CN110932090A - 一种激光二极管及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光二极管及其制备方法，涉及半导体技术，用于解决普通激光二极管性能可靠性弱的问题，激光二极管包括管座、安装于管座上的激光芯片、管帽、二极管，管座上开设有环形帽槽，激光芯片、二极管均位于环形帽槽的内圈区域，管帽的帽沿外翻形成有用于嵌入环形帽槽内的卷边；制备方法包括：冲裁金属圆片；将金属圆片冲压呈金属帽体；对金属帽体进行翻边；将各零部件组装成激光二极管；本发明具有以下优点和效果：管帽与管座之间用以相互配合的环形帽槽和卷边能够促进两者焊接时熔融状态焊条的流动，使焊条液能够均匀填满管帽与管座之间的缝隙，以提高管帽与管座之间的焊接气密性，从而达到提高激光二极管性能可靠性的目的。

Description

一种激光二极管及其制备方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种激光二极管及其制备方法。

背景技术

随着半导体技术的进步，光电技术也得以快速发展，目前出现的激光技术，不仅应用于家电及电视信号传播，还可应用于焊接领域。而激光二极管是激光技术发展过程中一种产品，其包括单异质结、双异质结和量子肼激光二极管。

目前，申请公布号为CN108183389A的中国发明专利公开了一种激光二极管与激光二极管封装方法，包括底座、激光芯片以及壳体，所述底座的一侧与壳体形成置物空间，所述激光芯片位于所述置物空间内。

对于激光二极管来说，影响其性能可靠性的因素主要有电路设计、封装工艺、静电、使用温度、环境湿度等因素，其中对其性能影响最大的，主要是电路设计和封装工艺，而如上所述的激光二极管，其说明书中提到在封装过程中只是简单的将激光二极管的各部件相互贴合，然后采用金锡共晶或胶水粘接或玻璃烧结的方式进行固定，但是这种固定方式可能存在漏接或漏焊的情况，从而导致激光二极管的封装气密性差。

发明内容

本发明的第一目的是提供一种激光二极管，能够提高其封装气密性，从而达到提高激光二极管性能可靠性的目的。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种激光二极管，包括管座、安装于管座上的激光芯片、管帽、二极管，所述管座上开设有环形帽槽，所述激光芯片、二极管均位于环形帽槽的内圈区域，所述管帽的帽沿外翻形成有用于嵌入环形帽槽内的卷边。

通过采用上述方案，由于卷边的存在，管帽在放入管座上的环形帽槽内后，能够与环形槽的槽底之间形成由外至内尺寸逐渐缩小的缝隙，这个缝隙作为焊缝，一方面能够有助于焊条熔化后充分流入填充，避免因缝隙太小焊条熔液还未流入就凝固的情况出现，以提高其焊接气密性；另一方面也能够增加焊料与管帽、管座之间的接触面积，以提高其焊接强度，从而使激光二极管具有更高的性能可靠性。

本发明的进一步设置为：所述环形帽槽的横截面呈圆弧形，且环形帽槽的圆弧槽底包含坡度较缓的流焊段和坡度较陡且与流焊段无缝过渡的密封段。

通过采用上述方案，由于将管帽放到管座上后管座位于环形帽槽内圈部分会嵌入管帽内，将环形帽槽的内侧槽底坡度设置得大于外侧坡度后，这样能够更好地与管帽形成套合，使得管帽在焊接的过程中不容易在管座上产生滑移，同时环形帽槽外侧坡度较缓的部分能够方便熔融后的焊条流动，从而使得管帽与管座之间能够具有更好的焊接质量。

本发明的进一步设置为：所述环形帽槽的槽底还向内凹陷形成有流焊槽，所述管帽的卷边上一体设置有嵌焊条，所述管帽安装于环形帽槽内时，嵌焊条嵌入流焊槽内，且嵌焊条背对激光芯片一侧的表面与流焊槽的内壁之间形成有供焊液流入的间隙。

通过采用上述方案，嵌焊槽和嵌焊条的配合能够增加管帽与管座之间的焊接宽度，以增强两者之间的焊接强度，并且这样设置之后能够使得管帽与底座之间的缝隙越向内延伸，其缝隙宽度越窄，因为熔融的焊条在向该缝隙内深入的过程中流动性是越来越差的，那么将该缝隙宽度设窄之后能够确保熔融的焊条能够填满该缝隙，从而更好地保证焊接气密性。

