CN111092364A - 一种大功率巴条激光器微通道封装结构及其烧结方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大功率巴条激光器微通道封装结构及其烧结方法，属于半导体激光器制造领域，该结构包括微通道热沉、绝缘膜、负极片、巴条和铜带，微通道热沉上方覆盖绝缘膜和负极片，绝缘膜为表面带粘性的绝缘材料，绝缘膜和负极片的长度均小于微通道热沉的长度，微通道热沉上未被绝缘膜覆盖的区域为微通道热沉的前端关键区域，巴条的p面与微通道热沉的前端关键区域通过第一焊料连接，巴条的n面与铜带的前端之间以及铜带的后端与负极片的前端之间均通过第二焊料连接。本发明利用铜带实现巴条与负极片的电连接，不仅使电流分布均匀，而且散热效果良好，另外，所述铜带并没有采用覆盖整个微通道热沉的尺寸，进而减小了封装应力。

Description

一种大功率巴条激光器微通道封装结构及其烧结方法

技术领域

本发明涉及一种大功率巴条激光器微通道封装结构及其烧结方法，属于半导体激光器制造领域。

背景技术

随着材料外延技术和激光器封装工艺技术的大幅提升，大功率激光二极管器件和阵列器件在国内外得到了迅速发展，成为当前激光产业应用拓展的主要方向，尤其巴条激光器正向着单巴条千瓦输出功率的级别发展，产业化的连续输出200W以上和准连续输出300W、500W的巴条已经广泛投入到实际应用中。基于巴条封装的叠阵激光器目前在工业加工、泵浦、医疗美容等应用中占比很大。

巴条激光器的封装根据冷却方式主要分为液体冷却封装和传导冷却封装，前者主要以微通道和宏通道为主，后者可分为CS系列和G-Stack等。无论什么封装形式，使用的焊料中基本以硬焊料金锡和软焊料铟为主，所以对于微通道结构来说，同样可使用这两种焊料进行巴条激光器封装。

相对于单管芯激光器而言，巴条激光器由多只单管芯组成，在横向宽度上约10mm，在封装过程中要注意减少热应力对巴条的影响，另外要保证巴条激光器散热良好，尽量保证电流的均匀性。微通道结构通常用铟焊料作为主要焊料，一是因为铟焊料热导率相对高，能保证巴条激光器良好散热；二是因为铟焊料是软焊料，具有良好的延展性，即使热膨胀系数与巴条存在很大差异，它仍然能释放封装应力避免巴条的开裂。

中国专利文献CN205212174U公开了《一种半导体激光器的封装结构》，绝缘膜和负极片采用一体式，覆铜箔的绝缘膜需要用焊料焊接在微通道热沉上，无论用焊片还是蒸镀焊料，在操作方面都较复杂；巴条与负极片之间的连接采用金线焊接，金线分别焊接在巴条n面和一体化负极片台阶处，在电流均匀性和散热方面效果不好。

中国专利文献CN105244756A公开了《一种微通道半导体激光器的烧结夹具及其烧结方法》，负极片与绝缘膜采用分立式，增加了操作的复杂性，而且焊接部位数量较多，增加了降低烧结质量的风险；并且，负极片面积覆盖了巴条n面和全部热沉，增加了热应力对巴条激光器的影响。

发明内容

本发明提供一种大功率巴条激光器微通道封装结构及其烧结方法，操作简单，不仅增加了电流均匀性和散热性，而且减少了封装应力。

本发明采用以下技术方案：

一方面，本发明提供一种大功率巴条激光器微通道封装结构，包括微通道热沉、绝缘膜、负极片、巴条和铜带，所述微通道热沉上方覆盖所述绝缘膜和负极片，所述绝缘膜为表面带粘性的绝缘材料，所述绝缘膜和负极片的长度均小于所述微通道热沉的长度，所述微通道热沉上未被绝缘膜覆盖的区域为微通道热沉的前端关键区域，所述巴条的p面与所述微通道热沉的前端关键区域通过第一焊料连接，所述巴条的n面与所述铜带的前端之间以及所述铜带的后端与所述负极片的前端之间均通过第二焊料连接。使用时，微通道热沉作为正极，通过绝缘膜与作为负极的负极片隔离，巴条与负极片之间采用铜带连接，不仅使电流分布均匀，而且散热效果良好。

