一种低热阻、应力受控的激光二极管组件制造技术

形成二极管激光棒组件，以建立相对较低的热阻，也提供了可以管理内部应力条件的条件增加范围。特别是，现有的基座结构由一对小平板（12,14）替换，设置在二极管激光棒（10）的上方和下方，从而形成“三明治”结构。底部的小平板（14）布置在散热器（16）和二极管激光棒（10）之间。因此，底部的小平板可以相对较薄，形成低热阻结构。顶部和底部的小平板的结合提供了创造各种配置和设计的能力，可以适应特定情况下的压力条件。LD激光棒设置在GaAs半导体上，并且由CuW制成的散热器为上述LD激光棒进行散热。

A laser diode module with low thermal resistance and stress controlled

A diode laser rod component is formed to establish relatively low thermal resistance, and also provides a range of conditions that can be used to manage internal stress conditions. In particular, the existing base structure is replaced by a pair of small flat plates (12,14), which are placed above and below the diode laser rod (10), thus forming a sandwich structure. The small plate at the bottom (14) is arranged between the radiator (16) and the diode laser rod (10). Therefore, the small plate at the bottom can be relatively thin, forming a low thermal resistance structure. The combination of small plates at the top and bottom provides the ability to create various configurations and designs that can be adapted to conditions under pressure. The LD laser rod is set on the GaAs semiconductor, and the radiator made from the CuW is used to heat the LD laser rod.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】一种低热阻、应力受控的激光二极管组件
本专利技术涉及激光二极管组件，更具体地说涉及一种组件，其解决了在性能和耐久性中应力引起的限制而提供低热阻的竞争问题。
技术介绍
大功率半导体激光器二极管条含有大面积的发射器的一维阵列，或者含有10-20个窄条阵列。二极管条通常包含20到50个发射器，每个约100微米宽。典型的商业装置可包括激光谐振腔长度为1-5毫米，宽度约为10毫米。这种尺寸的设备能够没有困难地产生几十到几百瓦的输出功率。市售的功率水平高达250W连续输出功率。辐射区域的设置都是电子并联的，因此需要大驱动电流(特别是50个或更多的发射器配置)可以达到几十安培(甚至几百安培)，有一个粗略的经验法则是，每安培电流提供一瓦的输出功率。二极管棒的重要设计参数是根据发射器的数目、宽度和间距来确定的。在光束质量和亮度方面，理想的方法是从少数密集的发射器中获得输出功率。在高功率下运行会产生大量的热量。为了保持在一个合理寿命(比如2万小时或更多)内的半导体激光可接受的性能，二极管需要安装到散热器或在某些低热阻装置上。传统的散热器材料(如铜)表现出与半导体激光器本身的热膨胀系数(CTE)不同的热膨胀系数。CTE的不匹配导致在将二极管激光棒连接到散热器上的高温过程中，在散热器和二极管激光棒之间产生机械应力。在焊接过程所需的高温下，散热片膨胀到比半导体激光棒大得多的范围。当组合回到室温，散热器和二极管激光棒收缩，散热器将收缩超过二极管激光棒，在他们的连接处造成机械应力，这被认为是“冻结”到配置。当操作温度与室温相比稍高一些，只有轻微的应力释放。应力的存在导致沿半导体激光棒横向延伸的曲率(有时也称为“微笑曲线”)。这种不需要的微笑伪影对聚焦二极管光束的能力有不利影响。因此，仍然需要一个二极管激光棒组件，它能够容纳与应力相关的CTE匹配的变化，同时保持相对低的热阻值。
