CN111313225B - 一种半导体激光器贴片装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种半导体激光器贴片装置及方法，该装置包括具有一密封腔室的贴片容器、设于密封腔室底部的加热贴片座、与密封腔室连接的气氛调控机构以及穿设于贴片容器上的操纵机构，气氛调控机构包括抽取真空的抽气组件以及充入惰性气体的充气组件，操纵机构通过柔性元件与贴片容器密封且活动连接，操纵机构的一端上设有吸附部件，吸附部件置于密封腔室内。本发明通过设置密封腔室，并设置能够在外对密封腔室内进行贴片操作的操纵机构，并设置用于营造真空贴片环境的抽气组件，以方便快捷的实现真空贴片，避免半导体激光器与热沉之间产生焊料空洞，此外还设置向密封腔室内充入惰性气体的充气组件，使贴片后能够快速冷却，提高贴片效率。

Description

一种半导体激光器贴片装置及方法

技术领域

本发明涉及半导体激光器技术领域，特别涉及一种半导体激光器贴片装置及方法。

背景技术

半导体激光器（芯片）广泛应用于通讯、加工、医学、科研、传感等领域，具有体积小、效率高、重量轻、寿命长、工艺兼容性好等诸多优点，近年来发展尤为迅速，从而极大地促进了信息、测量、医疗、娱乐等相关产业的发展。

由于半导体激光器应用需求的特殊性，绝大多数半导体激光器都必须经过贴片封装工艺方能投入下游应用端生产，受制于封装技术的限制，半导体激光器贴片过程中面临的最严重问题是芯片与热沉间存在的焊料空洞。由于空洞中往往存在被压缩的残余气体，此类气体热导率较焊料金属低，在激光器工作过程中阻碍废热传导。为解决上述问题，必须有针对的设计一种从根本上解决焊接空洞的贴片装置及相应的工艺方法。

发明内容

基于此，本发明的目的是提供一种半导体激光器贴片装置及方法，以解决现有技术当中半导体激光器与热沉之间存在焊料空洞的技术问题。

本发明实施例提供一种半导体激光器贴片装置，包括具有一密封腔室的贴片容器、设置于所述密封腔室底部的加热贴片座、与所述密封腔室连接的气氛调控机构、以及穿设于所述贴片容器上用于进行贴片操作的操纵机构，所述气氛调控机构包括抽取真空的抽气组件、以及充入惰性气体的充气组件，所述操纵机构通过柔性元件与所述贴片容器密封且活动连接，所述操纵机构的一端上设有吸附部件，所述吸附部件置于所述密封腔室内。

进一步地，所述操纵机构包括操纵杆，所述操纵杆的内部设有气道，所述操纵杆一端连接所述吸附部件，另一端连接所述抽气组件，所述吸附部件通过所述气道连接所述抽气组件。

进一步地，所述操纵机构还包括一操作按钮，所述操作按钮控制所述抽气组件与所述吸附部件之间抽气的通断。

进一步地，所述操纵杆上设有按键孔，所述操作按钮安装于所述按键孔中，所述气道包括第一气道、第二气道和第三气道，所述第三气道与外界相通，所述第一气道与所述吸附部件相通，所述第二气道与所述抽气组件相通，所述操作按钮上设有连通孔，当所述操作按钮未按下时，所述第一气道通过所述连通孔连通所述第三气道，当所述操作按钮按下时，所述第一气道通过所述连通孔连通所述第二气道。

进一步地，所述操作按钮的底部与所述按键孔的底部之间连接有复位弹簧。

进一步地，所述柔性元件为一弹性套，所述贴片容器上设有一通孔，所述操纵机构经所述通孔穿入所述密封腔室中，所述弹性套一端与所述操纵机构密封连接，另一端与所述贴片容器密封连接并遮盖所述通孔。

