高功率激光二极管封装方法和激光二极管模块技术

多层激光二极管支架被构造有由热电传导材料制成的副支架。副支架的多个相对表面中的一个支撑激光二极管。副支架的另一个表面面向散热器并与所述散热器间隔开。副支架和散热器被构造有彼此不同的相应的热膨胀系数(“TEC”)。副支架的多个相对表面被电镀有相应的金属层，所述金属层中的一个结合到软焊料层。在本公开的一方面中，支架被进一步构造有间隔器，所述间隔器具有与副支架的TEC相同的TEC并结合到软焊料层。硬焊料层使间隔器和散热器相互结合。在本公开的进一步方面中，与副支架的另一个表面接触的电镀金属层为几百微米厚或更厚。软焊料直接结合到散热器。在本公开的两个方面中，激光二极管的p‑n结点的温度经过预定次数的几百次重复热循环在0‑2℃的温度范围内保持大致恒定，这表示软焊料的未妥协的整体性。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本公开涉及半导体激光器技术并具体地涉及其特征在于增加的稳定性的高功率激光二极管模块。
技术介绍
半导体激光器技术的迅速发展已经采用可更加容易供应的高功率激光二极管。对较高激光功率的连续追踪要求在封装设计方面较好的热操纵能力以有助于受控操作。当这些激光二极管生成可能会不利地影响其性能和可靠性的大量热通量时，需要一种热效封装方案来迅速地将激光二极管中生成的过量热移除到其周围环境。对于高功率应用，不仅需要考虑热问题，而且还需要考虑模块中的连接的机械整体性。这些造成了显著的封装挑战，因为进一步讨论的因素使对产生理想的封装设计的努力复杂化。。参照示出了典型的激光二极管组件的图1，激光二极管中生成的热量通过将二极管连接到副支架上而被传递到外界环境。激光二极管必须最佳地连接到组件以确保通过热界面的有效热传递。诸如软焊料的薄热结合界面建立通过管芯连接过程的有效散热通道。基于所述，为了提高激光二极管组件的热设计，理想的是，尤其使诸如二极管激光器的热源尽可能靠近散热器，使得软焊料界面尽可能地薄，增加材料的热导率，并且提供激光二极管与散热器之间的紧密热接触。热结合交界面或焊料由于其电气互连、机械支撑与散热性能而被用于激光二极管组件的每一部分中。这些焊料通常可以被分成两类：硬焊料和软焊料。通常，焊料材料必须满足以下要求：·具有期望的处理温度以支持高温操作·减少由于激光二极管与散热器之间的热膨胀的不匹配而导致的热诱导应力·在其长期操作期间显示没有变形/具有低变形·显示副支架管芯焊料的低电阻率以减小在高注入电流下的焦耳热量通常含有大百分比铅、锡和铟的软焊料具有非常低的屈服强度并在应力下会产生塑性变形。所述焊料塑性变形的能力有助于减小形成在结合结构中的应力。然而，这使得软焊料受到热疲劳和蠕变破裂，从而产生长期的可靠性问题。传统地，如图1所示，软的基于铟/锡/铋等的材料等用于将散热器结合到陶瓷副支架。例如由铜制成的散热器的热膨胀系数(“TEC”)与所述副支架的热膨胀系数不匹配。在激光器操作中被进一步称为热循环的重复接通-断开循环由于各个散热片和副支架的不同TEC而产生机械应力，其中所述副支架导致软层材料破裂/剪切等、和/或铟迁移。这些缺陷初始导致二极管的温度升高。有时，软焊料层被破坏，这将导致副支架与散热器的分离并导致激光二极管由于过热而被最终破坏。这尤其与高功率激光器有关，这是由于所述高功率激光器在管芯与散热器之间具有大的接触表面并且在接通与断开周期之间具有高温差。另一方面，硬焊料具有非常高的屈服强度，并因此在应力下会发生弹性变形，而不是塑性变形。因此，所述硬焊料具有良好的热导率，并且没有热疲劳和蠕变移动现象。遗憾地，已知的硬焊料的融化温度可能会太高，并且可能使到散热器附加装置的副支架的整体性受到妥协。因此，需要改进抗热循环激光二极管封装，从而产生稳定的高功率激光二极管模块。
技术实现思路
根据本公开的一方面，本专利技术的激光二极管组件由插入在散热器与陶瓷副支架之间的两个超散热层构造而成。所述层中的一个用作软焊料层与硬焊料层之间的间隔器，所述间隔器又被结合到散热器。间隔器由被选定为具有与陶瓷副支架的TEC基本上相匹配的TEC的材料制成。因此，在热循环期间，间隔器和副支架两者的几何形状基本上以一致的方式改变，这最小化不利地影响软焊料层的拉伸/压缩力。然而，通过本公开的间隔器的结构，所施加的力不足以使软焊料的整体性受到妥协。硬焊料层用于将间隔器结合到散热器。硬焊料实际上不易受到具有由具有相应不同的TEC的材料(在这种情况下，分别为间隔器和散热器的材料)的夹心层的非均匀变形。然而，在将间隔器结合到散热器期间，升高的温度不会影响软焊料和管芯的整体性。本公开的进一步方面中，组件包括塑性高度一致的金属层，所述金属层在陶瓷副支架通过使用软焊料层被结合到散热器之前被电镀或直接结合在陶瓷副支架上。在通常往往具有不超过1-2微米的薄金属层的公知的现有技术相反，所公开的结构的金属层至少为10微米厚并具有不同于副支架的CTE的CTE。