一种高散热激光器件的制作的过程

时间: 2024-04-15 12:26:05 |   作者: 乐鱼平台入口官网下载

  本发明涉及激光器件领域，提供了一种高散热激光器件的制作方法，包括：制作基板，基板上设有至少一个自第一表面朝向第二表面方向凹陷并贯穿基板的收容槽；收容槽包括槽壁，槽壁的一端凹陷形成第一定位台阶，槽壁的另一端凹陷形成第二定位台阶；提供激光芯片，将激光芯片焊接在第一定位台阶，且使激光芯片的发光面朝向第二定位台阶；制作金属散热器并焊接该金属散热器，以使散热器的一部分结构焊接在激光芯片的非发光面以及使金属散热器的另一部分结构焊接在基板的第一表面；提供透镜，将透镜固定在第二定位台阶。通过上述方式，使激光芯片工作时产生的热量可以直接通过金属散热器传递给基板和外界空气，以此来实现及时将热量导出，提升散热性能。

  地址430000 湖北省武汉市东湖新技术开发区高新大道999号未来城龙山创新园一期A5北区4栋7层701单元706室

  本发明涉及激光器件技术领域，更具体而言，涉及一种高散热激光器件的制作的过程。

  大功率半导体激光器的输出功率高、出光面积小，其工作时产生的热量密度很高，当芯片过热时，导致激光猝灭，会限制高功率激光输出。良好的器件散热依赖于优化的散热结构设计、封装材料选择(热界面材料与基板材料)及封装制造工艺等。但目前现有激光器件的散热结构、封装材料选择及封装制造工艺使得激光器件的整体散热性能仍然较难满足在散热要求更高的场景中进行应用。

  本发明提供了一种高散热激光器件的制作方法，通过该方法制作的激光器件的结构相对比较简单，整体散热性能强，能够很好的满足在散热要求更高的场景中进行应用，同时制作的过程简单，易于实现。

  为实现上述目的，本发明提供了一种高散热激光器件的制作的过程，所述制作的过程包括：

  其中，制作所述基板，包括：提供一陶瓷柸片，在所述陶瓷柸片上制作至少一个贯穿所述陶瓷柸片的收容槽；并且在每个所述收容槽的一端制作第一定位台阶及在其另一端制作第二定位台阶；接着进行高温烧结得到预制基板；再在所述预制基板上制作线路层并在每个所述收容槽的外围制作第一通孔引线和在每个所述第一定位台阶上制作第二通孔引线后得到基板；

  制作所述金属散热器，包括：制作包含第一散热结构和第二散热结构的金属散热器；所述第一散热结构用于与激光芯片焊接，所述第二散热结构连接在所述第一散热结构的远离所述激光芯片侧，所述第二散热结构用于覆盖所述第一通孔引线的外端面；

  在每个所述第一定位台阶上焊接一个激光芯片；所述激光芯片的发光面朝向所述第二定位台阶所在方向，所述激光芯片的正电极通过所述第二通孔引线连接外接电路；

  焊接所述金属散热器，使所述第一散热结构焊接在所述激光芯片的非发光面上以及使所述第二散热结构焊接在所述第一通孔引线的外端面上；所述激光芯片的负电极依次通过所述金属散热器和所述第一通孔引线连接外接电路；

  将第一金锡焊片设于所述助焊剂上，所述第一金锡焊片的面积尺寸为所述激光芯片的正电极面积尺寸的80％-95％；

  将激光芯片放置在所述第一定位台阶上方，使所述激光芯片发光区两侧的焊盘与所述第一金锡焊片接触，接着进行金锡共晶焊接。

  将第二金锡焊片设于所述激光芯片的非发光面上，所述第二金锡焊片的边长为所述激光芯片的负电极的四条边长两端各内缩1-3μm；

  放置所述金属散热器，使所述第一散热结构与所述第二金锡焊片上的助焊剂接触以及使所述第二散热结构的靠近所述第一散热结构侧与所述第三金锡焊片上的助焊剂接触，然后一起进行金锡共晶焊接。

