CN104638510A - 一种半导体激光器堆栈小单元测试、老化的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半导体激光器堆栈小单元测试、老化装置及方法，该装置包括：一固定在基座支架上的夹具主体，该夹具主体有冷却水道、负极接入孔、凹槽、半圆形凹槽、定位槽；一滑动压块，该滑动压块底部粘有一尺寸与之相同的绝缘陶瓷片，滑动压块有两螺丝定位孔、正极接入孔及方孔；凹槽下臂的定位槽用于放置、固定堆栈小单元，滑动压块位于凹槽上方，利用塑料螺丝通过夹具主体上壁上的定位孔将滑动压块与堆栈小单元紧密连接；连通冷却水，连接正负极进行测试、老化。本发明操作简单，散热较好，利用本装置可实现堆栈小单元在工作电流条件下的性能测试及老化。

Description

一种半导体激光器堆栈小单元测试、老化的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种半导体激光器测试、老化装置及方法，尤其是一种高功率半导体激光器测试、老化装置。

背景技术

由多个巴条组成的半导体激光器堆栈可实现几千瓦至上万瓦的功率输出，因此在军事国防领域、医疗领域以及工业加工，如激光切割、激光打标、激光打孔、激光热处理等领域有广泛的应用。同时，作为固体激光器及光纤激光器的泵浦源，高功率半导体激光器堆栈的性能一致性、可靠性更为关键，也对其封装提出了更高的要求。

由于半导体激光器堆栈具有较高的封装密度，而且巴条需双面烧结，所以很难用设备完成封装，目前，巴条双面烧结的半导体堆栈的封装一般只能由手工完成，现有封装方法有以下两种：

一种是多个热沉与巴条间隔排列，一次串联烧结在一个表面有对应金属化图形的高导热绝缘陶瓷片上。由于激光器堆栈功率密度较高，巴条间距较小，所以，多个热沉的微小误差，就可能累积超过一个巴条的厚度，导致堆栈短路。所以该封装方法难度较大，成品率较低。为提高成品率，需对封装前的每个裸巴条进行测试筛选，保证封装前的每个巴条、巴条的每个发光点均匀发光、且一致性要好。中国专利CN101872936A（201010201586.X）公开了一种半导体激光器老化夹具，包括三层印刷电路板、与激光器固化连接的热沉以及固定热沉的盖板，该夹具用面接触或金丝压合的方式代替了传统的垂直点接触，减小了对芯片接触面损伤的机率，可以实现裸芯片的性能测试及老化，但由于芯片与热沉是固化连接，所以对老化后的芯片无法进行二次封装。

另外一种封装方法是，两个热沉与一个巴条、对应金属化的高导热绝缘小陶瓷片同时烧结成一个堆栈小单元，然后再利用熔点稍低的焊料将多个堆栈小单元烧结成激光器堆栈。该方法对热沉与陶瓷片的公差要求较低，而且可对堆栈小单元进行筛选，将波长、功率合格的多个堆栈小单元二次封装成高功率堆栈，可明显提高成品率，降低生产成本。

中国专利CN102374900A公开了一种多发光单元半导体激光器空间光谱测试方法及装置，包括多发光单元半导体激光器、透镜系统、光谱测量装置及计算机。在半导体激光器出光面前方设置透镜系统用于将半导体激光器多个发光单元在空间上进行放大，透镜系统前方设置光谱测量系统用于采集经透镜系统放大后的每一个发光单元的信息，将发光单元的波长信息按空间位置依次进行排布，形成空间光谱或者波长信息图。该装置可以采集每一个发光单元的波长信息，从而在空间尺度上反映每一个单独发光点的波长，但主要是针对封装后的多发光单元进行波长测试，对于高功率激光器半成品，由于热量的富集，不能实现其在工作电流下的波长测试。

与封装前的裸巴条相比，封装成堆栈小单元的巴条性能更容易测试，而且测试结果更接近其正常工作时的真实值。由于堆栈小单元尺寸较小，功率较高，产生的热量较多，如果不将堆栈小单元产生的热量及时散出去，则会造成热量的富集，影响测试结果，甚至可将激光器烧坏。目前，为了减少热量的产生，避免热量富集对激光器造成损坏，一般只在小电流下对堆栈小单元进行扎测或大电流下短时间测试。但这种方法测出的结果不能反映堆栈小单元正常工作时的真实状态，无法保证巴条每个发光点波长、功率的一致性，也无法验证巴条的可靠性。