优选的，所述铜带的前端两侧面缩进所述巴条的出光面，所述铜带的前端宽度小于所述巴条的宽度，铜带后端的宽度与所述负极片宽度一致。

优选的，所述负极片的前端设置有用于定位和焊接铜带的凹陷区，凹陷区的厚度小于负极片后端的厚度，凹陷区能够对铜带的摆放起到定位作用，而且凹陷区的宽度较巴条窄，在物料摆放过程中可实时监测巴条是否有移动情况，还可以避免巴条n面烧结时第二焊料下流造成短路。

优选的，所述铜带上表面低于所述负极片的上表面，因此不会影响到后期叠阵的组装。

优选的，所述微通道热沉设置有第一入水孔、第一出水孔、第一螺丝固定孔和两个第一定位孔，所述绝缘膜上设置有分别与所述微通道热沉的第一入水孔、第一出水孔、第一螺丝固定孔和第一定位孔相配合的第二入水孔、第二出水孔、第二螺丝固定孔和两个第二定位孔，所述负极片上设置有分别与所述微通道热沉的第一入水孔、第一出水孔、第一螺丝固定孔相配合第三入水孔、第三出水孔和第三螺丝固定孔，所述负极片上在与所述第一定位孔和第二定位孔对应的位置处设置有两个弧形的缺口。

优选的，所述绝缘膜的宽度与所述微通道热沉宽度一致，绝缘膜的长度短于微通道热沉；

优选的，所述负极片的长度和宽度均小于所述绝缘膜的长度和宽度，这样可避免负极片与微通道热沉的短接。

优选的，所述微通道热沉、负极片和铜带均采用表面镀金的铜材料；

优选的，所述绝缘膜采用聚酰亚胺材料。

优选的，所述第一焊料和第二焊料为同一种焊料或不同焊料。当第一焊料和第二焊料为同一种焊料时，可以选择金锡焊料、铟焊料、铟银焊料等；当第一焊料和第二焊料为不同焊料时，第二焊料的熔点优选小于第一焊料的熔点，不同的熔点，形成梯度烧结，第一焊料优选为金锡焊料(熔点约280℃)或铟焊料(熔点约156℃)，第二焊料优选为铟焊料或铟银焊料(熔点约143℃)或铟锡焊料(熔点约118℃)。

本发明的微通道热沉、绝缘膜、负极片、巴条和铜带组成的微通道巴条单元采用水冷散热方式进行散热，其散热原理为公知技术，此处不再过多陈述。

另一方面，本发明提供一种上述大功率巴条激光器微通道封装结构的烧结方法，包括：

步骤1：利用夹具将微通道热沉、绝缘膜和负极片按照对应的入水孔、出水孔、螺丝固定孔和两个定位孔摆放整齐并压紧固定，具体为第一入水口、第二入水口和第三入水口对应，第一出水口、第二出水口和第三出水口对应，第一螺丝固定孔、第二螺丝固定孔和第三螺丝固定孔对应，第一定位孔、第二定位孔和弧形的缺口对应，放在加热台上加热至能够使绝缘膜产生粘性，使微通道热沉、绝缘膜和负极片粘结在一起；

步骤2：将巴条通过第一焊料焊接于微通道热沉前端的关键区域，并放置于烧结设备中烧结，此烧结过程可使用夹具在真空回流焊接设备中实现，或不使用夹具利用自动烧结设备实现；

步骤3：将铜带的前端和后端分别放置于巴条的n面和负极片的凹陷区，接触面放置第二焊料，所述铜带的前端两侧面缩进所述巴条的出光面，利用夹具紧固，其中，第二焊料的熔点低于第一焊料；

步骤4：将整个封装结构放置于真空回流焊接设备里面，按照传统方法载入设置好的烧结曲线进行二次烧结；该步骤为二次烧结，所以选择焊料时，第二焊料相对第一焊料的熔点较低。

再一方面，本发明还提供一种上述大功率巴条激光器微通道封装结构的烧结方法，包括：

步骤1’：将微通道热沉、绝缘膜和负极片按照对应的入水孔、出水孔、螺丝固定孔和两个定位孔摆放整齐并压紧固定，对应规则如上述步骤1所示，此处不再赘述，放在加热台上加热至能够使绝缘膜产生粘性，使微通道热沉、绝缘膜和负极片粘结在一起；

步骤2’：将巴条放置于微通道热沉前端的关键区域，接触面放置第一焊料，将铜带的前端和后端分别放置于巴条的n面和负极片的凹陷区，接触面放置第二焊料，所述铜带的前端两侧面缩进所述巴条的出光面，其中，第一焊料和第二焊料为同一焊料，可以为金锡焊料、铟焊料、铟银焊料中的一种；

