多發(fā)射器二極管激光器封裝制造技術(shù)

一種激光二極管組件包含以一排緊密封裝的多個(gè)激光二極管芯片(1402)。每一個(gè)激光二極管芯片在P側(cè)和N側(cè)結(jié)合到第一和第二子安裝座(1409,1410)。然后將子安裝座附接到冷卻載體(1401)，兩個(gè)結(jié)合表面垂直于載體的頂面。激光輻射的方向平行于載體頂面，并且激光二極管芯片的有源區(qū)(1403)的頂部(1404)與載體之間的距離優(yōu)選地位于以一排封裝的各個(gè)激光源的間距的一半(1413)的范圍內(nèi)，優(yōu)選在0.2mm至1mm的范圍內(nèi)，以允許高功率運(yùn)行的高效冷卻。子安裝座可以是導(dǎo)電的，或者它們可以是至少部分地被導(dǎo)電層覆蓋的絕緣材料。

Multi emitter diode laser packaging

A laser diode component consists of a plurality of laser diode chips (1402) packed tightly in a row. Each laser diode chip is combined at the P side and the N side to the first and second sub mounting seats (14091410). The sub mounting seat is then attached to the cooling carrier (1401), and the two surface is perpendicular to the top of the carrier. Laser radiation direction is parallel to the top surface of the carrier, and the active region of the laser diode chip (1403) of the top (1404) and the distance between the carrier preferably located at half spacing each row of laser source package of (1413) within the range of 0.2mm to 1mm, preferably in the range, with high efficiency the cooling allows for high power operation. The submounting seats can be conductive, or they can be at least partially insulated materials covered by the conductive layer.

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
【國(guó)外來華專利技術(shù)】多發(fā)射器二極管激光器封裝相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用本申請(qǐng)要求2015年5月4日提交的美國(guó)專利申請(qǐng)No.14/702,852的優(yōu)先權(quán)，其內(nèi)容通過引用的方式并入本文。
本專利技術(shù)涉及二極管激光器封裝。更具體地說，本專利技術(shù)涉及在大功率應(yīng)用，例如切割和焊接中使用的多發(fā)射器二極管激光器封裝。
技術(shù)介紹
如本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的，激光二極管芯片是半導(dǎo)體器件。它通常包括發(fā)射激光的單個(gè)寬區(qū)域。典型的尺寸也是現(xiàn)有技術(shù)，并且是2-5mm的腔體長(zhǎng)度，優(yōu)選地為4mm。激光二極管芯片的典型寬度為0.4mm至0.6mm，發(fā)射寬區(qū)域(有源區(qū)/激活區(qū))的典型寬度為50μm至100μm，優(yōu)選為90μm。發(fā)射寬區(qū)域(有源區(qū))的典型高度為1μm至2μm，優(yōu)選為1.1μm。激光二極管芯片的其他大小和尺寸是可能的。激光二極管芯片是指未封裝到任何散熱器并根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行金屬化的器件。術(shù)語單發(fā)射器激光二極管是本領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)術(shù)語。單發(fā)射器激光二極管芯片通常以相對(duì)大的表面平坦地安裝在冷卻表面上。激光二極管芯片的幾何特性可以表征為具有兩個(gè)平行大表面以及兩組相對(duì)窄的平行表面的相對(duì)扁平的棒，如圖2中的元件202所示。