一种具有图形化结构的半导体激光器热沉及其制造方法技术

一种具有图形化结构的半导体激光器热沉及其制造方法，通过在基体上下表面预先制备了立体图形结构阵列，大幅增加了基体材料的表面积和表面化学键能，提高了与基体材料接触的功能层、过渡金属层I及过渡金属层II的粘附性的粘附性，通过在立体图形结构阵列上制造功能层，有效的结合基体材料和功能层材料热导率或热膨胀系数各自特点，调节符合材料整体的热导率或热膨胀系数，保证与半导体激光器材料本身热失配小的前提下降低热沉材料的热阻，提高散热性能，保证了激光器光电性能和可靠性。

【技术实现步骤摘要】
一种具有图形化结构的半导体激光器热沉及其制造方法
本专利技术涉及激光器封装
，具体涉及一种具有图形化结构的半导体激光器热沉及其制造方法。
技术介绍
半导体激光器芯片广泛应用于通讯、加工、医学、科研、传感等领域，具有体积小、效率高、重量轻、寿命长、工艺兼容性好等诸多优点，近年来发展尤为迅速，极大地促进了信息、测量、医疗、娱乐等相关产业的发展。半导体激光器本身器件特性和各类应用需求的特殊性，几乎所有半导体激光器(或巴条)都必须经过贴片封装工艺方能投入下游应用端生产。由于半导体激光器属于典型的电光转换芯片，随着半导体激光器输出功率的不断提高，受制于电光转换效率的影响，除转化为有效光功率输出的部分外，最少存在30％以上的电功率转换成了无效的废热功率，而此类废热将反过来直接影响半导体激光器的输出功率、光学特性以及可靠性等各项参数。因此半导体激光器芯片应用中实际性能与其工作温度和废热控制有着密切的相关性，散热问题成为直接影响半导体激光器，特别是大功率半导体激光器性能的关键因素。目前最常用的散热方法是采用热沉材料将半导体激光器工作时产生的废热传导出去，从而降低器件的正常工作温度，保证器件的输出性能和可靠性。由于半导体激光器在应用中的重点要求集中于高功率输出、高光束质量、高可靠性和较低的使用成本等方面，相应的热沉材料开发对应聚焦在高热导率、匹配的热膨胀系数和尽可能低的成本三方面。热沉的高热导率可以将激光器工作时产生的热量及时散出，匹配的热膨胀系数则保证良好的光学特性及避免芯片或热沉本身因热应力失配出现损坏，尽可能低的成本最终保证其在激光器封装中能够得到更快更广的应用。从以上角度出发，现今作为半导体激光器热沉材料的主要是钨铜(CuW)、氮化铝(AlN)和氧化铍(BeO)。如公开号为CN103413791A的专利技术专利，采用AlN或BeO基板制备热沉，最大的优势为具有与现有GaAs类半导体激光器芯片接近的热膨胀系数(～6.7′10-6/K)，但是材料的热导率(170～270Wm-1K-1)均不高且部分材料(BeO)本身或制备过程中存在剧毒物质，已经无法满足大功率半导体激光器散热的迫切需求，限制了半导体激光器在高端领域的应用。此外，因为半导体激光器封装中焊接工艺要求热沉表面必需制备多层金属合金(包含焊料)，金属合金与热沉基材之间的粘附性受金属材料本身性质及具体工艺影响显著，极易出现因工艺波动或热失配等界面原因引发的金属脱落问题。该专利技术方案采用离子注入、溅射技术和化学镀或电镀工艺试图解决表面金属牢固性问题，但仍存在离子注入工艺过程复杂且大尺寸热沉生产均匀性难以保证，溅射工艺成本显著高于电子束蒸发等传统工艺，化学镀或电镀制备的材料致密性差和纯度偏低等问题。另外，如专利技术专利CN103887703B采用的技术方案中，采用高热导率的石墨烯层作为热沉表层以提高激光器散热能力的方案，理论上石墨烯沿平面(平行于热沉表面)热导率非常高，但技术方案中由于石墨烯层只有一个或几个原子层，厚度仅有几十纳米，相较于基材本身数百微米的量级，对于垂直于热沉表面的热导率几乎没有作用。此外，方案中表层石墨烯采用化学气相沉积后、溶解再转移的方法制备工艺复杂，成本偏高。再者，石墨烯本身为石墨的一个单原子层，也就是一层sp2键合的碳原子排列成六角形或蜂窝状晶格，因此该层石墨原子层内原子间强度较高，但作为中间层时，与上下两层材料结合时仍为分子间作用力，结合力较弱(类似石墨层间作用力)，因此该石墨烯层及其上层材料不易与基体材料牢固结合，意外剥落的较大可能性。
技术实现思路
本专利技术为了克服以上技术的不足，提供了一种提高界面牢固的同时兼顾沉材料热导率提升和热膨胀系数调配，满足大功率半导体激光器对热沉材料的整体应用需求的具有图形化结构的半导体激光器热沉。本专利技术克服其技术问题所采用的技术方案是：一种具有图形化结构的半导体激光器热沉，包括：基体，其上下两端面分别沿平面方向排布有若干立体图形结构，形成立体图形结构阵列；过渡金属层I，设置于基体下方，过渡金属层I覆盖于基体下方的立体图形结构阵列下端；过渡金属层II，设置于基体上方，过渡金属层II覆盖于基体上方的立体图形结构阵列上端，所述过渡金属层II上设置有隔离槽，隔离槽将过渡金属层II分割成两个相互独立的区域；焊料层，设置于过渡金属层II上方的一独立区域中和/或设置于过渡金属层I上。优选的，上述立体图形的形状为圆柱或锥体或方台或棱台或不规则立体图形，立体图形的结构为凸起或凹陷或凹凸交错。优选的，还包括功能层，所述功能层设置于基体上方和/或下方，功能层覆盖基体上方和/或基体下方的立体图形结构阵列。优选的，上述立体图形结构外径为10nm-500μm。优选的，上述过渡金属层I采用NiAu或NiPtAu或TiAu或TiPtAu材料，过渡金属层I的厚度为1μm-100μm，所述过渡金属层II采用NiAu或NiPtAu或TiAu或TiPtAu材料，所述过渡金属层II的厚度为1μm-100μm。优选的，上述焊料层采用In或AnSn或PbSn或含有Au、Ag的粘合剂。优选的，上述功能层采用无氧铜或AlN或SiC或金刚石材料或碳纳米材料，功能层厚度为20nm-1mm。优选的，上述隔离槽为L形或I形结构。一种半导体激光器热沉的制造方法，包括如下步骤：a)将基体材料晶圆清洗后通过光刻胶匀胶、光刻、显影步骤制造基体上下两端面所需制备的立体图形结构的预制表面掩膜图形；b)通过化学腐蚀法在基体上下两端面制备立体图形结构或通过沉积氧化硅或氮化硅后经化学物理腐刻法制作掩蔽膜，经干法刻蚀或激光刻蚀制备立体图形结构，制备完成后去除光刻胶或掩蔽膜；c)基体材料上端和/或下端通过蒸发法或化学气相沉积法或化学镀或电镀方法制备功能层；d)在基体材料上下两端面通过光刻、蒸发、化学镀或电镀、腐蚀或剥离方法制备过渡金属层I及过渡金属层II；e)通过锯片机或多线切割机或激光切割机进行划切分离。本专利技术的有益效果是：在基体上下表面预先制备了立体图形结构阵列，大幅增加了基体材料的表面积和表面化学键能，提高了与基体材料接触的功能层、过渡金属层I及过渡金属层II的粘附性的粘附性，通过在立体图形结构阵列上制造功能层，有效的结合基体材料和功能层材料热导率或热膨胀系数各自特点，调节符合材料整体的热导率或热膨胀系数，保证与半导体激光器材料本身热失配小的前提下降低热沉材料的热阻，提高散热性能，保证了激光器光电性能和可靠性。附图说明图1为本专利技术的实施例1的半导体激光器热沉的结构示意图；图2为本专利技术的实施例2的半导体激光器热沉的结构示意图；图中，100.半导体激光器101.In焊料层102.TiAu过渡金属层103.金刚石功能层104.AlN基体105.NiAu过渡金属层106.金属导线107.隔离槽108.圆柱阵列200.半导体激光器201.AnSn焊料层202.TiPtAu过渡金属层203.无氧铜功能层2本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有图形化结构的半导体激光器热沉，其特征在于，包括：/n基体，其上下两端面分别沿平面方向排布有若干立体图形结构，形成立体图形结构阵列；/n过渡金属层I，设置于基体下方，过渡金属层I覆盖于基体下方的立体图形结构阵列下端；/n过渡金属层II，设置于基体上方，过渡金属层II覆盖于基体上方的立体图形结构阵列上端，所述过渡金属层II上设置有隔离槽，隔离槽将过渡金属层II分割成两个相互独立的区域；/n焊料层，设置于过渡金属层II上方的一独立区域中和/或设置于过渡金属层I上。/n