发明内容

针对上述现有技术中的不足，本发明提供了一种半导体激光器堆栈小单元测试、老化装置，该装置具有良好的散热能力，可实现半导体激光堆栈小单元在正常工作电流条件下的功率、波长测试及长时间老化。

本发明还提供一种半导体激光器堆栈小单元老化方法以及波长、功率测试方法。

术语说明：

半导体激光器堆栈小单元，是指由单个巴条、与其相连接的正负极热沉、底部陶瓷片组成的激光器器件；为了表达简洁在本说明书中统一称其为堆栈小单元，含义相同。

本发明的技术方案如下：

一种半导体激光器堆栈小单元测试、老化装置，包括基座、夹具主体、滑动压块，其中：

一基座，基座上固定有两个垂直支架，用于固定夹具主体；

一凹槽结构的夹具主体，通过其两端的伸出臂与基座上的两个支架分别连接，使凹槽开口朝向水平方向，夹具主体凹槽的上、下壁与基座平行；其中，

所述夹具主体凹槽下壁为二级台阶状，下阶面中部设有定位槽，用于放置堆栈小单元，定位槽的深度为堆栈小单元宽度的1/4-1/3。

在夹具主体凹槽下壁内部有冷却水通道，夹具主体底部有一电极接入端；

一滑动压块，位于夹具主体凹槽内定位槽的上方，用于压紧放置在定位槽内的堆栈小单元；滑动压块前表面有一电极接入端，在通电时滑动压块与夹具主体之间保持绝缘；

以上所述夹具主体和滑动压块均为导电导热材料。

根据本发明优选的，所述滑动压块上有螺钉定位孔与夹具主体凹槽上壁的螺丝孔相适配，通过塑料螺丝连接，通过调节塑料螺丝推动滑动压块上下移动，以便压紧位于其下方的定位槽内的堆栈小单元。

根据本发明优选的，所述滑动压块上有两个方形孔，用于夹持滑动压块，使其向上移动，更便利。

根据本发明优选的，所述定位槽一侧下阶面上有一半圆形凹槽，以防止堆栈小单元放置时滑落。

根据本发明优选的，与夹具主体接触的滑动压块背面黏贴有绝缘陶瓷薄片，滑动压块的上下面与夹具主体凹槽上壁、下壁之间始终保持一定空隙；使滑动压块在移动过程中也保持与夹具主体绝缘。

根据本发明优选的，所述夹具主体凹槽宽度d3比滑动压块宽度d5大3-5mm，如图2所示。所述滑动压块前表面与堆栈小单元出光面平齐，能够保证滑动压块与堆栈小单元接触良好，同时又不会影响堆栈小单元的出光，便于功率测试。

根据本发明优选的，夹具主体凹槽下壁台阶高度d2与定位槽深度d1之和小于堆栈小单元宽度d4，如图2所示，使滑动压块与凹槽下壁保持一定间隙，以防止滑动压块与夹具主体连通，造成短路。优选的滑动压块与凹槽下壁保持约1mm间隙。

根据本发明优选的，夹具主体及滑动压块均为热导率较高的无氧铜材料，能够保证堆栈小单元在工作电流条件下测试、老化时散热良好。

根据本发明优选的，冷却水道内流通的水为电阻率较高的超纯水，在保证散热良好的同时不会影响电路的连通。

根据本发明优选的，滑动压块上的电极接入端为正极接入孔，夹具主体底部的电极接入端为负电极接入孔。

所述基座、基座上的垂直支架、与夹具主体固定的螺丝均为绝缘材料。

一种半导体激光器堆栈小单元老化方法，包括利用本发明所述的装置，步骤如下：

（1）首先，使滑动压块上移并保持在夹具主体凹槽上壁处；

（2）然后，将堆栈小单元出光面朝外、正极朝上放置在定位槽中；

（3）松开滑动压块使其与堆栈小单元的接触；

（4）拧紧夹具主体凹槽上壁的连接滑动压块的塑料螺丝，使滑动压块的底面与堆栈小单元的正极紧固连接，以利于热量的散出；

（5）打开循环水，使冷却水道中的高纯水流动；

（6）分别连接滑动压块上与夹具主体底部的正、负电极，打开电源，缓慢增加电流至堆栈小单元的工作电流，进行老化。

步骤（1）中，更加方便地，可以用镊子夹住滑动压块上的两个方形孔，使滑动压块上移。步骤（2）中可以先将堆栈小单元放置在半圆形凹槽处，再将其轻推至定位槽中；以防止堆栈小单元滑落。

