CN104409964A - 一种半导体激光器烧结夹具及其烧结方法 - Google Patents

Abstract

一种半导体激光器烧结夹具，包括底座、支撑板和压块，支撑板固定在底座上，支撑板上设置有压紧螺栓，底座上设置有固定柱，压块通过固定柱定位置于底座上，压块底部一侧设有凸台，压块底部另一侧固定排布有竖向的弹簧针。首先将预制完焊料的热沉放置在底座上，并通过底座上的固定柱对热沉进行定位；然后将COS沿热沉的弧形边缘放置在热沉上，各个COS间距一致；将压块放置在热沉上，弹簧针与COS一一对应，转动压紧螺栓，使其压紧压块。该夹具使激光器及压块在烧结过程中不会出现滑动移位，可将激光会聚到中心位置，避免COS移位，增加光功率密度及亮度，保证烧结的一致性，同时降低空洞的产生机率，提高激光器的可靠性。

Description

一种半导体激光器烧结夹具及其烧结方法

技术领域

本发明涉及一种半导体激光器的烧结夹具，具体地说是一种可实现多芯片同时加压烧结的夹具，属于半导体激光器烧结技术领域。

背景技术

半导体激光器由于体积小、重量轻、转换效率高、使用寿命长等优点，在医疗、显示、泵浦、工业加工等领域有广泛的应用。近年来，随着半导体材料外延生长技术、半导体激光波导结构优化技术、腔面钝化技术、高稳定性封装技术、高效散热技术的飞速发展，特别是在直接半导体激光工业加工应用以及大功率光纤激光器抽运需求的推动下，具有大功率、高光束质量的半导体激光器飞速发展，为获得高质量、高性能的直接半导体激光加工设备以及高性能大功率光纤激光抽运源提供了光源基础。

由于半导体激光器尺寸的限制，单个芯片出光功率有限，为获得高功率、高光束质量的激光，只能增加芯片数量，通过多个芯片的同时出光实现高功率激光的输出。目前，半导体激光器主要从两个封装方向来实现高功率输出。一个方向是巴条阵列的封装，另一个方向是多个单管的串联封装。巴条阵列的封装即在慢轴方向上横向并联集成多个半导体激光单元，这也是长期以来高功率半导体激光器中最常用的封装形式。但由于此种封装形式是多个芯片的并联，要实现上百瓦的功率输出，需要低压高电流电源进行驱动，而在工程运用中，数伏电压数百安电流的组合会产生众多实际问题，这也就限制了巴条阵列激光器的最高功率。而且，由于巴条阵列尺寸较大，给封装带来了很大的难度，空洞的产生会造成热量的富集，大大降低激光器的性能及寿命。与之相比，单元器件具有独立的电、热工作环境，避免了发光单元之间的热串扰，使其在寿命、光束质量方面与巴条阵列激光器相比具有明显优势。此外单元器件驱动电流低、多个串联工作大幅度降低了对驱动电源的要求。同时单元器件的发热量相对较低，可直接采用传导热沉散热，具有较长的使用寿命。而且独立的热工作环境使其可高功率密度工作，所以多个单管的串联封装激光器大有逐渐替代巴条阵列激光器成为高功率、高光束质量半导体激光主流器件的趋势。

多个单管串联封装，单管之间需要进行电隔离，这就需要将单个芯片封装到绝缘的次热沉上，然后再将封装好的单元器件COS （COS指chip on submount，是封装在次热沉上的激光器）经过二次烧结，封装到大热沉上。为避免二次烧结过程中造成芯片移位，二次烧结时所用焊料应为低熔点焊料，且二次烧结应尽可能一次完成。这对二次烧结的一致性提出了更高的要求。为避免在二次烧结过程中单元器件移位及空洞的产生，需要对单元器件施加一定的压力。