在這種傳統(tǒng)的安裝方式中，發(fā)射器激光二極管芯片的一個(gè)大側(cè)面與冷卻表面相鄰。當(dāng)需要高功率時(shí)，通常將多個(gè)發(fā)射器激光二極管芯片堆疊在一起。再者，具有多個(gè)發(fā)射器的二極管激光器模塊通常將激光二極管芯片平坦地安裝在具有相對(duì)較大表面的冷卻表面上。為了沿著快軸堆疊每一個(gè)激光二極管芯片的激光束，大多數(shù)模塊使用多臺(tái)階冷卻基座，其中激光二極管芯片安裝在不同高度的臺(tái)階上。在這種情況下，每一個(gè)激光束分開地在快軸和慢軸中準(zhǔn)直，然后使用轉(zhuǎn)向鏡將所有準(zhǔn)直激光束轉(zhuǎn)向相同方向，從而使所有光束在快軸上堆疊。JDSUniphase和IPGPhotonics銷售類似于本段所述的多發(fā)射器模塊。這些方法可能不是很緊湊。Trumpf基于棒的二極管激光產(chǎn)品TruDiode3006在一個(gè)激光棒上具有八個(gè)發(fā)射器，并且光束沿著快軸堆疊，然后耦合到光纖中。階梯鏡組件用于將光束旋轉(zhuǎn)90度并實(shí)現(xiàn)堆疊。該方法具有已經(jīng)討論的類似的缺點(diǎn)。德國(guó)多特蒙德的LIMOLissotschenkoMikrooptikGmbH制造了一種稱為BTS的傾斜透鏡陣列產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)了類似的目標(biāo)。然而，BTS產(chǎn)品也具有先前討論的缺點(diǎn)。已經(jīng)進(jìn)行了豎直堆疊激光發(fā)射器芯片的各種嘗試。這些在以下段落中討論。Jenoptik的美國(guó)專利No.7,801,190在一個(gè)實(shí)施方案中公開了一種激光二極管堆疊(laserdiodestack)，其夾在兩個(gè)冷卻器之間，并且使用不連續(xù)的焊料層附接到這些冷卻器，使得其不使激光二極管短路。堆疊中的每一個(gè)激光二極管芯片被夾在兩個(gè)不同厚度的子安裝座之間，并且相對(duì)于子安裝座的頂部和底部邊緣放置在對(duì)稱位置。在美國(guó)專利No.7,801,190中公開的結(jié)構(gòu)的至少一個(gè)缺點(diǎn)是需要在激光二極管的兩側(cè)具有對(duì)稱的冷卻載體。另一個(gè)缺點(diǎn)是從激光發(fā)射器到冷卻載體的相對(duì)較長(zhǎng)的散熱路徑。Coherent的美國(guó)專利No.7,515,346公開了豎直堆疊激光二極管。每一個(gè)激光二極管芯片被焊接到優(yōu)選地是金剛石的電絕緣子安裝座，并且結(jié)合到公共散熱器的表面。子安裝座部分地金屬化以允許通過條形電極串聯(lián)激光二極管芯片。美國(guó)專利No.7,515,346中的激光二極管芯片組件的至少一個(gè)缺點(diǎn)是冷卻載體設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。ShinkoElectric的美國(guó)專利No.8,611,389顯示了包括激光二極管的封裝部件的組裝。可以將多個(gè)封裝部件附接到熱塊以形成豎直堆疊激光二極管。激光二極管通過焊料層彼此連接，并且每一個(gè)激光二極管的前側(cè)和后側(cè)上的布線層通過形成封裝部件的一個(gè)壁中的通孔而短路。美國(guó)專利No.8,611,389中的激光二極管組件的至少一個(gè)缺點(diǎn)是封裝過程的復(fù)雜性和長(zhǎng)的散熱路徑。歐洲專利申請(qǐng)EP2477285A1描述了多個(gè)激光二極管，每一個(gè)激光二極管包括嵌入在具有良好導(dǎo)熱性的介質(zhì)中的任意數(shù)量的發(fā)射孔，使得所有的激光二極管優(yōu)選地垂直于共同的安裝表面定向并且平行于彼此并優(yōu)選地在安裝表面的平面中發(fā)光。因此，激光二極管的堆疊導(dǎo)致垂直于安裝表面定向平行于安裝表面發(fā)光的激光二極管。該激光二極管組件的至少一個(gè)缺點(diǎn)是各個(gè)激光二極管的電絕緣和電接觸，同時(shí)確保激光二極管中的良好冷卻和低應(yīng)力。此外，本申請(qǐng)要求該設(shè)置用于空間或光譜束組合以增強(qiáng)亮度，但不描述或要求任何使發(fā)射孔彼此對(duì)準(zhǔn)的方法，這是高亮度二極管激光系統(tǒng)的基本特征。結(jié)果，需要用于實(shí)現(xiàn)激光發(fā)射二極管(也稱為激光二極管芯片)的豎直組裝的新的和改進(jìn)的裝置和方法。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的一個(gè)方面涉及利用在發(fā)射器激光二極管芯片的P側(cè)和N側(cè)上的子安裝座將多個(gè)激光二極管芯片豎直地安裝在冷卻表面上，從而將激光二極管芯片定向在用于堆疊的有利位置。公開了多個(gè)激光二極管芯片的各種實(shí)施方式。