一种半导体激光器堆栈小单元测试方法，包括利用本发明所述的装置进行波长、功率测试，步骤如下：

①将堆栈小单元出光面朝外、正极朝上固定在夹具主体的定位槽中；

②打开循环水，连接好正、负电极，打开电源；

③在堆栈小单元出光面前端放置一透镜系统，将堆栈小单元中巴条慢轴方向上的光进行放大成像，通过光纤光谱仪对每个发光点进行波长测试；或者，在堆栈小单元出光面前放置一功率探测器，用于记录堆栈小单元工作时的功率。

本发明的有益效果：

本发明结构简单，操作方便，通过冷却水道可将堆栈小单元在大电流工作时产生的热量及时散出去，可实现堆栈小单元在工作电流条件下的测试及老化，提高堆栈产品的封装合格率及一致性，降低生产成本；可根据的堆栈小单元尺寸不同，更改定位槽的宽度，实现不同集成密度堆栈产品的封装。

附图说明

图1为本发明实施例1结构示意图；其中，1、基座，2、垂直支架，3、夹具主体，4、冷却水道，5、滑动压块，6、正电极接入孔，7、负电极接入孔，8、方形孔，9、绝缘陶瓷薄片，10、活动螺丝，11、堆栈小单元，12、螺丝定位孔，13、伸出臂，14、下壁台阶，15、下阶面。

图2为本发明实施例1夹具主体的示意图；31、凹槽上臂，32、凹槽，33、凹槽下臂，34、半圆形凹槽，35、定位槽；d1、定位槽深度；d2、台阶高度；d3、凹槽宽度；d4、堆栈小单元宽度；d5、滑动压块宽度。

图3为本发明实施例1堆栈小单元的示意图；111、堆栈小单元正极，112、堆栈小单元负极，113、巴条，114、堆栈小单元绝缘片；X轴：巴条慢轴方向；Y轴：巴条快轴方向；Z轴：巴条出光方向。

图4为本发明实施例2装置示意图；

图5为本发明实施例3装置示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明做详细的说明，但不限于此。

实施例1：装置结构如图1、图2所示。

一种半导体激光器堆栈小单元测试、老化的装置，该装置包括用于固定夹具主体3的基座1，在基座1上连接两个垂直支架2用于支撑夹具主体3。

一凹槽结构的夹具主体3，通过其两端的伸出臂13与基座上的两个支架2分别连接，使凹槽开口朝向水平方向，夹具主体凹槽的上、下壁与基座平行；所述夹具主体3凹槽下壁为二级台阶状，下阶面15中部设有定位槽35，用于放置堆栈小单元，定位槽35的深度d1为待老化、测试的堆栈小单元11宽度d4的1/4。夹具主体凹槽下壁台阶高度d2与定位槽深度d1之和小于堆栈小单元宽度d4约1mm。以防止滑动压块与夹具主体连通，造成短路。

在夹具主体凹槽下壁内部有冷却水通道4，夹具主体3底部有一负电极接入孔7。

一滑动压块5，其上侧面有两螺丝定位孔12、前表面有正电极接入孔6，夹具主体凹槽上壁31有两活动塑料螺丝10，与滑动压块5上面两螺丝定位孔12配合。定位槽35的一侧有一半圆形凹槽34，防止堆栈小单元11放置时滑落，滑动压块5的背面粘合有一长宽与其相同的绝缘陶瓷薄片9。滑动压块5的前表面有两个方形孔8，便于滑动压块5的夹取、上移。

将堆栈小单元11放置在定位槽35内，向下转动活动塑料螺丝10，使滑动压块5向堆栈小单元11移动，直至滑动压块5将堆栈小单元11压紧。

利用本实施例的装置对堆栈小单元进行老化的方法，步骤如下：

（1）首先，用镊子夹住滑动压块5的两个方形孔8，使滑动压块5上移至夹具主体3的凹槽上壁处；

（2）然后将堆栈小单元11放置在半圆形凹槽34处，再将其轻推至定位槽35中；使堆栈小单元正极111朝上、出光面朝外；

（3）松开滑动压块5使其与堆栈小单元11的正极接触；

（4）拧紧两个塑料的活动螺丝10，使滑动压块5下面与堆栈小单元11的正极111紧密接触，以利于热量的散出；

（5）打开循环水，使冷却水道4中的高纯水流动；

（6）分别连接滑动压块5与夹具主体3上的正、负电极接入孔6、7，打开电源，缓慢增加电流至堆栈小单元的工作电流，进行老化。

实施例2：

如图4所示：一种半导体激光器堆栈小单元测试、老化的方法及装置，使用实施例1的装置进行波长测试时，步骤如下：

①利用夹具主体3将堆栈小单元11固定牢固；使堆栈小单元出光面朝外、正极朝上；

②连通循环水，连接好正负电极接入孔6、7，打开驱动电源；

③在堆栈小单元11出光面前端放置一透镜系统，将巴条慢轴方向X轴上的光进行放大成像，通过光谱仪对每个发光点进行波长测试；

实施例3：

如图5所示：利用实施例1的半导体激光器堆栈小单元测试、老化装置，对堆栈小单元进行功率测试，如实施例2所述，不同之处在于：在该装置的堆栈小单元11出光面前端前放置一功率探测器，用于记录堆栈小单元工作时的功率。