进一步地，所述抽气组件包括真空泵、连接所述真空泵和所述密封腔室的抽气管、以及卡设于所述抽气管上的第一阀门，所述充气组件包括存储有所述惰性气体的压缩气瓶、连接所述压缩气瓶和所述密封腔室的充气管、以及卡设于所述充气管上的第二阀门，所述抽气管和/或所述充气管上设置有测量所述密封腔室内的压力的气压测量器件。

进一步地，所述贴片容器至少具有一透明部位。

进一步地，所述半导体激光器贴片装置还包括与所述透明部位相对设置的显微镜、与所述显微镜连接的CCD摄像头、以及与所述CCD摄像头连接的显示器。

本发明实施例另一方面还提出一种半导体激光器贴片方法，其采用上述的半导体激光器贴片装置进行贴片，所述方法包括如下步骤：

利用抽气组件将密封腔室抽成真空状态，并通过充气组件往所述密封腔室内充入惰性气体，以使所述密封腔室内形成惰性气体氛围；

通过操纵机构将所述密封腔室底部预置的热沉吸取并移动到加热贴片座上，并通过所述操纵机构将所述密封腔室底部预置的半导体激光器吸取并移动到所述加热贴片座上的热沉上；

利用所述抽气组件将所述密封腔室抽成真空状态，并控制所述加热贴片座加热，以使所述半导体激光器和所述热沉受热贴合；

贴合后，通过所述充气组件往所述密封腔室内充入惰性气体。

本发明的有益效果：通过设置密封腔室，并设置能够在外对密封腔室内进行贴片操作的操纵机构，并设置用于营造真空贴片环境的抽气组件，以方便快捷的实现真空贴片，避免半导体激光器与热沉之间产生焊料空洞，此外还设置向密封腔室内充入惰性气体的充气组件，使得半导体激光器在贴片后能够快速冷却，提高贴片效率。

附图说明

图1为本发明第一实施例中的半导体激光器贴片装置的贴片容器的结构示意图；

图2为本发明第一实施例中的半导体激光器贴片装置的结构示意图；

图3为本发明第一实施例中的操纵杆内的气道布局示意图；

图4为本发明第一实施例中的在操作按钮未按下时的气道连通示意图；

图5为本发明第一实施例中的在操作按钮按下时的气道连通示意图；

图6为本发明第二实施例中的半导体激光器贴片装置的结构示意图；

图7为本发明第三实施例中的半导体激光器贴片装置的结构示意图。

主要元件符号说明：

11、密封腔室；10、贴片容器；20、加热贴片座；30、气氛调控机构；40、操纵机构；12、取放窗口；13、密封盖；100、半导体激光器；200、热沉；300、贴片后成品；31、抽气组件；32、充气组件；311、真空泵；312、抽气管；313、第一阀门；321、压缩气瓶；431、柔性气管；322、充气管；323、第二阀门；41、柔性元件；42、吸附部件；43、操纵杆；14、通孔；44、操作按钮；33、气压测量器件；50、显微镜；60、CCD摄像头；70、显示器；432、气道；433、按键孔；4321、第一气道；4322、第二气道；4323、第三气道；441、连通孔；431、柔性气管；442、复位弹簧。

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的若干实施例。但是，本发明可以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

实施例一

请参阅图1和图2，所示为本发明第一实施例中的半导体激光器贴片装置，包括具有一密封腔室11的贴片容器10、设置于密封腔室11底部的加热贴片座20、与密封腔室11连接的气氛调控机构30、以及穿设于贴片容器10上用于进行贴片操作的操纵机构40，其中：

贴片容器10整体为一箱体式结构，其内部围成的密封空间构成密封腔室11。为了方便往密封腔室11当中放入半导体激光器和热沉、以及方便从密封腔室11当中取出贴片后成品（半导体激光器和热沉的焊接体），贴片容器10还开设有一取放窗口12，具体可以在贴片容器10的顶部和/或侧壁上开设该取放窗口12，为了保证密封腔室11的气密性，取放窗口12需要配置一个与之相密封盖合的密封盖13。具体地，密封盖13可以与贴片容器10分体式设计，取/放料时从贴片容器10上取下，取/放料后再盖上，或者密封盖13也可以与密封盖13铰接设置，取/放料时从贴片容器10上掀开，取/放料后再盖上，密封盖13外缘和/或取放窗口12内缘可设置密封条，密封条与密封盖13和取放窗口12内壁紧密接触以实现密封盖13和取放窗口12之间的密封。

