CN112014932A - 一种光电器件与光纤的低温封装方法 - Google Patents

一种光电器件与光纤的低温封装方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种光电器件与光纤的低温封装方法，其包括：根据待连接的光纤的尺寸，准备金属套管，使金属套管的内径不小于光纤的外径，或在光电器件的壳体上待焊接的部位制作带有薄壁或凹槽结构的对准固定结构；选择低温软钎料，并将低温软钎料填入到所需焊接的部位，进行预热；通过局部加热的方式加热金属套管或对准固定结构，使低温软钎料在金属套管或对准固定结构内表面熔化，并通过辅助补缩和致密化处理，促使钎料熔化填充焊缝，完成光电器件与光纤的连接。本发明的技术方案借助新的封装结构，主要通过钎料的局部熔化和高温度梯度下液态钎料的快速对流，在完成连接的同时避免光纤及内部光电传感器件的热损伤。

Description

一种光电器件与光纤的低温封装方法
技术领域
本发明属于光电子器件和封装技术领域，尤其涉及一种光电器件与光纤的低温封装方法。
背景技术
光电子器件中，光纤与信号处理系统之间的可靠连接是保证光信号传输质量和稳定性的关键。常用的光电器件一般需要将光纤密闭封装在壳体上，以保证光电子器件正常工作，避免外部环境如水汽、悬浮颗粒、气氛变化等光电信号造成影响。传统的密闭封装主要通过Sn-Bi、Au-Sn、SAC等共晶钎料的钎焊或纳米颗粒烧结完成，一般需要对整个腔体进行整体加热（>160℃），才能获得较好的互连强度和密闭性。然而，现有光纤和光电芯片如红外传感器、CMOS图像传感器、光信号处理器等往往无法长期承受150℃以上的高温，易由于热应力发生变形，导致光学信号出现偏差。特别在后续集成封装过程中，如套管与光电器件的焊接、光电器件的组装和贴装等，所得接头也会由于整体加热而发生重熔或溢流，导致光纤与套管连接失效或丧失密闭性。因此，必须开发新的低温封装工艺，解决光纤在光电器件制造过程中的封装难题。
发明内容
针对以上技术问题，本发明公开了一种光电器件与光纤的低温封装方法，通过设计新的封装结构，并结合加热工艺的改进，实现在低温条件下光纤与光电器件壳体的连接，并能减小焊接热的影响，避免多次封装过程中内部器件的热损伤和焊缝重熔、溢流等可靠性问题。
对此，本发明采用的技术方案为：
一种光电器件与光纤的低温封装方法，其包括：
步骤S1，根据待连接的光纤的尺寸，准备金属套管，使金属套管的内径不小于光纤的外径，或在光电器件的壳体上待焊接的部位制作带有薄壁或凹槽结构的对准固定结构；其中，所述光纤可以为光纤尾纤或光纤束。
在光电器件的壳体上待焊接的部位制作带有薄壁的对准固定结构时，对准固定结构满足使光纤穿过光电器件的壳体时，光纤与光电器件的壳体之间的间隙逐渐增大或减小；
步骤S2，选择低温软钎料，并将低温软钎料填入到光纤与光电器件的壳体之间的待焊接部位，进行预热；
步骤S3，通过局部加热的方式加热金属套管或对准固定结构，使低温软钎料在金属套管或对准固定结构内表面熔化，并通过辅助补缩和致密化处理，促使钎料熔化填充焊缝，完成光电器件与光纤的连接。进一步的，局部加热金属套管、对准固定结构的凸起部位。
作为本发明的进一步改进，所述金属套管、对准固定结构的材料为紫铜、黄铜、可伐合金、铝合金、陶瓷或玻璃等电子金属或非金属材料。采用此技术方案，通过使用高导热材料作为壳体，能够有效缩短钎料的熔化、凝固过程，避免过量热输入引起的局部过热
作为本发明的进一步改进，所述光纤、金属套管、对准固定结构的表面设有Ti/Ni/Au、Ti/Pt/Au、Cr/Ni/Cu等表面金属化层。采用此技术方案，设置表面金属化层，则能够有效改善钎料润湿速度和质量，保证焊缝的性能和完整性。
作为本发明的进一步改进，步骤S2中，所述低温软钎料为Sn-Bi、Sn-In、Sn-Ag-Cu或Bi-In钎料合金的钎料环、焊丝或钎料膏。