中国专利文献CN203135209U公开了一种多芯片无应力半导体激光器封装夹具，包括底座，底座上对称设置有两个可以左右滑动的滑块，两个滑块之间放置顶部压块，顶部压块的上表面与固定的施压弹片接触，采用弹片的施压方式对多个芯片进行加压烧结。该夹具可实现多个巴条的同时烧结，但上面通过弹片施力，弹片易变形，影响力的均匀性。

而对于多个单管串联封装的激光器，芯片N面已焊接金线，如果对多个单管整体施压，则会造成芯片N面塌线或短路，也可能对芯片造成损坏。所以不能对芯片直接施加压力，只能通过分别对单个器件单独施压的方式实现多单管串联激光器的烧结。另外，为提高光利用效率，获得高亮度激光，多采用多个单管沿一定弧度进行排列，这种排列方式又增加了封装难度。目前，没有专门的设备可用于多单管串联激光器的二次封装，只能由人工完成。

发明内容

针对目前半导体激光器烧结技术存在的问题，本发明提供一种操作简便，可实现多芯片高亮度半导体激光器加压烧结的夹具。

本发明的半导体激光器烧结夹具，采用以下技术方案：

该烧结夹具，包括底座、支撑板和压块，支撑板固定在底座上，支撑板上设置有压紧螺栓，底座上设置有固定柱，压块通过固定柱定位置于底座上，压块底部一侧设有凸台，压块底部另一侧固定排布有竖向的弹簧针，弹簧针的下端超出凸台的底面。

所述弹簧针的下端超出凸台的底面1mm。

所述压块上安装弹簧针的一侧呈弧形，且弧形半径与热沉弧形半径相同。

所述压块上固定排布的弹簧针呈弧形排列。

所述弹簧针的顶部为球形，以保证弹簧针与COS表面接触良好。

所述压块上固定排布的弹簧针的下端高度一致，以保证烧结时使压紧的COS受力均匀。

所述固定柱的直径小于压块上安装孔的孔径，以便于压块在螺栓的作用下有一定的下压空间。

上述夹具对半导体激光器进行烧结的方法，包括以下步骤：

（1）将预制完焊料的热沉放置在底座上，用固定柱对热沉进行定位； 

（2）将各个COS沿热沉上的弧形边缘水平放置在热沉上，且间距一致；

（3）将压块通过固定柱放置在热沉上，弹簧针与COS 一一对应，压块底面一侧的凸台与热沉4的上表面接触，每个弹簧针的下端压到对应的COS上的陶瓷片中间，激光器芯片位于陶瓷片一侧；

（4）转动压紧螺栓，使其接触到压块上表面，压紧压块，通过压紧螺栓的给进量调整压力的大小；

（5）将整个夹具放进烧结炉内进行加热烧结。

本发明结构简单，操作方便，通过固定柱使热沉及压块定位，使激光器及压块在烧结过程中不会出现滑动移位，通过弧形设计，可将激光会聚到中心位置，增加光功率密度及亮度。通过多个弹簧针的加压，实现多个芯片的同时烧结，并且压力可调，可保证烧结的一致性，避免COS在烧结过程中的移位，同时降低空洞的产生机率，提高激光器的可靠性。