  优选的，所述金锡共晶焊接时，焊接温度为280-320℃，焊接压力为100-150g，焊接维持的时间为1-2s。

  优选的，所述制作所述基板步骤中，使用预制模具在所述陶瓷柸片上一次冲压形成所述收容槽、所述第一定位台阶和所述第二定位台阶。

  先使用磁控溅射技术在所述预制基板上镀第一金属层，然后在镀完所述第一金属层的预制基板上制作线路层。

  优选的，所述在每个所述收容槽的外围制作第一通孔引线和在每个所述第一定位台阶上制作第二通孔引线，包括：

  在制作完线路层的预制基板上，先采取了激光打孔的方式在每个所述收容槽的外围均形成贯穿基板的第一通孔、以及在每个所述收容槽内的第一定位台阶上形成贯穿所述第一定位台阶的第二通孔，所述第二通孔与所述第二定位台阶不相交；然后使用电镀工艺在打孔后的预制基板上继续镀第二金属层并使用所述第二金属填充所述第一通孔和所述第二通孔以分别形成所述第一通孔引线和所述第二通孔引线；

  其中，镀所述第二金属层时，控制所述第二金属层的厚度与所述第一金属层的厚度之和为100μm。

  优选的，制作出所述第一通孔引线和所述第二通孔引线后，将所有线路做到基板表层并汇总形成串口，然后再对整个基板进行表层抗氧化处理。

  提供保护罩，所述保护罩上设有与所述凹槽形状相匹配的卡扣；将所述保护罩通过所述卡扣与所述凹槽之间的相互扣合作用固定在所述基板上。

  与现有技术相比，本发明提供的高散热激光器件的制作的过程，先制作了一种基板结构，该基板上设有至少一个贯穿基板的收容槽，在每个收容槽的两头分别形成了第一定位台阶和第二定位台阶，并且在每个收容槽的外围制作了第一通孔引线以及在每个第一定位台阶上制作了第二通孔引线。同时还制作了一种包含第一散热结构和第二散热结构的金属散热器，第一散热结构是用于与激光芯片进行焊接，第二散热结构连接在第一散热结构的远离激光芯片侧，并且焊接时要覆盖第一通孔引线的外端面。然后在第一定位台阶上焊接激光芯片，焊接激光芯片时，使激光芯片的发光面朝向第二定位台阶所在方向，由于激光芯片的正电极位于激光芯片的发光面侧，因此激光芯片的正电极可通过第二通孔引线连接至外接电路。焊接完激光芯片后即可焊接金属散热器，将第一散热结构焊接在激光芯片的非发光面上，将第二散热结构焊接在第一通孔引线的外端面上，使激光芯片的负电极依次通过金属散热器和第一通孔引线连接至外接电路。最后，再在第二定位台阶上安装透镜。在整个制作的过程中，通过特别设计的基板结构和金属散热器结构，使得整个激光器件的制作的步骤简单，易于实现；并且定位台阶也能起到一定的定位作用，使得焊接操作更精准，尤其适用于封装光线方向性要求很高的激光芯片。此外，本发明提供的制作方法实现了一个基板上集成多个激光芯片，且每个激光芯片的正负电极独立连接外接电路，因此，可以实现任意驱动控制单个激光芯片的效果。并且在通过本发明提供的方法制作的激光器件中，激光芯片工作时产生的热量可直接通过金属散热器传递至基板和外界空气，无需再经过其它介质，因此散热性强，可以提高激光芯片的可靠性和使用寿命。

  附图标记：高散热激光器件100；基板10；第一表面11；第二表面12；第一线；第一定位台阶14；第二定位台阶15；第一通孔16；第二通孔17；侧壁18；凹槽181；激光芯片20；发光面21；非发光面22；金属散热器30；第一散热结构31；第二散热结构32；透镜40；保护罩50；卡扣51；焊片60；第一金锡焊片61；第二金锡焊片62；第三金锡焊片63。

