本發明涉及半導體激光器技術領域，尤其是涉及一種半導體激光器的封裝結構及封裝方法。

背景技術：

現有的半導體激光器封裝結構中，微通道水冷(mcccooler)式結構存在以下問題：通道小，易堵塞，且熱容小。該問題在一定程度上制約了半導體激光器的散熱能力，不利于提高半導體激光器的可靠性。

目前的制冷器(cooler)多采用銅質，銅質的cooler與芯片之間存在熱膨脹系數(cte)不匹配的問題，因此一般需要加cte匹配的襯底，該方法使得工藝復雜，成本高；或采用銦焊料封裝，該方法使得容易發生材料遷移和熱疲勞，可靠性較差。當選擇加裝襯底時，采取的封裝形式為：芯片－襯底－(絕緣層)－cooler式。該封裝形式存在以下問題：結構復雜，導熱截面積小。不僅結構復雜導致封裝時的工藝復雜，而且有絕緣層的結構導熱截面積小、界面多，導致芯片的散熱效果不好。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種半導體激光器的封裝結構及封裝方法，以解決現有半導體激光器封裝結構采用微通道水冷結構通道小、易堵塞、不利于半導體激光器散熱的技術問題。

一方面，本發明提供一種半導體激光器的封裝結構，包括封裝單元，所述封裝單元包括第一電極，第二電極，設置在所述第一電極和所述第二電極之間、且與所述第一電極和所述第二電極接觸的芯片，以及與所述芯片分隔的冷卻介質通道；

所述冷卻介質通道形成于所述第一電極和所述第二電極之間，或，所述冷卻介質通道形成于所述第一電極背離所述芯片的一側。

進一步地，所述半導體激光器的封裝結構包括一個所述封裝單元；

所述封裝單元中，所述冷卻介質通道設置在所述第一電極和第二電極之間，且所述第一電極和第二電極之間還設置有第一絕緣隔層和第二絕緣隔層，所述第一絕緣隔層用以將所述冷卻介質通道與所述芯片分隔；所述第二絕緣隔層用于與所述第一絕緣隔層，以及所述第一電極、所述第二電極位于所述第一絕緣隔層和第二絕緣隔層之間的部分形成冷卻介質通道。

進一步地，所述半導體激光器的封裝結構包括一個所述封裝單元；

所述封裝單元中，所述第一電極和所述第二電極之間設置有第一絕緣隔層；所述第一電極背離所述第二電極的一側開設有凹槽且設置有覆蓋所述凹槽的輔助件，所述凹槽與所述輔助件形成所述冷卻介質通道。

進一步地，包括多個所述封裝單元，多個所述封裝單元依次疊置在一起形成疊陣結構。

進一步地，每個所述封裝單元中，所述芯片鍵合在所述第一電極的第一端，且所述第一電極的第二端與所述芯片之間設置有第一絕緣隔層；

相鄰的封裝單元中，第一個封裝單元朝向第二個封裝單元的電極與第二個封裝單元朝向第一個封裝單元的電極為同一電極；

所述半導體激光器的封裝結構還包括絕緣底板，所述絕緣底板、所述電極與所述第一絕緣隔層之間形成所述冷卻介質通道。

進一步地，每個所述電極的長度相同，所述絕緣底板與各所述電極的第二端連接；每個所述芯片兩側的所述電極和所述第一絕緣隔層以及所述絕緣底板之間形成獨立的所述冷卻介質通道。

進一步地，位于所述疊陣結構首端的電極與位于所述疊陣結構末端的電極長度大于其他所述電極，且與所述絕緣底板連接；各所述電極和所述第一絕緣隔層以及所述絕緣底板之間形成所述冷卻介質通道。

進一步地，所述電極長短交替排列，其中，長度較長的所述電極與所述絕緣底板連接；每個長度較短的電極與其兩側的長度較長的所述電極以及所述第一絕緣隔層、所述絕緣底板之間形成所述冷卻介質通道。