激光二極管芯片在此被定義為單發(fā)射器激光二極管。豎直定向的方面涉及激光二極管芯片中不同層的定向。激光二極管芯片具有堆疊包括有源層(激活層)在內(nèi)的不同層的結(jié)構(gòu)。當(dāng)激光二極管定向使得層被水平堆疊時(shí)，激光二極管芯片處于水平定向。當(dāng)激光二極管芯片定向成使得每一個(gè)層挨著彼此豎直堆疊時(shí)，激光二極管處于豎直定向。本專利技術(shù)的另一方面涉及通過將激光二極管芯片盡可能靠近散熱片安裝，并同時(shí)優(yōu)化子安裝座的厚度以實(shí)現(xiàn)最佳冷卻和最小間距，而對(duì)激光二極管芯片的散熱進(jìn)行優(yōu)化。本專利技術(shù)的另一方面涉及將各個(gè)激光二極管芯片的每一個(gè)發(fā)射器(激光二極管芯片)或發(fā)射器組的中心以非常高的精度布置在與散熱器平行的一排中，使得可以使用單個(gè)柱面透鏡用于所有激光二極管芯片的慢軸準(zhǔn)直。本專利技術(shù)的另一方面涉及激光二極管芯片在堆疊方向上的高度準(zhǔn)確的安裝，使得可以可選地使用微光學(xué)透鏡陣列來采用單個(gè)微光學(xué)透鏡陣列在快軸中準(zhǔn)直單個(gè)激光二極管芯片的光束。安裝的精度涉及激光二極管芯片的發(fā)射區(qū)的對(duì)準(zhǔn)精度，使得它們基本上在穿過發(fā)射區(qū)的一條線上。本專利技術(shù)的另一方面涉及一種用于傳導(dǎo)電流的電路裝置，其在解決從安裝多個(gè)激光二極管芯片產(chǎn)生的應(yīng)力問題的新穎方法和裝置中激發(fā)多個(gè)激光二極管芯片。以下進(jìn)一步討論本專利技術(shù)的這些和其它方面。根據(jù)本專利技術(shù)的一個(gè)實(shí)施方式，激光二極管芯片組件包括載體基座和多個(gè)子安裝座，每一個(gè)子安裝座直接或間接地附接到載體基座。激光二極管芯片組件還包括多個(gè)激光二極管芯片，所述多個(gè)激光二極管芯片中的每一個(gè)具有垂直于所述載體基座的表面的兩個(gè)相對(duì)的結(jié)合表面，所述兩個(gè)相對(duì)的結(jié)合表面中的每一個(gè)附接到所述多個(gè)子安裝座中的一個(gè)，使得多個(gè)激光二極管芯片中的每一個(gè)相對(duì)于載體基座定向并且相對(duì)于子安裝座的兩個(gè)邊緣精確對(duì)準(zhǔn)。這些邊緣是(i)子安裝座的前邊緣，并且激光二極管芯片的發(fā)射區(qū)彼此平行并齊平以及(ii)相對(duì)于稍后安裝到載體的子安裝座的邊緣有如下所述為冷卻而優(yōu)化的距離。多個(gè)激光二極管芯片中的每一個(gè)具有當(dāng)施加電流時(shí)能夠平行于載體基座的表面并平行于兩個(gè)相對(duì)的結(jié)合表面發(fā)射輻射的發(fā)射區(qū)。根據(jù)本專利技術(shù)的一個(gè)方面，從多個(gè)激光二極管芯片中的每一個(gè)的底部到載體基座的距離不小于10微米，并且從每一個(gè)激光二極管芯片的有源區(qū)的頂部到載體基座的距離不大于或不顯著大于相鄰激光二極管芯片之間的間距的一半。在本文中使用術(shù)語“有源區(qū)”并意指作為激光二極管芯片的有源層的一部分的激光發(fā)射區(qū)或區(qū)域。術(shù)語發(fā)射區(qū)、激光或輻射發(fā)射區(qū)和有本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種激光二極管組件，包括：載體基座(1401)，其具有表面；多個(gè)子安裝座(1409,1410,1411,1412)，所述多個(gè)子安裝座中的每一個(gè)子安裝座直接或間接附接到所述載體基座(1401)的表面；多個(gè)激光二極管芯片(1402)，所述多個(gè)激光二極管芯片(1402)中的每一個(gè)具有兩個(gè)相對(duì)的結(jié)合表面以及在所述兩個(gè)結(jié)合表面之間的有源層，所述結(jié)合表面和所述有源層垂直于所述載體基座的表面，所述兩個(gè)相對(duì)的結(jié)合表面中的每一個(gè)附接到所述多個(gè)子安裝座(1409,1410,1411,1412)中的一個(gè)，使得包括所述有源層的所述多個(gè)激光二極管芯片(1402)中的每一個(gè)相對(duì)于載體基座(1401)豎直定向，每一個(gè)激光二極管芯片(1402)在所述有源層的端部具有有源區(qū)(1403)，所述有源區(qū)具有相對(duì)于所述載體基座而言的頂部，當(dāng)由電流供電時(shí)所述頂部能夠平行于所述載體基座(1401)的表面發(fā)射輻射；以及其中，所述多個(gè)激光二極管芯片中的每一個(gè)的所述有源區(qū)的頂部到所述載體基座的距離(1414,1416)不大于所述激光二極管組件中的所述多個(gè)激光二極管芯片(1402)中相鄰激光二極管芯片之間的間距的一半(1413,1415)±10％。...

