CN111628405A - 一种大功率传导冷却封装结构巴条激光器烧结夹具及其烧结方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大功率传导冷却封装结构巴条激光器烧结夹具及其烧结方法，属于半导体激光器制造领域，包括定位底座、CS热沉、压块和巴条激光器，定位底座包括第一面和第二面，第一面和第二面相互垂直设置，第一面上设置有第一限位槽，第二面上设置有第二限位槽；压块的宽度与巴条激光器的宽度一致，压块下表面的一端设置有用于压紧巴条激光器的压紧部，压紧部的高度低于压块的高度，压紧部的尺寸与巴条激光器的尺寸相一致。本发明充分地利用了CS热沉的结构特点，简化夹具结构，不仅可以减少甚至避免“smile”现象的发生，而且通过使用扭力改锥，能够保证烧结的一致性和均匀性，提高巴条烧结的效率和合格率。

Description

一种大功率传导冷却封装结构巴条激光器烧结夹具及其烧结 方法

技术领域

本发明涉及一种大功率传导冷却封装结构巴条激光器烧结夹具及其烧结方法，属于半导体激光器制造领域。

背景技术

随着半导体材料技术和激光器封装工艺技术的迅猛发展，大功率激光二极管单管器件和阵列器件在国内外得到了飞速发展，成为当前激光产业应用拓展的主要方向。半导体激光器具有体积小、效率高、成本低等优点，因此被广泛应用于激光医疗、激光显示、工业加工、军事武器、固体激光器和光纤激光器泵浦等技术领域。半导体激光器的三个主要参数包括输出光功率、光电转换效率和可靠性，而热量是限制三者进一步提高的最主要因素之一。除了半导体激光器材料本身的性质会影响热量，激光器的封装质量也是影响散热的关键因素，要求激光器与热沉之间的焊接具有牢固、无空洞、导热性好、应力小、抗疲劳、低热阻等特点。因此，将半导体激光器封装到热沉上的工艺和方法是大功率半导体激光器应用的前提和关键技术之一。

目前大功率半导体激光器的封装形式主要包括微通道和宏通道水冷、G-Stack和CS传导冷却等，通常会采用自动烧结设备和回流焊烧结设备，其中以后者居多，因此烧结夹具对巴条封装起到关键性的作用。

中国专利文献CN205282874U公开的《一种大功率激光器条形芯片烧结夹具》，利用五根弹簧探针对巴条施压，并设有螺纹和可调螺栓来调节压力大小，但是在调节平衡以改善“smile”效应的过程中没有一个参照标准，需要不断调节五根探针的可调螺栓，操作过程较复杂；其次，巴条烧结的一致性难以保证，可能会影响烧结合格率；另外，弹簧探针的接触面积较小，不能完全覆盖巴条的整体，易造成压力不均产生烧结空洞。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种大功率传导冷却封装结构巴条激光器烧结夹具及其烧结方法，充分地利用了CS热沉的结构特点，简化夹具结构，不仅可以减少甚至避免“smile”现象的发生，而且通过使用扭力改锥，能够保证烧结的一致性和均匀性，提高巴条烧结的效率和合格率。

本发明采用以下技术方案：

一方面，本发明提供一种大功率传导冷却封装结构巴条激光器烧结夹具，包括定位底座、CS热沉、压块和巴条激光器，所述定位底座包括第一面和第二面，所述第一面和第二面相互垂直设置，所述第一面上设置有用于对所述CS热沉的底部进行限位的第一限位槽，所述第二面上设置有用于对所述CS热沉的一端进行限位的第二限位槽；

所述压块的宽度与所述巴条激光器的宽度一致，既能保证巴条激光器整个面受力均匀，又方便在摆放过程中通过显微镜观察和调整摆放位置，所述压块下表面的一端设置有用于压紧巴条激光器的压紧部，所述压紧部的高度低于所述压块的高度，所述压紧部的尺寸与所述巴条激光器的尺寸相一致，保证施力均匀；

所述压块、巴条激光器和CS热沉通过紧固螺栓连接在一起。

优选的，所述第二限位槽上部一侧设置有用于对巴条激光器和压块进行限位的限位侧边，限位侧边的底部优选高出CS热沉的上表面约50μm，保证CS热沉和巴条激光器的出光面平齐，并使巴条激光器处于CS热沉的中间。

优选的，所述CS热沉上设置有定位孔，所述压块上设置有紧固孔，所述定位孔与紧固孔之间采用紧固螺栓紧固，本发明利用CS热沉本身的定位孔来固定压块，这样CS热沉本身成为烧结夹具整体的一部分；