進一步地，每個所述封裝單元中，所述芯片鍵合在所述第一電極的第一端；

相鄰的封裝單元中，第一個封裝單元朝向第二個封裝單元的電極與第二個封裝單元朝向第一個封裝單元的電極為同一電極；

所述封裝結構還包括絕緣腔體，且所述絕緣腔體內裝有所述冷卻介質；所有所述電極的第二端的從所述絕緣腔體的一側伸入所述絕緣腔體內；

所述絕緣腔體與各所述電極形成所述冷卻介質通道。

進一步地，所述冷卻介質的流通方向平行于所述第一電極和/或所述第二電極位于所述冷卻介質通道區域內的表面。

進一步地，多個所述封裝單元的冷卻介質通道連通，且冷卻介質從所述疊陣結構的首端流向所述疊陣結構的末端。

進一步地，所述第一電極和/或第二電極的材料的導熱系數在300－1000w/(m·k)范圍內。

進一步地，所述冷卻介質通道內充入冷卻介質，所述冷卻介質為去離子水、氟利昂、液氨、液氮中的至少一種。

本發明還提供一種封裝方法，用于制備上述技術方案提供的任一種所述的半導體激光器的封裝結構，包括：

s1：將所述芯片直接鍵合到所述第一電極和/或所述第二電極上；

s2：將s1得到的所述封裝單元疊置形成疊陣結構；

s3：向s2得到的所述疊陣結構中的所述冷卻介質通道內通入所述冷卻介質。

本發明提供的半導體激光器的封裝結構及封裝方法能產生如下有益效果：

本發明提供一種半導體激光器的封裝結構，包括封裝單元，封裝單元包括第一電極，第二電極，設置在第一電極和第二電極之間、且與第一電極和第二電極接觸的芯片，以及與芯片分隔的冷卻介質通道；冷卻介質通道形成于第一電極和第二電極之間，或，冷卻介質通道形成于第一電極背離芯片的一側。在使用時，冷卻介質通道的內部充入冷卻介質，芯片在運行過程中散發出的熱量經與其接觸的第一電極和第二電極傳遞到與第一電極和/或第二電極接觸的冷卻通道內的冷卻介質，從而冷卻介質帶走芯片的熱量。

基于本發明提供的半導體激光器的封裝結構及封裝方法，通過選取與芯片隔離的冷卻介質通道作為冷卻介質對芯片散熱的空間，增加了冷卻面積，這樣不僅解決了傳統微通道設計導致的散熱受限的問題，而且在較大程度上提高了散熱效果；進一步的，通過采用與芯片cte相匹配的高導熱材料作為電極，使得芯片可以直接無銦化鍵合在第一電極上，不僅省去了襯底，而且電極可以作為冷卻裝置，將電極、襯底、制冷器的功能合三為一，在大幅度減小激光器體積的同時，有效地增大了功率密度，簡化了封裝工藝。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明具體實施方式或現有技術中的技術方案，下面將對具體實施方式或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發明的一些實施方式，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發明實施例一中半導體激光器的封裝結構方式一的結構示意圖；

圖2為本發明實施例一中半導體激光器的封裝結構方式二的結構示意圖；

圖3為本發明實施例二中半導體激光器的封裝結構方式一的結構示意圖；

圖4為本發明實施例二中半導體激光器的封裝結構方式二的結構示意圖；

圖5為本發明實施例二中半導體激光器的封裝結構方式三的結構示意圖；

圖6為本發明實施例二中半導體激光器的封裝結構方式四的結構示意圖；

圖7為本發明實施例三中半導體激光器的封裝結構中相鄰封裝單元之間的結構示意圖；

圖8為本發明實施例三中半導體激光器的封裝結構方式一的結構示意圖；

圖9為本發明實施例三中半導體激光器的封裝結構方式二的結構示意圖；

圖10為本發明實施例三中半導體激光器的封裝結構方式三的結構示意圖；

圖11為本發明實施例三中半導體激光器的封裝結構方式四的結構示意圖；

圖12為本發明實施例四中半導體激光器的封裝結構中相鄰封裝單元之間的結構示意圖；

圖13為本發明實施例四中半導體激光器的封裝結構方式一的結構示意圖；

圖14為本發明實施例四中半導體激光器的封裝結構方式二的結構示意圖；

圖15為本發明實施例四中半導體激光器的封裝結構方式三的結構示意圖。

圖標：1－第一電極；2－第二電極；3－芯片；4－冷卻介質通道；5－第一絕緣隔層；5.1－第二絕緣隔層；6－絕緣底板；7－絕緣腔體；8－輔助件；11－第一封裝單元；12－第二封裝單元。

具體實施方式

下面將結合附圖對本發明的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。

在本發明的描述中，需要說明的是，術語“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“內”、“外”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。此外，術語“第一”、“第二”、“第三”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。

