[发明专利]半导体芯片激光模块及其散热方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体芯片激光模块散热领域，特别涉及一种无机热超导材料对高功率半导体芯片激光模块进行散热的半导体芯片激光模块及其散热方法。

背景技术

半导体激光器是用半导体材料作为工作物质的激光器，常用工作物质有砷化镓(GaAs)、硫化镉(CdS)、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)等。对于高功率激光器件来说，其电光转换效率大约为50％，其余的电能会产生废热，从而使半导体芯片的温度急速上升。然而，温度特性是半导体材料的一个主要特性，其对半导体激光器的影响主要有三个方面：

首先，一般情况下，半导体激光器的发光波长随温度变化为0.2-0.3nm/℃，即温度每升高约3℃，半导体激光器的发光波长改变1nm,同时伴随着光谱宽度的增加。因此，温度对半导体激光器的波长稳定性无疑有重要的影响。

其次，当正向电流流经pn结时，发热性损耗会使结区产生温升。数据表明，在室温附近，温度每升高1℃，半导体激光器的发光强度会相应地减少1％左右，当芯片无法完成散热而使其温度急剧上升时，半导体激光器的工作效率就会大打折扣。

再次，由半导体材料制成的半导体芯片具有一定的热膨胀系数。如果半导体芯片无法及时完成散热，会导致芯片的温度逐步上升。当温度超过其热膨胀系数时，芯片就会损坏，大大降低了可靠性。

鉴于温度控制对半导体激光器的工作稳定性、工作效率及长期可靠性都有着重大影响，这就要求器件必须能对半导体芯片进行快速自主地散热，从而使半导体芯片可以在确保输出特性的同时，使用寿命也可增长。

半导体激光器的散热分为半导体芯片的散热与半导体激光器模块的散热两部分，这需要较为复杂的封装技术。

目前，常用的对半导体激光光源散热的技术是：对于半导体芯片：在芯片的上下表面各用一块紫铜夹住，将整体通过导热硅胶粘于热沉上。将半导体芯片及其散热装备装于一块封闭模具中，形成半导体激光模块。

对于半导体激光模块：将模块通过导热硅胶粘于次热沉上，通过次热沉将模块的热量导出去，从而实现对模块的散热。

就目前半导体激光光源的散热方法来说，虽然它的实现方法比较简单，但存在的问题也比较多。例如：一、现在热沉的材料一般采用的是铜，虽然铜的热传导能力良好，但铜的热膨胀系数与半导体材料的并不匹配，在散热过程中很可能会致使半导体材料因温度过高而损坏；二、热量由半导体芯片产生，经导热硅胶传热后将热量传到热沉上。虽然铜的热传导能力很好，但其无法在短时间内做到受热均匀，这就导致了在铜的部分区域内会产生热量堆积现象，综合表现为散热效果不佳。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种利用无机热超导材料，对半导体芯片激光模块进行散热的半导体芯片激光模块及其散热方法。

本发明提供的一种半导体芯片激光模块，其特征在于，包括：热沉；无机热超导材料；以及半导体激光器件，固定于热沉，其中，半导体激光器件，具有：芯片散热单元和光路散热单元；芯片散热单元，固定于半导体激光器件的内壁；光路散热单元，固定于半导体激光器件的内壁，芯片散热单元，包含：芯片、关联夹具和铜基座；芯片固定于关联夹具中间；铜基座的一侧与关联夹具相固定，另一侧与半导体激光器件的内壁相固定，无机热超导材料，填充于上述各部件的连接处，其中，热沉的接触面、半导体激光器件的接触面、关联夹具的接触面、铜基座的接触面均开设有梳状凹槽，梳状凹槽的深度为各开设有梳状凹槽部件高度的一半，热沉内部和铜基座内部都开设有环形凹槽，无机热超导材料填充在梳状凹槽和环形凹槽内。

本发明提供的半导体芯片激光模块，还具有这样的特征：热量移除装置，安装于靠近热沉处。

本发明提供的半导体芯片激光模块，还具有这样的特征：其中，热量移除装置可以为风冷装置或水冷设备。

本发明提供的半导体芯片激光模块散热方法，还具有以下步骤：步骤一：热沉的一侧、半导体激光器件的一个外表面和内壁、关联夹具的一个外表面、铜基座相对的两个表面和光路散热单元的一侧均开设凹槽；步骤二：将无机热超导材料填充入凹槽中；步骤三：将半导体激光器件固定在热沉的一侧，铜基座的一个表面和光路散热单元固定在半导体激光器件的内壁，关联夹具固定在铜基座的另一个表面，芯片的一面涂有无机热超导材料夹装于关联夹具中间，其中，热沉的接触面、半导体激光器件的接触面、关联夹具的接触面、铜基座的接触面均开设有凹槽，凹槽为梳状凹槽，梳状凹槽的深度为各开设有梳状凹槽部件高度的一半，热沉内部和铜基座内部都开设有环形凹槽，无机热超导材料填充在梳状凹槽和环形凹槽内。