CN106238849B - 一种激光板条和热沉双面接合的焊接方法 - Google Patents

一种激光板条和热沉双面接合的焊接方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种激光板条和热沉双面接合的焊接方法，该方法包括形成焊接体的步骤和焊接步骤，其中，形成焊接体的步骤包括：将薄片分别贴放在上热沉下表面和下热沉上表面镀铟层边缘的表面上，在焊接架上自下而上依次放置下热沉、铟柱、激光板条、铟柱、和上热沉组成焊接体；其中，所述薄片的厚度小于镀铟层的厚度；焊接步骤包括：将焊接体放入真空焊接炉中，对真空焊接炉抽真空，升温至预设焊接温度后保持一定时间，冷却至室温。借助于本发明的技术方案，解决了现有技术中激光板条与热沉之间的铟层厚度不均匀及焊接铟层中出现大孔洞的问题。

Description

一种激光板条和热沉双面接合的焊接方法
技术领域
本发明涉及增益介质模块封装工艺，特别涉及一种激光板条和热沉双面接合的焊接方法。
背景技术
高功率固体激光器在军事、医疗、科研、工业加工等领域具有广泛的应用，为了获得高功率、高质量的激光输出，在固体激光器工作过程中必须对激光介质进行散热。传统的固体激光器采用棒状激光介质，由于冷却过程中工作介质在径向存在较大的温度梯度，由此带来了严重的热透镜效应，导致激光器输出功率和光束质量下降，严重地还会造成激光介质的破坏。板条结构激光介质可以让光束在激光晶体内呈“之”形传输，泵浦和冷却结构设计可以保证激光介质板条只有一维热流，热效被之字形光路补偿，大大提高固体激光器的平均输出功率，改善光束质量。
固体激光器的激光板条封装一般采用铟、金锡合金等软焊料实现。传统的铟焊接工艺，在热焊过程中，一方面，当焊料熔化时，由于重力作用，上热沉快速下压到激光板条上表面，将熔融的铟焊料无规律地从激光板条和热沉之间流出，使焊接层的铟厚度不均匀，致使固体激光板条模块散热不均匀，还使得铟层达不到期望厚度，削弱了激光模块动态工作时的应力缓冲能力；另一方面，热沉上的铟层与板条之间部分接触，铟层与板条之间包围的空气无法排出去，铟层熔化后，当熔融的铟冷却后，空气留在焊接层形成了孔洞，导致固体激光板条模块散热不均匀，严重影响固体激光板条模块的光束质量。这两种情况对于大尺寸(≥100mm2)的晶体板条和热沉的双面焊接更为明显。
发明内容
为了解决现有技术中激光板条与热沉之间的铟层厚度不均匀及焊接铟层中出现大孔洞(直径＞1mm)的问题，本发明提供了一种激光板条和热沉双面接合的焊接方法及装置。
本发明提供了一种激光板条和热沉双面接合的焊接方法，包括形成焊接体的步骤和焊接步骤：
形成焊接体的步骤包括：将薄片分别贴放在上热沉下表面和下热沉上表面镀铟层边缘的表面上，在焊接架上自下而上依次放置下热沉、铟柱、激光板条、铟柱和上热沉组成焊接体或者；其中，所述薄片的厚度小于镀铟层的厚度；
焊接步骤包括：将焊接体放入真空焊接炉中，对真空焊接炉抽真空，升温至预设焊接温度后保持一定时间，冷却至室温。
本发明有益效果如下：
通过在镀铟层边缘的热沉表面贴放薄片、以及在热沉和激光板条之间放置铟柱，解决了现有技术中激光板条与热沉之间的铟层厚度不均匀及焊接铟层中出现大孔洞(直径＞1mm)的问题，不仅能够使焊接后的激光板条和热沉之间具有均匀的铟层厚度，还能够大大减少激光板条和热沉之间大尺寸孔洞的产生，提高了固体激光模块的散热效果，从而提高了激光模块的光束质量。本发明成本低、易于操作及实现。