所述压块上还设置有夹取孔，方便烧结后对压块的夹取。

优选的，所述定位底座为L形，所述第一面与水平面的夹角为30°，所述第二面与水平面的夹角为60°。第一面的30°角给CS热沉提供了一个平行于第一面向下和垂直第二面的力，以保证CS热沉与第二面紧密接触；第二面的60°角使压块能够提供给巴条激光器一个垂直其表面向下的均匀的力以保证充分施压。

优选的，所述定位底座的材质为不锈钢、铝或铜，所述CS热沉的材质为铜，所述压块的材质为不锈钢、铝或铜。

优选的，所述压块的压紧部以及定位底座的第二面进行抛光处理，既能够保护巴条激光器的出光腔面不受损伤，又可以使巴条激光器出光腔面与CS热沉的第二面表面平齐。

优选的，所述压紧部的高度比所述压块的高度低一个巴条激光器的厚度，约100μm，这样能保证受力均衡。

优选的，所述压块与压紧部之间设置有凹槽，便于实现压紧部与激光器巴条尺寸一致。

另一方面，本发明还提供一种大功率传导冷却封装结构巴条激光器烧结夹具的烧结方法，包括：

步骤1：先将CS热沉放置于定位底座的第一面的第一限位槽内，再将所述CS热沉的一端紧贴在所述定位底座第二面上的第二限位槽处；

步骤2：将所述巴条激光器放置于CS热沉烧结处，在显微镜下调整巴条激光器使其位于CS热沉烧结处的中间位置，所述巴条激光器的出光腔面紧贴在所述定位底座的第二限位槽表面，保证其与CS热沉前表面平齐；

步骤3：将所述压块放置于CS热沉上表面，使其压紧部紧贴巴条激光器的N面，压紧部与巴条激光器尺寸相当，保证重合，压块的下表面紧贴CS热沉的上表面，压块的紧固孔对准CS热沉的定位孔，用紧固螺栓将压块、巴条激光器和CS热沉三者固定；

步骤4：将固定于一体的压块、巴条激光器、CS热沉从所述定位底座上移开，用设置好扭力的扭力改锥进一步紧固，扭力值优选为0.5～3.5kgf.cm，可根据根据工艺的不同灵活调整扭力值的大小，在拧动过程中，当扭力值达到设置的值以后，扭力改锥不会再进一步转动，可保证每次施加的力保持一致，之后放置于真空回流焊接设备里面，载入设置好的烧结曲线进行烧结。

优选的，所述步骤3中，所述压块压紧部紧贴于所述巴条激光器的N面，二者尺寸相当，保证重合；

步骤4中，将固定于一体的压块、巴条激光器、CS热沉从所述定位底座上移开之前，先施加一个初始的力让三者固定，然后从底座上移开，再用设定好扭力的扭力改锥进一步紧固，保证这个过程中巴条激光器不会滑出。

本发明的有益效果为：

1)发明的大功率传导冷却封装结构巴条激光器烧结夹具中，定位底座的第一面与第二面的相互垂直，能严格控制巴条出光面相对于热沉前端的突出量。

2)本发明的大功率传导冷却封装结构巴条激光器烧结夹，结构简单，功能实用，成本低廉，操作简便，稳定性和重复性好，利用定位底座上第一面和第二面的以及多个限位槽/限位侧边对CS热沉和巴条激光器进行限位，经过限位的巴条激光器与CS热沉能够精确定位，保证了一致性、均匀性和稳定性。

3)本发明的压块前端的与巴条激光器N面接触的压紧部尺寸与巴条激光器尺寸相当，而且通过扭力改锥进行施压，可保证施压均匀一致，减少甚至避免“smile”现象，适于批量生产。

4)本发明的夹具充分利用了CS热沉自身的特点，CS热沉可作为此底座使用，压块、巴条激光器、CS热沉三者紧固在一起，简化了夹具结构，缩短了烧结时间，从而提高生产效率。

5)使用本发明的大功率传导冷却封装结构巴条激光器烧结夹，封装整体合格率在98％以上，配合回流炉封装工艺，大大提高了封装稳定性和一致性。

附图说明

图1为本发明的大功率传导冷却封装结构巴条激光器烧结夹具一种整体结构示意图；

图2为图1中定位底座的结构示意图；

图3为图1中压块的结构示意图；

图4为图1的侧视图；

图5为CS热沉、巴条激光器和压块的配合关系示意图；

其中：1-定位底座，2-CS热沉，3-巴条激光器，4-压块，5-紧固螺栓，101-第一面，102-第二面，103-第一限位槽，104-第二限位槽，105-限位侧边，401-压紧部，402-紧固孔，403-夹取孔，404-凹槽。

