個發(fā)光單元再依次鍵合到絕緣襯底及熱沉上。

上述封裝結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器疊陣結(jié)構(gòu)中，激光芯片、導(dǎo)電襯底、絕緣襯底與熱沉之間均采用相互鍵合的工藝，一個芯片燒壞，整個疊陣均會失效；并且該結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器后期維護復(fù)雜，在長期使用中單個芯片的故障難以單獨維修和更換，進而影響整個半導(dǎo)體激光器的可靠性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出一種機械連接型的半導(dǎo)體激光器疊陣。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種機械連接型的半導(dǎo)體激光器疊陣，包括多個半導(dǎo)體激光器單元，其特征在于：所述半導(dǎo)體激光器單元設(shè)置有凸起部和凹槽部，且凸起部與凹槽部相互匹配，使得相鄰的半導(dǎo)體激光器單元的凸起部和凹槽部以插接方式連接形成疊陣結(jié)構(gòu)。

所述半導(dǎo)體激光器單元結(jié)構(gòu)分為以下兩種：

1）半導(dǎo)體激光器單元包括導(dǎo)電襯底和與導(dǎo)電襯底鍵合的激光芯片；所述凸起部和凹槽部分別設(shè)置于導(dǎo)電襯底的兩個側(cè)面，且凸起部與相鄰半導(dǎo)體激光器單元的凹槽部插接處絕緣。

所述凸起部外部包裹絕緣套管。

2）所述半導(dǎo)體激光器單元包括導(dǎo)電襯底，與導(dǎo)電襯底鍵合的激光芯片以及熱沉塊；導(dǎo)電襯底設(shè)置于熱沉塊上且導(dǎo)電襯底與熱沉塊之間絕緣；前述凸起部和凹槽部分別設(shè)置于熱沉塊上對應(yīng)于導(dǎo)電襯底安裝面的兩個側(cè)面，使得相鄰的半導(dǎo)體激光器單元熱沉塊的凸起部和凹槽部以插接方式連接并形成疊陣結(jié)構(gòu)。

所述半導(dǎo)體激光器單元還包括正極連接片、負(fù)極連接片和絕緣緩沖塊，用于相鄰半導(dǎo)體激光器單元之間的電連接；所述正極連接片鍵合于導(dǎo)電襯底上，或者正極連接片與導(dǎo)電襯底為一體結(jié)構(gòu)，所述負(fù)極連接片鍵合于激光芯片上并與相鄰的半導(dǎo)體激光器單元的正極連接片連接；所述絕緣緩沖塊設(shè)置于負(fù)極連接片與該半導(dǎo)體激光器單元的導(dǎo)電襯底之間，且厚度大于激光芯片的厚度。

所述凸起部為中空結(jié)構(gòu)，作為所述疊陣結(jié)構(gòu)液體制冷通道。

所述的導(dǎo)電襯底或者熱沉塊為梯形，使得多個半導(dǎo)體激光器單元依次以相互插接方式組裝后形成圓環(huán)型或半圓形陣列，所述多個半導(dǎo)體激光器單元發(fā)出的激光光束有共同的會聚區(qū)域。

所述凸起部為銷釘，所述凹槽部為銷孔；或者所述凹槽部為燕尾槽，凸起部為與燕尾槽匹配的結(jié)構(gòu)。

以下為本發(fā)明的另一種一種機械連接型的半導(dǎo)體激光器疊陣，包括以插接形式安裝進熱沉塊中多個半導(dǎo)體激光器單元，其中，半導(dǎo)體激光器單元包括導(dǎo)電襯底以及鍵合于導(dǎo)電襯底上的激光芯片；所述半導(dǎo)體激光器單元底部設(shè)置有凸起部，所述熱沉塊上設(shè)置有與前述凸起部匹配的凹槽部，使得多個半導(dǎo)體激光器單元插接安裝至熱沉塊形成疊陣，所述導(dǎo)電襯底與熱沉塊之間絕緣。

所述熱沉塊為絕緣材料，前述凸起部設(shè)置于導(dǎo)電襯底底部；或者所述熱沉塊為導(dǎo)電材料，半導(dǎo)體激光器單元還包括設(shè)置于導(dǎo)電襯底底部的絕緣結(jié)構(gòu)，絕緣結(jié)構(gòu)底部設(shè)置有凸起部或者絕緣結(jié)構(gòu)自身作為凸起部。

所述多個半導(dǎo)體激光器單元緊密連接，其凸起部構(gòu)成一個整體，所述熱沉塊僅設(shè)置有一個凹槽部，前述凸起部作為整體插接安裝在熱沉塊上；或者所述熱沉塊設(shè)置有與半導(dǎo)體激光器單元數(shù)目相等的凹槽部，所述多個半導(dǎo)體激光器單元一一插接至熱沉塊并緊密連接。