附图说明
图1是本发明方法实施例的激光板条和热沉双面接合的焊接方法的流程图；
图2为本发明方法实施例焊接体的结构示意图；
图中，1、2、3、4均为侧板，5为上热沉，6、8均为镀铟层，7为激光板条，9为下热沉，10为底板，11、12均为铟柱，13、14、15、16均为螺钉。
具体实施方式
为了解决现有技术中激光板条与热沉之间的铟层厚度不均匀及焊接铟层中出现大孔洞(直径＞1mm)的问题，本发明提供了一种激光板条和热沉双面接合的焊接方法及装置，以下结合附图以及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不限定本发明。
根据本发明的方法实施例，提供了一种激光板条和热沉双面接合的焊接方法，图1是本发明方法实施例的激光板条和热沉双面接合的焊接方法的流程图，如图1所示，根据本发明方法实施例的激光板条和热沉双面接合的焊接方法包括包括形成焊接体的步骤S101和焊接步骤S102：
具体的，形成焊接体的步骤S101包括：将薄片分别贴放在上热沉下表面和下热沉上表面镀铟层边缘的表面上，在焊接架上自下而上依次放置下热沉、铟柱、激光板条、铟柱、和上热沉组成焊接体或者；其中，所述薄片的厚度小于镀铟层的厚度。图2为本发明方法实施例焊接体的结构示意图。
作为形成焊接体的步骤的替代技术方案，形成焊接体的步骤还可以包括：将薄片分别贴放在上热沉下表面和下热沉上表面镀铟层边缘的表面上，自下而上依次放置下热沉、铟柱、激光板条、铟柱、和上热沉组成板体组合，将所述板体组合放入焊接架上组成焊接体，其中，所述薄片的厚度小于镀铟层的厚度。
具体的，所述薄片的厚度为15～100μm，选取镍薄片、铜薄片、铝合金薄片中的一种。
所述铟柱的高度为25～200μm，在下热沉的上表面与激光板条之间、上热沉的下表面与激光板条之间至少使用3个铟柱，这样可以形成一个稳定的平面，避免激光板条在焊接过程中滑动。
所述焊接架采用紫铜、铝合金等材料，焊接架主要由1个底板和8个侧板组成，通过螺钉将底板和侧板固定。
焊接步骤S102包括：将焊接体放入真空焊接炉中，对真空焊接炉抽真空，升温至预设焊接温度后保持一定时间，冷却至室温。
具体的，焊接前对真空焊接炉抽真空至6×10-3～8×10-4Pa；所述预设焊接温度为180℃～280℃，所述一定时间为5～10分钟。
更加具体的，在形成焊接体的步骤S101之前还包括以下步骤：
在激光板条表面镀上光学膜和金属膜；
在上热沉的下表面和下热沉的上表面镀金后，表面通过蒸镀得到镀铟层，所述镀铟层的表面积小于所述激光板条的表面积。
具体的，所述激光板条选取Nd:YAG晶体板条、Yb:YAG晶体板条、Nd:YVO4晶体板条、Nd:GdVO4晶体板条、Nd:YLF晶体板条、Yb:YLF晶体板条或YAG激光陶瓷板条中的一种。激光板条的尺寸为：厚度1～3mm，宽度5～50mm，长度10～200mm，激光板条与热沉相对的表面需要达到以下要求：清洁度≤0.1mg/cm2，平面度≤0.5λ，λ＝632.8nm，光洁度≤40/20。
具体的，所述光学膜为厚度为二氧化硅膜，厚度为2～5μm；所述金属膜为钛铂金膜，更加具体的，包括依次铺设的钛膜、铂膜和金膜，其中钛膜厚度为100～300nm，铂膜厚度为100～500nm，金膜厚度为300～800nm。