加热贴片座20用于在贴片时进行加热，具体贴片过程为，先后通过操纵机构40将热沉和半导体激光器吸附到加热贴片座20上，半导体激光器层叠于热沉上，加热贴片座20加热，使热沉上的焊料融化，在压力作用下实现半导体激光器与热沉的顺利贴合焊接。在具体实施时，加热贴片座20可以为半导体加热片、电阻加热板等等，另外，加热贴片座20的顶部表面优选为光滑平整面，保证半导体激光器和热沉能够平整叠放于加热贴片座20的顶部，避免贴片倾斜，保证贴片后芯片能够正常工作。

在具体实施时，加热贴片座20可以设置在密封腔室11底部的中间位置，半导体激光器100和热沉200堆放在加热贴片座20的两侧，贴片后成品300堆放在密封腔室11底部一侧的边角处，这样有规律的摆放物品，可以提高贴片效率。另外，为了避免物品摆放紊乱，具体可以在密封腔室11底部分别设置相应的物品摆放区，以对应摆放相应的贴片用品和成品。

气氛调控机构30包括抽取真空的抽气组件31、以及充入惰性气体的充气组件32，抽气组件31包括真空泵311、连接真空泵311和密封腔室11的抽气管312、以及卡设于抽气管312上的第一阀门313，充气组件32包括存储有所述惰性气体的压缩气瓶321、连接压缩气瓶321和密封腔室11的充气管322、以及卡设于充气管322上的第二阀门323。在具体实施时，气管可分别通过管接头来连通密封腔室11，管接头可与贴片容器10一体成型或焊接于贴片容器10上。

操纵机构40通过柔性元件41与贴片容器10密封且活动连接，使得操纵机构40可以前后、左右及上下移动，操纵机构40的一端上设有吸附部件42，吸附部件42置于密封腔室11内，这样就可以通过在外操纵该操纵机构40来使吸附部件42将热沉200和半导体激光器100吸附到加热贴片座20上进行贴片。

具体地，操纵机构40包括操纵杆43，操纵杆43的内部设有气道432，操纵杆43一端连接吸附部件42，另一端连接抽气组件31，吸附部件42通过气道432连接抽气组件31的真空泵311，从而产生吸力来吸取密封腔室11内的物品，通过在操纵杆43内部设置气道来连接真空泵311和吸附部件42，这样可以节省气管的投入和布置，也不用额外在贴片容器10上开孔，降低工艺要求，节约成本，提高美观度。

为了方便控制吸附部件42，操纵机构40还包括一操作按钮44，操作按钮44设置在密封腔室11外，具体可以设置在操纵杆43远离吸附部件42的一端上，操作按钮44用于控制抽气组件31与吸附部件42之间抽气的通断，从而控制吸附部件42吸取或释放物品。具体地，请参阅图3至图5，操纵杆43上设有按键孔433，操作按钮安装于按键孔433中，气道432包括第一气道4321、第二气道4322和第三气道4323，第一气道4321和第二气道4322处于不同高度上，第一气道4321和第三气道4323处于同一高度上，第三气道4323与外界相通，第一气道4321与吸附部件42相通，第二气道4322与抽气组件31的真空泵311相通，操作按钮44上设有连通孔441，当操作按钮44未按下时，第一气道4321通过连通孔441连通第三气道4323（如图4所示），此时吸附部件42与外界大气相通，不产生吸力；当操作按钮44按下时，第一气道4321通过连通孔441连通第二气道4322（如图5所示），此时吸附部件42与真空泵311连接，产生吸力，从而吸起部件。为了使操作按钮44在松手后自复位，操作按钮44的底部与按键孔433的底部之间连接有复位弹簧442。在具体实施时，可以在操作按钮44上套设密封圈（图未示出），密封圈与按键孔433内壁紧密接触，从而在操作按钮44按压和弹起过程中起到密封作用，或者操作按钮44也可以采用活塞式结构。