在本發明的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規定和限定，術語“安裝”、“相連”、“連接”應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通。對于本領域的普通技術人員而言，可以具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。

以下結合附圖對本發明的具體實施方式進行詳細說明。應當理解的是，此處所描述的具體實施方式僅用于說明和解釋本發明，并不用于限制本發明。

一方面，本發明提供一種半導體激光器的封裝結構，包括封裝單元，封裝單元包括第一電極1，第二電極2，設置在第一電極和第二電極之間、且與第一電極和第二電極接觸的芯片3，以及與芯片分隔的冷卻介質通道4；冷卻介質通道形成述第一電極和第二電極之間，或，冷卻介質通道形成于第一電極背離芯片的一側。

優選的，本發明實施例中，所述第一電極和/或第二電極用于形成冷卻介質通道的部分，表面可以設置有絕緣層，這里需說明的是，設置上述絕緣層的目的是為了將第一電極和/或第二電極與冷卻介質相隔；在實際應用中，如果冷卻介質為非導電型(例如：去離子水、氟利昂、液氨、液氮等)，則該絕緣層為非必要(即：可設置該絕緣層作為優化，當然也可不設置)；如果冷卻介質為導電型，則必須在第一電極和/或第二電極位于冷卻介質通道區域內的表面上涂覆或電鍍絕緣層材料，以使得第一電極和/或第二電極與冷卻介質之間相互絕緣。本發明實施例僅以冷卻介質為非導電型，且未設置上述絕緣層為例進行說明，但這并不構成對本發明的限制。

其中，第一電極和/或第二電極的材料的熱膨脹系數與芯片的熱膨脹系數之間的差值在設定范圍之內；上述所說的“差值在設定范圍之內”，具體指的是第一電極和/或第二電極分別與芯片的熱膨脹系數相匹配，使得芯片能夠直接與第一電極和/或第二電極鍵合，或芯片直接與第一電極和/或第二電極接觸。

本發明實施例中，芯片直接無銦化鍵合在第一電極上，不僅去掉了襯底，而且可以作為冷卻裝置，將電極、襯底、散熱熱沉的功能合三為一，大大簡化了封裝工藝。同時，第一電極的材料導熱率更高，增大了熱沉熱容、冷卻通道和冷卻面積，結溫溫度更低，波長漂移小。第一電極與芯片的熱膨脹系數相匹配能夠大幅度降低封裝的應力，提高光譜質量，可實現無銦化鍵合，得到可靠性更高的產品。

在第一電極、第二電極用于形成冷卻介質通道的部分，其表面設置有絕緣層，絕緣層將第一電極與冷卻介質、第二電極與冷卻介質分隔開來。

具體地，在使用時，冷卻介質通道的內部充入冷卻介質，芯片在運行過程中散發出的熱量經與其接觸的第一電極和/或第二電極傳遞到與第一電極和/或第二電極接觸的冷卻通道內的冷卻介質，冷卻介質帶走芯片的熱量。

本發明實施例提供的半導體激光器的封裝結構分為兩種，分別為一個封裝單元構成的半導體激光器的封裝結構和多個封裝單元構成的半導體激光器的封裝結構，通過以下實施例做以詳細說明。

其中，第一電極和/或第二電極的材料的導熱系數在300－1000w/(m·k)范圍內。

需要說明的是，芯片的導熱系數為行業公知，在此設定第一電極的材料的導熱系數在300－1000w/(m·k)范圍內，即可使第一電極的材料的熱膨脹系數與芯片的熱膨脹系數之間的差值的設定范圍確定，

或者，設定第一電極和第二電極的材料的導熱系數都在300－1000w/(m·k)范圍內，即可使第一電極和第二電極的材料的熱膨脹系數與芯片的熱膨脹系數之間的差值的設定范圍確定.

