CN109326951B - 一种多个半导体激光器管芯烧结夹具及其烧结方法 - Google Patents

一种多个半导体激光器管芯烧结夹具及其烧结方法 Download PDF

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Abstract

一种多个半导体激光器管芯烧结夹具及其烧结方法，该烧结夹具包括底座、固定块和重力杆，底座中设置有侧向开口槽，开口槽下底面设置有阶梯热沉的定位槽，底座在开口槽的上部对应阶梯热沉的每一个台阶面设置一个定位孔，固定块连接在底座上，每个定位孔中设置一个重力杆。烧结方法，包括步骤如下：（1）将阶梯热沉放置在底座的定位槽内并固定住；（2）将底座加热，在阶梯热沉的台阶面上放置焊料，将COS芯片放置在融化焊料上；（3）将重力杆从底座上部的定位孔插入，压在COS芯片上；（4）将底座从热炉上取下，降至室温；（5）依次取下重力块和重力杆，取下阶梯热沉，完成烧结。本发明一次烧结多个激光器处于不同高度的COS，既可以对各个热沉进行固定，防止焊料融化过程中导致的位置偏移，又保证了高度差的一致性。

Description

一种多个半导体激光器管芯烧结夹具及其烧结方法
技术领域
本发明涉及一种在阶梯热沉上烧结多个半导体激光器管芯的夹具及其烧结方法，属于半导体光电子学技术领域。
背景技术
由于半导体激光器具有体积小、重量轻、转换效率高、寿命长、波长覆盖范围广等优点，广泛应用于工业、医疗、通讯和军事等领域，逐步取代了传统气体和固体激光器。近年来，随着工业加工、医疗、激光打印等领域的发展，对高功率半导体激光器的需求也在逐年增加。
目前，由于半导体激光器材料生长和制作工艺水平的进步，单芯片功率已达近20W，但是仍然无法满足工业生产对高功率激光的需求，为了得到高功率半导体激光输出，只能通过增加芯片数量的方法来实现。目前，主要有巴条阵列封装和多管芯串联封装两种形式，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，需要低电压高电源进行驱动，在工程运用中，该电压电流组合会产生众多实际问题，另外，由于巴条阵列尺寸较大，不仅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，而且对于后期的光学整形也存在很大的难度。与之相比，单芯片封装不仅具有独立的电、热工作环境，避免了发光单元之间的热串扰，使其在寿命等方面具有很大的优势，而且，该种封装形式也便于后期对光束进行光学整形输出。
多个管芯串联封装，管芯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。我们知道焊料融化后会在绝缘热沉和热沉底板之间聚集，且焊料在融化时会有一定的流动性，会造成绝缘热沉与热沉底板之间的烧结空洞，还会使管芯出光方向一致性难以控制。所以，在进行二次烧结时，需要对COS施加一定的压力。
中国专利文献CN204680901U提出了一种半导体激光器多芯片烧结夹具，该烧结夹具包括主体、下压条、上压条、带有压柱的顶块和弹簧，所述下压条和上压条上均有分布均匀的孔，分别用于限定顶块压柱和给进螺丝，弹簧套在顶块压柱上，主体底面有激光器限位槽。该方法的不足之处是，通过给进螺丝来对COS进行加压，一是在转动给进螺丝时压柱下端容易晃动，影响COS对位方向一致性，二是无法控制下压力度的大小，影响COS高度的一致性。
CN104409964A提出了一种半导体激光器烧结夹具及其烧结方法，该夹具包括底座、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，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，使烧结过程中不移位。该方法的不足之处是COS在大热沉上处于同一平面上，当大热沉上有梯度，要求COS具有一定的高度差进行排列时，对每个COS施加的力大小不同，从而无法保证高度差一致性。
发明内容
针对现有半导体激光器烧结技术存在的不足，本发明提供一种高度差一致性好的多个半导体激光器管芯烧结夹具。本发明还提供一种利用上述夹具对半导体激光器管芯进行烧结的方法。
本发明的多个半导体激光器管芯烧结夹具，采用以下技术方案：
该烧结夹具，包括底座、固定块和重力杆，底座中设置有侧向开口槽(呈C形)，开口槽下底面设置有阶梯热沉的定位槽，底座在开口槽的上部对应阶梯热沉的每一个台阶面设置一个定位孔，固定块连接在底座上，每个定位孔中设置一个重力杆。
所述重力杆的上部(处于定位孔以上)带有夹持孔，以便用镊子等工具夹持住动重力杆。所述重力杆的上部(处于定位孔以上)设有套杆，套杆上设置有重力块(用于改变压力大小)。
所述重力杆的底部设置有压片。所述压片呈侧开口的U形。
所述固定块与底座之间设置有弹簧，该弹簧可套装在固定块与底座的连接螺栓上，通过弹簧的弹力将阶梯热沉固定在底座上，使其不发生移动。