【技術(shù)特征摘要】
【國(guó)外來華專利技術(shù)】2015.05.04 US 14/702,8521.一種激光二極管組件，包括：載體基座(1401)，其具有表面；多個(gè)子安裝座(1409,1410,1411,1412)，所述多個(gè)子安裝座中的每一個(gè)子安裝座直接或間接附接到所述載體基座(1401)的表面；多個(gè)激光二極管芯片(1402)，所述多個(gè)激光二極管芯片(1402)中的每一個(gè)具有兩個(gè)相對(duì)的結(jié)合表面以及在所述兩個(gè)結(jié)合表面之間的有源層，所述結(jié)合表面和所述有源層垂直于所述載體基座的表面，所述兩個(gè)相對(duì)的結(jié)合表面中的每一個(gè)附接到所述多個(gè)子安裝座(1409,1410,1411,1412)中的一個(gè)，使得包括所述有源層的所述多個(gè)激光二極管芯片(1402)中的每一個(gè)相對(duì)于載體基座(1401)豎直定向，每一個(gè)激光二極管芯片(1402)在所述有源層的端部具有有源區(qū)(1403)，所述有源區(qū)具有相對(duì)于所述載體基座而言的頂部，當(dāng)由電流供電時(shí)所述頂部能夠平行于所述載體基座(1401)的表面發(fā)射輻射；以及其中，所述多個(gè)激光二極管芯片中的每一個(gè)的所述有源區(qū)的頂部到所述載體基座的距離(1414,1416)不大于所述激光二極管組件中的所述多個(gè)激光二極管芯片(1402)中相鄰激光二極管芯片之間的間距的一半(1413,1415)±10％。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的組件，其中，所述多個(gè)激光二極管芯片中的每一個(gè)激光二極管芯片的所述有源區(qū)的頂部到所述載體基座的距離在0.2mm和1mm之間。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光二極管組件，其中，所述多個(gè)激光二極管芯片中的每一個(gè)激光二極管芯片的底部與所述激光二極管組件中的所述載體基座之間的距離小于50μm。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光二極管組件，其中，所述多個(gè)激光二極管芯片中的每一個(gè)激光二極管芯片的有源區(qū)的中心到通過所述多個(gè)激光二極管芯片中的所述激光二極管芯片的有源區(qū)的中位中心線的距離不大于任何激光二極管芯片的有源區(qū)的寬度的1/10。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光二極管組件，其中，所述多個(gè)激光二極管芯片中的激光二極管芯片的每一個(gè)有源區(qū)確定垂直于來自所述有源區(qū)的輻射并垂直于所述載體的平面以形成基本上平行的多個(gè)平面，所述多個(gè)平面中的任何兩個(gè)平面之間的距離不大于1微米。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光二極管組件，還包括單個(gè)準(zhǔn)直透鏡以沿著所述激光二極管組件的慢軸準(zhǔn)直激光輻射。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光二極管組件，還包括：多個(gè)導(dǎo)電焊盤(501,502,503)，其以一排附接到所述載體基座(401)的表面，并且相鄰的導(dǎo)電焊盤之間具有空間(510)；所述子安裝座是導(dǎo)電子安裝座，所述多個(gè)導(dǎo)電子安裝座中的每一個(gè)具有附接到所述多個(gè)導(dǎo)電焊盤中的一個(gè)的安裝表面；以及所述多個(gè)激光二極管芯片中的每一個(gè)在相鄰導(dǎo)電焊盤之間的空間上方的位置安裝在導(dǎo)電子安裝座上。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的激光二極管組件，其中，所述多個(gè)子安裝座中的每一個(gè)具有相同的尺寸。9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的激光二極管組件，其中，...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：R·W·羅夫，李宇鋒，HG·特羅伊施，S·海涅曼，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：通快光子學(xué)公司，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：美國(guó),US