另外，第一電極的材料為金剛石銅、金剛石鋁、泡沫石墨銅、hopg、hopg復合材料、tpg、tpg復合材料、碳纖維、碳纖維復合材料、納米管以及納米管復合材料中的一種；或者，

第一電極和第二電極的材料都為金剛石銅、金剛石鋁、泡沫石墨銅、hopg、hopg復合材料、tpg、tpg復合材料、碳纖維、碳纖維復合材料、納米管以及納米管復合材料中的一種或兩種(即第一電極和第二電極材料可以都為高導熱材料但具體材料不同，如第一電極用金剛石銅、第二電極用金剛石鋁)。

需要說明的是，第一電極的材料還可以是其他處于導熱系數在300－1000w/(m·k)范圍內的材料。同理，第一電極和第二電極的材料都還可以是其他處于導熱系數在300－1000w/(m·k)范圍內的材料。

另外，冷卻介質通道內充入冷卻介質，冷卻介質為去離子水、氟利昂、液氨、液氮中的至少一種。

實施例一

本實施例提供的半導體激光器的封裝結構包括一個封裝單元，其具體結構分為兩種方式。

方式一：

參照圖1，該半導體激光器的封裝結構包括一個封裝單元；該封裝單元中，冷卻介質通道設置在第一電極和第二電極之間，且第一電極和第二電極之間還設置有第一絕緣隔層5和第二絕緣隔層5.1，第一絕緣隔層用以將冷卻介質通道與芯片分隔；第二絕緣隔層用于與第一絕緣隔層，以及第一電極、第二電極位于第一絕緣隔層和第二絕緣隔層之間的部分形成冷卻介質通道。

方式二：

參照圖2，該半導體激光器的封裝結構包括一個封裝單元；該封裝單元中，第一電極和第二電極之間設置有第一絕緣隔層；第一電極背離第二電極的一側開設有凹槽且設置有覆蓋凹槽的輔助件8，由凹槽與輔助件8形成冷卻介質通道。

實施例二

以實施例一的半導體激光器的封裝結構為基礎，本實施例提供的半導體激光器的封裝結構包括多個實施例一中提供的封裝單元，多個封裝單元依次疊置在一起形成疊陣結構，其具體結構分為以下幾種方式。

方式一：

參照圖3，將實施例一中方式一提供的半導體激光器的封裝結構采用機械結合得方式多個疊加構成疊陣結構。其中，相鄰的兩個封裝單元中，第一封裝單元的第二電極與第二封裝單元的第一電極接觸。具體地，每個封裝單元中的冷卻介質通道是獨立的，且冷卻介質的流通方向平行于第一電極和/或第二電極位于冷卻介質通道區域內的表面。

方式二：

參照圖4，在本實施例方式一的半導體激光器的封裝結構的基礎之上，在第一電極、第二電極上打孔，將之前獨立的冷卻介質通道相互連通；并且，在位于疊陣結構首端的第一電極/第二電極和位于疊陣結構末端的第二電極/第一電極上開設導通孔，且使冷卻介質從疊陣結構的首端流向疊陣結構的末端。

需要說明的是，此處的導通孔開設在位于第一隔層和第二隔層之間的第一電極和/或第二電極上。

方式三：

參照圖5，將實施例一中方式二提供的半導體激光器的封裝結構采用機械結合的方式多個疊加構成疊陣結構。其中，除了位于疊陣結構末端的封裝單元中設置有覆蓋凹槽的輔助件，其他相鄰的兩個封裝單元中，第一封裝單元輔助件為第二封裝單元的第二電極。具體地，每個封裝單元中凹槽形成的冷卻介質通道是獨立的，且冷卻介質的流通方向平行于第一電極和/或第二電極位于冷卻介質通道區域內的表面。

方式四：

參照圖6，在方式三的半導體激光器的封裝結構的基礎之上，在第一電極、第二電極以及第一絕緣隔層上打孔，將之前獨立的冷卻介質通道相互連通；并且，在位于疊陣結構首端的封裝單元以及位于疊陣結構末端的封裝單元上開設導通孔，且冷卻介質從疊陣結構的首端流向疊陣結構的末端。

需要說明的是，此處的導通孔開設在第一隔層和第一隔層所覆蓋的第一電極和/或第二電極上。

實施例三

本實施例提供的半導體激光器的封裝結構為多個封裝單元冶金結合形成的疊陣結構，每個封裝單元中，芯片鍵合在第一電極的第一端，且第一電極的第二端與芯片之間設置有第一絕緣隔層；參照圖7，相鄰的封裝單元中，第一個封裝單元11朝向第二個封裝單元12的電極與第二個封裝單元朝向第一個封裝單元的電極為同一電極，也即第一個封裝單元的第二電極為第二個封裝單元的第一電極；半導體激光器的封裝結構還包括絕緣底板6，絕緣底板、電極與第一絕緣隔層之間形成冷卻介質通道。