【技术特征摘要】
1.一种具有图形化结构的半导体激光器热沉，其特征在于，包括：
基体，其上下两端面分别沿平面方向排布有若干立体图形结构，形成立体图形结构阵列；
过渡金属层I，设置于基体下方，过渡金属层I覆盖于基体下方的立体图形结构阵列下端；
过渡金属层II，设置于基体上方，过渡金属层II覆盖于基体上方的立体图形结构阵列上端，所述过渡金属层II上设置有隔离槽，隔离槽将过渡金属层II分割成两个相互独立的区域；
焊料层，设置于过渡金属层II上方的一独立区域中和/或设置于过渡金属层I上。


2.根据权利要求1所述的具有图形化结构的半导体激光器热沉，其特征在于：所述立体图形的形状为圆柱或锥体或方台或棱台或不规则立体图形，立体图形的结构为凸起或凹陷或凹凸交错。


3.根据权利要求1所述的具有图形化结构的半导体激光器热沉，其特征在于：还包括功能层，所述功能层设置于基体上方和/或下方，功能层覆盖基体上方和/或基体下方的立体图形结构阵列。


4.根据权利要求1所述的具有图形化结构的半导体激光器热沉，其特征在于：所述立体图形结构外径为10nm-500μm。


5.根据权利要求1所述的具有图形化结构的半导体激光器热沉，其特征在于：所述过渡金属层I采用NiAu或NiPtAu或TiAu或TiPtAu材料，过渡金属层I的厚度为1μm-100μm，所述过渡金属层...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋锴，李星宇，孙旺根，夏伟，唐文婧，
申请(专利权)人：济南大学，
类型：发明
国别省市：山东;37