  为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

  请参阅图1所示，图1为本发明一实施例提供的高散热激光器件的制作方法流程示意图。需要说明的是，若有实质上相同的结果，本发明的方法并不以图1所示的流程顺序为限。如图1所示，该高散热激光器件的制作方法包括：

  步骤S101：制作基板，该基板具有第一表面及与该第一表面相对的第二表面，基板上设有至少一个自第一表面朝向第二表面方向凹陷并贯穿基板的收容槽，收容槽包括槽壁，槽壁的靠近第一表面端凹陷形成第一定位台阶，槽壁的靠近第二表面端凹陷形成第二定位台阶。

  在步骤S101中，结合图2-4所示，图2为本发明另一实施例提供的基板制作方法流程示意图，图3为采用图2中所示的方法制作的基板的俯视结构示意图，图4为图3中沿A-A方向的剖面示意图。如图3-4中所示，该基板10具有第一表面11、与该第一表面11相对的第二表面12、以及连接该第一表面11和第二表面12的侧壁18。基板10上设有至少一个自第一表面11朝向第二表面12方向凹陷并贯穿基板10的收容槽13，收容槽13包括槽壁131，槽壁131的靠近第一表面11端凹陷形成第一定位台阶14，槽壁131的靠近第二表面11端凹陷形成第二定位台阶15。每个收容槽13的外围均设有贯穿基板10的第一通孔16以及每个收容槽13内的第一定位台阶14上设有贯穿该第一定位台阶14的第二通孔17，并且第一通孔16和第二通孔17中均填充有导电材料，以分别形成第一通孔引线和第二通孔引线上还形成有线路和串口，其中，线。第一通孔引线之间依次电性连接。第二通孔引线之间依次电性连接。

  步骤S1011：提供陶瓷柸片，在陶瓷柸片上形成收容槽、第一定位台阶和第二定位台阶，然后进行高温烧结得到预制基板。

  在该步骤S1011中，陶瓷柸片的材质优选为氮化铝材料，其导热系数高，有利于制作出高散热激光器件。可选的，制作氮化铝材质的陶瓷柸片方法可以包括：先制备氮化铝粉末，然后将氮化铝粉末与有机结合剂、增塑剂、悬浮剂、润湿剂等添加剂在溶剂中混合，形成均匀稳定的悬浮浆料。制作陶瓷柸片时，将浆料从料斗下部流至基带之上，通过基带与刮刀之间的相对运动而形成柸膜，柸膜的厚度由刮刀控制，然后将柸膜连同基带一起送至烘干室烘干，待溶剂蒸发后，有机结合剂在陶瓷颗粒之间形成网络结构，形成具有一定强度和韧性的陶瓷柸片。

  其中，可以采用碳热还原法制作氮化铝粉末。具体为，将氧化铝与碳粉在氮气环境下混合，在1400-1800℃下发生氧化还原反应，反应结束后得到氮化铝粉末。

  其中，有机结合剂可以为聚乙烯醇缩丁醛和氟碳树脂混合物；增塑剂为邻苯二甲酸二甲酯、邻苯二甲酸二丁酯和邻苯二甲酸二辛酯中的任一种或多种；悬浮剂可以为聚烯烃蜡、聚乙烯蜡中的任一种或两种；润湿剂为无水乙醇；溶剂为无水乙醇、聚乙二醇、丙二醇和异丙醇中的两种以上溶剂混合构成。

  在该步骤S1011中，优选使用预制模具在陶瓷柸片上一次冲压形成收容槽13、第一定位台阶14和第二定位台阶15。一次冲压成型工艺简单，且批量生产时，同批次生产的基板之间的规格统一，产品良率高。

  当冲压成型后，于高温烧结炉中烧结，可选的，高温烧结时控制烧结温度为1400-1600℃，烧结压力为200-300MPa。

  在步骤S1012中，采用磁控溅射技术在预制基板上镀第一金属层(图3-4中均未示出)，厚度为1-2μm。优选的，该第一金属层为种子层Ti。

  步骤S1013：在镀完第一金属层的预制基板上制作线中，通过光刻、显影等工艺完成线：在每个收容槽的外围均形成贯穿基板的第一通孔、以及在每个收容槽内的第一定位台阶上形成贯穿该第一定位台阶的第二通孔，然后继续在预制基板上镀第二金属层并填充该第一通孔和第二通孔。

