[发明专利]一种应用于长脉宽的大功率半导体激光器封装结构

说明书

技术领域

本发明属于激光技术领域，具体而言，涉及一种应用于长脉宽的大功率半导体激光器封装结构。

背景技术

1960年梅曼制造了第一台红宝石激光器，从而拉开了激光医学的序幕. 1961年红宝石激光器首先被应用于眼科疾病治疗，开创了激光在医学上应用的先河. 随着激光医学的发展以及激光在各个领域应用的不断深入，可广泛应用于内、外、妇、儿、眼、耳鼻喉、皮肤、整形等各种疾病的诊断、治疗之中。随着半导体激光器波长范围的扩展，半导体激光已经用于软组织切除及组织接合、凝固、和汽化，在医学上获得广泛应用，如表1。半导体激光器具备体积小、价格低、效率高、寿命长等优点，越来越多的医用工业研究设计人员尝试使用半导体激光替代其他激光，作为改进激光医用仪器的主要措施。

医疗美容中对激光器脉冲宽度的需求，分为连续激光、半连续激光、以及高频率的准连续激光。为了适应其散热需求，目前应用于医疗美容领域的半导体激光器基本都采用微通道冷却、高纯铟焊料封装。

微通道冷却热沉利用去离子水及时的将激光器产生的热量从巴条中带走，散热效率较高。但是这种热沉不仅设计、制作、使用成本高，且随着时间推移，冷却效率会不断下降，从而导致器件性能迅速衰退。

表1 半导体激光器在医学美容领域的应用

 

高纯铟是一种软焊料，具有良好的延展性，可以在器件封装（尤其是降温冷却阶段）时和器件工作状态下很好的补偿热沉材料和巴条材料的热膨胀系数失配，且与半导体激光器巴条p面镀金层焊接面的润湿性也非常好。但铟焊料的最大缺点是，当铟内部发生机械和热循环时，其塑性变形速率很高，易产生蠕变。器件工作时，铟焊料在高电流下易产生电迁移和电热迁移，使器件稳定性下降，易出现性能突然退化现象，铟焊料封装的器件可靠性远低于硬焊料，如金锡焊料，封装的器件。

因此高温硬焊料及被散热封装结构是半导体激光器巴条叠阵封装技术发展的需求和趋势。国外很多公司在这方面的研究、开发与应用方面起步早、发展快、成果多，已具备基本成熟的技术。美国专利6,295,307、7,864,825等展示的巴条、散热片依次堆叠的叠阵封装结构，散热效率和使用条件有限，在准连续条件下使用时，电流占空比不超过5%。

早在1996年，美国专利5,923,692就提出了n面、p面都焊接散热隔片的“夹心”结构。它提出的结构和方法，在对激光器制作成叠阵前，可以将单个的巴条与散热片的组合单元进行测试、老化，然后挑选满足一定要求的单元制作叠阵。而且，为了缓解应力，还提出在组合单元之间加过渡层、以及热沉内部采用层状结构。但是这种方法总体来说，制作过程繁杂，且对应力的缓解不彻底。

美国专利7,801,190 B2报道了一个比较完善的“夹心”结构，但是还存在两个缺点。一是与激光器巴条叠阵相连接的电绝缘散热片是一个整体，不利于释放硬焊料焊接过程中引起的应力。再者，它提出p面次热沉的厚度约为n面次热沉的厚度的2～4倍，但是这种结构在电流高占空比，尤其是长脉冲条件下使用时，往往会引起由于p面和n面散热能力不同、温度不均，而导致激光器突然失效甚至烧毁。

德国DILAS报道的宏通道水通道叠阵封装结构，其与巴条叠阵连接的散热热沉是采用电镀金和刻蚀方法制作成一体的，不能有效缓解封装应力以及使用过程中的热应力。其报道中使用的准连续电流占空比只能达到10%（10mS，1Hz）。

由于半导体激光器工作过程中90%以上的热量都来自p面，而在长脉冲条件下工作时，半导体巴条与p面次热沉的界面在单个工作脉冲内温度变化可达15-40℃，这种工作条件下，巴条n面和p面的散热需求不同。上述专利和技术，都不能有效解决和避免n面和p面的散热差异问题，以及由此引起的应力、应变差异问题。为了满足长脉冲下巴条的散热、释放应力应变需求，需要从封装结构上对激光器巴条叠阵进行优化。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的以上问题，提供一种硬焊料封装结构，有效解决和避免长脉冲工作条件下引起的n面、p面散热差异问题，有效缓解n面、p面的应力应变问题，使其可以在长脉冲条件下具备高亮度、高可靠性、高效率等特点。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：