所述定位孔的形状和所述重力杆的形状匹配，为规则的圆形、正多边形或其它任意不规则形状。
上述夹具对多个半导体激光器芯片进行梯度烧结的方法，包括步骤如下：
(1)将阶梯热沉放置在底座的定位槽内，使阶梯热沉上的每个台阶面处于一个定位孔的下方；通过固定块固定住阶梯热沉；
(2)将底座在热炉上加热，待温度升高到100-350℃后，在阶梯热沉的一个台阶面上需要固定COS芯片的位置放置焊料，待焊料融化后，将一个COS芯片放置在融化焊料上，并用镊子夹着COS芯片呈Z字形移动，使阶梯热沉和COS芯片的底面均匀浸润上焊料；
(3)调整COS芯片的位置和方向，使COS芯片前端与阶梯热沉前端平齐，然后将重力杆从底座上部的定位孔插入，使压片的下端压在COS芯片上，将重力块放置在重力杆上的套杆上；
(4)重复步骤(2)和(3)，在阶梯热沉上的每个台阶面上都放置好一个COS芯片，将底座从热炉上取下，降至室温；
(5)依次取下重力块和重力杆，取下阶梯热沉，完成烧结。
所述步骤(4)中的降温是吹氮气降温。
本发明通过底座上的定位槽可以方便的确定热沉的位置和方向，通过定位孔可以方便的确定重力杆的位置，增加对齐安装的重复效率，节约程序。通过重力杆和重力块施压COS，可以有效控制COS上压力的大小和一致性，实现对COS与阶梯热沉压合，COS受力均匀，与阶梯热沉紧密贴合，不出现翘曲，也避免了由于压力大小不同而导致的COS高度差一致性的变化，提高了烧结质量。
本发明结构合理，使用方便，可以一次烧结多个激光器处于不同高度的COS，既可以对各个热沉进行固定，防止焊料融化过程中导致的位置偏移，又可以通过施加相同的压力来保证高度差的一致性。
附图说明
图1是本发明多个半导体激光器管芯烧结夹具的结构示意图，
图中：1、底座，2、重力杆，3、夹持孔，4、套杆，5、压片，6、阶梯热沉，7、第一固定块，8、第二固定块，9、COS芯片，10、重力块，11、定位槽，12、定位孔。
具体实施方式
如图1，本发明的多个半导体激光器管芯烧结夹具，包括底座1、固定块和重力杆2。底座1为槽型的C形结构，其下底面带有定位槽11，上部设置有多个定位孔12。定位槽11用于确定阶梯热沉6位置和方向，定位孔12用于确定重力杆2的位置。定位孔12的位置与阶梯热沉6上的台阶面对应，一个定位孔12对应一个台阶面。阶梯热沉6放置在定位槽11内，并通过第一固定块7和第二固定块8固定住，使其不发生移动，两个固定块通过螺栓固定在底座1的底面，螺栓下方连有处于拉伸状态的弹簧，通过弹簧的弹力将阶梯热沉固定在底座上，使其不发生移动。
重力杆2插装在底座1上的定位孔12中，可以在定位孔12内上下滑动。重力杆2在定位孔12以上的部分上带有夹持孔3，以便于用镊子等工具夹持住动重力杆，放入定位孔中，先不落下，调整好COS前端与底座前端平齐后放下重力杆，并设有套杆4，套杆上设置有重力块10，用于改变压力大小。重力杆2在定位孔12以下的部分上设置有U形压片5，U形压片5与重力杆2连接在一起，U形压片5的两侧分别压在COS芯片9的两边，使力均匀地作用在COS芯片9上。
阶梯热沉6上分布有依次增高的台阶，每级台阶的高度相同，每个台阶面上放置一个COS芯片9，处于定位孔12中的重力杆2下端的压片5的两侧边缘与COS芯片9相接触，并压住固定COS芯片9。这样COS受力均匀，与阶梯热沉紧密贴合，不出现翘曲，提高了烧结质量。
重力杆2在定位孔12中垂直移动，不会出现晃动和扭动的现象，可以更好的保证COS的方向，通过重力杆2和重力块10实现对COS与阶梯热沉压合，也避免了由于压力大小不同而导致的COS高度差一致性的变化。
重力杆2和定位孔12相配合的定位处的截面形状可以是圆形、多边形或其它形状。
上述夹具对多个半导体激光器芯片进行梯度烧结的方法，包括步骤如下：
(1)将阶梯热沉6放置在底座1的定位槽11内，使阶梯热沉6上的每个台阶面处于一个定位孔12的下方；将第一固定块7和第二固定块8压在阶梯热沉6的两端，固定住阶梯热沉6，使其不再移动。阶梯热沉6为铜材料热沉或绝缘晶体材料热沉。
(2)将底座1放在热炉上加热，待温度升到100-350℃后，在阶梯热沉6的一个台阶面上需要固定COS芯片9的位置放置焊料，待焊料融化后，将一个COS芯片9放置在融化焊料上，并用镊子夹着COS芯片9呈Z字形移动，使阶梯热沉6和COS芯片9的底面均匀浸润上焊料。焊料为焊片或是通过蒸发的方法置于热沉上的焊料。
(3)调整COS芯片9的位置和方向使COS芯片9前端与阶梯热沉前端平齐，然后将重力杆2从底座1上部的定位孔12插入，使U形压片5的下端两侧压在COS芯片9的两边，将重力块10放置在重力杆2上的套杆4上。
(4)重复步骤(2)和(3)，在阶梯热沉6上的每个台阶面上都放置好一个COS芯片，将底座1从热炉上取下，吹氮气降温。
(5)降温完成后依次取下重力块10和重力杆2，取下阶梯热沉6，完成烧结。

