一種宏通道液冷高功率半導(dǎo)體激光器模塊和裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本實(shí)用新型涉及一種高功率半導(dǎo)體激光器封裝結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]高功率半導(dǎo)體激光器的散熱設(shè)計(jì)是封裝的核心內(nèi)容之一。目前的高功率半導(dǎo)體激光器通常由以下幾種方式封裝:
[0003]a)如圖1、圖2所示，激光器巴條直接鍵合到熱沉上，熱沉采用一種基于微通道的結(jié)構(gòu)熱沉。這種封裝結(jié)構(gòu)通過熱沉的疊加可以實(shí)現(xiàn)較大功率的輸出，但該方式封裝的有如下缺點(diǎn):首先，微通道容易因?yàn)樗ǖ廓M窄，容易造成堵塞;第二，熱沉本身帶電，所以必須采用去離子水進(jìn)行冷卻，且對(duì)于離子濃度有很高的要求;第三，微通道內(nèi)的高速水流，會(huì)造成通道的侵蝕，導(dǎo)致產(chǎn)品失效;第四，微通道熱沉的整體強(qiáng)度與剛度缺乏，容易在組裝和制造過程中發(fā)生折彎、變形，從而影響封裝的質(zhì)量。
[0004]這種封裝因?yàn)榘蜅l與熱沉材料的CTE不匹配，通常只能選擇軟焊料封裝以降低因?yàn)闊釕?yīng)力造成的巴條內(nèi)部微損傷甚至撕裂，制約了激光器可靠性的提升。這種封裝形式的激光器巴條也可以先鍵合在CTE匹配的導(dǎo)電襯底(通常是銅鎢)上，再封裝到熱沉上。這樣的優(yōu)點(diǎn)是可以使用硬焊料進(jìn)行封裝，但是卻增加了散熱路徑，降低了散熱能力。
[0005]另外，還存在一種宏通道的熱沉用于巴條的封裝，類似圖1所示結(jié)構(gòu)，通過貫通的入水口、出水口起到散熱的作用。其優(yōu)點(diǎn)是通道較大，不易產(chǎn)生通道堵塞，液體的流速也會(huì)相對(duì)較低，可以減少通道的侵蝕。但是，這也造成了宏通道封裝器件的散熱能力較差、且存在通道內(nèi)溫度不均勻的問題，熱沉也是帶電的。所以這種封裝只適用于在功率較低的應(yīng)用場合。
[0006]13)相關(guān)專利文獻(xiàn)例如:1^5105429、1^5311530、1]56480514、1]56865200、1]57016383，US7944955B2、US7660335B2等。常見的一種封裝形式是:激光器巴條鍵合到CTE匹配的襯底形成一個(gè)發(fā)光單元，多個(gè)發(fā)光單元并列組合，封裝到絕緣塊上，再封裝到通常為宏通道的熱沉上。這樣的封裝形式，因?yàn)闊岢僚c激光器發(fā)光組件整體絕緣，為后續(xù)的應(yīng)用提供了方便，同時(shí)可以使用硬焊料封裝，實(shí)現(xiàn)非去離子水(DIW)制冷。因?yàn)橐r底與絕緣塊的存在，該封裝的主要缺點(diǎn)是巴條的散熱路徑比較長，難以適應(yīng)高功率高占空比的場合。配合使用的宏通道熱沉可以通過水制冷或者其他方式制冷?；谶@種熱沉結(jié)構(gòu)的每個(gè)產(chǎn)品，很難進(jìn)行組裝拼接以實(shí)現(xiàn)巴條數(shù)目的擴(kuò)展。當(dāng)需要更多bar條時(shí)，只能做不同尺寸的底部熱沉進(jìn)行匹配適應(yīng)。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0007]本實(shí)用新型提出一種宏通道液冷高功率半導(dǎo)體激光器模塊，采用獨(dú)特的熱沉設(shè)計(jì)與芯片組結(jié)合，結(jié)構(gòu)性好，散熱效率高。
[0008]本實(shí)用新型的技術(shù)方案如下:
[0009]—種宏通道液冷高功率半導(dǎo)體激光器模塊，包括熱沉和芯片組;芯片組的各個(gè)激光器芯片鍵合在相應(yīng)的導(dǎo)熱導(dǎo)電的襯底上，各個(gè)激光器芯片及其襯底依次堆疊并形成電連接，襯底經(jīng)絕緣層安裝在同一熱沉上;沿激光器芯片及其襯底的堆疊方向，在垂直于芯片組安裝面的熱沉側(cè)面貫通開設(shè)有相互平行的入水口和出水口，熱沉內(nèi)部設(shè)置有宏通道的液冷回路。
[0010]在以上方案的基礎(chǔ)上，本實(shí)用新型還進(jìn)一步作了如下優(yōu)化:
[0011]上述絕緣層有以下三種具體的結(jié)構(gòu)形式:
[0012]1、絕緣層分為多個(gè)導(dǎo)熱絕緣塊，分別與各個(gè)激光器芯片及其襯底一一對(duì)應(yīng)；
[0013]2、絕緣層為一個(gè)整體導(dǎo)熱絕緣塊，所有襯底均鍵合于該絕緣塊上；