本发明的进一步设置为：所述管帽包括金属帽体、开设于金属帽体中心的激光口、嵌设于激光口内的玻璃束光珠，所述激光口上向背离二极管的一侧延伸形成有弧形箍圈，所述弧形箍圈上开设有槽深朝向背离二极管一侧延伸的烧结槽，所述玻璃束光珠通过烧结的方式与弧形箍圈相固定。

通过采用上述方案，玻璃束光珠能够对二极管发出的激光进行集中收束，使二极管发出的光束能量更加集中，弧形箍圈对玻璃束光珠形成包裹，同时烧结固定的方式也能够确保玻璃束光珠的固定强度，从而使得玻璃束光珠不容易从管帽上发生脱落。

本发明的第二目的是提供一种激光二极管的制备方法，能够提高其封装气密性，从而达到提高激光二极管性能可靠性的目的。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种激光二极管的制备方法，包括以下步骤：

S1裁片，取金属卷板先在其板面上裁切激光口，然后按照管帽的直径裁切外圆，获得金属圆片；

S2冲帽，对步骤S1中裁落的金属圆片进行冲压，使其形成帽体结构；

S3翻边，用高速转动的卷边钻头伸入金属帽体内腔，并以卷边钻头对帽沿进行挤压，使帽沿外翻形成卷边；

S4组装，先将玻璃束光珠压入激光口，然后用额外的低温玻璃在金属帽体背对卷边一侧的表面上沿激光口的周向进行烧结，并使熔化的玻璃液流入烧结槽内，随后倒转金属帽体，取嵌焊条放置到卷边上，将其与卷边焊接固定，之后依次将二极管、激光芯片安装到管座上的焊接位，随后将管帽扣合到管座上，且使二极管正对玻璃束光珠，往管座内充入惰性气体，再在惰性气体的保护下对管帽与管座进行焊接固定。

通过采用上述方案，在金属帽体背对卷边一侧的表面上烧结低温玻璃使得低温玻璃与玻璃束光珠分别位于弧形箍圈的两侧，此时低温玻璃和玻璃束光珠能够对弧形箍圈形成挤压，同时低温玻璃熔化后流入烧结槽将其填满后能够加强玻璃束光珠与金属帽体之间的气密性，并且卷边的设置也同样能够提高金属帽体与管座之间的焊接气密性，同时在惰性气体的保护下进行焊接能够减少被焊金属的氧化，以提高其焊接强度，而焊接强度好，则管帽与管座之间所形成的密封腔就不容易发生漏气现象，因此这样做能够大大提高激光二极管的性能可靠性。

本发明的进一步设置为：在进行步骤S4的组装之前，需要先对部件进行除油清洗，具体清洗方法为：首先对管帽及管座上的油脂进行乳化，然后将其挂到清洗架上浸入30～40℃的清洁剂水溶液中，并使清洗架以10～15°/s的角速度进行旋转，然后进行二次清洗。

通过采用上述方案，乳化能够提高油脂在清洁剂中的溶解度，而适当升温同样能够促进油脂的溶解，而旋转能够促进清洁剂中有效成分的流动，使得与油脂反应过后的清洁剂有效成分能够被推开，让其他未曾参与反应的清洁剂有效成分与剩余的油脂继续反应，从而有效提高油脂的清除效果。

本发明的进一步设置为：所述乳化方法为：将管帽和管座固定于置物架上后放入蒸汽室内，将蒸汽室内的气压升高至5～10个大气压，先以200～300℃的蒸汽对管帽和管座进行喷淋15～20s后关闭蒸汽供给，然后以1500r/min转速旋转置物架10～20s，待置物架静止后，继续以同样的条件对管帽和管座喷淋蒸汽，并在保温、保压的条件下重复上述步骤10～15次。

查阅相关资料后得知，高温、高压有利于油脂的水解，而水解达到一定程度，油脂会产生乳化，通过采用上述方案，升高蒸汽室内的气压能够对油脂进行加压，而高温蒸汽则能够对油脂进行水解乳化，同时高速旋转能够以类似清洁剂在水中溶解时搅拌起泡的原理来促使乳化后的油脂起泡，这样管帽和管座浸入清洁剂中后，油脂能够与清洁剂中的有效成分充分接触，从而提高油脂的溶解度。