  在步骤S1014中，使用激光打孔技术在每个收容槽13的外围均形成贯穿基板10的第一通孔16、以及在每个收容槽10内的第一定位台阶14上形成贯穿该第一定位台阶14的第二通孔17。然后使用电镀工艺在预制基板上镀第二金属层(图3-4中均未示出)，将整个金属层的厚度(即第一金属层厚度与第二金属层厚度之和)增至100μm，电镀的同时也填充了该第一通孔16和第二通孔17以将上下金属层线路导通。优选的，该第二金属层为金属铜层。

  优选的，在该步骤S1014中，使用激光打孔时，沿着基板10厚度方向垂直打孔以形成第一通孔16和第二通孔17。

  优选的，在该步骤S1014中，使用激光打孔时，控制两个第一通孔16所在平面与两个第二通孔17所在平面平行或重叠，可以实现避免线路交叉的效果，详见后续。

  在步骤S1015中，将所有线路做到预制基板的表层(对应第二表面12上)，然后汇总形成串口。

  可选的，在步骤S1016中，在形成串口后的预制基板上进行表层镀镍金处理，处理完之后即可得到如图3-4中所示的基板10。

  在步骤S102中，结合图5所示，图5为采用图1中所示的方法制作的高散热激光器件的剖面示意图。如图5中所示，该高散热激光器件100主要包括基板10、激光芯片20、金属散热器30、透镜40、保护罩50以及若干个焊片60。其中，金属散热器30又包括第一散热结构31和第二散热结构32。第一散热结构31与激光芯片20焊接且完全收容于收容槽13内，第二散热结构32连接在第一散热结构31的远离激光芯片20侧并且用于覆盖第一通孔引线端)，因此，整个金属散热器30的重力绝大部分都承载在基板10上。

  制作如图5中所示形状的金属散热器30时，优选通过金属冲压成型工艺，得到第一散热结构31和第二散热结构32为一体成型结构的金属散热器30。当然，第一散热结构31和第二散热结构32也可以分开制作后再焊接在一起，本发明中对此不作具体限定。

  制作如图5中所示形状的金属散热器30时，为了便于将第一散热结构31焊接到激光芯片20的非发光面上，将第一散热结构31的靠近激光芯片20侧制作成平面结构。为了增加金属散热器30与空气的接触面积，增强散热效果，将第二散热结构32设计成鳍片式散热结构，如由5-8个散热鳍片组成，每片鳍片均制作成平面状。

  需要说明的是，本实施例中，提供的激光芯片20为垂直芯片，包括发光面21及与该发光面21相对的非发光面22，且该激光芯片20的正电极位于发光面21上，具体为设于发光区两侧，该激光芯片20的负电极位于非发光面22上。

  在步骤S103中，将激光芯片20焊接在第一定位台阶14上，且使激光芯片20的发光面21朝向第二表面12，即当激光芯片20的发光区发光时，发出的光将从收容槽13的第二表面12端射出。