[0014]3、絕緣層是在熱沉的芯片組安裝面(可以是僅在芯片組的安裝位置上鍍，也可以是在熱沉的芯片組安裝面的整個(gè)表面)上鍍的絕緣膜，襯底鍵合于絕緣膜上。
[0015]上述入水口位于芯片組的近端，出水口位于芯片組的遠(yuǎn)端。
[0016]上述熱沉內(nèi)部具有多層分隔的循環(huán)水路;循環(huán)水路分別自所述入水口起，繞經(jīng)熱沉在芯片組與入水口之間的區(qū)域再回流到出水口(即各層循環(huán)水路之間相互并聯(lián))。
[0017]實(shí)現(xiàn)上述多層分隔的循環(huán)水路，優(yōu)選以下兩種具體結(jié)構(gòu):
[0018]1、熱沉由多個(gè)獨(dú)立的通水板沿入水口、出水口貫通方向?qū)盈B組成，在每個(gè)通水板的內(nèi)部均設(shè)置有與所述入水口、出水口連通的循環(huán)水路；
[0019]2、熱沉為一體件，在內(nèi)部開設(shè)多層相互隔離的循環(huán)水路，循環(huán)水路所在平面與入水口、出水口貫通方向垂直。
[0020]為進(jìn)一步提高芯片組安裝面的散熱均勻性，相鄰兩層循環(huán)水路在入水口、出水口處的通水接口對(duì)稱設(shè)置，使相鄰兩層循環(huán)水路的流向相反。
[0021]對(duì)于激光器芯片-襯底的組裝形式，一種是每個(gè)激光器芯片對(duì)應(yīng)一個(gè)襯底;還有一種優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì):每個(gè)激光器芯片夾于一對(duì)襯底之間，相鄰激光器芯片對(duì)應(yīng)的兩個(gè)襯底直接接觸或再間隔一個(gè)單獨(dú)的襯底。
[0022]上述襯底的材質(zhì)優(yōu)選金剛石-銅合金，激光器芯片與襯底通過硬焊料鍵合，所述硬焊料為金錫或金鍺，導(dǎo)熱絕緣塊的材質(zhì)優(yōu)選金剛石或陶瓷，絕緣膜的材料優(yōu)選氮化鋁或金剛石O
[0023]本實(shí)用新型還提出一種宏通道液冷高功率半導(dǎo)體激光器裝置，采用若干個(gè)上述宏通道液冷高功率半導(dǎo)體激光器模塊沿入水口、出水口貫通方向依次對(duì)準(zhǔn)組裝，使得所有宏通道液冷高功率半導(dǎo)體激光器模塊的熱沉形成統(tǒng)一的入水口、出水口；相鄰宏通道液冷高功率半導(dǎo)體激光器模塊的入水口、出水口位置安裝有密封圈。這樣，多個(gè)激光器模塊在組裝的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)t吳塊之間的電和水路的串聯(lián)聯(lián)接。
[0024]考慮到產(chǎn)品的可配置性、可靠性，建議每個(gè)宏通道液冷高功率半導(dǎo)體激光器模塊的激光器芯片數(shù)量為I?10個(gè)。
[0025]本實(shí)用新型具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0026]宏通道的熱沉，水通道相對(duì)較大，降低了通道被侵蝕、堵塞的風(fēng)險(xiǎn);采用獨(dú)特的多層并聯(lián)循環(huán)水路結(jié)構(gòu)，顯著提高了散熱效果，并能夠保證較好的結(jié)構(gòu)性，剛性大，不易變形，適合后續(xù)組裝。熱沉與巴條組之間絕緣，可不使用去離子水冷卻，水質(zhì)要求降低。
[0027]巴條組的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)巴條P-N兩個(gè)面的散熱，提高了散熱效率。使用硬焊料封裝，適應(yīng)于更苛刻的環(huán)境使用，提高了可靠性。
[0028]多個(gè)模塊能夠很方便地機(jī)械組裝、維護(hù)，實(shí)現(xiàn)功率的彈性擴(kuò)展。且每個(gè)模塊自成功能單元，可以真正在工作狀態(tài)下單獨(dú)進(jìn)行測試、老化、篩選，以實(shí)現(xiàn)最終產(chǎn)品的優(yōu)化性能。
[0029]使用高導(dǎo)熱率的材料作為襯底與絕緣塊，襯底為銅金剛石，絕緣塊為金剛石，實(shí)現(xiàn)與微通道產(chǎn)品同樣的連續(xù)高功率輸出。
【附圖說明】
[0030]圖1、圖2為傳統(tǒng)方案的結(jié)構(gòu)示意圖；其中，圖1(a)為主視圖，圖1(b)為側(cè)視圖；圖中標(biāo)號(hào):1-散熱器(金屬片);2-激光器芯片;3-負(fù)極連接片;4-絕緣層;5-入水口； 6-出水口。
[0031]圖3、圖4為本實(shí)用新型的宏通道液冷高功率半導(dǎo)體激光器模