專利名稱：以SiC晶片作為一級(jí)熱沉的單發(fā)射腔半導(dǎo)體激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種單發(fā)射腔半導(dǎo)體激光器，特別是ー種以SiC晶片作為ー級(jí)熱沉的單發(fā)射腔半導(dǎo)體激光器。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體激光器以其體積小、重量輕、稱合效率高、壽命長(zhǎng)、響應(yīng)速度快、與光纖適配、可直接調(diào)制等優(yōu)點(diǎn)，在エ業(yè)、醫(yī)療、通信和軍事上都有廣泛的應(yīng)用。隨著大功率半導(dǎo)體激光器輸出功率的不斷提高，產(chǎn)生的熱量也隨之增加，積累的熱量將會(huì)導(dǎo)致激光器有源區(qū)的溫度上升，波長(zhǎng)紅移、輸出功率和轉(zhuǎn)換效率降低，甚至導(dǎo)致激光器失效。熱效應(yīng)已經(jīng)成為ー個(gè)制約大功率半導(dǎo)體激光器發(fā)展的瓶頸之一。半導(dǎo)體激光器芯片的熱流密度可達(dá)到每平方厘米千瓦量級(jí)，首先必須降低熱流密度，擴(kuò)展有效散熱面積，而后才能通過常規(guī)傳熱方法散熱。因此，與芯片直接接觸的ー級(jí)熱沉起著關(guān)鍵作用。目前普遍應(yīng)用無氧銅(無氧銅的導(dǎo)熱系數(shù)約386w/m*K)作為熱沉材料，·為使熱膨脹系數(shù)與外延片材料體系更匹配，中間襯以氮化鋁作為過渡層(氮化鋁的導(dǎo)熱系數(shù)約170w/m*K)。這種熱沉結(jié)構(gòu)雖然降低了層間熱應(yīng)力，但以增加熱阻為代價(jià)，并不是理想的ー級(jí)熱沉。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供ー種以SiC晶片作為ー級(jí)熱沉的單發(fā)射腔半導(dǎo)體激光器，以最短的熱傳導(dǎo)路徑，最大限度擴(kuò)展芯片有效散熱面積，均化熱流密度分布，其與次級(jí)銅熱沉結(jié)合形成的新型熱沉結(jié)構(gòu)，有效提升單發(fā)射腔半導(dǎo)體激光器的散熱性能，顯著提高其輸出功率。本發(fā)明涉及ー種以SiC晶片作為ー級(jí)熱沉的單發(fā)射腔半導(dǎo)體激光器的熱沉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。所述的SiC晶片的法向?qū)嵯禂?shù)比氮化鋁高一倍以上，平面切向的導(dǎo)熱系數(shù)比氮化鋁提高兩倍以上，而其熱脹系數(shù)與芯片襯底材料的熱脹系數(shù)相近。以SiC晶片作為ー級(jí)熱沉，可最大限度擴(kuò)展芯片有效散熱面積，均化熱流密度分布。次級(jí)銅熱沉采用改進(jìn)的F封裝結(jié)構(gòu)，使一級(jí)熱沉傳遞的熱量沿最大溫度梯度方向且以最短的熱傳導(dǎo)路徑散熱。同吋，電極引線7、8直接從+-極Au-Sn焊層引出，減少了電極引線焊接點(diǎn)，有利于提高器件整體可靠性。所形成的新型熱沉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以顯著降低系統(tǒng)熱阻，提高可靠性，從而顯著減少芯片エ作時(shí)熱量的積累，有利于提高輸出光功率。數(shù)值模擬表明，在同等外部環(huán)境條件下，采用此種新型熱沉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可使芯片產(chǎn)生的高熱流密度峰值分布迅速趨于平坦，散熱功率増加近60%。所述的以SiC晶片作為ー級(jí)熱沉的單發(fā)射腔半導(dǎo)體激光器包括一級(jí)熱沉I,Au-Sn焊層2 (正扱)，Au-Sn焊層3 (負(fù)極)，激光器芯片4，連接金線5，次級(jí)銅熱沉6，電極引線7。利用光刻和濺射鍍膜在一級(jí)熱沉I上表平面沉積互不相連的兩個(gè)Ti/Pt/Au多層膜，經(jīng)加熱熔融后形成Au-Sn焊層2 (正扱)和Au-Sn焊層3 (負(fù)極)，如圖I所示。激光器芯片4表面鍍金后，P面朝下，經(jīng)加熱熔接，通過Au-Sn焊層2與一級(jí)熱沉I連接。Au-Sn焊層2作為正扱，與電極引線7焊接后引出。芯片4上表面通過連接金線5，與Au-Sn焊層3連接，作為-極，再與電極引線7焊接后引出，如圖2所示。圖2是單發(fā)射腔半導(dǎo)體激光器封裝結(jié)構(gòu)示意圖，采用改進(jìn)的F封裝結(jié)構(gòu)，電極引線7直接從正負(fù)極Au-Sn焊層2、3引出，減少了電極引線焊接點(diǎn)，有利于提高器件整體可靠性。一級(jí)熱沉I與次級(jí)銅熱沉6焊接，通過次級(jí)銅熱沉上的螺孔最終與冷板表面固定，形成散熱通路。


圖I是單發(fā)射腔半導(dǎo)體激光器一級(jí)熱沉的結(jié)構(gòu)示意圖I, 一級(jí)熱沉 2, Au-Sn焊層(正極)3, Au-Sn焊層3 (負(fù)極)4，激光器芯片5，連接金線 圖2是單發(fā)射腔半導(dǎo)體激光器封裝結(jié)構(gòu)示意圖6，次級(jí)銅熱沉7，電極引線