  优选的，在该步骤S103中，采用共晶焊工艺将激光芯片20焊接在第一定位台阶14上。

  更优选的，采用金锡共晶焊工艺将激光芯片20焊接在第一定位台阶14上。金锡焊片具有较高的导热率(350-400w/mk)，通过金锡焊片进行共晶焊接时，可以显著提升激光器件的整体散热性能。具体为：将基板10倒置，使第一表面11朝向操作人员。先在第一定位台阶14的焊盘(图5中未示出)上点若干个助焊剂(图5中未示出)，如两侧分别点2-5颗。然后使用方形吸嘴将第一金锡焊片61放置到刚刚点设的助焊剂上，需要说明的是，该第一金锡焊片61的面积尺寸为激光芯片20的正电极面积尺寸的80％-95％，优选为90％，以避免焊接时，焊片融化溢出。再通过橡胶或电木吸嘴从蓝膜上吸附激光芯片20至旋转平台上，并使用金属吸嘴吸取，将激光芯片20放置在第一定位台阶14上，并使激光芯片20发光区两侧的焊盘与第一金锡焊片61接触。最后进行金锡共晶焊接。具体的，金锡共晶焊接操作可以通过夹具将基板加温至280-320℃，同时将金属吸嘴也加温至280-320℃，并对金属吸嘴施加约100-150g压力并持续1-2s后即可实现将激光芯片20的正电极固化到第一定位台阶14上，使激光芯片20的正电极通过第二通孔引线的第一线上。优选的，在本实施例中，金锡共晶焊接时，将基板和金属吸嘴的温度均加温至300℃。

  步骤S104：焊接金属散热器，以使第一散热结构焊接在激光芯片的非发光面以及使第二散热结构焊接在基板的第一表面。

  优选的，在步骤S104中，采用共晶焊工艺将第一散热结构焊接在激光芯片的非发光面以及将第二散热结构焊接在基板的第一表面。

  更优选的，采用金锡共晶焊工艺将第一散热结构焊接在激光芯片的非发光面以及将第二散热结构焊接在基板的第一表面。金锡焊片具有较高的导热率(350-400w/mk)，通过金锡焊片进行共晶焊接时，可以显著提升激光器件的整体散热性能。具体为：当焊接完激光芯片20后，使用方形吸嘴将第二金锡焊片62放置在激光芯片20的非发光面22上，需要说明的是，该第二金锡焊片62的边长为激光芯片20的负电极的四条边长两端各内缩1-3μm，例如各内缩2μm左右，以避免焊接时，焊片融化溢出。然后通过点胶方式在该第二金锡焊片62上点设若干个助焊剂，例如点出矩阵式助焊剂，数量约12-18颗，优选15颗。通过点胶方式在第一通孔引线的外端面上点设若干个助焊剂，继续使用方形吸嘴将第三金锡焊片63放置在第一通孔引线的外端面助焊剂上，。再使用金属吸嘴吸取金属散热器30放置到基板10上，使第一散热结构31与第二金锡焊片62上的助焊剂接触以及使第二散热结构32的靠近第一散热结构31侧与第三金锡焊片63接触。最后同时进行金锡共晶焊接。具体的，金锡共晶焊接操作可以通过夹具将基板加温至280-320℃，同时将金属吸嘴也加温至280-320℃，并对金属吸嘴施加约100-150g压力并持续1-2s后即可实现同时将第一散热结构31焊接到激光芯片20的非发光面22上，以及将第二散热结构32焊接到基板10上。通过这样的设置方式，使激光芯片20的负电极依次通过金属散热器30和第一通孔引线上的第二线不仅能够起到散热作用，还能够起到导电作用，激光芯片20工作时产生的热量可直接通过金属散热器30传递至基板10和外界空气，无需再经过其它介质，因此散热性强，可以提高激光芯片20的可靠性和使用寿命。优选的，在本实施例中，金锡共晶焊接时，将基板和金属吸嘴的温度加温至300℃。

  当然，除了金锡共晶焊方式，还可以采用如将第一散热结构31锡膏回流焊在激光芯片20的非发光面上以及采用如将第二散热结构32锡膏回流焊在基板10的第一表面11上等焊接方式。

  在步骤S105中，透镜可以为石英透镜。固定透镜操作中，先将基板10设置成第二表面12朝上的放置状态，然后将透镜40放置在第二定位台阶15上并进行固定。可以使用本领域中任何合适的固定方式进行固定，如通过有机胶将透镜40粘接在第二定位台阶15上。将透镜40固定在第二定位台阶15上，一方面能够实现扩散出光面的效果，另一方面起到保护激光芯片20的作用。

