[发明专利]以SiC晶片作为一级热沉的单发射腔半导体激光器

说明书

技术领域

本发明涉及一种单发射腔半导体激光器，特别是一种以SiC晶片作为一级热沉的单发射腔半导体激光器。

背景技术

半导体激光器以其体积小、重量轻、耦合效率高、寿命长、响应速度快、与光纤适配、可直接调制等优点，在工业、医疗、通信和军事上都有广泛的应用。随着大功率半导体激光器输出功率的不断提高，产生的热量也随之增加，积累的热量将会导致激光器有源区的温度上升，波长红移、输出功率和转换效率降低，甚至导致激光器失效。热效应已经成为一个制约大功率半导体激光器发展的瓶颈之一。

半导体激光器芯片的热流密度可达到每平方厘米千瓦量级，首先必须降低热流密度，扩展有效散热面积，而后才能通过常规传热方法散热。因此，与芯片直接接触的一级热沉起着关键作用。目前普遍应用无氧铜(无氧铜的导热系数约386w/m·K)作为热沉材料，为使热膨胀系数与外延片材料体系更匹配，中间衬以氮化铝作为过渡层(氮化铝的导热系数约170w/m·K)。这种热沉结构虽然降低了层间热应力，但以增加热阻为代价，并不是理想的一级热沉。

发明内容

本发明的目的在于提供一种以SiC晶片作为一级热沉的单发射腔半导体激光器，以最短的热传导路径，最大限度扩展芯片有效散热面积，均化热流密度分布，其与次级铜热沉结合形成的新型热沉结构，有效提升单发射腔半导体激光器的散热性能，显著提高其输出功率。

本发明涉及一种以SiC晶片作为一级热沉的单发射腔半导体激光器的热沉结构设计。所述的SiC晶片的法向导热系数比氮化铝高一倍以上，平面切向的导热系数比氮化铝提高两倍以上，而其热胀系数与芯片衬底材料的热胀系数相近。以SiC晶片作为一级热沉，可最大限度扩展芯片有效散热面积，均化热流密度分布。次级铜热沉采用改进的F封装结构，使一级热沉传递的热量沿最大温度梯度方向且以最短的热传导路径散热。同时，电极引线7、8直接从+-极Au-Sn焊层引出，减少了电极引线焊接点，有利于提高器件整体可靠性。所形成的新型热沉结构设计可以显著降低系统热阻，提高可靠性，从而显著减少芯片工作时热量的积累，有利于提高输出光功率。数值模拟表明，在同等外部环境条件下，采用此种新型热沉结构设计可使芯片产生的高热流密度峰值分布迅速趋于平坦，散热功率增加近60％。

所述的以SiC晶片作为一级热沉的单发射腔半导体激光器包括一级热沉1，Au-Sn焊层2(正极)，Au-Sn焊层3(负极)，激光器芯片4，连接金线5，次级铜热沉6，电极引线7。利用光刻和溅射镀膜在一级热沉1上表平面沉积互不相连的两个Ti/Pt/Au多层膜，经加热熔融后形成Au-Sn焊层2(正极)和Au-Sn焊层3(负极)，如图1所示。激光器芯片4表面镀金后，P面朝下，经加热熔接，通过Au-Sn焊层2与一级热沉1连接。Au-Sn焊层2作为正极，与电极引线7焊接后引出。芯片4上表面通过连接金线5，与Au-Sn焊层3连接，作为-极，再与电极引线7焊接后引出，如图2所示。

图2是单发射腔半导体激光器封装结构示意图，采用改进的F封装结构，电极引线7直接从正负极Au-Sn焊层2、3引出，减少了电极引线焊接点，有利于提高器件整体可靠性。一级热沉1与次级铜热沉6焊接，通过次级铜热沉上的螺孔最终与冷板表面固定，形成散热通路。

附图说明

图1是单发射腔半导体激光器一级热沉的结构示意图

1，一级热沉    2，Au-Sn焊层(正极)  3，Au-Sn焊层3(负极)

4，激光器芯片  5，连接金线

图2是单发射腔半导体激光器封装结构示意图

6，次级铜热沉  7，电极引线

具体实施方式

以各向异性高导热系数材料，例如改性SiC晶体，作为一级热沉，其与芯片GaAs衬底材料有相匹配的热胀系数，是一种性能优于目前采用的氮化铝陶瓷的热沉材料。用SiC晶片作为一级热沉，再与次级铜热沉6焊接，通过铜热沉上的螺孔最终与冷板表面固定，形成散热通路。采用此种新型热沉结构设计可最大限度扩展芯片有效散热面积，均化热流密度分布，使散热功率增加近60％。利用光刻和溅射镀膜在SiC热沉平面上沉积互不相连的Ti/Pt/Au多层膜，经加热熔融后形成两个Au-Sn焊层分别作为正负电极，通过电极引线7直接从正负极Au-Sn焊层2、3引出。

本发明提出的一级热沉和改进的F封装结构将有效降低系统热阻，减少了电极引线焊接点，提高器件整体可靠性，显著减少芯片工作时热量的积累，提高输出光功率。

以上所述，仅是根据本发明技术方案提出的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上和热沉材料上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的简单修改、等同变换以及类似性质材料代换，均仍属于本发明权利要求的保护范围内。