一種粘接型半導體雷射器疊陣及其製備方法與流程
2023-09-21 11:15:50
本發明涉及一種半導體雷射器，具體為粘接型半導體雷射器疊陣的封裝結構及其製備方法。
背景技術：
現有的高功率半導體雷射器疊陣的封裝結構中，雷射晶片、導電襯底、絕緣襯底與熱沉之間均採用相互鍵合的工藝，一個晶片燒壞，整個疊陣均會失效；並且該結構的半導體雷射器後期維護複雜，在長期使用中單個晶片的故障難以單獨維修和更換，拆裝會導致雷射晶片的損傷和失效，進而影響整個半導體雷射器的可靠性。
中國專利ZL201410528287.5中公開了一種機械連接的半導體雷射器疊陣，通過螺絲來實現疊陣的安裝，但是這種機械方式往往體積較大，在一些應用領域受到限制。
技術實現要素：
為了解決現有技術的不足，本發明提出一種粘接型半導體雷射器疊陣，實現了高功率半導體雷射器中晶片單元的無損拆裝。具體的技術方案為：
一種粘接型半導體雷射器疊陣，包括多個雷射晶片與其對應的導電襯底排列形成的晶片模塊，安裝塊以及基礎熱沉；所述安裝塊設置於晶片模塊的兩端，所述導電襯底設置於基礎熱沉上且與基礎熱沉絕緣，所述晶片模塊與安裝塊之間，和/或安裝塊與基礎熱沉之間，和/或晶片模塊與基礎熱沉之間採用粘膠進行粘接。
所述晶片模塊具體結構為雷射晶片與導電襯底通過導電膠粘接固定排列形成；或者晶片模塊具體結構為雷射晶片與導電襯底在安裝塊的壓力下固定排列形成；或者晶片模塊包括多個晶片單元，晶片單元具體為雷射晶片及與其鍵合的導電襯底，或者晶片單元具體為雷射晶片及與其鍵合的導電襯底且導電襯底底部設置有絕緣層用於使導電襯底與基礎熱沉絕緣。
所述導電襯底底部，或者安裝塊底部，或者基礎熱沉上，或者絕緣層底部開有凹槽，用於預置粘膠。所述凹槽分為凹槽區和凸起區，凹槽區用於預置粘膠，凸起區放置高導熱層。
所述高導熱層為導熱矽脂，或者導熱矽膠片，或者金屬薄片，或者焊料片，或者碳納米薄膜。
所述的粘膠為熱固性膠粘劑、或者熱塑性膠粘劑、或者光學膠、或者瞬間膠、或者導熱膠、或者導電膠。所述熱固性膠為環氧樹脂類膠，或者酚醛樹脂類膠，或者聚氨酯類膠；所述熱塑性膠為烯類聚合物；所述光學膠為UV膠。
一種粘接型半導體雷射器疊陣的製備方法，其特徵在於，包括以下幾個步驟：
1）將多個雷射晶片與其對應的導電襯底排列成晶片模塊，在晶片模塊的導電襯底、和/或基礎熱沉、和/或安裝塊上預置粘膠，且導電襯底與基礎熱沉之間絕緣；
2）將晶片模塊與安裝塊、基礎熱沉通過預緊夾具壓緊連接，並在第1）步預置粘膠的區域進行粘接；
3）膠固化處理，具體通過加熱、光照、常溫放置實現固化；
4) 待膠固化後去除預緊夾具。
所述的粘膠為熱固性膠粘劑、或者熱塑性膠粘劑、或者光學膠、或者瞬間膠、或者導熱膠。所述導電襯底底部，或者安裝塊底部，或者基礎熱沉上開有凹槽，用於預置粘膠。
本發明具有以下優點：
1）雷射晶片承受應力小，良率提升。現有產品中晶片承受雙面鍵合應力，晶片易於出現破損，封裝過程中有一定良率損失。本發明採用粘膠，晶片出現破損機率降低，良率較高；此外，本發明的粘膠型半導體雷射器疊陣相比螺絲機械連接方式具有更小的體積。