然而，电镀或直接结合的金属的塑性补偿热诱导应力，同时其厚度在相当大的程度上增加其使用寿命。基于上述，本公开的多层激光二极管支架的基本结构被构造有一副支架，所述副支架具有支撑二极管激光器的一个表面。所述结构进一步包括散热器，所述散热器与副支架的与所述一个表面相对的相对表面间隔开并面向所述相对表面。副支架和散热器被构造有彼此不同的相应的热膨胀系数(“TEC”)。该结构的金属层被沉积在副支架的相对表面上并与所述相对表面接触，并且大约为几百微米。所述软焊料层结合到金属层并连接到散热器，以使得二极管激光器的p-n结点的温度通过达到至少几百次循环的预定次数的重复热循环保持大致恒定，且温差ΔT在每一次循环内超过100℃。本公开支架的上述结构的p-n结点在预定次数的重复热循环中在0-2℃的温度范围内保持恒定的温度下操作。优选地，p-n结点的温度在预定次重复热循环中保持在1℃以下。支架的基本结构还包括间隔器和硬焊料层，所述间隔器由具有与副支架的TEC相匹配的TEC的材料制成并结合到软焊料层，所述硬焊料层位于间隔器和散热器之间并结合到所述间隔器和散热器。这些额外的部件操作以使得在0-2℃之间并优选地在1℃以下改变的p-n结构的规定温度保持不变。附图说明以上及其它特征将从由图提供的以下具体描述变得更加清楚，其中：图1是典型的二极管激光器组件的分解图；图2A和图2B是根据本公开的一方面的本专利技术的二极管激光器组件的等视以及侧视分解图；图3示出了二极管激光器的P-N连接变化的温度与施加到根据图2A和图2B被封装的二极管激光器的热负载的依赖性；图4示出了根据本公开的进一步方面的所公开的二极管激光器组件的侧视图；图5A是图4的本专利技术的组件的制造过程期间基部的底视图；和图5B示出了图4的被处理组件的侧视图。具体实施方式以下详细地说明本专利技术的实施例。无论哪种可能，在附图中使用相同或类似的附图标记，并且对相同或类似的部件或步骤进行相同或类似的描述。附图为简化形式并且没有按精确的比例绘制。除非专门指出，说明书和权利要求书中的单词和措辞对于二极管和光纤激光器领域的普通技术人员来说是普通且惯常的意思。单词“连结”和类似术语不是必然地表示直接或即刻连接，而是包括通过自由空间或中间元件的机械和光学连接。通过安装/封装过程引入的热管理、机械应力和材料缺陷是需要解决的关键问题以实现高功率水平的可靠的激光器性能。除了操作温度本身之外，影响二极管激光器的寿命的一个重要因素是热机械应力。这些高应力水平由封装过程引起并且通过所公开的结构实施例被最小化，其中所述实施例在以下结合图2-4这里被充分地公开。图2A和图2B示出了本专利技术的激光二极管组件20的实施例中的一个。二极管激光器(“DL”)22被结合到金属层，所述金属层被涂覆在副支架18的二极管支撑表面上。软焊料层16提供间隔器14和副支架18的与间隔器14相对的金属化侧之间的可靠接触。间隔器14的材料被选定为具有大致匹配副支架18的热膨胀系数的热膨胀系数(“TEC”)，而间隔器14的几何形状类似于副支架18的几何形状，且可能为几百微米厚。整个副支架结构通过硬焊料层12被进一步结合到散热器10。通常，当电流通过DL本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多层激光二极管支架，包括：具有支撑二极管激光器的一个表面的副支架；散热器，所述散热器与副支架的与所述一个表面相对的相对表面间隔开，并面向副支架的所述相对表面，副支架和散热器被构造有彼此不同的相应的热膨胀系数(“TEC”)；金属层，所述金属层沉积在副支架的所述相对表面上并与所述相对表面接触；和软焊料层，所述软焊料层结合到金属层并连接到散热器，以使得二极管激光器的p‑n结点的温度经过多至至少几百次循环的预定次数的重复热循环保持大致恒定，且温差ΔT在每一次循环内超过100℃。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.03.31 US 61/973,237;2014.03.31 US 61/973,2251.一种多层激光二极管支架，包括：具有支撑二极管激光器的一个表面的副支架；散热器，所述散热器与副支架的与所述一个表面相对的相对表面间隔开，并面向副支架的所述相对表面，副支架和散热器被构造有彼此不同的相应的热膨胀系数(“TEC”)；金属层，所述金属层沉积在副支架的所述相对表面上并与所述相对表面接触；和软焊料层，所述软焊料层结合到金属层并连接到散热器，以使得二极管激光器的p-n结点的温度经过多至至少几百次循环的预定次...

【专利技术属性】
技术研发人员：阿列克谢·科米萨诺夫，德米特里·米弗塔库提诺夫，帕维尔·特鲁边科，伊格尔·贝尔谢夫，尼古拉·斯特鲁格夫，
申请(专利权)人：IPG光子公司，
类型：发明
国别省市：美国;US