所述半導(dǎo)體激光器單元還包括正極連接片、負(fù)極連接片和絕緣緩沖塊，用于相鄰半導(dǎo)體激光器單元之間的電連接；所述正極連接片鍵合于導(dǎo)電襯底上，或者正極連接片與導(dǎo)電襯底為一體結(jié)構(gòu)，所述負(fù)極連接片鍵合于激光芯片上并與相鄰的半導(dǎo)體激光器單元的正極連接片連接；所述絕緣緩沖塊設(shè)置于負(fù)極連接片與該半導(dǎo)體激光器單元的導(dǎo)電襯底之間，且厚度大于激光芯片的厚度。

所述導(dǎo)電襯底對應(yīng)于熱沉塊安裝方向的兩個側(cè)面分別設(shè)置有第二凸起部和第二凹槽部，且第二凸起部與第二凹槽部相互匹配，使得多個半導(dǎo)體激光器單元插接安裝至熱沉塊時，相鄰半導(dǎo)體激光器單元之間以插接形式得以緊密固定，且第二凸起部與相鄰半導(dǎo)體激光器單元的第二凹槽部插接處絕緣。

本發(fā)明具有以下優(yōu)點：

1）半導(dǎo)體激光器單元可以實現(xiàn)獨立測試、篩選、老化，提高了產(chǎn)品組裝后的合格率；相鄰半導(dǎo)體激光器單元通過插接這種機械連接方式連接，在使用中以及后期維護中可以對單個半導(dǎo)體激光器單元進行拆裝替換，不會對激光芯片造成損壞。

2）本發(fā)明的插接方式可采用過盈配合或燕尾槽的形式，具體可采用銷釘和銷孔的結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)較小的體積，并且空隙小，利于產(chǎn)品散熱。

3）本發(fā)明可組裝成任意長度的半導(dǎo)體激光器，從而實現(xiàn)長發(fā)光區(qū)半導(dǎo)體激光器的組裝，具有更高的靈活性。

附圖說明

圖1為現(xiàn)有的封裝形式。

圖2和圖3分別為本發(fā)明的實施例一的半導(dǎo)體激光器單元和對應(yīng)的疊陣結(jié)構(gòu)。

圖4和圖5分別為本發(fā)明的實施例二所對應(yīng)的半導(dǎo)體激光器單元和對應(yīng)的疊陣結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6為實施例二的半導(dǎo)體激光器單元的結(jié)構(gòu)拆解視圖。

圖7為實施例二的結(jié)構(gòu)圖。

圖8為本發(fā)明的實施例三。

圖9為本發(fā)明的實施例四所對應(yīng)的半導(dǎo)體激光器單元。

圖10為本發(fā)明的實施例四的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖11和圖12分別為實施例五和實施例五的替代方案。

圖13和圖14分別為實施例五優(yōu)化結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器單元和相應(yīng)的疊陣結(jié)構(gòu)。

附圖標(biāo)號說明：1-激光芯片，2-導(dǎo)電襯底，3-熱沉塊，4-絕緣結(jié)構(gòu)，5-凸起部，6-凹槽部，7-絕緣緩沖塊，8-負(fù)極連接片，9-正極連接片，10-通水塊，11-通水孔，12-絕緣層，13-絕緣套管，201-導(dǎo)電襯底的導(dǎo)電層，202-導(dǎo)電襯底的絕緣基底。

具體實施方式

圖2和圖3分別為本發(fā)明的實施例一，以及該實施例所對應(yīng)的半導(dǎo)體激光器單元。圖2中的半導(dǎo)體激光器單元包括導(dǎo)電襯底2，與導(dǎo)電襯底鍵合的激光芯片1，以及熱沉塊3；導(dǎo)電襯底2設(shè)置于熱沉塊3上且導(dǎo)電襯底2與熱沉塊3之間絕緣，當(dāng)熱沉塊選用導(dǎo)電材料（比如銅、銅鎢等）時，導(dǎo)電襯底2與熱沉塊3之間設(shè)置有絕緣結(jié)構(gòu)4，具體而言，導(dǎo)電襯底2為銅鎢等金屬材料，絕緣結(jié)構(gòu)4為氮化鋁陶瓷或者覆在導(dǎo)電襯底2底部的絕緣薄膜,；當(dāng)熱沉塊選用絕緣材料（比如陶瓷）時，前述絕緣結(jié)構(gòu)4可省去。

上述熱沉塊3的兩個側(cè)面（對應(yīng)于用于安裝導(dǎo)電襯底2的安裝面）分別設(shè)置有凸起部5和凹槽部6，且凸起部與凹槽部相互匹配，使得相鄰的半導(dǎo)體激光器單元熱沉塊的凸起部和凹槽部以插接方式連接并形成疊陣結(jié)構(gòu)。