Claims (10)

1.一种半导体激光器堆栈小单元测试、老化装置，包括基座、夹具主体、滑动压块，其中：

一基座，基座上固定有两个垂直支架，用于固定夹具主体；

一凹槽结构的夹具主体，通过其两端的伸出臂与基座上的两个支架分别连接，使凹槽开口朝向水平方向，夹具主体凹槽的上、下壁与基座平行；其中，

所述夹具主体凹槽下壁为二级台阶状，下阶面中部设有定位槽，用于放置堆栈小单元，定位槽的深度为堆栈小单元宽度的1/4-1/3；

在夹具主体凹槽下壁内部有冷却水通道，夹具主体底部有一电极接入端；

一滑动压块，位于夹具主体凹槽内定位槽的上方，用于压紧放置在定位槽内的堆栈小单元；滑动压块前表面有一电极接入端，在通电时滑动压块与夹具主体之间保持绝缘；

以上所述夹具主体和滑动压块均为导电导热材料。

2.如权利要求1所述的半导体激光器堆栈小单元测试、老化装置，其特征在于所述滑动压块上有螺钉定位孔与夹具主体凹槽上壁的螺丝孔相适配，通过塑料螺丝连接，通过调节塑料螺丝推动滑动压块上下移动，压紧位于其下方的定位槽内的堆栈小单元。

3.如权利要求1所述的半导体激光器堆栈小单元测试、老化装置，其特征在于所述滑动压块上有两个方形孔，用于夹持滑动压块，使其向上移动。

4.如权利要求1所述的半导体激光器堆栈小单元测试、老化装置，其特征在于所述定位槽一侧下阶面上有一半圆形凹槽，以防止堆栈小单元放置时滑落。

5.如权利要求1所述的半导体激光器堆栈小单元测试、老化装置，其特征在于与夹具主体接触的滑动压块背面黏贴有绝缘陶瓷薄片。

6.如权利要求1所述的半导体激光器堆栈小单元测试、老化装置，其特征在于所述夹具主体凹槽宽度d3比滑动压块宽度d5大3-5mm；夹具主体凹槽下壁台阶高度d2与定位槽深度d1之和小于堆栈小单元宽度d4，使滑动压块与凹槽下壁保持一定间隙；优选的滑动压块与凹槽下壁保持1mm间隙。

7.如权利要求1所述的半导体激光器堆栈小单元测试、老化装置，其特征在于冷却水道内流通的水为超纯水。

8.如权利要求1所述的半导体激光器堆栈小单元测试、老化装置，其特征在于滑动压块上的电极接入端为正极接入孔，夹具主体底部的电极接入端为负电极接入孔。

9.一种半导体激光器堆栈小单元老化方法，包括利用权利要求1-8任一项所述的装置，步骤如下：

（1）首先，使滑动压块上移并保持在夹具主体凹槽上壁处；

（2）然后，将堆栈小单元出光面朝外、正极朝上放置在定位槽中；

（3）松开滑动压块使其与堆栈小单元的接触；

（4）拧紧夹具主体凹槽上壁的连接滑动压块的塑料螺丝，使滑动压块的底面与堆栈小单元的正极紧固连接，以利于热量的散出；

（5）打开循环水，使冷却水道中的高纯水流动；

（6）分别连接滑动压块上与夹具主体底部的正、负电极，打开电源，缓慢增加电流至堆栈小单元的工作电流，进行老化。

10.一种半导体激光器堆栈小单元测试方法，包括利用权利要求1-8任一项所述的装置进行波长、功率测试，步骤如下：

①将堆栈小单元出光面朝外、正极朝上固定在夹具主体的定位槽中；

②打开循环水，连接好正、负电极，打开电源；

③在堆栈小单元出光面前端放置一透镜系统，将堆栈小单元中巴条慢轴方向上的光进行放大成像，通过光纤光谱仪对每个发光点进行波长测试；或者，在堆栈小单元出光面前放置一功率探测器，用于记录堆栈小单元工作时的功率。