为了方便操纵杆43移动，操纵杆43通过一柔性气管431来连接真空泵311，柔性气管431与第二气道4322连通，从而使吸附部件42与真空泵311连接。具体地，柔性元件41为一弹性套，贴片容器10上设有一通孔14，操纵机构40经通孔14穿入密封腔室11中，弹性套一端与操纵杆43密封连接，另一端与贴片容器10密封连接并遮盖通孔14，更具体地，弹性套可以通过硫化或密封胶粘接的连接方式来与操纵杆43和贴片容器10密封连接。

在本实施例当中，吸附部件42为一中空吸管，中空吸管一端与操纵杆43连接（可采用螺接、焊接、铆接等方式），且中空吸管的内部中空与操纵杆43的内部中空连通，中空吸管另一端封闭且端面上开设有至少一吸附小孔，优选为开设均匀布置的若干个吸附小孔，以利用吸附小孔产生的吸力，将物件吸附在中空吸管的末端上。

进一步地，为了在外能够清晰看到密封腔室11内部，以方便贴片操作，贴片容器10至少具有一透明部位，透明部位大于吸附部件42贴片时的最大移动范围，这样透过透明部位就可以直接观察到密封腔室11内部的整个贴片过程，从而有利于操作者操纵操纵杆43来进行贴片操作。为了观察的便捷性，透明部位优选设置在贴片容器10顶部。在本发明一些可选实施例当中，为了便于生产制造，可将密封盖13制做为透明体，这样密封盖13和贴片容器10都可以采用单一材料一体成型，当然也可以将密封盖13和贴片容器10都可以制做为透明体，例如都可以采用玻璃材质。

综上，本实施例当中的半导体激光器贴片装置，通过设置密封腔室11，并设置能够在外对密封腔室11内进行贴片操作的操纵机构40，并设置用于营造真空贴片环境的抽气组件31，以方便快捷的实现真空贴片，避免半导体激光器100与热沉200之间产生焊料空洞，此外还设置向密封腔室11内充入惰性气体的充气组件32，使得半导体激光器100在贴片后能够快速冷却，提高贴片效率。

实施例二

请参阅图6，所述为本发明第二实施例当中的半导体激光器贴片装置，本实施例当中的半导体激光器贴片装置与第一实施例当中的半导体激光器贴片装置的不同之处在于：

抽气管312和/或充气管322上设置有测量密封腔室11内的压力的气压测量器件33（如压力表），这样通过借助气压测量器件33测量的压力值、就可以直接知道密封腔室11是否被抽成真空，进一步提高贴片效率。如图6所示，在本实施例当中，仅在抽气管312上设置所述气压测量器件33，但本发明不限于此，在其它实施例当中，还可以在抽气管312和充气管322上均设置所述气压测量器件33，或者也可以仅在充气管322上设置所述气压测量器件33。

需要指出的是，本发明第二实施例所提供的装置，其实现原理及产生的技术效果和第一实施例相同，为简要描述，本实施例未提及之处，可参考第一实施例中相应内容。

实施例三

请参阅图7，所述为本发明第三实施例当中的半导体激光器贴片装置，本实施例当中的半导体激光器贴片装置与第一实施例当中的半导体激光器贴片装置的不同之处在于：

半导体激光器贴片装置还包括与透明部位相对设置的显微镜50、与显微镜50连接的CCD摄像头60、以及与CCD摄像头60连接的显示器70（如LCD显示屏），CCD摄像头60与显微镜50同轴布置，CCD摄像头60与显微镜50相配合，能够将贴片过程进行放大并进行画面捕捉，以最终将贴片过程放大显示在显示器70上，从而帮助操作者进行精确贴片，保证贴片精度且避免封装空洞的产生，完成高质量贴片封装。