步骤3’：将整个封装结构放置于真空回流焊接设备里面，按照传统方法载入设置好的烧结曲线进行烧结。

上述步骤1和步骤1’中，绝缘膜可以采用聚酰亚胺材料，其表面上有带粘性的胶，在250-350℃温度下加热1-3min，优选为在300℃温度下加热1min，使绝缘膜产生的胶产生粘性/粘性增大将微通道热沉和负极片粘结在一起。

优选的，所述步骤1和步骤1’中，微通道热沉、绝缘膜和负极片的定位要准确无偏差，以免造成激光器单元的正负极短路或水冷散热漏水。

本发明的有益效果为：

1)本发明的大功率巴条激光器微通道封装结构中，微通道热沉、绝缘膜和负极片组成的小单元是在高温下粘结而成，可利用自动烧结设备与巴条进行焊接实现梯度烧结，不仅能够避免利用夹具在手动摆放过程中造成的位置偏差，而且也不会出现夹具烧结产生的损坏巴条腔面的情况。自动烧结设备相对于夹具烧结具有效率高、精度高的特点，可有效提高生产效率。

2)本发明的负极片的前端设置有凹陷区，能够对铜带的摆放起到定位作用，而且凹陷区的宽度较巴条窄，在物料摆放过程中可实时监测巴条是否有移动情况，还可以避免巴条n面烧结时焊料下流造成短路。

3)本发明的大功率巴条激光器微通道封装结构中，利用铜带结构代替焊线工艺连接巴条n面和负极片前端，提高了电流均匀性，在散热方面也得到了改进。

4)本发明的大功率巴条激光器微通道封装结构中，并不是采用覆盖整个微通道热沉尺寸的铜带结构，而仅仅是原来焊线的小部分区域用铜带替换，相对于整个微通道热沉覆盖的铜带来说，减小了封装应力对巴条的影响，而且简化了操作的复杂性。

附图说明

图1为本发明的大功率巴条激光器微通道封装结构的整体结构示意图；

图2为图1中微通道热沉的结构示意图；

图3为图1中绝缘膜的结构示意图；

图4为图1中负极片的结构示意图；

图5为图1中铜带的结构示意图；

其中：1-微通道热沉，101-第一入水孔，102-第一出水孔，103-第一螺丝固定孔，104-第一定位孔，105-微通道热沉的前端关键区域，2-绝缘膜，201-第二入水孔，202-第二出水孔，203-第二螺丝固定孔，204-第二定位孔，3-负极片，301-第三入水孔，302-第三出水孔，303-第三螺丝固定孔，304-弧形的缺口，305-凹陷区，4-巴条，5-铜带。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述，但不仅限于此，本发明未详尽说明的，均按本领域常规技术。

实施例1：

如图1-5所示，一种大功率巴条激光器微通道封装结构，包括微通道热沉1、绝缘膜2、负极片3、巴条4和铜带5，微通道热沉1上方覆盖绝缘膜2和负极片3，绝缘膜2为表面带粘性的聚酰亚胺材料，绝缘膜2和负极片3的长度均小于微通道热沉1的长度，微通道热沉1上未被绝缘膜覆盖的区域为微通道热沉的前端关键区域105，巴条4的p面与微通道热沉的前端关键区域105通过第一焊料连接，巴条4的n面与铜带5的前端之间以及铜带5的后端与负极片3的前端之间均通过第二焊料连接，微通道热沉1、负极片3和铜带5均采用表面镀金的铜材料；使用时，微通道热沉1作为正极，通过绝缘膜2与作为负极的负极片3隔离，巴条4与负极片3之间采用铜带连接，不仅使电流分布均匀，而且散热效果良好。

值得注意的是，本发明中所提到的“前端”、“后端”等方向可参见图1，箭头所指方向为前，反之为后。

实施例2：

一种大功率巴条激光器微通道封装结构，结构如实施例1所示，所不同的是，铜带5的前端两侧面缩进巴条4的出光面，铜带5的前端宽度小于巴条4的宽度，铜带5后端的宽度与负极片3宽度一致；

负极片3的前端设置有用于定位和焊接铜带的凹陷区305，凹陷区305的厚度小于负极片后端的厚度，凹陷区能够对铜带的摆放起到定位作用，而且凹陷区的宽度较巴条窄，在物料摆放过程中可实时监测巴条是否有移动情况，还可以避免巴条n面烧结时第二焊料下流造成短路。