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，一种大功率传导冷却封装结构巴条激光器烧结夹具，包括定位底座1、CS热沉2、压块4和巴条激光器3，定位底座1包括第一面101和第二面102，第一面101和第二面102相互垂直设置，第一面101上设置有用于对CS热沉2的底部进行限位的第一限位槽103，第二面102上设置有用于对CS热沉2的一端进行限位的第二限位槽104；

压块4的宽度与巴条激光器3的宽度一致，既能保证巴条激光器3整个面受力均匀，又方便在摆放过程中通过显微镜观察和调整摆放位置，压块4下表面的一端设置有用于压紧巴条激光器3的压紧部401，压紧部401的高度低于压块4的高度，压紧部401的尺寸与巴条激光器3的尺寸相一致，保证施力均匀；

压块4、巴条激光器3和CS热沉2通过紧固螺栓5连接在一起。

实施例2：

一种大功率传导冷却封装结构巴条激光器烧结夹具，结构如实施例1所示，所不同的是，第二限位槽104上部一侧设置有用于对巴条激光器3和压块4进行限位的限位侧边105，限位侧边105的底部高出CS热沉2的上表面约50μm，保证CS热沉2和巴条激光器3的出光面平齐，并使巴条激光器3处于CS热沉2的中间。

实施例3：

一种大功率传导冷却封装结构巴条激光器烧结夹具，结构如实施例1所示，所不同的是，CS热沉2上设置有定位孔，压块4上设置有紧固孔402，定位孔与紧固孔402之间采用紧固螺栓5紧固，本发明利用CS热沉本身的定位孔来固定压块，这样CS热沉本身成为烧结夹具整体的一部分；

压块4上还设置有夹取孔403，方便烧结后对压块4的夹取

实施例4：

一种大功率传导冷却封装结构巴条激光器烧结夹具，结构如实施例1所示，所不同的是，定位底座1为L形，第一面101与水平面的夹角为30°，第二面102与水平面的夹角为60°。第一面101的30°角给CS热沉提供了一个平行于第一面向下和垂直第二面的力，以保证CS热沉2与第二面102紧密接触；第二面102的60°角使压块4能够提供给巴条激光器3一个垂直其表面向下的均匀的力以保证充分施压。

实施例5：

一种大功率传导冷却封装结构巴条激光器烧结夹具，结构如实施例1所示，所不同的是，本实施例中，定位底座1和压块4的材质均为不锈钢，CS热2的材质为铜。

实施例6：

一种大功率传导冷却封装结构巴条激光器烧结夹具，结构如实施例1所示，所不同的是，压块4的压紧部401以及定位底座1的第二面102进行抛光处理，既能够保护巴条激光器3的出光腔面不受损伤，又可以使巴条激光器3出光腔面与CS热沉的第二面102表面平齐。

实施例7：

一种大功率传导冷却封装结构巴条激光器烧结夹具，结构如实施例1所示，所不同的是，压紧部401的高度比压块4的高度低一个巴条激光器的厚度，为100μm，这样能保证受力均衡。

实施例8：

一种大功率传导冷却封装结构巴条激光器烧结夹具，结构如实施例1所示，所不同的是，压块4与压紧部401之间设置有凹槽404，便于实现压紧部401与激光器巴条3尺寸一致。

实施例9：

一种大功率传导冷却封装结构巴条激光器烧结夹具的烧结方法，包括：

步骤1：先将CS热沉2放置于定位底座1的第一面的第一限位槽103内，再将CS热沉2的一端紧贴在定位底座1第二面上的第二限位槽104处；

步骤2：将巴条激光器3放置于CS热沉2烧结处，在显微镜下调整巴条激光器3使其位于CS热沉2烧结处的中间位置，巴条激光器3的出光腔面紧贴在定位底座的第二限位槽104表面，保证其与CS热沉2前表面平齐；

步骤3：将压块4放置于CS热沉2上表面，使其压紧部401紧贴巴条激光器3的N面，压紧部401与巴条激光器3尺寸相当，保证重合，压块4的下表面紧贴CS热沉2的上表面，压块4的紧固孔402对准CS热沉2的定位孔，用紧固螺栓5将压块4、巴条激光器3和CS热沉2三者固定；

步骤4：将固定于一体的压块4、巴条激光器3、CS热沉2从定位底座1上移开，用设置好扭力的扭力改锥进一步紧固，扭力值为2kgf.cm，之后放置于真空回流焊接设备里面，载入设置好的烧结曲线进行烧结。