2）本發明採用粘膠來封裝半導體雷射器疊陣，封裝溫度較低，不會對晶片造成高溫損傷，並且可通過加熱、浸泡或者脫膠劑等除去粘膠，實現疊陣中晶片單元的無損拆裝。
附圖說明
圖1為本發明粘接型半導體雷射器疊陣的結構示意圖。
圖2 為本發明粘接型半導體雷射器疊陣的實施例二。
圖3a-3e 為導電襯底底部凹槽的結構示意。
圖4a-4b 為基礎熱沉上的凹槽結構示意。
附圖標號說明：1-安裝塊，2-雷射晶片3-導電襯底，4-粘膠區B，5-粘膠區C，6-粘膠區A，7-基礎熱沉，8-連接部件，9-絕緣層，10為連接部件與安裝塊之間的粘膠區，11-凹槽。
具體實施方式
圖1為本發明粘接型半導體雷射器疊陣的結構示意圖，包括多個雷射晶片2與其對應的導電襯底3排列形成的晶片模塊、安裝塊1和基礎熱沉7。所述安裝塊設置於晶片模塊的兩端，所述導電襯底設置於基礎熱沉上且與基礎熱沉絕緣。
所述晶片模塊具體結構可以分為以下幾種形式：
1. 雷射晶片與導電襯底通過導電膠粘接固定排列形成；
2.晶片模塊為雷射晶片與導電襯底在安裝塊的壓力下固定排列形成；
3. 晶片模塊包括多個晶片單元，晶片單元具體為雷射晶片及與其鍵合的導電襯底，或者晶片單元具體為雷射晶片及與其鍵合的導電襯底且導電襯底底部設置有絕緣層用於使導電襯底與基礎熱沉絕緣。
本發明粘接型半導體雷射器疊陣具體的製備過程為：將多個雷射晶片與其對應的導電襯底排列成晶片模塊，選擇性的在晶片模塊的導電襯底、基礎熱沉、安裝塊上預置粘膠；在預緊夾具的作用下，晶片模塊、安裝塊1、基礎熱沉壓緊在一起，在如下3處粘膠區選擇性通過粘膠固定：粘膠區A 6（晶片單元與安裝塊之間）、粘膠區B 4（安裝塊與基礎熱沉之間）和粘膠區C 5（晶片單元與基礎熱沉之間）為3處可選的粘膠區域，待粘膠固化後去除預緊夾具。
粘膠區可使用的膠類型包括：熱固性膠粘劑、熱塑性膠粘劑、光學膠、瞬間膠、導熱膠與導電膠，且前述粘膠在經其失效處理後可去除。前述失效處理包括加熱，水煮，水蒸汽燻，丙酮或乙醇浸泡，或者長時間水浸泡等，必要時可採用溶解劑將處理後的膠去除。
需要拆解半導體雷射器疊陣時，只需要根據選用粘膠的失效條件進行相應處理，粘膠分解，而後使用溶解劑將殘膠清洗乾淨，即可實現無損拆裝。所述熱固性膠可以選擇環氧樹脂類膠或者酚醛樹脂類膠或者聚氨酯類膠；所述熱塑性膠可以選擇烯類聚合物；所述光學膠優選UV膠。需要說明是，導電膠優選用於粘膠區A 6 ，若粘膠區B 4或者粘接區C 5 使用導電膠粘接時，應注意在導電襯底與基礎熱沉之間增加絕緣層，以防止雷射晶片短路。
舉例說明前述的粘接方式：可以在粘膠區A 6和粘膠區B 4上預置粘膠，將晶片模塊與安裝塊1、基礎熱沉7通過預緊夾具壓緊連接，粘接區C 5可以不需要粘接，僅靠壓力連接；進一步的，可以在粘接區C 5 預置導熱層，優選金屬導熱層（比如焊料片）或者碳納米管薄膜 ，以增強導電襯底與基礎熱沉之間的熱傳導性能。