上述熱沉塊的凸起部和凹槽部具體可以為銷釘和銷孔，或者燕尾槽以及匹配的凸起部，以過盈配合方式機械連接在一起。

圖5和圖4分別為本發(fā)明的實施例二，以及該實施例所對應(yīng)的半導(dǎo)體激光器單元，實施例二實現(xiàn)了對實施例一在電連接結(jié)構(gòu)和性能上的優(yōu)化。圖4中的半導(dǎo)體激光器單元還包括正極連接片9、負(fù)極連接片8和絕緣緩沖塊7， 所述正極連接片9鍵合于導(dǎo)電襯底2上；為了實現(xiàn)更為簡單的結(jié)構(gòu)，可以將正極連接片9與導(dǎo)電襯底2形成一體結(jié)構(gòu)。所述負(fù)極連接片8鍵合于激光芯片1上并與相鄰的半導(dǎo)體激光器單元的正極連接片連接。

所述絕緣緩沖塊7厚度大于激光芯片的厚度，設(shè)置于負(fù)極連接片8與該半導(dǎo)體激光器單元的導(dǎo)電襯底2之間，或者設(shè)置于負(fù)極連接片8與該半導(dǎo)體激光器單元的絕緣結(jié)構(gòu)4之間。絕緣緩沖塊7安裝固定后，其安裝邊沿超出熱沉塊3的邊沿，使得相鄰半導(dǎo)體激光器單元以插接方式連接后對絕緣緩沖塊施加了壓力并至絕緣緩沖塊7產(chǎn)生彈性形變，保證負(fù)極連接片8與相鄰半導(dǎo)體激光器單元的正極連接片緊密連接。

為了匹配絕緣緩沖塊的形狀，負(fù)極連接片8包括平直區(qū)域和彎折區(qū)域，平直區(qū)域?qū)?yīng)激光芯片的鍵合區(qū)域，彎折區(qū)域?qū)?yīng)絕緣緩沖塊的安裝區(qū)。

需要說明的是負(fù)極連接片8、正極連接片9均與熱沉塊3絕緣，具體實現(xiàn)方式表現(xiàn)為負(fù)極連接片8、正極連接片9均與熱沉塊3保持絕緣的安全間距，或者在熱沉塊3的安裝面上覆絕緣膜，優(yōu)化絕緣效果。

圖6為圖4半導(dǎo)體激光器單元的結(jié)構(gòu)拆解視圖，圖7為圖5中實施例二的結(jié)構(gòu)拆解圖，為了提高半導(dǎo)體激光器疊陣的散熱效率，可以在熱沉塊中設(shè)置液體制冷通道，進一步的，可以將凸起部設(shè)置為中空結(jié)構(gòu)，作為液體制冷通道。圖7中半導(dǎo)體激光器疊陣的兩側(cè)設(shè)置有通水塊10，通水塊設(shè)置有與液體制冷通道連通的通水孔11，用于外接液體制冷設(shè)備。

構(gòu)成疊陣結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器單元還可以為這種結(jié)構(gòu)：包括導(dǎo)電襯底2和與導(dǎo)電襯底鍵合的激光芯片1，所述凸起部5和凹槽部6分別設(shè)置于導(dǎo)電襯底的兩個側(cè)面。具體包括以下兩種可選實施方式：1）如圖8所示，導(dǎo)電襯底包括絕緣基底202，和設(shè)置于絕緣基底202表面的導(dǎo)電層201，所述凸起部5和凹槽部6分別設(shè)置于導(dǎo)電襯底的絕緣基底的兩個側(cè)面，使得凸起部與相鄰半導(dǎo)體激光器單元的凹槽部插接處絕緣；激光芯片鍵合于導(dǎo)電層201上，并與相鄰半導(dǎo)體激光器的導(dǎo)電層連接。2）導(dǎo)電襯底為導(dǎo)電材料，具體為銅鎢等，凸起部和凹槽部分別直接設(shè)置于銅鎢的兩個側(cè)面，凸起部外部設(shè)置絕緣套管，以實現(xiàn)凸起部與相鄰半導(dǎo)體激光器單元的凹槽部之間的絕緣，可以參考圖13和圖14中的示意結(jié)構(gòu)，此時凸起部和凹槽部等同與圖13中第二凸起部和第二凹槽部的位置。