具体的，选择内部具有微通道水冷结构的紫铜热沉作为上热沉和下热沉，其表面金膜厚度为300～800nm。激光板条与热沉相对的表面(即上热沉的下表面和下热沉的上表面)需要达到以下要求：清洁度≤0.1mg/cm2，平面度≤0.5λ，λ＝632.8nm，光洁度≤40/20。所述镀铟层的厚度为20～150μm，面积略小于激光板条尺寸。
为了更加详细的说明本发明的方法实施例，给出实例1～实例4。
实例1
实例1中激光板条和热沉双面接合的焊接方法包括以下步骤：
(1)在激光板条表面镀上光学膜和金属膜，所述激光板条为Nd:YAG晶体板条，尺寸为3mm×40mm×140mm，在Nd:YAG晶体板条上依次镀上4μm二氧化硅膜、300nm的钛膜，200nm的铂膜，800nm的金膜；
(2)选择内部具有微通道水冷结构的紫铜热沉作为上热沉和下热沉，在上热沉的下表面和下热沉的上表面镀500nm金后，表面通过蒸镀得到厚度为120μm、面积为38mm×120mm的镀铟层；
(3)将厚度为80μm的铝合金薄片贴放在镀铟层边缘的热沉表面上，所述薄片的厚度小于镀铟层的厚度；自下而上依次放置下热沉、3个高为120μm铟柱、Nd:YAG晶体板条、3个高为120μm铟柱、和上热沉，将所述上热沉和下热沉放入焊接架中，组成焊接体；
(4)将焊接体放入真空焊接炉中，将真空焊接炉抽真空至8×10-4Pa，焊接温度为270℃，并保温8分钟后，关掉加热电源，真空状态下冷却至室温，焊接过程结束。
实例2
实例2中激光板条和热沉双面接合的焊接方法包括以下步骤：
(1)在激光板条表面镀上光学膜和金属膜，所述激光板条为Yb:YAG晶体板条，尺寸为1.3mm×10mm×50mm，在Yb:YAG晶体板条上依次镀上3μm二氧化硅膜、100nm的钛膜，200nm的铂膜，500nm的金膜；
(2)选择内部具有微通道水冷结构的紫铜热沉作为上热沉和下热沉，在上热沉的下表面和下热沉的上表面镀500nm金后，表面通过蒸镀得到厚度为100μm、面积为9mm×46mm的镀铟层；
(3)将厚度为60μm的镍薄片贴放在镀铟层边缘的热沉表面上，所述薄片的厚度小于镀铟层的厚度；自下而上依次放置下热沉、3个高为120μm铟柱、Yb:YAG晶体板条、3个高为120μm铟柱、和上热沉，将所述上热沉和下热沉放入焊接架中，组成焊接体；
(4)将焊接体放入真空焊接炉中，将真空焊接炉抽真空至3×10-4Pa，焊接温度为220℃，并保温5分钟后，关掉加热电源，真空状态下冷却至室温，焊接过程结束。
实例3
实例3中激光板条和热沉双面接合的焊接方法包括以下步骤：
(1)在激光板条表面镀上光学膜和金属膜，所述激光板条为Nd:YVO4晶体板条，尺寸为1mm×10mm×14mm，在Nd:YVO4晶体板条上依次镀上2μm二氧化硅膜、100nm的钛膜，100nm的铂膜(改为定值)，400nm的金膜；
(2)选择内部具有微通道水冷结构的紫铜热沉作为上热沉和下热沉，在上热沉的下表面和下热沉的上表面镀400nm金后，表面通过蒸镀得到厚度为80μm、面积为9mm×12mm的镀铟层；
(3)将厚度为50μm的镍薄片贴放在镀铟层边缘的热沉表面上，所述薄片的厚度小于镀铟层的厚度；自下而上依次放置下热沉、3个高为120μm铟柱、Nd:YVO4晶体板条、3个高为120μm铟柱、和上热沉，将所述上热沉和下热沉放入焊接架中，组成焊接体；
(4)将焊接体放入真空焊接炉中，将真空焊接炉抽真空至5×10-4Pa，焊接温度为190℃，并保温5分钟后，关掉加热电源，真空状态下冷却至室温，焊接过程结束。
实例4
