一种双芯片半导体激光器及其封装方法与应用与流程

1.本发明涉及一种双芯片半导体激光器及其封装方法与应用，属于半导体激光器封装技术领域。


背景技术：

2.随半导体激光器芯片技术日趋成熟，下游应用领域逐渐拓展，对元器件的性能要求也逐步提高。例如在激光显示、激光投影等新兴领域，需求体积小、光功率高、散热良好的半导体激光器元器件。to9是此类应用中最常见的封装形式之一，可以在较小尺寸下(管壳直径9mm)为瓦级激光器提供散热及保护。
3.为进一步提升激光器光功率，当前最主流的芯片解决方案为在一个芯片上设计双发光区，实现类似两个芯片并联工作的效果，从而提高激光器光功率。此类设计由于两个发光区距离较近，一般仅数十微米，因此工作时会在较小空间范围内激射较高的光功率，与此同时产生的热量密度较高。若要保持激光器稳定工作，必须维持芯片结温稳定，因此该方案能够达到的最大功率在很大程度上收到了封装结构散热能力的制约。且由于芯片上双发光区总是同时工作，各自电流需要分别超过阈值电流方才激射，因此在小电流下激光器芯片电光转换效率较低。
4.为解决以上问题，需设计一种新的半导体激光器结构，在不改变to9管壳直径的前提下，既要支持双芯片级别规模的散热，还需具备更灵活的工作模式，兼顾不同应用场景下对应的激光器驱动方式。


技术实现要素：

5.针对现有技术的不足，本发明提供一种半导体激光器结构及其封装方法，在不改变to9管壳直径的前提下，支持双芯片级别规模的散热，进一步提高光功率上限，还具备更灵活的工作模式，兼顾不同应用场景下对应的激光器驱动方式。
6.本发明的技术方案如下：
7.一种双芯片半导体激光器，包括to管座、激光器芯片、过渡热沉、金线；其中激光器芯片及过渡热沉各有两组，每组均有对应的金线；
8.to管座上设有焊接平台，焊接平台两侧面上各设有一个过渡热沉，激光器芯片与过渡热沉的上表面连接，管座上还设有三根引线，其中两根引线贯穿基座，另外一根引线与管座焊接，两组激光器芯片通过金线连接为并联或串联或独立模式。
9.优选的，所述半导体激光器结构包括以下方案之一：
[0010]ⅰ、两侧过渡热沉上的激光器芯片通过金线连接至同一根引线，两侧过渡热沉各通过金线连接至另一根引线；是为同向并联；
[0011]ⅱ、一侧过渡热沉上的激光器芯片与另一侧的过渡热沉各通过金线连接至同一根引线，一侧过渡热沉与另一侧的过渡热沉上的激光器芯片各通过金线连接至另一根引线；是为反向并联；
[0012]ⅲ、两侧过渡热沉上的激光器芯片各通过金线连接至不同引线，两侧过渡热沉各通过金线连接至焊接平台；是为独立驱动模式；
[0013]ⅳ、一侧过渡热沉上的激光器芯片通过金线连接至一根引线，一侧过渡热沉通过金线连接至焊接平台，另一侧过渡热沉通过金线连接至另一根引线，另一侧过渡热沉上的激光器芯片通过金线连接至焊接平台；是为同向串联。
[0014]
优选的，to管座包括基板、管舌、引线及绝缘玻璃；基板为圆柱体，材质为钢；管舌位于基板上表面，材质为无氧铜；引线共三根，其中两根从基板上圆孔中穿过，通过绝缘玻璃固定在基板上，另一根直接与基板相连。
[0015]
进一步的，基板边缘分别有两个对称分布的三角形夹取缺口，及一个方形定位缺口。便于夹取和定位。
[0016]
进一步的，管舌包含三段凸起，左右凸起为鳍片，中间凸起为焊接平台，两根引线分别从焊接平台与左右两个鳍片之间穿过；焊接平台为立方体，高度与鳍片相同；焊接平台两侧表面上各有一组过渡热沉及激光器芯片。
[0017]
进一步的，过渡热沉为立方体，其衬底材质为氮化铝陶瓷或碳化硅陶瓷，均是绝缘材质；过渡热沉下表面为预镀金锡焊料，过渡热沉下表面与焊接平台连接，过渡热沉上表面有金层，金层中间区域为预镀金锡合金焊料；激光器芯片p面朝向过渡热沉，与过渡热沉上表面金层导通。
[0018]
优选的，管座在引线的另一侧设有管帽，管帽用于保护激光器芯片等内部结构。
[0019]
一种双芯片半导体激光器的封装方法，过渡热沉通过金锡焊料共晶在焊接平台上，激光器芯片通过金锡焊料共晶在过渡热沉上，共计两组；通过金线完成激光器芯片正负电极与to管座各引线的连接，形成电流通路。