技术实现思路
本专利技术解决前作中遗留的需要，它涉及半导体激光器组件，特别是一个组件提供低热阻来调节应力导致的性能和寿命变化，解决了竞争问题。按照本专利技术，前作的基座结构由一对平板替换，设置在二极管激光棒的上方和下方，从而形成“三明治”结构。底部的小平板布置在散热器(冷却器)和二极管激光棒之间。因此，底部的小平板可以相对较薄，形成低热阻结构。顶部和底部的小平板的结合提供了创造各种配置和设计的能力，以适应特定情况下的应力条件。特别是，用于形成顶部和底部的小平板的材料，以及小平板的厚度可以被控制，以优化二极管激光棒组件的性能。事实上，小平板可以形成不同的材料和/或可能具有不同的厚度。这些多个变化允许将特定的应力情况剪裁到器件中。这对小平板，与散热器的膨胀特性结合使用，为整个装配提供机械应力管理。通过使用这对分离的小平板(相对于常规的现有技术的单基板)、拓宽应力条件能容纳的范围。也就是说，顶部小平板的添加为控制二极管激光棒中的机械应力创造了额外的条件和可能性。同时，底部的小平板可以相对薄(相对于前作的底座的厚度)，从而降低装配热阻和提高热二极管激光棒到散热器的传热效率。本专利技术的一个实施例为一个半导体激光器组件包括一条半导体激光二极管，包括发射区阵列设置在激光棒前面的侧向(激光棒包括底部主要表面和相对的顶部主要表面，前表面垂直于顶部和底部表面之间)，散热片，和一对用来创建激光二极管激光棒的“三明治”的小平板。特别是，小平板包括设置在散热片和半导体激光二极管棒的下小平板，和布置在顶部主要表面与半导体激光二极管棒上部主要表面之间的上小平板，下小平板和上小平板的尺寸和材料选择，创建了半导体激光二极管棒和散热器之间的低热阻路径，同时也管理组件内的应力条件。本专利技术的其他实施例和各方面将在下面的讨论和参考附图中变得明晰。附图说明参见图纸，数字代表视图中的零件：图1是传统前作中半导体激光器组件的等距视图；图2是一个简化图说明附加二极管激光棒到基座的初始步骤；图3是示出将图2中所示的组件附加到散热器上的步骤简化图；图4包含一副图，描绘了在图2和图3所示的装配过程中产生的二极管激光棒的前端面上的“微笑曲线”(弓形或弯曲)的存在；图5是根据本专利技术用小平板三明治结构形成的一种典型的低热阻、应力控制的二极管激光棒组件的爆炸等轴视图；图6是如图5所示的专利技术组件的远离侧视图；图7是一个与传统现有技术相关(基座)半导体激光器组件的纵向应力剖面图；图8是与本专利技术的示例性实施例相关联的纵向应力剖面图，在这种情况下，利用相同厚度的顶部和底部的小平板，以及每个小平板由钼制成；图9是与本专利技术的另一个示例性实施例相关的纵向应力分布图，利用一对相同厚度的Cu20W小平板；图10包含一组描绘热阻作为底部小平板厚度函数的图，说明当板厚减小时热阻减小；图11包含一组中心区域的米塞斯应力强度值；图12包含一组后端面的米塞斯应力强度值；图13包含半导体激光棒的边缘部分的米塞斯应力强度值；图14包含一组图表显示应力张量SX组件(即应力平行于设备主平面的前面)；图15包含示出应力张量的SY分量的一组图(即应力垂直于前端面和沿着激光腔的方向)。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式，对本专利技术做进一步说明。图1是传统的半导体激光棒组件1的爆炸等距视图。在这个简化的例子中，二极管激光棒2表现为包括多组五个独立的发射区域(或长条)3，设置在半导体激光器2的X轴方向的一维阵列配置(“二极管激光棒”，也被称为“半导体激光二极管棒”)。二极管激光棒2设置在基板4上，依次设置连接到散热器(冷却器)5。如图所示，二极管激光棒2由发光区域3定位“向下”，朝向基座4。