具體地，本實施例提供的半導體激光器的封裝結構又分為以下幾種結構方式。

方式一：

參照圖8，各個電極的長度相同，絕緣底板與各電極的第二端連接；每個芯片兩側的電極和第一絕緣隔層以及絕緣底板之間形成單獨的冷卻介質通道，每個冷卻介質通道內的冷卻介質的流通方向平行于第一電極和/或第二電極位于冷卻介質通道區域內的表面。

方式二：

參照圖9，在本實施例方式一半導體激光器的封裝結構的基礎之上，在每個電極位于第一絕緣隔層和絕緣底板之間的部分上開設導通孔，將之前獨立的冷卻介質通道相互連通，且使冷卻介質從疊陣結構的首端流向疊陣結構的末端。導通孔的數量、位置和大小不做限定。

方式三：

參照圖10，疊陣結構首端的電極與位于疊陣結構末端的電極長度大于其他所有電極，且與絕緣底板連接；各電極和第一絕緣隔層以及絕緣底板之間形成冷卻介質通道，且冷卻介質的流通方向平行于第一電極和/或第二電極位于冷卻介質通道區域內的表面。

方式四：

疊陣結構中的電極以長短交替的方式排列，其中，長度較長的電極與絕緣底板連接；每個長度較短的電極與其兩側的長度較長的電極以及第一絕緣隔層、絕緣底板之間形成冷卻介質通道。

并且，參照圖11，在半導體激光器的封裝結構中的長度較長的電極上開設導通孔，使冷卻介質從疊陣結構的首端流向疊陣結構的末端。導通孔的數量、位置和大小不做限定。

實施例四

本實施例提供的半導體激光器的封裝結構為多個封裝單元冶金結合形成的疊陣結構，每個封裝單元中，芯片鍵合在第一電極的第一端；參照圖12，相鄰的封裝單元中，第一個封裝單元朝向第二個封裝單元的電極與第二個封裝單元朝向第一個封裝單元的電極為同一電極，也即第一個封裝單元的第二電極為第二個封裝單元的第一電極；封裝結構還包括絕緣腔體7，且絕緣腔體內裝有冷卻介質；所有電極的第二端的從絕緣腔體的一側伸入絕緣腔體內；絕緣腔體與各電極形成冷卻介質通道。其具體結構方式分為以下三種。

方式一：

參照圖13，每個電極長度相等，從絕緣腔體的一側伸入，每個電極的第二端位于絕緣腔體內且不與絕緣腔體的內壁接觸。所有電極與絕緣腔體形成冷卻介質通道，該冷卻介質的流通方向平行于第一電極和/或第二電極位于冷卻介質通道區域內的表面。

方式二：

參照圖14，在本實施例方式一的半導體激光器的封裝結構的基礎上，每個電極的長度相同，電極的第二端在絕緣腔體內，并且與電極伸入一側相對的另一側的內壁相連接。在絕緣腔體垂直于封裝單元排列方向的兩個側面以及每個電極上開設有導通孔，使冷卻介質從疊陣結構的首端流向疊陣結構的末端。導通孔的數量、位置和大小不做限定。

方式三：

參照圖15，在本實施例方式一的半導體激光器的封裝結構的基礎上，疊陣結構中的電極以長短交替的方式排列，其中，長度較長的電極的第二端在絕緣腔體內，并且與電極伸入一側相對的另一側的內壁相連接；在絕緣腔體垂直于封裝單元排列方向的兩個側面以及每個長度較長的電極上開設有導通孔，使冷卻介質從疊陣結構的首端流向疊陣結構的末端。導通孔的數量、位置和大小不做限定。

另一方面，本發明實施例還提供一種半導體激光器封裝方法，用于制備權利以上技術方案任一項中的半導體激光器的封裝結構，包括：

s1：將芯片直接鍵合到第一電極和/或第二電極上；

s2：將s1得到的封裝單元疊置形成疊陣結構；

s3：向s2得到的疊陣結構中的冷卻介質通道內通入冷卻介質。

需要說明的是，采用該方法制得的芯片的封裝結構小巧，安裝于半導體激光器內所占體積較小，從而使得激光器體積減小，功率密度增大。

最后應說明的是：以上各實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制；盡管參照前述各實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的范圍。