[0020]
优选的，金线的连接包括以下方案：
[0021]ⅰ、通过金线，将两组激光器芯片n面与同一引线相连，两组过渡热沉上表面金层与另一引线相连，使两组激光器芯片处于同向并联工作状态；
[0022]ⅱ、通过金线，将两组激光器芯片n面分别与不同引线相连，两组过渡热沉上表面金层也与不同引线相连，使两组激光器芯片处于反向并联工作状态；
[0023]ⅲ、通过金线，将两组激光器芯片n面分别与不同引线相连，两组过渡热沉上表面金层与焊接平台相连，形成公共正极，使两组激光器芯片处于独立控制工作状态；
[0024]ⅳ、通过焊线，将第一组激光器芯片n面与其中一根引线相连，过渡热沉上表面金层与焊接平台相连；将第二组激光器芯片n面与焊接平台相连，第二组过渡热沉上表面金层与另一根引线相连，使两组激光器芯片处于同向串联工作状态。
[0025]
一种双芯片半导体激光器的应用，当应用需求对激光器光斑快轴发散角进行限制时，使用紫外胶在两个鳍片前端固定光纤，使光纤、激光器芯片发光区对齐，由于光纤横截面为圆型，当光束从侧面进入光纤后，利用透镜原理对光斑进行聚焦，调整光纤与激光器芯片发光区的距离即可实现快轴发散角压缩，使最终出射光斑变为指定宽高比的方形，实现整形。
[0026]
本发明的有益效果在于：
[0027]
本发明提供的一种半导体激光器结构及其封装方法，在不改变to9管壳直径的前提下，支持双芯片级别规模的散热，进一步提高光功率上限，还具备更灵活的工作模式，兼
顾不同应用场景下对应的激光器驱动方式。
附图说明
[0028]
图1是常规to9封装高功率激光器外部结构示意图；
[0029]
图2是常规to9封装高功率激光器内部结构示意图；
[0030]
图3是本发明实施例1的激光器结构示意图(同向并联)；
[0031]
图4是本发明管座正面结构示意图；
[0032]
图5是本发明管座背面结构示意图；
[0033]
图6是本发明管座正面俯视示意图；
[0034]
图7是本发明管座侧视示意图；
[0035]
图8是本发明实施例1的激光器焊线示意图(同向并联)；
[0036]
图9是本发明实施例的封装流程示意图；
[0037]
图10是本发明实施例2的激光器结构示意图(反向并联)；
[0038]
图11是本发明实施例2的激光器焊线示意图(反向并联)；
[0039]
图12是本发明实施例3的激光器结构示意图(独立驱动)；
[0040]
图13是本发明实施例3的激光器焊线示意图(独立驱动)；
[0041]
图14是本发明实施例4的激光器结构示意图(同向串联)；
[0042]
图15是本发明实施例4的激光器焊线示意图(同向串联)；
[0043]
图16是利用本发明光纤整形结构示意图；
[0044]
图17是利用本发明光纤整形焊线示意图。
[0045]
其中：1、常规to管座，2、激光器芯片，3、过渡热沉，4、金线，5、管帽，6、焊接平台；
[0046]
7、to管座，8、激光器芯片，9、过渡热沉，10、金线，11、基板，12、管舌，13、引线，14、绝缘玻璃，15、三角形夹取缺口，16、方形定位缺口，17、鳍片，18、焊接平台，19、紫外胶，20、光纤。
具体实施方式
[0047]
下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。
[0048]
为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。
[0049]
为说明本发明需要解决的问题，先对常规to9封装双发光区激光器结构进行说明。
[0050]
常规to9封装高功率激光器结构如图1-2所示，包括(1)常规to管座、(2)激光器芯片、(3)过渡热沉、(4)金线、(5)管帽。其中，(2)激光器芯片通过共晶工艺烧结在(3)过渡热沉上，(3)过渡热沉烧结在(1)常规to管座的(6)焊接平台上，并通过(4)金线形成内部互联结构。激光器工作时，(2)激光器芯片产生的热量先传导至(3)过渡热沉，再传导至(6)焊接平台上表面，最终经(1)常规to管座与空气或外围壳体相接触，完成散热。