本发明的进一步设置为：所述二次清洗的方法为：先将管座和管帽放入喷淋室，然后以低沸点有机溶剂对管帽和管座进行冲淋，冲淋完成后对其进行加热，使有机溶剂充分挥发。

用清洁剂清洗过后，管帽以及管座上可能会残留一些清洁剂，这些清洁剂会影响焊接，容易导致出现漏焊、缺焊及气眼等缺陷，通过采用上述方案，用低沸点有机溶剂能够将残留的清洁剂清理掉，同时由于该溶剂沸点较低，因此采用加热的方式就能够彻底清除，以确保管座和管帽的洁净，从而提高管座与管帽之间的焊接性能。

本发明的进一步设置为：所述有机溶剂选用三氯乙烯，且其在对管帽和管座进行冲淋时的温度为50℃。

通过采用上述方案，三氯乙烯是强力溶剂，其常温下对油脂的溶解能力是汽油的4倍，并且其沸点只有87.2℃，只要将管帽和管座加热到90℃以上就能彻底清除三氯乙烯，同时有查阅化工物料手册得知，在50℃下，三氯乙烯对油脂的溶解能力具有显著跃升，是汽油的7倍，同时该温度下三氯乙烯也不容易挥发，因此能够有效提高其对残留清洁剂的清理能力。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

1.管帽与管座之间用以相互配合的环形帽槽和卷边能够促进两者焊接时熔融状态焊条的流动，使焊条液能够均匀填满管帽与管座之间的缝隙，以提高管帽与管座之间的焊接气密性，从而达到提高激光二极管性能可靠性的目的；

2.弧形箍圈以及其上的烧结槽能够在玻璃束光珠烧结固定时供低温玻璃流入，一方面填塞玻璃束光珠与金属帽体之间的缝隙，另一方面也能加强玻璃束光珠与金属帽体之间的连接强度，使两者之间能够拥有更高的气密性，从而进一步提高激光二极管的性能可靠性；

3.对管帽和管座充分清洁能够减少杂质对两者焊接性能的影响，以提高两者之间的焊接强度，而焊接强度越高，那么气密性相应也会越好，从而再更进一步提高激光二极管的性能可靠性。

附图说明

图1是本发明激光二极管的爆炸结构示意图；

图2是本发明激光二极管的剖切视图；

图3是本发明的整体结构图。

图中：1、管座；11、环形帽槽；111、流焊段；112、密封段；12、流焊槽；2、管帽；21、金属帽体；211、卷边；212、弧形箍圈；213、烧结槽；22、激光口；23、玻璃束光珠；24、嵌焊条；3、激光芯片；4、二极管；5、低温玻璃。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

实施例1：

如图1所示，一种激光二极管4及其制备方法，激光二极管4包括管座1、激光芯片3、管帽2及二极管4。

如图2所示，管座1呈圆片状，整体采用锌铜合金制造而成，在其上开设有截面呈圆弧形的环形帽槽11。环形帽槽11横切之后由其槽底所形成的线条分两段，靠近外侧的一段坡度较缓，倾斜度为25°，命名为流焊段111；而靠近管座1中心的一段坡度较陡，倾斜度为80°，命名为密封段112，流焊段111和密封段112之间无缝过渡，且在两者的相接位置开设向内凹陷的流焊槽12。

如图1和图2所示，管帽2包括金属帽体21、激光口22、玻璃束光珠23、嵌焊条24，金属帽体21由钢制卷板冲裁制造而成；激光口22开设于金属帽体21上；玻璃束光珠23烧结固定于激光口22上；而嵌焊条24焊接固定于管帽2的帽沿经翻卷所形成的卷边211上，管帽2的具体制造过程如下：

S1裁片，首先在金属卷板的板面上裁切激光口22，激光口22的原始裁切尺寸要小于设计尺寸，然后按照管帽2的直径裁切外圆，获得金属圆片。

S2冲帽，对步骤S1中裁落的金属圆片进行冲压，使其形成金属帽体21的粗坯结构，然后将其转移到车床的主轴上，并使金属帽体21开设有激光口22部分的外表面抵触在中心带有直径大于激光口22初始尺寸的搂孔的圆环块上，然后以头部呈圆球状的成型辊从金属帽体21内腔压入激光口22内。