圖9和圖10分別為本發(fā)明的實施例四，以及該實施例所對應(yīng)的半導(dǎo)體激光器單元。實施例四的半導(dǎo)體激光器單元采用梯形熱沉塊結(jié)構(gòu)，使得相鄰的半導(dǎo)體激光器單元相互插接后可以得到環(huán)形結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器疊陣，且半導(dǎo)體激光器單元所發(fā)出的激光有共同的會聚區(qū)域。

為了優(yōu)化上述環(huán)形結(jié)構(gòu)的電連接效果，實施例四的電連接方式具體為：熱沉塊為導(dǎo)電材料（具體為銅），在熱沉塊3設(shè)有凸起部和凹槽部的側(cè)面設(shè)置絕緣層12，正極連接片9自導(dǎo)電襯底延伸至相應(yīng)的熱沉塊的絕緣層12上，負(fù)極連接片8自激光芯片1延伸至相應(yīng)的熱沉塊的絕緣層12上，相鄰的半導(dǎo)體激光器單元以過盈配合插接連接后，相鄰熱沉塊3的緊密連接，使得相鄰半導(dǎo)體激光器單元的正極連接片和負(fù)極連接片緊密連接實現(xiàn)電連接。當(dāng)熱沉塊3為絕緣材料（比如陶瓷），上述絕緣層12可以省去。

實施例四在固體激光器泵浦的應(yīng)用中具有顯著的優(yōu)勢：相鄰的半導(dǎo)體激光器單元已插接方式連接，便于后期更換失效的半導(dǎo)體激光器單元，也可以靈活選擇作為側(cè)泵單元的半導(dǎo)體激光器單元的個數(shù)以實現(xiàn)不同的應(yīng)用條件。

圖12和圖11為本發(fā)明的實施例五。一種機械連接型的半導(dǎo)體激光器疊陣，包括以插接形式安裝進熱沉塊3中多個半導(dǎo)體激光器單元；其中，所述半導(dǎo)體激光器單元包括導(dǎo)電襯底2，鍵合于導(dǎo)電襯底的激光芯片1，所述半導(dǎo)體激光器單元底部設(shè)置有凸起部，所述熱沉塊上設(shè)置有與前述凸起部匹配的凹槽部，使得多個半導(dǎo)體激光器單元插接安裝至熱沉塊形成疊陣。

圖11為熱沉塊3中設(shè)置有多個與半導(dǎo)體激光器單元凸起部數(shù)目相等且匹配的凹槽部，半導(dǎo)體激光器單元一一對應(yīng)的插接安裝在熱沉塊上并緊密連接。圖12為所述熱沉塊僅設(shè)置有一個凹槽部，疊陣模塊中多個半導(dǎo)體激光器單元緊密連接，其絕緣襯底構(gòu)成共同的凸起部，前述疊陣模塊作為整體插接安裝在熱沉塊上。

需要說明的是半導(dǎo)體激光器單元中的導(dǎo)電襯底2與熱沉塊3絕緣，保證相鄰半導(dǎo)體激光器單元之間的電連接。具體的，熱沉塊為導(dǎo)電材料（具體為銅等），半導(dǎo)體激光器單元還包括設(shè)置于導(dǎo)電襯底底部的絕緣結(jié)構(gòu)，絕緣結(jié)構(gòu)4設(shè)置有凸起部或者絕緣結(jié)構(gòu)自身作為凸起部（圖11和12中的絕緣結(jié)構(gòu)自身為凸起部），絕緣結(jié)構(gòu)為氮化鋁陶瓷等；或者采用絕緣材料的熱沉塊3，凸起部設(shè)置于導(dǎo)電襯底底部（如圖13所示），或者將導(dǎo)電襯底直接插入熱沉塊與其匹配的凹槽部中。

此外，實施例五中的熱沉塊也可以采用弧形或者半圓形結(jié)構(gòu)，使得半導(dǎo)體激光器單元以插接形式安裝進熱沉塊3后，得到環(huán)形結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器疊陣，且半導(dǎo)體激光器單元所發(fā)出的激光有共同的會聚區(qū)域。

本實施例還可以有如下優(yōu)化：如圖13和圖14所示，半導(dǎo)體激光器單元的導(dǎo)電襯底對應(yīng)于熱沉塊安裝方向的兩個側(cè)面分別設(shè)置有第二凸起部14和第二凹槽部15，且第二凸起部14與第二凹槽部15相互匹配，使得多個半導(dǎo)體激光器單元插接安裝至熱沉塊3時，相鄰半導(dǎo)體激光器單元之間以插接形式得以緊密固定，且第二凸起部與相鄰半導(dǎo)體激光器單元的第二凹槽部插接處絕緣。

上述絕緣方案具體為：在第二凸起部外部包裹絕緣套管13，優(yōu)選彈性絕緣套管，使得第二凸起部插入相鄰半導(dǎo)體激光器的第二凹槽部時緊密連接。