  需要说明的是，当使用有机胶将透镜粘接在第二定位台阶上，且使用金锡共晶焊工艺焊接激光芯片和金属散热器时，一定要先焊接激光芯片和金属散热器，最后安装透镜。因为使用有机胶进行粘接操作时，只需要加热到150℃，而金锡共晶焊工艺焊接温度不低于280℃，若先安装透镜，再进行激光芯片和金属散热器焊接，可能会导致先安装的透镜脱落。

  在图1所示制作方法中，通过特别设计的基板结构和金属散热器结构，使得整个激光器件的制作过程简单，易于实现；并且定位台阶也能起到一定的定位作用，使得焊接操作更精准，非常适合于封装光线方向性要求很高的激光芯片。

  通过在基板上设置多个包含第一定位台阶和第二定位台阶的收容槽结构，并采用共晶焊接工艺，将激光芯片的正电极通过金锡焊片焊接至基板上，负电极通过金锡焊片与金属散热器焊接，金属散热器又通过金锡焊片焊接在基板上。由于位于激光芯片非发光面上的负电极通过金锡焊片与金属散热器直接焊接，而金锡焊片又具有较高的导热率，使得激光芯片工作时产生的热量可直接通过金锡焊片和金属散热器被传递至基板和外界空气，无需再经过其它介质，因此，通过图1所示方法制作的激光器件整体具有较高的散热性能。并且，测试数据也显示，根据图1所示方法制得的激光器件在工作状态时激光芯片结温Tj为105℃。而现有技术中的激光器件在工作状态时激光芯片结温Tj通常均不低于150℃，由此可见，通过图1所示方法制得的激光器件的整体导热率要远高于现有技术中的激光器件的整体导热率。

  此外，由于每个收容槽结构中，均设置了分别用于将激光芯片的正、负电极引出至第二表面的第二通孔引线和第一通孔引线，使得设于各个收容槽中的激光芯片的线路之间是相互独立的，互不干扰，可实现独立驱动控制任意单个激光芯片的效果。并且，基板上可设置的激光芯片数量可根据实际需求设计，然后集成型封装，整体成本低，可靠性高。此外，通过将两个第一通孔所在平面与两个第二通孔所在平面设置重叠(当然只要平行就行)，也避免了将激光芯片的正负电极引出时出现交叉的情况，同时也使得第二表面上的线中所示)。

  请参阅图6所示，图6为本发明另一实施例提供的高散热激光器件的制作的过程流程示意图。需要说明的是，若有实质上相同的结果，本发明的方法并不以图6所示的流程顺序为限。如图6所示，该高散热激光器件的制作的过程包括：

  步骤S201：制作基板，该基板具有第一表面及与该第一表面相对的第二表面，基板上设有至少一个自第一表面朝向第二表面方向凹陷并贯穿基板的收容槽，收容槽包括槽壁，槽壁的靠近第一表面端凹陷形成第一定位台阶，槽壁的靠近第二表面端凹陷形成第二定位台阶。

  步骤S204：焊接金属散热器，以使第一散热结构焊接在激光芯片的非发光面以及使第二散热结构焊接在基板的第一表面。

  在该实施例中，步骤S201至步骤S205分别与图1所示实施例中的步骤S101至步骤S105类似，为简约起见，在此不再赘述。

  结合图5中所示，需要说明的是，在该步骤S206中，该保护罩50为非金属罩，固定在基板10的第一表面端。保护罩50上开设有出风口(图5中未示出)，保护罩50的与出风口相对的位置设有排风扇(图5中未示出)，排风扇工作时，将金属散热器30导出的热量从出风口排出，可以提升散热性能。

  优选的，在图2所示的基板制作的过程基础上，在本发明的另一实施例中，当表层抗氧化处理结束后，继续在侧壁18上形成凹槽181。可选的，该凹槽181的形状可以设置为围绕侧壁18一圈，也可以设置成点状、短条型状，以均匀或非均匀的方式设置在侧壁18上。为便于保护罩50的安装，对应的，在保护罩50上形成与该凹槽181形状相匹配的卡扣51，卡扣51可与凹槽181之间形成相互扣合作用，将保护罩50通过该相互扣合作用固定在基板10上。

  以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围以内。