由于激光口22随机床主轴高速旋转，因此金属帽体21的这部分金属受到成型辊的挤压后会向环形块的内腔凹陷，并使激光口22的内径扩大到设计尺寸，进而在金属帽体21上形成弧形箍圈212，随后再在弧形箍圈212向外凸出一侧的表面上开设有与激光口22呈同心分布且深度朝向远离金属帽体21内腔一侧倾斜的烧结槽213。

S3翻边，用其中一段直径小于金属帽体21内径且另一段直径大于金属帽体21外径的阶梯状的卷边211钻头伸入金属帽体21的内腔，并确保在这个过程中卷边211钻头高速旋转，随后以卷边211钻头对金属帽体21的帽沿进行挤压，使帽沿外翻形成卷边211。

S4组装，在对上述零部件进行组装之前，需要先进行除油清洗，具体的清洗方法为：首先对金属帽体21、玻璃束光珠23、嵌焊条24及管座1上的油脂进行乳化，乳化时先将管帽2和管座1的各零部件固定于置物架上后放入蒸汽室内，将蒸汽室内的气压升高至5～10个大气压。

然后以200～300℃的蒸汽对管帽2和管座1各零部件进行喷淋15～20s后关闭蒸汽供给，然后以1500r/min转速旋转置物架10～20s，待置物架静止后，继续以同样的条件对管帽2和管座1各零部件喷淋蒸汽，并在保温、保压的条件下重复上述步骤10～15次，使管帽2及管座1部件上的油脂充分乳化。

油脂乳化之后，将各部件挂到清洗架上浸入30～40℃的市售碱性清洁剂水溶液中，并使清洗架以10～15°/s的角速度进行旋转，然后进行二次清洗。

二次清洗的具体方法为：先将管座1和管帽2放入喷淋室，然后以温度为50℃的三氯乙烯作为溶剂对管帽2和管座1的各部件进行冲淋，冲淋完成后将这些零部件加热到100℃，使有机溶剂充分挥发。

三氯乙烯的沸点只有87.2℃，因此将这些零部件加热到100℃以上后能够确保三氯乙烯的彻底清除。

清洁完成后进行组装，组装的具体过程为：先将玻璃束光珠23压入激光口22，然后用额外的低温玻璃5在金属帽体21背对卷边211一侧的表面上沿激光口22的周向进行烧结，并使熔化的玻璃液流入烧结槽213内。随后倒转金属帽体21，取截面呈三角形的嵌焊条24放置到卷边211上，将其与卷边211焊接固定，此时管帽2组装完成。

然后依次将二极管4、激光芯片3安装到管座1上焊接位上，焊接位处于环形帽槽11的内圈里，并使二极管4的中心与环形帽槽11的圆心相重合。

随后将管帽2扣合到管座1上，此时二极管4正对玻璃束光珠23，接着往管座1内充入惰性气体，再在惰性气体的保护下对管帽2与管座1进行焊接固定(最终成品见图3)。

对比例1：

管座及管帽的各零部件在组装之前不进行任何清洗，其余工艺步骤及成型条件与实施例1完全相同。

对比例2：

管座及管帽的各零部件以与实施例1相同的方法进行乳化及清洗，但不进行二次清洗，其余工艺步骤及成型条件与实施例1完全相同。

实验对比：

本发明主要针对激光二极管气密性的提高，因此实验过程测试激光二极管封装气密性即可，同时，气密性的保持度又受焊接强度的影响，因此还需要检测管帽与管座之间焊接强度，具体性能表征记录如下表。

表1封装气密性及焊接强度值记录表

根据表中数据可知，实施例1的气密性及焊接强度数值均最高，其次是对比例2的数值较高，且对比例2与实施例1的数值更加接近，这说明清洁的的确确能够提高管帽与管座之间的焊接质量，并且清洁的越彻底，焊接质量越高。

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (9)

1.一种激光二极管，包括管座(1)、安装于管座(1)上的激光芯片(3)、管帽(2)、二极管(4)，其特征在于：所述管座(1)上开设有环形帽槽(11)，所述激光芯片(3)、二极管(4)均位于环形帽槽(11)的内圈区域，所述管帽(2)的帽沿外翻形成有用于嵌入环形帽槽(11)内的卷边(211)。