因此上述3個粘膠區可以選擇性的選其一，或者其二，或者全部進行粘接，選其一粘膠區進行粘接時，為了保證半導體雷射器疊陣的可靠性，可以在其他粘接區進行鍵合，比如僅對粘膠區C 5進行粘接時，可以將安裝塊1鍵合至基礎熱沉7，拆解時，由於導電襯底僅採用粘接方式，仍可以無損拆裝；又比如僅對粘膠區B 4進行粘接，在預緊夾具的作用下，晶片模塊和安裝塊1通過壓力已經壓緊，因此無需在其他位置再進行粘接。
為了對上述方案進行優化，可以在晶片模塊的導電襯底3底部開凹槽11（參考圖3a的結構），或者在安裝塊底部設置凹槽，或者在基礎熱沉表面開與導電襯底或者安裝塊匹配的凹槽11（參考圖4a-4b），用於預置粘膠，避免無凹槽結構中粘膠溢出問題。如圖4a所示，凹槽11一一對應於導電襯底或者安裝塊的底部；如圖4b，為基礎熱沉的俯視圖，凹槽11設置於基礎熱沉的2個邊沿處（此時也可以視為邊沿處為臺階結構），晶片單元粘接於基礎熱沉，具體粘接位置為晶片單元的兩端。此種結構優選光學膠，從基礎熱沉2個側面可以直接進行光照。此外，對於導電襯底底部設置有絕緣層的結構，如圖3b，凹槽設置於絕緣層下方。
進一步的，為了優化散熱效果，晶片單元的導電襯底3底部的凹槽可以設置為如圖3c-3e中的結構類型，具體為圖3c中條形間隔凹槽11，也可以為圖3d貫通導電襯底底部的長方形凹槽11，也可以為圖3e中間隔排列的圓形凹槽11。凹槽11內預置粘膠，凹槽外的凸起部分（圖3c-3e中的空白區域）放置高導熱層，以增加導電襯底3至基礎熱沉7的導熱性能，高導熱層具體優選導熱矽脂，或者導熱矽膠片，或者金屬薄片，或者焊料片（不進行鍵合，僅作增加散熱效果之用），或者碳納米薄膜。
由於粘膠自身的熱導性能相比導電襯底以及傳統的鍵合材料差，因此在保證粘接強度的情況下，餘下面積應儘量增大。在此基礎上， 粘膠區A6或者C 5可以不粘接，進一步的，此處增加高導熱層以增加熱傳導效果。
圖2為本發明的實施例二，視為在粘膠區A 6進行粘接的一種具體實施方式。安裝塊1與晶片模塊之間還設置有連接部件8，安裝塊的其中之一朝向晶片模塊的方向為斜面（以下稱為斜面安裝塊），通過連接部件所施加的壓力可以壓緊晶片模塊與安裝塊，實現疊陣的連接。此方案中，安裝塊須與基礎熱沉固定，安裝塊與基礎熱沉之間的固定可以通過在粘膠區B 4進行粘接，也可以將安裝塊直接鍵合於基礎熱沉上，二者也可以為一體。
連接部件8與斜面安裝塊1通過粘膠區10粘接，粘接可選光學膠（具體為UV膠）此時連接部件採用可透過UV光的材料，具體為透明玻璃或者透明塑料，比如K9玻璃等。此外，與斜面安裝塊對應的另一安裝塊與晶片模塊之間也可以使用粘膠粘接，或者僅靠壓力連接。
在需要拆卸半導體雷射器疊陣的情況，僅需對疊陣做相應的溫度處理（低於-60℃或者高於150℃），可分解UV膠，實現雷射晶片模塊的無損拆裝。
所述基礎熱沉7可以為導電材料，也可以為絕緣材料；如果基礎熱沉為導電材料，可以在導電襯底與基礎熱沉之間增加絕緣層9，用於晶片模塊與基礎熱沉的絕緣。