[0051]
由于(5)管帽主要起内部结构保护作用，属于通用部件，故下文在进行实施例描述时，仅展示内部结构，不再体现管帽。
[0052]
实施例1：
[0053]
一种双芯片半导体激光器，如图3-8所示，包括(7)to管座、(8)激光器芯片、(9)过渡热沉、(10)金线；其中(8)激光器芯片及(9)过渡热沉各有两组，每组均有对应的(10)金线；to管座上设有(18)焊接平台，焊接平台两侧面上各设有一个过渡热沉，激光器芯片与过渡热沉的上表面连接，管座上还设有三根(13)引线，其中两根引线贯穿基座，另外一根引线与管座焊接。两侧过渡热沉上的激光器芯片通过金线连接至同一根引线，两侧过渡热沉各通过金线连接至另一根引线；是为同向并联，如图8所示。
[0054]
实施例2：
[0055]
一种双芯片半导体激光器，其结构如实施例1所述，所不同的是，一侧过渡热沉上的激光器芯片与另一侧的过渡热沉各通过金线连接至同一根引线，一侧过渡热沉与另一侧的过渡热沉上的激光器芯片各通过金线连接至另一根引线；是为反向并联，如图10、图11所示。
[0056]
实施例3：
[0057]
一种双芯片半导体激光器，其结构如实施例1所述，所不同的是，两侧过渡热沉上的激光器芯片各通过金线连接至不同引线，两侧过渡热沉各通过金线连接至焊接平台；是为独立驱动模式，如图12、图13所示。
[0058]
实施例4：
[0059]
一种双芯片半导体激光器，其结构如实施例1所述，所不同的是，一侧过渡热沉上的激光器芯片通过金线连接至一根引线，一侧过渡热沉通过金线连接至焊接平台，另一侧过渡热沉通过金线连接至另一根引线，另一侧过渡热沉上的激光器芯片通过金线连接至焊接平台；是为同向串联，如图14、图15所示。
[0060]
实施例5：
[0061]
一种双芯片半导体激光器，其结构如实施例1所述，所不同的是，如图4、图5所示，to管座包括(11)基板、(12)管舌、(13)引线及(14)绝缘玻璃；(11)基板为扁圆柱体，材质为钢；(12)管舌位于基板上表面，材质为无氧铜；(13)引线共三根，其中两根从(11)基板上圆孔中穿过，通过(14)绝缘玻璃固定在基板上，并与基板电绝缘；另一根直接焊接在(11)基板背面。
[0062]
实施例6：
[0063]
一种双芯片半导体激光器，其结构如实施例5所述，所不同的是，如图6、图7所示，(11)基板边缘分别有两个(15)三角形夹取缺口，及一个(16)方形定位缺口；(12)管舌包含三段凸起，左右凸起为(17)鳍片，中间为(18)焊接平台，两根(13)引线分别从(18)焊接平台与两个(17)鳍片之间穿过；(18)焊接平台为立方体，高度与(17)鳍片相同；(18)焊接平台上下表面上各有一组(8)激光器芯片与(9)过渡热沉。
[0064]
(9)过渡热沉为立方体，其衬底材质为氮化铝陶瓷或碳化硅陶瓷，均是绝缘材质；(9)过渡热沉下表面为预镀金锡焊料，过渡热沉下表面与焊接平台连接，过渡热沉上表面有金层，金层中间区域有预镀金锡焊料；(8)激光器芯片p面朝向过渡热沉，与(9)过渡热沉上表面金层形成导通。
[0065]
实施例7：
[0066]
一种双芯片半导体激光器的封装方法，如图9所示，本实例的封装流程包括共晶、焊线、封帽、老化、测试。其中核心工步为共晶：过渡热沉通过金锡焊料共晶在焊接平台上，激光器芯片通过金锡焊料共晶在过渡热沉上；完成一组后将to管座冷却并180
°
翻转，在焊接平台的另一面上重复该过程，完成第二组共晶。
[0067]
由于使用预镀金锡合金作为焊料，该合金在组分au80sn20时熔点约为280℃，因此可选择略高于此温度的加热温度(如320℃)完成共晶；由于在共晶过程中，焊接平台表面镀层及激光器芯片电极内的金元素发生扩散，改变了共晶处金锡组分，使其熔点上升(如380℃)，因此即使在翻转后再次加热到原温度(如320℃)进行第二组共晶，已共晶完毕的第一组激光器芯片及过渡热沉也不会脱落。