2.根据权利要求1所述的一种激光二极管，其特征在于：所述环形帽槽(11)的横截面呈圆弧形，且环形帽槽(11)的圆弧槽底包含坡度较缓的流焊段(111)和坡度较陡且与流焊段(111)无缝过渡的密封段(112)。

3.根据权利要求2所述的一种激光二极管，其特征在于：所述环形帽槽(11)的槽底还向内凹陷形成有流焊槽(12)，所述管帽(2)的卷边(211)上一体设置有嵌焊条(24)，所述管帽(2)安装于环形帽槽(11)内时，嵌焊条(24)嵌入流焊槽(12)内，且嵌焊条(24)背对激光芯片(3)一侧的表面与流焊槽(12)的内壁之间形成有供焊液流入的间隙。

4.根据权利要求1所述的一种激光二极管，其特征在于：所述管帽(2)包括金属帽体(21)、开设于金属帽体(21)中心的激光口(22)、嵌设于激光口(22)内的玻璃束光珠(23)，所述激光口(22)上向背离二极管(4)的一侧延伸形成有弧形箍圈(212)，所述弧形箍圈(212)上开设有槽深朝向背离二极管(4)一侧延伸的烧结槽(213)，所述玻璃束光珠(23)通过烧结的方式与弧形箍圈(212)相固定。

5.一种激光二极管的制备方法，应用于如权利要求1至4任一所述的激光二极管，其特征在于，包括以下步骤：

S1 裁片，取金属卷板先在其板面上裁切激光口(22)，然后按照管帽(2)的直径裁切外圆，获得金属圆片；

S2 冲帽，对步骤S1中裁落的金属圆片进行冲压，使其形成帽体结构；

S3 翻边，用高速转动的卷边(211)钻头伸入金属帽体(21)内腔，并以卷边(211)钻头对帽沿进行挤压，使帽沿外翻形成卷边(211)；

S4 组装，先将玻璃束光珠(23)压入激光口(22)，然后用额外的低温玻璃(5)在金属帽体(21)背对卷边(211)一侧的表面上沿激光口(22)的周向进行烧结，并使熔化的玻璃液流入烧结槽(213)内，随后倒转金属帽体(21)，取嵌焊条(24)放置到卷边(211)上，将其与卷边(211)焊接固定，之后依次将二极管(4)、激光芯片(3)安装到管座(1)上的焊接位，随后将管帽(2)扣合到管座(1)上，且使二极管(4)正对玻璃束光珠(23)，往管座(1)内充入惰性气体，再在惰性气体的保护下对管帽(2)与管座(1)进行焊接固定。

6.根据权利要求5所述的一种激光二极管的制备方法，其特征在于：在进行步骤S4的组装之前，需要先对部件进行除油清洗，具体清洗方法为：首先对管帽(2)及管座(1)上的油脂进行乳化，然后将其挂到清洗架上浸入30~40℃的清洁剂水溶液中，并使清洗架以10~15°/s的角速度进行旋转，然后进行二次清洗。

7.根据权利要求6所述的一种激光二极管的制备方法，其特征在于：所述乳化方法为：将管帽(2)和管座(1)固定于置物架上后放入蒸汽室内，将蒸汽室内的气压升高至5~10个大气压，先以200~300℃的蒸汽对管帽(2)和管座(1)进行喷淋15~20s后关闭蒸汽供给，然后以1500r/min转速旋转置物架10~20s，待置物架静止后，继续以同样的条件对管帽(2)和管座(1)喷淋蒸汽，并在保温、保压的条件下重复上述步骤10~15次。

8.根据权利要求6所述的一种激光二极管的制备方法，其特征在于：所述二次清洗的方法为：先将管座(1)和管帽(2)放入喷淋室，然后以低沸点有机溶剂对管帽(2)和管座(1)进行冲淋，冲淋完成后对其进行加热，使有机溶剂充分挥发。

9.根据权利要求8所述的一种激光二极管的制备方法，其特征在于：所述有机溶剂选用三氯乙烯，且其在对管帽(2)和管座(1)进行冲淋时的温度为50℃。

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