需要指出的是，本发明第三实施例所提供的装置，其实现原理及产生的技术效果和第一实施例相同，为简要描述，本实施例未提及之处，可参考第一实施例中相应内容。

实施例四

本发明另一方面还提出一种半导体激光器贴片方法，所述方法采用上述实施例1-3当中任一实施例的半导体激光器贴片装置进行贴片，所述方法具体包括如下步骤：

步骤S1、利用抽气组件将密封腔室抽成真空状态，并通过充气组件往所述密封腔室内充入惰性气体，以使所述密封腔室内形成惰性气体氛围；

步骤S2、通过操纵机构将所述密封腔室底部预置的热沉吸取并移动到加热贴片座上，并通过所述操纵机构将所述密封腔室底部预置的半导体激光器吸取并移动到所述加热贴片座上的热沉上；

步骤S3、利用所述抽气组件将所述密封腔室抽成真空状态，并控制所述加热贴片座加热，以使所述半导体激光器和所述热沉受热贴合；

步骤S4、贴合后，通过所述充气组件往所述密封腔室内充入惰性气体。

需要说明的是，在步骤S1之前，可以打开贴片容器上的密封盖，以经取放窗口往密封腔室内按要求放入贴片需要的热沉和半导体激光器，然后盖回密封盖，以关闭取放窗口，使密封腔室处于密封状态。

另外，步骤S1当中的抽真空过程和充气过程可以先后执行也可以同步执行（即边抽真空边充惰性气体），步骤S1充入惰性气体的目的在于，使吸附部件42能够在真空泵311作用下产生吸力（若密封腔室内为真空状态，则真空泵无法从密封腔室内抽取气体，吸附部件也就不会有吸力）。

结合图1-7，更详细的贴片操作过程可见如下所述：

第一步、将半导体激光器100和热沉200通过取放窗口12放于密封腔室11内，关闭并锁紧取放窗口12使密封腔室11密封，真空泵311启动且第一阀门313开启，以将密封腔室11抽成真空状态，可通过气压测量器件33来确认真空状态。

第二步、打开第二阀门323，将压缩气瓶321中的惰性气体充入密封腔室11中，用于提供一种惰性气体氛围。

第三步、手持操纵杆43，将吸附部件42移动至热沉200上方，并按压操作按钮44，使吸附部件42产生吸力以吸取一热沉200，并将吸取的热沉200移动至加热贴片座20的目标位置上，松开操作按钮44，吸附部件42失去吸力，从而将热沉200放置到加热贴片座20的目标位置上。

第四步、手持操纵杆43，同样按第三步的取/放料操作方式，将一半导体激光器100放置于当前位于加热贴片座20上的热沉200上（此过程可以通过显微镜50、CCD摄像头60和显示器70进行精准定位），下压操纵杆43，使吸附部件42施加一定的压力于半导体激光器100上，从而使热沉200与半导体激光器100紧密接触。

第五步、打开第一阀门313，通过真空泵311抽取密封腔室11为真空状态，可通过气压测量器件33来确认真空状态。

第六步、加热贴片座20加热使热沉200上焊料融化，在吸附部件42的压力作用下实现半导体激光器100与热沉200的顺利贴合。

第七步、半导体激光器100贴合后，关闭加热贴片座20、打开第二阀门323，将压缩气瓶321中的惰性气体充入密封腔室11中，使半导体激光器100和热沉200能够快速降温。