[0068]
在焊线工步中，采用超声波金球焊工艺，通过金线完成激光器芯片正负电极与to管座各引线的连接，形成电流通路。如图8所示，本实施例选择将两组激光器芯片n面与同一引线相连，两组热沉上表面金层与另一引线相连，使两组激光器芯片处于同向并联工作状态，总输出光功率为两组芯片各自光功率之和；与常规to9封装高功率激光器相比更好，器件电原理，但由于本实施例由两组激光器芯片+过渡热沉组成，散热过程初期各内部结构间的接触面积约为常规结构的2倍，可以更快的将激光器芯片工作产生热量传导至to管座上，不易形成局部积热。因此即便本实例单一激光器芯片光功率仅有常规to9封装高功率激光器所用芯片的50％，工作时散热条件也优于常规结构，使芯片保持更低的结温，从而可以通过增加电流进一步提高激光器总输出功率。
[0069]
实施例8：
[0070]
一种双芯片半导体激光器的封装方法，方法如实施例7所述，所不同的是，如图10、图11所示，to管座、激光器芯片、过渡热沉均与实例7相同，共晶工艺流程相同，仅焊线存在差异：本实施例选择将两组激光器芯片n面分别与不同引线相连，两组热沉上表面金层与另一引线相连，使两组激光器芯片处于反向并联工作状态。此时在激光器左右引脚上施加一个交流信号，则两组激光器芯片开始交替激射发光，焊接平台前后两面交替散热；当两组激光器芯片规格不同时，例如不同波长、不同额定功率、不同工作电压，可通过调整交流信号偏置电压和峰峰值，分别调控两组激光器芯片的出光功率。
[0071]
实施例9：
[0072]
一种双芯片半导体激光器的封装方法，方法如实施例7所述，所不同的是，如图12、图13所示，to管座、激光器芯片、过渡热沉均与实例7相同，共晶工艺流程相同，仅焊线存在差异：本实施例选择将两组激光器芯片n面分别与不同引线相连，两组热沉上表面金层与管座焊接平台相连，形成公共正极，使两组激光器芯片处于独立控制工作状态。由于两组激光器芯片均有独立控制引脚，此实例可满足更复杂多变的驱动条件，例如在需求低功率输出时仅使单芯片工作以提高电光转换效率，在需求高功率输出时再同时驱动两组芯片；当两组芯片为不同波长可见光芯片时，调节各自电流大小可改变混光后各波段分布，实现调色。
[0073]
实施例10：
[0074]
一种双芯片半导体激光器的封装方法，方法如实施例7所述，所不同的是，如图14、图15所示，to管座、激光器芯片、过渡热沉均与实例7相同，共晶工艺流程相同，仅焊线存在差异：本实施例选择将第一组激光器芯片n面与其中一根引线相连，热沉上表面金层与焊接
平台相连；将第二组激光器芯片n面与焊接平台相连，热沉上表面金层与另一根引线相连，使两组激光器芯片处于同向串联工作状态。此时激光器工作电压变为两组激光器芯片电压之和，可在对电流大小有限制，但对电压要求较宽的应用中实现高功率光输出。
[0075]
实施例11：
[0076]
一种双芯片半导体激光器的应用，如图16、图17所示，本实施例为实例1-4的拓展，当应用需求对激光器光斑快轴发散角进行限制时，可使用(19)紫外胶在(17)鳍片前端固定(20)光纤，使(20)光纤、(8)激光器芯片发光区对齐。由于光纤横截面为圆型，当光束从侧面进入(20)光纤后，可利用透镜原理对光斑进行聚焦，调整(20)光纤与(8)激光器芯片发光区的距离即可实现快轴发散角压缩，使最终出射光斑变为指定宽高比的方形，实现整形。

技术特征：
1.一种双芯片半导体激光器，其特征在于，包括to管座、激光器芯片、过渡热沉、金线；其中激光器芯片及过渡热沉各有两组，每组均有对应的金线；to管座上设有焊接平台，焊接平台两侧面上各设有一个过渡热沉，激光器芯片与过渡热沉的上表面连接，管座上还设有三根引线，其中两根引线贯穿基座，另外一根引线与管座焊接，两组激光器芯片通过金线连接为并联或串联或独立模式。2.