实例4中激光板条和热沉双面接合的焊接方法包括以下步骤：
(1)在激光板条表面镀上光学膜和金属膜，所述激光板条为YAG激光陶瓷板条，尺寸为2mm×15mm×80mm，在YAG激光陶瓷板条上依次镀上5μm二氧化硅膜、200nm的钛膜，300nm的铂膜(改为定值)，500nm的金膜；
(2)选择内部具有微通道水冷结构的紫铜热沉作为上热沉和下热沉，在上热沉的下表面和下热沉的上表面镀500nm金后，表面通过蒸镀得到厚度为120μm、面积为14mm×76mm的镀铟层；
(3)将厚度为80μm的铜薄片贴放在镀铟层边缘的热沉表面上，所述薄片的厚度小于镀铟层的厚度；自下而上依次放置下热沉、3个高为120μm铟柱、YAG激光陶瓷板条、3个高为120μm铟柱、和上热沉，将所述上热沉和下热沉放入焊接架中，组成焊接体；
(4)将焊接体放入真空焊接炉中，将真空焊接炉抽真空至9×10-4Pa，焊接温度为250℃，并保温5分钟后，关掉加热电源，真空状态下冷却至室温，焊接过程结束。
在实例1～实例4中，实例3的效果最好。
本发明方法实施例通过在镀铟层边缘的热沉表面贴放薄片、以及在热沉和激光板条之间放置铟柱，解决了现有技术中激光板条与热沉之间的铟层厚度不均匀及焊接铟层中出现大孔洞(直径＞1mm)的问题，不仅能够使焊接后的激光板条和热沉之间具有均匀的铟层厚度，还能够大大减少激光板条和热沉之间大尺寸孔洞的产生，提高了固体激光模块的散热效果，从而提高了激光模块的光束质量。本发明成本低、易于操作及实现。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种激光板条和热沉双面接合的焊接方法，其特征在于，包括形成焊接体的步骤和焊接步骤：
形成焊接体的步骤包括：将薄片分别贴放在上热沉下表面和下热沉上表面镀铟层边缘的表面上，在焊接架上自下而上依次放置下热沉、铟柱、激光板条、铟柱、和上热沉组成焊接体；其中，所述薄片的厚度小于镀铟层的厚度；
焊接步骤包括：将焊接体放入真空焊接炉中，对真空焊接炉抽真空，升温至预设焊接温度后保持一定时间，冷却至室温；
所述薄片选取镍薄片、铜薄片、铝合金薄片中的一种。
2.如权利要求1所述的焊接方法，其特征在于，在形成焊接体的步骤之前还包括以下步骤：
在激光板条表面镀上光学膜和金属膜；
在上热沉的下表面和下热沉的上表面镀金后，表面通过蒸镀得到镀铟层，所述镀铟层的表面积小于所述激光板条的表面积。
3.如权利要求1～2任一项所述的焊接方法，其特征在于，所述激光板条选取Nd:YAG晶体板条、Yb:YAG晶体板条、Nd:YVO4晶体板条、Nd:GdVO4晶体板条、Nd:YLF晶体板条、Yb:YLF晶体板条或YAG激光陶瓷板条中的一种。
4.如权利要求2所述的焊接方法，其特征在于，所述光学膜为二氧化硅膜；所述金属膜为钛铂金膜。
5.如权利要求3所述的焊接方法，其特征在于，所述镀铟层厚度为20～150μm。
6.如权利要求1～2任一项所述的焊接方法，其特征在于，所述薄片的厚度为15～100μm。
7.如权利要求1～2任一项所述的焊接方法，其特征在于，所述铟柱的高度为25～200μm，在下热沉的上表面与激光板条之间、上热沉的下表面与激光板条之间至少使用3个铟柱。
8.如权利要求1～2任一项所述的焊接方法，其特征在于，所述预设焊接温度为180℃～280℃，所述一定时间为5～10分钟。
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