基座4是导电材料作为半导体激光器棒2的电接触。而作为这个电接触，使得基座4也可以作为二极管激光棒2工作时的热能(热)管道，将热能从半导体激光器2导出到底层散热器5。二极管激光棒2颠倒取向，这样位置的发热元件(即发射区3)接近基座4，为热能传递提供相对较短的路径。如上所述，铜是散热器使用的很好材料，由于低热阻方面(提供一个有效的途径转移不必要的热量，远离二极管激光棒)。然而，另一个问题是散热片与二极管激光棒之间CTE的错误匹配，导致在系统内部仍然存在“冻结”的机械应力。图2和3对于理解基本的装配操作是有用的，这些操作会产生沿发射区域横向的微笑曲线，出现不必要的应力。图2说明了将半导体激光器2贴接到基座4的过程。在大多数情况下，二极管激光棒2包括一个基于III-V族半导体激光(如GaAs或InP)，它具有热膨胀系数(CTE)约6.5ppm/K。一个传统的基板材料是指Cu10W，这是一个同质化的组合10％铜(Cu)和90％钨(W)具有热膨胀系数基本匹配的二极管激光棒。“硬”焊料(即，焊料AuSn固相温度约280℃)是用来连接二极管激光棒2到基座4，导致“-基座上激光棒”(BoS)的布置如图2所示。硬焊料的使用要求环境温度提高到至少280℃使焊料将开始流动，贴接棒2和基座4。该焊料附件被指示为图2中的S1。随着环境温度从室温(约20℃至280℃焊接过程的温度)升高，二极管激光棒2和基座4会经历一些膨胀。由于各自的热膨胀系数是非常相似的，这两个组件将膨胀大约相同数量的。当BoS组件冷却并回到室温时，这两个组件都会收缩大约相同的数量，导致焊料附件S1的界面上几乎没有或没有明显的应力。装配过程中本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种激光二极管组件，其特征在于，包括一个半导体激光二极管，所述二极管包括一个排列在横向方向上的发射区阵列，所述发射区阵列穿过所述二极管的前端面，所述二极管包括一个底部主表面和一个相对的顶部主表面，所述前端面在所述顶部和底部主表面之间正交延伸，所述组件包括一个散热器，一个底部小平板设置在所述散热器与所述二极管底部主表面之间，所述底部小平板设置在垂直于所述二极管主面的方向，并提供了从所述二极管到所述散热器的热流，所述底部小平板使用合适的焊接材料安装到位，一个顶部小平板设置并安装在所述二极管顶部主表面，所述底部和顶部小平板尺寸及材料的选择，以满足在所述二极管与所述散热器之间创建低热阻及应力受控的条件为目的。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.05.19 US 62/163,518;2016.05.16 US 15/155,1521.一种激光二极管组件，其特征在于，包括一个半导体激光二极管，所述二极管包括一个排列在横向方向上的发射区阵列，所述发射区阵列穿过所述二极管的前端面，所述二极管包括一个底部主表面和一个相对的顶部主表面，所述前端面在所述顶部和底部主表面之间正交延伸，所述组件包括一个散热器，一个底部小平板设置在所述散热器与所述二极管底部主表面之间，所述底部小平板设置在垂直于所述二极管主面的方向，并提供了从所述二极管到所述散热器的热流，所述底部小平板使用合适的焊接材料安装到位，一个顶部小平板设置并安装在所述二极管顶部主表面，所述底部和顶部小平板尺寸及材料的选择，以满足在所述二极管与所述散热器之间创建低热阻及应力受控的条件为目的。2.如权利要求1所述激光二极管组件，其特征在于，所述底部小平板与所述顶部小平板由相同材料构成。3.如权利要求2所述激光二极管组件，其特征在于，所述底部小平板与所述顶部小平板的材料选自钼，硅，和CuxW化合物其中x≤8。4.如权利要求2所述激光二极管组件，其特征在于，所述底部小平板与所述顶部小平板的材料选自CuxW化合物，其中x≥12。5.如权利要求1所述激光二极管组件，其特征在于，所述底部小平板与所述顶部小平板由不同材料构成。6.如权利要求5所述激光二极管组件，其特征在于，所述底部小平板与所述顶部小平板分别由钼，硅，和CuxW化合物，其中x≤8，...

【专利技术属性】
技术研发人员：尤尔根·穆勒，雷内·巴蒂，雷纳尔·布鲁纳，斯蒂芬·韦斯，
申请(专利权)人：IIVI激光股份有限公司，
类型：发明
国别省市：瑞士,CH