根据权利要求1所述的双芯片半导体激光器，其特征在于，所述半导体激光器结构包括以下方案之一：ⅰ、两侧过渡热沉上的激光器芯片通过金线连接至同一根引线，两侧过渡热沉各通过金线连接至另一根引线；ⅱ、一侧过渡热沉上的激光器芯片与另一侧的过渡热沉各通过金线连接至同一根引线，一侧过渡热沉与另一侧的过渡热沉上的激光器芯片各通过金线连接至另一根引线；ⅲ、两侧过渡热沉上的激光器芯片各通过金线连接至不同引线，两侧过渡热沉各通过金线连接至焊接平台；ⅳ、一侧过渡热沉上的激光器芯片通过金线连接至一根引线，一侧过渡热沉通过金线连接至焊接平台，另一侧过渡热沉通过金线连接至另一根引线，另一侧过渡热沉上的激光器芯片通过金线连接至焊接平台。3.根据权利要求1所述的双芯片半导体激光器，其特征在于，to管座包括基板、管舌、引线及绝缘玻璃；基板为圆柱体，材质为钢；管舌位于基板上表面，材质为无氧铜；引线共三根，其中两根从基板上圆孔中穿过，通过绝缘玻璃固定在基板上，另一根直接与基板相连。4.根据权利要求3所述的双芯片半导体激光器，其特征在于，基板边缘分别有两个对称分布的三角形夹取缺口，及一个方形定位缺口。5.根据权利要求3所述的双芯片半导体激光器，其特征在于，管舌包含三段凸起，左右凸起为鳍片，中间凸起为焊接平台，两根引线分别从焊接平台与左右两个鳍片之间穿过；焊接平台为立方体，高度与鳍片相同；焊接平台两侧表面上各有一组过渡热沉及激光器芯片。6.根据权利要求1所述的双芯片半导体激光器，其特征在于，过渡热沉为立方体，其衬底材质为氮化铝陶瓷或碳化硅陶瓷；过渡热沉下表面为预镀金锡焊料，过渡热沉下表面与焊接平台连接，过渡热沉上表面有金层，金层中间区域为预镀金锡合金焊料；激光器芯片p面朝向过渡热沉，与过渡热沉上表面金层导通。7.根据权利要求1所述的双芯片半导体激光器，其特征在于，管座在引线的另一侧设有管帽。8.一种对权利要求1-7任意一项权利要求所述双芯片半导体激光器的封装方法，其特征在于，过渡热沉通过金锡焊料共晶在焊接平台上，激光器芯片通过金锡焊料共晶在过渡热沉上，共计两组；通过金线完成激光器芯片正负电极与to管座各引线的连接，形成电流通路。9.根据权利要求8所述的双芯片半导体激光器的封装方法，其特征在于，金线的连接包括以下方案：ⅰ、通过金线，将两组激光器芯片n面与同一引线相连，两组过渡热沉上表面金层与另一引线相连，使两组激光器芯片处于同向并联工作状态；ⅱ、通过金线，将两组激光器芯片n面分别与不同引线相连，两组过渡热沉上表面金层
也与不同引线相连，使两组激光器芯片处于反向并联工作状态；ⅲ、通过金线，将两组激光器芯片n面分别与不同引线相连，两组过渡热沉上表面金层与焊接平台相连，形成公共正极，使两组激光器芯片处于独立控制工作状态；ⅳ、通过焊线，将第一组激光器芯片n面与其中一根引线相连，过渡热沉上表面金层与焊接平台相连；将第二组激光器芯片n面与焊接平台相连，第二组过渡热沉上表面金层与另一根引线相连，使两组激光器芯片处于同向串联工作状态。10.一种利用权利要求1-7任意一项权利要求所述双芯片半导体激光器的应用，其特征在于，当应用需求对激光器光斑快轴发散角进行限制时，使用紫外胶在两个鳍片前端固定光纤，使光纤、激光器芯片发光区对齐，当光束从侧面进入光纤后，利用透镜原理对光斑进行聚焦，调整光纤与激光器芯片发光区的距离即可实现快轴发散角压缩，使最终出射光斑变为指定宽高比的方形，实现整形。

技术总结
本发明涉及一种双芯片半导体激光器及其封装方法与应用，属于半导体激光器封装技术领域，包括TO管座、激光器芯片、过渡热沉、金线；其中激光器芯片及过渡热沉各有两组，每组均有对应的金线；TO管座上设有焊接平台，焊接平台两侧面上各设有一个过渡热沉，激光器芯片与过渡热沉的上表面连接，管座上还设有三根引线，其中两根引线贯穿基座，另外一根引线与管座焊接，两组激光器芯片通过金线连接为并联或串联或独立模式。在不改变TO9管壳直径的前提下，支持双芯片级别规模的散热，进一步提高光功率上限，还具备更灵活的工作模式，兼顾不同应用场景下对应的激光器驱动方式。景下对应的激光器驱动方式。景下对应的激光器驱动方式。


技术研发人员：梁盼 晏骁哲
受保护的技术使用者：潍坊华光光电子有限公司
技术研发日：2023.06.28
技术公布日：2023/9/7