Claims (8)

1.一种多个半导体激光器管芯烧结夹具，包括底座，其特征是：底座中设置有侧向开口槽，开口槽下底面设置有阶梯热沉的定位槽，底座在开口槽的上部对应阶梯热沉的每一个台阶面设置一个定位孔，固定块连接在底座上，每个定位孔中设置一个重力杆。
2.根据权利要求1所述的多个半导体激光器管芯烧结夹具，其特征是：所述重力杆的上部带有夹持孔。
3.根据权利要求1所述的多个半导体激光器管芯烧结夹具，其特征是：所述重力杆的上部设有套杆，套杆上设置有重力块。
4.根据权利要求1所述的多个半导体激光器管芯烧结夹具，其特征是：所述重力杆的底部设置有压片。
5.根据权利要求4所述的多个半导体激光器管芯烧结夹具，其特征是：所述压片呈侧开口的U形。
6.根据权利要求1所述的多个半导体激光器管芯烧结夹具，其特征是：所述固定块与底座之间设置有弹簧。
7.一种权利要求1所述多个半导体激光器管芯烧结夹具的烧结方法，其特征是：包括步骤如下：
(1)将阶梯热沉放置在底座的定位槽内，使阶梯热沉上的每个台阶面处于一个定位孔的下方；通过固定块固定住阶梯热沉；
(2)将底座在热炉上加热，待温度升高到100-350℃后，在阶梯热沉的一个台阶面上需要固定COS芯片的位置放置焊料，待焊料融化后，将一个COS芯片放置在融化焊料上，并用镊子夹着COS芯片呈Z字形移动，使阶梯热沉和COS芯片的底面均匀浸润上焊料；
(3)调整COS芯片的位置和方向，使COS芯片前端与阶梯热沉前端平齐，然后将重力杆从底座上部的定位孔插入，使设置于重力杆底部的压片的下端压在COS芯片上，将重力块放置在重力杆上的套杆上；
(4)重复步骤(2)和(3)，在阶梯热沉上的每个台阶面上都放置好一个COS芯片，将底座从热炉上取下，降至室温；
(5)依次取下重力块和重力杆，取下阶梯热沉，完成烧结。
8.根据权利要求7所述多个半导体激光器管芯烧结夹具的烧结方法，其特征是：所述步骤(4)中的降温是吹氮气降温。
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