[发明专利]一种高功率半导体激光器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高功率半导体激光器的结构及其制备工艺。

背景技术

现有的传导冷却型高功率半导体激光器的封装工艺如图1～2所示。

图1所示方案是将多个芯片和多个导电导热衬底(如铜、铜钨、钼铜等) 同时焊接后，再整体焊接在绝缘导热基片上，然后将该模块键合在散热器上， 固定通电电极，完成激光器的制备。

该方案存在以下缺点：

(1)散热差：步骤1中，由于多个导电导热衬底加工工艺问题，很难做 到上下平齐(公差较大，总有高度差)，导致步骤2中很难均匀的键合在绝缘 导热片上，使得该产品的散热差，难以实现高功率、高占空比应用。

(2)可靠性差：该制备过程利用了不同焊料的阶梯熔点特性，所以步骤 2和步骤3须用比步骤1熔点低的焊料，低熔点焊料长时间稳定性和可靠性低， 对使用环境要求高(无法高温使用)，加之该结构无法克服的散热性差，产品 整体的寿命较短，可靠性低。

图2为目前主流的传导冷却型高功率半导体激光器阵列独立陶瓷新型结 构制备方法，将单个芯片、导电导热衬底及绝缘导热片同时焊接，制成半导 体激光器发光单元(COC-ChiponCarrier)，对半导体发光单元进行相应的测 试、老化、筛选，然后将合格的半导体激光器发光单元通过绝缘导热片键合 在散热器上，制成传导冷却型高功率半导体激光器。

存在如下缺点：

(1)工艺复杂，成本高：该工艺过程中芯片先后通过两次键合，工艺要 求高；半导体激光器发光单元与散热器的键合需要精密夹具并对位，对封装 设备及操作人员要求极高，整个过程人工及设备投入高。

(2)合格率低：该工艺过程中芯片先后通过两次键合，会对芯片造成重 复损伤；二次键合会出现空洞、虚焊、浸润性差，最终导致焊接质量较差， 合格率低。焊接不良也会导致散热差，可靠性及寿命降低。

发明内容

为了克服现有高功率半导体激光器封装技术存在的不足，本发明提出一 种新型高功率半导体激光器及制备工艺，可以有效解决现有结构方案中激光 器合格率低、工艺复杂、键合质量差以及可靠性不高等问题，促进传导冷却 型高功率半导体激光器向更高功率发展。

本发明的基本方案如下：

一种高功率半导体激光器，包括散热器和由若干个激光器芯片及其衬底 构成的芯片组模块，衬底的底部通过焊料键合到散热器上，所述衬底的主体 为绝缘导热块；对应于衬底上激光器芯片的键合区域，所述绝缘导热块的正 面和背面均设置有导电导热层，正面的导电导热层与背面的导电导热层之间 经由绝缘导热块的表面和/或内部贯通设置的导电材料形成电连接。

在以上基本方案的基础上，本发明还作了以下重要的优化和改进：

绝缘导热块及其正面和背面的导电导热层以及构成电连接的导电材料为 一体结构。

所述一体结构最好采用DBC结构(DirectBondingCopper)或者DPC结 构(DirectPlatingCopper)。绝缘导热块表面和/或内部的导电导热层可以通过 镀、覆、3D打印、物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、物理化学 气相沉积(PCVD)、电子溅射、涂覆、喷涂、熔渗、结合化学物理抛光(CMP)、 精密切割等工艺加工制成。

经由绝缘导热块的表面设置的导电材料的结构形式可以分为两大类：

1、设置于绝缘导热块顶部和/或绝缘导热块侧部的覆层或者镀层。

2、自正面的导电导热层贯通至背面的导电导热层的一处或多处柱形结 构。

对于第二类结构，所述柱形结构优选方柱、圆柱或者椭圆柱，或者这三 种柱形中的任意组合。

考虑到适应目前常用的键合工艺(通常要对衬底底部进行金属化处理)， 本发明中绝缘导热块的底部宜经金属化处理形成有金属薄膜，该金属薄膜与 绝缘导热块正面和背面的导电导热层及其电连接结构之间保持间隔。

散热器表面还可在衬底焊接位置对应设置有与激光器芯片方向平行的细 槽以降低热应力，细槽的宽度小于相邻绝缘导热块之间的间距。

绝缘导热块可采用氧化铝、氮化铝、氧化铍、碳化硅、金刚石或者金刚 石铜复合材料；所有的导电材料可采用铜、钨、钼、金、银、铝、铜钨、钼 铜、铜钼铜或者金刚石铜复合材料。

本发明还提出一种制备上述高功率半导体激光器的方法，包括以下步骤：