实施例3：

一种大功率巴条激光器微通道封装结构，结构如实施例1所示，所不同的是，焊接完成后，铜带5上表面低于负极片4的上表面，不会影响到后期叠阵的组装。

实施例4：

一种大功率巴条激光器微通道封装结构，结构如实施例1所示，所不同的是，如图2所示，微通道热沉1设置有第一入水孔101、第一出水孔102、第一螺丝固定孔103和两个第一定位孔104，如图3所示，绝缘膜2上设置有分别与微通道热沉1的第一入水孔101、第一出水孔102、第一螺丝固定孔103和第一定位孔104相配合的第二入水孔201、第二出水孔202、第二螺丝固定孔203和两个第二定位孔204，如图4所示，负极片3上设置有分别与微通道热沉的第一入水孔101、第一出水孔102、第一螺丝固定孔103相配合第三入水孔301、第三出水孔302和第三螺丝固定孔303，负极片3上在与第一定位孔104和第二定位孔204对应的位置处设置有两个弧形的缺口304。

实施例5：

一种大功率巴条激光器微通道封装结构，结构如实施例1所示，所不同的是，绝缘膜2的宽度与微通道热沉1宽度一致，绝缘膜2的长度短于微通道热沉1；负极片3的长度和宽度均小于绝缘膜2的长度和宽度，这样可避免负极片3与微通道热沉1的短接。

实施例6：

一种大功率巴条激光器微通道封装结构，结构如实施例1所示，所不同的是，第一焊料和第二焊料均为铟焊料。

实施例7：

一种大功率巴条激光器微通道封装结构，结构如实施例1所示，所不同的是，第一焊料为第一焊料为金锡焊料，第二焊料为铟锡焊料。

实施例8：

一种大功率巴条激光器微通道封装结构的烧结方法，包括：

步骤1：利用夹具将微通道热沉1、绝缘膜2和负极片3按照对应的入水孔、出水孔、螺丝固定孔和两个定位孔摆放整齐并压紧固定，放在加热台上在300℃温度下加热1min，使绝缘膜2产生粘性，使微通道热沉1、绝缘膜2和负极片3粘结在一起；

步骤2：将巴条4通过第一焊料焊接于微通道热沉前端的关键区域105，并放置于烧结设备中烧结，此烧结过程利用自动烧结设备实现；

步骤3：将铜带5的前端和后端分别放置于巴4条的n面和负极片3的凹陷区305，接触面放置第二焊料，铜带5的前端两侧面缩进巴条4的出光面，利用夹具紧固，其中，第二焊料的熔点低于第一焊料的熔点；

步骤4：将整个封装结构放置于真空回流焊接设备里面，按照传统方法载入设置好的烧结曲线进行二次烧结，该步骤为二次烧结，所以选择焊料时，第二焊料相对第一焊料的熔点较低。

实施例9：

一种大功率巴条激光器微通道封装结构的烧结方法，步骤如实施例8所示，所不同的是，步骤2中第一焊料为金锡焊料，其熔点约为280℃，步骤3中，第二焊料为铟银焊料，其熔点约为143℃。

实施例10：

一种大功率巴条激光器微通道封装结构的烧结方法，步骤如实施例8所示，所不同的是，步骤2中第一焊料为铟焊料，其熔点约为156℃，步骤3中，第二焊料为铟锡焊料，其熔点约为118℃。

实施例11：

一种大功率巴条激光器微通道封装结构的烧结方法，包括：

步骤1’：将微通道热沉1、绝缘膜2和负极片3按照对应的入水孔、出水孔、螺丝固定孔和两个定位孔摆放整齐并压紧固定，放在加热台上在300℃温度下加热1min，使绝缘膜产生粘性，使微通道热沉1、绝缘膜2和负极片3粘结在一起；

步骤2’：将巴条4放置于微通道热沉前端的关键区域105，接触面放置铟银焊料，将铜带5的前端和后端分别放置于巴条4的n面和负极片3的凹陷区，接触面也放置铟银焊料，铜带5的前端两侧面缩进巴条4的出光面；