第八步、手持操纵杆43，同样按第三步的取/放料操作方式，将完成贴片的成品300吸取并移动成品区放置。

第九步、待所有半导体激光器100完成封装后，打开取放窗口12取出所有贴片成品。

综上，本实施例当中的半导体激光器贴片方法，通过设置密封腔室，并设置能够在外对密封腔室内进行贴片操作的操纵机构，并设置用于营造真空贴片环境的抽气组件，以方便快捷的实现真空贴片，避免半导体激光器与热沉之间产生焊料空洞，此外还设置向密封腔室内充入惰性气体的充气组件，使得半导体激光器在贴片后能够快速冷却，提高贴片效率。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种半导体激光器贴片装置，其特征在于，包括具有一密封腔室的贴片容器、设置于所述密封腔室底部的加热贴片座、与所述密封腔室连接的气氛调控机构、以及穿设于所述贴片容器上用于进行贴片操作的操纵机构，所述气氛调控机构包括抽取真空的抽气组件、以及充入惰性气体的充气组件，所述操纵机构通过柔性元件与所述贴片容器密封且活动连接，所述操纵机构的一端上设有吸附部件，所述吸附部件置于所述密封腔室内；所述操纵机构包括操纵杆和操作按钮，所述操纵杆的内部设有气道，所述操纵杆上设有按键孔，所述操作按钮安装于所述按键孔中，所述气道包括第一气道、第二气道和第三气道，所述第一气道和所述第二气道处于不同高度上，所述第一气道和所述第三气道处于同一高度上，所述第三气道与外界相通，所述第一气道与所述吸附部件相通，所述第二气道与所述抽气组件相通，所述操作按钮上设有连通孔，当所述操作按钮未按下时，所述第一气道通过所述连通孔连通所述第三气道，当所述操作按钮按下时，所述第一气道通过所述连通孔连通所述第二气道。

2.根据权利要求1所述的半导体激光器贴片装置，其特征在于，所述操纵杆一端连接所述吸附部件，另一端连接所述抽气组件。

3.根据权利要求1所述的半导体激光器贴片装置，其特征在于，所述操作按钮的底部与所述按键孔的底部之间连接有复位弹簧。

4.根据权利要求1所述的半导体激光器贴片装置，其特征在于，所述柔性元件为一弹性套，所述贴片容器上设有一通孔，所述操纵机构经所述通孔穿入所述密封腔室中，所述弹性套一端与所述操纵机构密封连接，另一端与所述贴片容器密封连接并遮盖所述通孔。

5.根据权利要求1所述的半导体激光器贴片装置，其特征在于，所述抽气组件包括真空泵、连接所述真空泵和所述密封腔室的抽气管、以及卡设于所述抽气管上的第一阀门，所述充气组件包括存储有所述惰性气体的压缩气瓶、连接所述压缩气瓶和所述密封腔室的充气管、以及卡设于所述充气管上的第二阀门，所述抽气管和/或所述充气管上设置有测量所述密封腔室内的压力的气压测量器件。

6.根据权利要求1所述的半导体激光器贴片装置，其特征在于，所述贴片容器至少具有一透明部位。

7.根据权利要求6所述的半导体激光器贴片装置，其特征在于，所述半导体激光器贴片装置还包括与所述透明部位相对设置的显微镜、与所述显微镜连接的CCD摄像头、以及与所述CCD摄像头连接的显示器。

8.一种半导体激光器贴片方法，其特征在于，采用权利要求1-7任一项所述的半导体激光器贴片装置进行贴片，所述方法包括如下步骤：

利用抽气组件将密封腔室抽成真空状态，并通过充气组件往所述密封腔室内充入惰性气体，以使所述密封腔室内形成惰性气体氛围；

通过操纵机构将所述密封腔室底部预置的热沉吸取并移动到加热贴片座上，并通过所述操纵机构将所述密封腔室底部预置的半导体激光器吸取并移动到所述加热贴片座上的热沉上；

利用所述抽气组件将所述密封腔室抽成真空状态，并控制所述加热贴片座加热，以使所述半导体激光器和所述热沉受热贴合；

贴合后，通过所述充气组件往所述密封腔室内充入惰性气体。

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