具體實(shí)施例方式以各向異性高導(dǎo)熱系數(shù)材料，例如改性SiC晶體，作為ー級(jí)熱沉，其與芯片GaAs襯底材料有相匹配的熱脹系數(shù)，是ー種性能優(yōu)于目前采用的氮化鋁陶瓷的熱沉材料。用SiC晶片作為ー級(jí)熱沉，再與次級(jí)銅熱沉6焊接，通過銅熱沉上的螺孔最終與冷板表面固定，形成散熱通路。采用此種新型熱沉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可最大限度擴(kuò)展芯片有效散熱面積，均化熱流密度分布，使散熱功率増加近60%。利用光刻和濺射鍍膜在SiC熱沉平面上沉積互不相連的Ti/Pt/Au多層膜，經(jīng)加熱熔融后形成兩個(gè)Au-Sn焊層分別作為正負(fù)電極，通過電極引線7直接從正負(fù)極Au-Sn焊層2、3引出。本發(fā)明提出的一級(jí)熱沉和改進(jìn)的F封裝結(jié)構(gòu)將有效降低系統(tǒng)熱阻，減少了電極引線焊接點(diǎn)，提高器件整體可靠性，顯著減少芯片工作時(shí)熱量的積累，提高輸出光功率。以上所述，僅是根據(jù)本發(fā)明技術(shù)方案提出的較佳實(shí)施例，并非對(duì)本發(fā)明作任何形式上和熱沉材料上的限制，凡是依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所做的簡(jiǎn)單修改、等同變換以及類似性質(zhì)材料代換，均仍屬于本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種以SiC晶片作為一級(jí)熱沉的單發(fā)射腔半導(dǎo)體激光器，其特征在于所述的單發(fā)射腔半導(dǎo)體激光器包括一級(jí)熱沉1，Au-Sn焊層2 (正極)，Au-Sn焊層3 (負(fù)極)，芯片4，連接金線5,次級(jí)銅熱沉6,電極引線7。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的單發(fā)射腔半導(dǎo)體激光器，其特征在于所采用的SiC晶片的法向?qū)嵯禂?shù)比氮化鋁提高一倍以上，而平面切向的導(dǎo)熱系數(shù)比氮化鋁提高兩倍以上，且其熱脹系數(shù)與芯片襯底材料的熱脹系數(shù)相近。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的單發(fā)射腔半導(dǎo)體激光器，其特征在于一級(jí)熱沉上表面上沉積互不相連的兩個(gè)Ti/Pt/Au多層膜，經(jīng)加熱熔融后形成正負(fù)電極。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的單發(fā)射腔半導(dǎo)體激光器，其特征在于激光器芯片P面朝下與一級(jí)熱沉表面的正電極熔接；芯片上表面通過金線與一級(jí)熱沉負(fù)電極相連。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的單發(fā)射腔半導(dǎo)體激光器，其特征在于采用改進(jìn)的F封裝結(jié)構(gòu)，電極引線直接從+_極Au-Sn焊層引出，減少了電極引線焊接點(diǎn)。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的單發(fā)射腔半導(dǎo)體激光器，其特征在于一級(jí)熱沉與次級(jí)銅熱沉焊接，通過銅熱沉上的螺孔最終與冷板表面固定，形成散熱通路。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種以SiC晶片作為一級(jí)熱沉的單發(fā)射腔半導(dǎo)體激光器。包括一級(jí)熱沉，Au-Sn焊層電極(正負(fù)極)，激光器芯片，連接金線，次級(jí)銅熱沉以及改進(jìn)的F封裝結(jié)構(gòu)。本發(fā)明特色在于與芯片直接接觸的一級(jí)熱沉采用SiC晶片，其熱脹系數(shù)與芯片襯底材料的熱脹系數(shù)相近，在消除芯片與銅熱沉之間的熱脹系數(shù)不匹配的同時(shí)，最大限度擴(kuò)展芯片有效散熱面積，均化熱流密度分布，降低了系統(tǒng)熱阻，從而顯著減少芯片工作時(shí)熱量的積累。數(shù)值模擬表明，在同等條件下，采用此種新型熱沉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可使散熱功率增加近60％。采用改進(jìn)的F封裝結(jié)構(gòu)，電極引線7、8直接從+-極Au-Sn焊層引出，減少了電極引線焊接點(diǎn)，有利于提高器件整體可靠性。
文檔編號(hào)H01S5/024GK102709807SQ201210113009
公開日2012年10月3日 申請(qǐng)日期2012年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月18日
發(fā)明者徐靖中 申請(qǐng)人:徐靖中