步骤3’：将整个封装结构放置于真空回流焊接设备里面，按照传统方法载入设置好的烧结曲线进行烧结。

本实施例无需两种不同熔点的焊料，无需梯度烧结，采用同一种焊料即可实现巴条、铜带和负极片的一次烧结，简化了操作步骤。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种大功率巴条激光器微通道封装结构，其特征在于，包括微通道热沉、绝缘膜、负极片、巴条和铜带，所述微通道热沉上方覆盖所述绝缘膜和负极片，所述绝缘膜为表面带粘性的绝缘材料，所述绝缘膜和负极片的长度均小于所述微通道热沉的长度，所述微通道热沉上未被绝缘膜覆盖的区域为微通道热沉的前端关键区域，所述巴条的p面与所述前端关键区域通过第一焊料连接，所述巴条的n面与所述铜带的前端之间以及所述铜带的后端与所述负极片的前端之间均通过第二焊料连接。

2.根据权利要求1所述的大功率巴条激光器微通道封装结构，其特征在于，所述铜带的前端两侧面缩进所述巴条的出光面，所述铜带的前端宽度小于所述巴条的宽度，所述铜带的后端的宽度与所述负极片宽度一致。

3.根据权利要求1所述的大功率巴条激光器微通道封装结构，其特征在于，所述负极片的前端设置有用于定位和焊接铜带的凹陷区，凹陷区的厚度小于负极片后端的厚度。

4.根据权利要求1所述的大功率巴条激光器微通道封装结构，其特征在于，所述铜带上表面低于所述负极片的上表面。

5.根据权利要求1所述的大功率巴条激光器微通道封装结构，其特征在于，所述微通道热沉设置有第一入水孔、第一出水孔、第一螺丝固定孔和两个第一定位孔，所述绝缘膜上设置有分别与所述微通道热沉的第一入水孔、第一出水孔、第一螺丝固定孔和第一定位孔相配合的第二入水孔、第二出水孔、第二螺丝固定孔和两个第二定位孔，所述负极片上设置有分别与所述微通道热沉的第一入水孔、第一出水孔、第一螺丝固定孔相配合第三入水孔、第三出水孔和第三螺丝固定孔，所述负极片上在与所述第一定位孔和第二定位孔对应的位置处设置有两个弧形的缺口。

6.根据权利要求1所述的大功率巴条激光器微通道封装结构，其特征在于，所述绝缘膜的宽度与所述微通道热沉宽度一致，所述绝缘膜的长度短于微通道热沉；

优选的，所述负极片的长度和宽度均小于所述绝缘膜的长度和宽度。

7.根据权利要求1所述的大功率巴条激光器微通道封装结构，其特征在于，所述微通道热沉、负极片和铜带均采用表面镀金的铜材料；

优选的，所述绝缘膜采用聚酰亚胺材料。

8.根据权利要求1所述的大功率巴条激光器微通道封装结构，其特征在于，所述第一焊料和第二焊料为同一种焊料或不同焊料。

9.一种权利要求1-7任意一项所述的大功率巴条激光器微通道封装结构的烧结方法，其特征在于，包括：

步骤1：将微通道热沉、绝缘膜和负极片按照对应的入水孔、出水孔、螺丝固定孔和两个定位孔摆放整齐并压紧固定，放在加热台上加热至能够使绝缘膜产生粘性，使微通道热沉、绝缘膜和负极片粘结在一起；

步骤2：将巴条通过第一焊料焊接于微通道热沉前端的关键区域，并放置于烧结设备中烧结；

步骤3：将铜带的前端和后端分别放置于巴条的n面和负极片的凹陷区，接触面放置第二焊料，所述铜带的前端两侧面缩进所述巴条的出光面，利用夹具紧固，其中，第二焊料的熔点低于第一焊料；

步骤4：将整个封装结构放置于真空回流焊接设备里面进行二次烧结。

10.一种权利要求1-7任意一项所述的大功率巴条激光器微通道封装结构的烧结方法，其特征在于，包括：

步骤1’：将微通道热沉、绝缘膜和负极片按照对应的入水孔、出水孔、螺丝固定孔和两个定位孔摆放整齐并压紧固定，放在加热台上加热至能够使绝缘膜产生粘性，使微通道热沉、绝缘膜和负极片粘结在一起；

步骤2’：将巴条放置于微通道热沉前端的关键区域，接触面放置第一焊料，将铜带的前端和后端分别放置于巴条的n面和负极片的凹陷区，接触面放置第二焊料，所述铜带的前端两侧面缩进所述巴条的出光面，其中，第一焊料和第二焊料为同一焊料；

步骤3’：将整个封装结构放置于真空回流焊接设备里面进行烧结。

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