一種復合熱沉、半導體激光器及其疊陣的制作方法

文檔序號:18021988發布日期:2019-06-26 01:21
一種復合熱沉、半導體激光器及其疊陣的制作方法

本實用新型屬于半導體器件封裝領域,具體為一種復合熱沉,和應用了該熱沉的半導體激光器及其疊陣。



背景技術:

如中國專利ZL201120567657.8所公開的傳導冷卻型半導體激光器疊陣結構,該結構的巴條間距小,輸出功率和能量密度高,具有很大的應用優勢,但激光芯片厚度較薄,在厚度方向上機械性能比較脆弱。目前這種結構具體為多個激光芯片和多個導電襯底以及絕緣襯底組成巴條組,再整體焊接到熱沉上,目前存在以下問題:(1)常用的熱沉材料熱膨脹系數與芯片差值太大,使用硬焊料回流焊接時產品內部形成的應力較大,造成激光芯片物理結構的損傷和產品失效,可靠性降低;(2)在長脈寬(ms級)下工作時,常用熱沉換熱界面距離熱源較遠,散熱能力不足。

目前解決上述問題的主要方式:(1)熱沉材料采用與激光芯片熱膨脹系數更匹配的結構,但存在散熱能力不足的情況,而改善散熱能力的主要方式為采用微通道結構的散熱器,但微通道尺寸很小,在使用過程中對水質要求很高,水阻較大對水泵性能要求較高;(2)巴條組與熱沉之間使用軟焊料焊接,但軟焊料在hard pulse模式(ms級脈寬)下工作時容易產生熱疲勞,產品可靠性不足。



技術實現要素:

為了解決上述問題,本實用新型提出了一種復合熱沉、半導體激光器及其疊陣,降低了激光芯片物理結構損傷的可能性,提高產品可靠性。具體的技術方案為:

一種復合熱沉,其特征在于:包括結合為整體的用于放置半導體芯片的絕緣組件和用于機械組裝的機械組件,所述絕緣組件的熱膨脹系數與半導體芯片匹配;

所述絕緣組件內設置有制冷通道,機械組件內設置有與絕緣組件的制冷通道連通的進液通道和出液通道,使得制冷液體自機械組件的進液通道流入,經絕緣組件的制冷通道對半導體芯片制冷,由機械組件的出液通道流出。

所述絕緣組件具體包括依次設置的下金屬層、下絕緣層、散熱層、上絕緣層、上金屬層;前述上金屬層用于放置半導體芯片,下金屬層用于接觸連接機械組件,所述散熱層為設置有制冷通道的金屬層。

所述下絕緣層和上絕緣層具體為陶瓷層,所述散熱層為銅層。

絕緣組件與機械組件的接觸面上設置有低溫焊料。

所述絕緣組件和機械組件分別設置有相互匹配的螺紋孔,使得絕緣組件和機械組件之間通過螺釘固定。

所述進液通道、出液通道和絕緣組件的制冷通道之間設置有帶有密封圈的徑向密封管。

所述絕緣組件和機械組件外部設置有與其外部匹配的彈性卡扣,用于將絕緣組件和機械組件固定為整體。

一種半導體激光器,包括導電襯底與激光芯片依次間隔排列的巴條組以及上述復合熱沉,所述巴條組安裝于所述復合熱沉的絕緣組件上,且激光出光方向垂直于絕緣組件的安裝面。所述復合熱沉的絕緣組件中的制冷通道的走向平行于巴條組中激光芯片和導電襯底的堆疊方向。

一種半導體激光器疊陣,以上述半導體激光器為單元,多個半導體激光器沿巴條組排列方向依次排列,使得復合熱沉依次緊密連接,且復合熱沉機械組件的進液通道、出液通道與相鄰的復合熱沉的出液通道、進液通道相連通。

本實用新型的有益效果:

(1)復合熱沉降低應力的效果顯著:復合熱沉中的絕緣組件采用熱膨脹系數與半導體芯片匹配的結構來降低硬焊料焊接引起的內部應力,降低了半導體芯片物理結構損傷的可能性,提高產品可靠性;此外,絕緣組件和機械組件之間的低溫焊料層本身可以釋放部分應力,而且距離半導體芯片較遠,不會將過多應力作用到芯片,另外低溫焊料不處于導熱路徑上,產品hard pulse工作也不會有熱疲勞的風險;