实施例10：

一种大功率传导冷却封装结构巴条激光器烧结夹具的烧结方法，如实施例9所示，所不同的是，步骤3中，压块4的压紧部401紧贴于巴条激光器3的N面，二者尺寸相当，保证重合；

步骤4中，将固定于一体的压块4、巴条激光器3、CS热沉2从定位底座1上移开之前，先施加一个初始的力让三者固定，然后从底座上移开，再用设定好扭力的扭力改锥进一步紧固，保证这个过程中巴条激光器不会滑出。

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)

1.一种大功率传导冷却封装结构巴条激光器烧结夹具，其特征在于，包括定位底座、CS热沉、压块和巴条激光器，所述定位底座包括第一面和第二面，所述第一面和第二面相互垂直设置，所述第一面上设置有用于对所述CS热沉的底部进行限位的第一限位槽，所述第二面上设置有用于对所述CS热沉的一端进行限位的第二限位槽；

所述压块的宽度与所述巴条激光器的宽度一致，所述压块下表面的一端设置有用于压紧巴条激光器的压紧部，所述压紧部的高度低于所述压块的高度，所述压紧部的尺寸与所述巴条激光器的尺寸相一致；

所述压块、巴条激光器和CS热沉通过紧固螺栓连接在一起。

2.根据权利要求1所述的大功率传导冷却封装结构巴条激光器烧结夹具，其特征在于，所述第二限位槽上部一侧设置有用于对巴条激光器和压块进行限位的限位侧边。

3.根据权利要求1所述的大功率传导冷却封装结构巴条激光器烧结夹具，其特征在于，所述CS热沉上设置有定位孔，所述压块上设置有紧固孔，所述定位孔与紧固孔之间采用紧固螺栓紧固；

所述压块上还设置有夹取孔。

4.根据权利要求1所述的大功率传导冷却封装结构巴条激光器烧结夹具，其特征在于，所述定位底座为L形，所述第一面与水平面的夹角为30°，所述第二面与水平面的夹角为60°。

5.根据权利要求1所述的大功率传导冷却封装结构巴条激光器烧结夹具，其特征在于，所述定位底座的材质为不锈钢、铝或铜，所述CS热沉的材质为铜，所述压块的材质为不锈钢、铝或铜。

6.根据权利要求1所述的大功率传导冷却封装结构巴条激光器烧结夹具，其特征在于，所述压块的压紧部以及定位底座的第二面进行抛光处理。

7.根据权利要求1所述的大功率传导冷却封装结构巴条激光器烧结夹具，其特征在于，所述压紧部的高度比所述压块的高度低一个巴条激光器的厚度。

8.根据权利要求1所述的大功率传导冷却封装结构巴条激光器烧结夹具，其特征在于，所述压块与压紧部之间设置有凹槽。

9.一种权利要求1所述的大功率传导冷却封装结构巴条激光器烧结夹具的烧结方法，其特征在于，包括：

步骤1：先将CS热沉放置于定位底座的第一面的第一限位槽内，再将所述CS热沉的一端紧贴在所述定位底座第二面上的第二限位槽处；

步骤2：将所述巴条激光器放置于CS热沉烧结处，在显微镜下调整巴条激光器使其位于CS热沉烧结处的中间位置，所述巴条激光器的出光腔面紧贴在所述定位底座的第二限位槽表面，保证其与CS热沉前表面平齐；

步骤3：将所述压块放置于CS热沉上表面，使其压紧部紧贴巴条激光器的N面，压紧部与巴条激光器尺寸相当，保证重合，压块的下表面紧贴CS热沉的上表面，压块的紧固孔对准CS热沉的定位孔，用紧固螺栓将压块、巴条激光器和CS热沉固定；

步骤4：将固定于一体的压块、巴条激光器、CS热沉从所述定位底座上移开，用设置好扭力的扭力改锥进一步紧固，扭力值为0.5～3.5kgf，之后放置于真空回流焊接设备里面，载入设置好的烧结曲线进行烧结。

10.根据权利要求9所述的大功率传导冷却封装结构巴条激光器烧结夹具的烧结方法，其特征在于，所述步骤3中，所述压块压紧部紧贴于所述巴条激光器的N面，二者尺寸相当，保证重合；

所述步骤4中，将固定于一体的压块、巴条激光器、CS热沉从所述定位底座上移开之前，先施加一个初始的力让三者固定，然后从底座上移开，再用设定好扭力的扭力改锥进一步紧固，保证这个过程中巴条激光器不会滑出。

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