附图说明

图1是本发明高亮度半导体激光器烧结夹具的结构示意图。 

图2是本发明中压块的示意图。

图3是本发明中COS的示意图。

其中，1、基座，2、支撑板，3、压紧螺栓，4、热沉，5、弹簧针，6、COS，7、压块，8、固定柱，9、凸台，61、激光器芯片，62、陶瓷片。

具体实施方式

如图1、图2和图3所示，本发明的半导体激光器烧结夹具，主要包括底座1、支撑板2和压块7。底座1上设置有两个用于固定热沉4的固定柱8。压块7的结构参见图2，其上带有与两个固定柱8的间距一致的安装孔，压块7通过这两个安装孔与两个固定柱8的配合置于底座1上。固定柱8与底座1为一体，且与热沉4及压块7上的两个安装孔均相对应，用于固定热沉4和压块7，使热沉4及压块7在烧结过程中不会出现滑动移位。固定柱8的直径略小于压块7上安装孔的孔径，以便于压块7在压紧螺栓3的作用下有一定的活动空间。压块7上安装弹簧针5的一侧呈弧形，且弧形半径与热沉4的弧形半径相同。支撑板2固定在底座1上，其上安装有压紧螺栓3，压紧螺栓3位于压块7的上方，通过压紧螺栓3的给进，对其下方的压块7施加压力。压块7的底面后侧（图1中的左侧）设有凸台9，前侧设有多只竖向排列的弹簧针5（本实施例中设置七只，具体数量可以根据实际需要设置），各只弹簧针5的高度完全一致，且其下端超出凸台9的下端面约1mm，这样便于通过弹簧针5给COS 6施加压力。弹簧针5压在COS 6上的端部呈球形，可保证弹簧针5与COS 6的陶瓷片62表面接触良好，使COS 6在烧结时受力均匀。相邻弹簧针5之间的距离与放置在热沉4上的COS 6的间距一致，并且呈弧形排列。弧形排列的设计有利于对光束进行会聚，实现激光器高功率密度及高亮度的输出。

底板、支撑板和压块的材料可选用热导率较高的铜。

利用本发明中的夹具对半导体激光器进行烧结的过程，如下所述：

（1）将预制完焊料的热沉4放置在底座1上，用固定柱8对热沉4进行定位； 

（2）将各个COS 6沿热沉4上的弧形边缘水平放置在热沉4上设定的位置，且间距一致；

（3）将压块7通过固定柱8放置在热沉4上，弹簧针5与COS 6一一对应，压块7底面一侧的凸台9与热沉4的上表面接触，每个弹簧针5的下端压到对应的COS 6上的陶瓷片62中间，激光器芯片61位于陶瓷片62一侧，参见图3；

（4）转动压紧螺栓3，使其接触到压块7上表面，并根据所需压力的大小调整压紧螺栓3的给进量；

（5）将整个夹具放进烧结炉内进行加热烧结。

Claims (7)

1.一种半导体激光器烧结夹具，包括底座、支撑板和压块，其特征是，支撑板固定在底座上，支撑板上设置有压紧螺栓，底座上设置有固定柱，压块通过固定柱定位置于底座上，压块底部一侧设有凸台，压块底部另一侧固定排布有竖向的弹簧针，弹簧针的下端超出凸台的底面。

2.如权利要求1所述的半导体激光器烧结夹具，其特征是，所述弹簧针的下端超出凸台的底面1mm。

3.如权利要求1所述的半导体激光器烧结夹具，其特征是，所述压块上安装弹簧针的一侧呈弧形。

4.如权利要求1所述的半导体激光器烧结夹具，其特征是，所述压块上固定排布的弹簧针呈弧形排列。

5.如权利要求1所述的半导体激光器烧结夹具，其特征是，所述弹簧针的顶部为球形。

6.如权利要求1所述的半导体激光器烧结夹具，其特征是，所述压块上固定排布的弹簧针的下端高度一致。

7.一种权利要求1所述半导体激光器烧结夹具对半导体激光器进行烧结的方法，其特征是，包括以下步骤：

（1）将预制完焊料的热沉放置在底座上，用固定柱对热沉进行定位； 

（2）将各个COS沿热沉上的弧形边缘水平放置在热沉上，且间距一致；

（3）将压块通过固定柱放置在热沉上，弹簧针与COS 一一对应，压块底面一侧的凸台与热沉4的上表面接触，每个弹簧针的下端压到对应的COS上的陶瓷片中间，激光器芯片位于陶瓷片一侧；

（4）转动压紧螺栓，使其接触到压块上表面，压紧压块，通过压紧螺栓的给进量调整压力的大小；

（5）将整个夹具放进烧结炉内进行加热烧结。