(2)具體較好的散熱能力:本實用新型復合熱沉的散熱界面與熱源距離近,絕緣組件內部設置的宏通道制冷通道使得復合熱沉可以達到很好的散熱效果,并且對水質沒有特殊要求。

附圖說明

圖1為本實用新型的復合熱沉的實施例的示意圖。

圖2為本實用新型的復合熱沉的實施例的側面視圖。

圖3為復合熱沉的絕緣組件的示意圖。

圖4本實用新型的半導體激光器的結構示意圖。

圖5為本實用新型的半導體激光器疊陣的結構示意圖。

附圖標號說明:1-絕緣組件,2-機械組件,3- 制冷通道,101-下金屬層,102-下絕緣層,103-散熱層,104-上絕緣層,105-上金屬層,201-進液通道,202-出液通道,4-低溫焊料,5-螺紋孔,6-徑向密封管,7-彈性卡扣,8-巴條組,801-導電襯底,802-激光芯片。

具體實施方式

下面將結合附圖對本實用新型的技術方案進行清楚、完整地描述,顯然,所描述的實施例是本實用新型一部分實施例,而不是全部的實施例。基于本實用新型中的實施例,本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例,都屬于本實用新型保護的范圍。

如圖1所示,一種復合熱沉,包括結合為整體的用于放置半導體芯片的絕緣組件1和用于機械組裝的機械組件2。所述絕緣組件1的熱膨脹系數與半導體芯片匹配,具體的,絕緣組件1為氮化鋁,或氧化鋁,或氧化鈹,或碳化硅,或金剛石;機械組件2為金屬熱沉或高分子材料制成的熱沉。

所述絕緣組件1內設置有制冷通道3,機械組件內設置有與絕緣組件的制冷通道連通的進液通道201和出液通道202,使得制冷液體自機械組件的進液通道201流入,經絕緣組件的制冷通道3對半導體芯片制冷,由機械組件的出液通道202流出。所述制冷通道3為宏通道制冷通道,需要說明的是,宏通道是相對于現有微通道的一種制冷結構的統稱,具體結構為管裝通道。

如圖3所示,所述絕緣組件1具體包括依次設置的下金屬層101、下絕緣層102、散熱層103、上絕緣層104、上金屬層105;前述上金屬層105用于放置半導體芯片,下金屬層101用于接觸連接機械組件2,所述散熱層103為設置有制冷通道3的金屬層。

所述下絕緣層102和上絕緣層104具體為陶瓷層,所述散熱層103具體為銅層。

具體的,絕緣組件1的各層厚度(上述五層結構)可調,以適應不同芯片的熱膨脹系數。

所述絕緣組件1與機械組件2可以通過以下幾種方式進行連接固定:

1)如圖1所示,絕緣組件1與機械組件2的接觸面上設置有低溫焊料4,經過回流焊接將兩者連接。具體的,所述低溫焊料4為銦膜,或銦錫,或錫鉍,或鉍鉛錫,或錫鉍銦,或銦鉍銀,或熱塑型聚酰亞胺薄膜。

2)如圖2所示,所述絕緣組件1和機械組件2分別設置有相互匹配的螺紋孔5,且機械組件的螺紋孔貫穿至底部,使得可在機械組件底部使用螺釘將絕緣組件和機械組件固定。

3)如圖1所示,所述絕緣組件1和機械組件2外部設置有與其外部匹配的彈性卡扣7,用于將絕緣組件和機械組件固定為整體。具體的,彈性卡扣7可為金屬材料或高分子材料。

上述三種對于絕緣組件1和機械組件2的連接方式,在應用可以選擇其中之一,或者任意之二,也可以同時在一個復合熱沉上應用上述三種連接結構。

如圖2所示,所述機械組件2的進液通道201、出液通道202和絕緣組件的制冷通道連通,并且進液通道與制冷通道、出液通道與制冷通道之間設置有帶有密封圈的徑向密封管6。具體的,所述密封管可為金屬管,具體為銅管;或者高分子材料,比如peek。所述密封圈為具有耐高溫性能的乙丙橡膠,或硅橡膠,或氟橡膠,或全氟醚橡膠;

如圖4所示,本實用新型公開的一種半導體激光器,包括導電襯底801與激光芯片802依次間隔排列的巴條組以及上述復合熱沉,所述巴條組安裝于所述復合熱沉的絕緣組件上,且激光出光方向垂直與絕緣組件的安裝面。所述導電襯底為銅鎢,或銅,或石墨金屬復合材料,或者金剛石金屬復合材料。

具體的,絕緣組件中的制冷通道的走向平行于巴條組中激光芯片、導電襯底的堆疊方向,使得制冷液體可對巴條組的激光芯片均勻散熱。

如圖5所示,一種半導體激光器疊陣,以上述半導體激光器為單元,多個半導體激光器沿巴條組排列方向依次排列,使得復合熱沉依次緊密連接,且復合熱沉機械組件的進液通道201、出液通道202與相鄰的復合熱沉的出液通道202、進液通道201相連通。

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