作为本发明的进一步改进，步骤S2中，所述低温软钎料的填入方式为预置钎料环、钎料膏点胶、激光喷球或在局部加热的同时送入焊丝，加热温度为50-120℃。
作为本发明的进一步改进，根据连接顺序使用熔点不同的软钎料填入到待焊接部位，加热温度呈从高到低的梯度设置。其中，根据连接顺序使用熔点不同的软钎料的熔点从高到低设置。
采用此技术方案，可以实现自动化填充钎料，并进一步降低焊接温度，减少对前道焊接部位和热敏感器件的热损伤；而预热则可以保证液相钎料流动至低温区域时充分填充、润湿和进行界面反应。
步骤S3中，加热区域仅为金属套管与光纤连接中的金属套管和金属套管与对准固定结构连接中的对准固定结构。
作为本发明的进一步改进，步骤S3中，所述局部加热为感应加热、电阻加热或激光加热等局部加热技术；
采用感应加热或电阻加热时，所述感应电流、电阻加热的电流发生在金属套管或对准固定结构中；采用激光加热时，所述激光加热的激光束射向低温软钎料；
加热过程中，所述金属套管、对准固定结构中的局部峰值温度为130-200℃，加热过程中光电器件、光纤、金属套管和未焊区域的温度不高于120℃。
采用此技术方案，金属管套及对准固定结构内表面的温度较高，足以熔化局部钎料，但同时待焊基体和未焊区域温度低于钎料熔点（120-138℃）及传统回流加热温度（150-180℃），因此焊缝内存在较高的温度梯度（~104-5℃/m），液态钎料内存在强对流，可借助导流槽，流动、润湿、填充低温区域，从而在完成互连的同时有效避免前道工序中焊缝内钎料的重熔或溢流。
作为本发明的进一步改进，步骤S3中，所述辅助补缩和致密化处理为在焊接的同时施加超声振动或在增加的导流槽中进行二次补锡。其中借助点胶、送丝技术进行二次补锡。采用此技术方案，可以加速助焊剂及杂质的排出，并加速加热区域内表面产生的液态钎料的对流流动，使其填充至低温未焊区域，快速凝固，形成高强度密封接头，能够取得较好的焊缝组织和表面形貌。
作为本发明的进一步改进，所述金属套管、对准固定结构的顶部设有至少两重斜面坡口或导流槽；所述金属套管、对准固定结构的底部为阻挡限流结构。进一步的，所述斜面坡口的坡口宽度为0.1-1mm，所述金属套管或对准固定结构与光纤之间的间隙的宽度为0.1-1mm，间隙的深度为0.1-10 mm。采用此技术方案，可以通过斜面或导流槽促进液态钎料在焊缝区域的填充，特别在密闭封装，是保证5 mm以上深度大尺寸焊缝的密闭性和完整性的必要条件。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
第一，本发明的技术方案借助新的封装结构，主要通过钎料的局部熔化和高温度梯度下液态钎料的快速对流，从而完成了钎料在焊缝中的填充和界面反应。而且在光器件与光纤的连接过程中，仅对金属管壳或对准固定结构的一侧进行加热，并利用温度梯度和辅助补缩及致密化等处理，促使热端产生的液态钎料快速流动、填充低温未焊区域，因而能够有效降低对光纤及前导焊接工艺（光纤-管壳接头）所得焊缝的热影响，实现原位集成和多重封装，在完成连接的同时避免光纤及内部光电传感器件的热损伤。
第二，采用本发明技术方案，设备及工艺的兼容性强、生产效率高，可以进行自动化的结构对准、钎料填充和快速焊接，并可根据封装结构设计、选择多种熔点“从高到低”的钎料和对准固定结构，在保证气密性的同时实现多器件的多次原位（异位）连接和封装，能够实现大规模光电器件的一步化集成和工业化生产。
附图说明
图1为本发明实施例1得到的光纤与光电器件壳体直接封装的结构示意图。
图2为本发明实施例2得到的光纤经金属套筒与光电器件壳体插接封装的结构示意图。
图3为本发明实施例3得到的光纤束和金属套筒与光电器件壳体平面封装的结构示意图。
1-光纤，2-光电器件壳体，3-凹槽结构，4-SnBi合金焊膏，5-可伐合金壳体，6-金属套管，7-阶梯凹槽，8-Sn-Bi焊丝，9- Sn-In钎料环，10-光纤束，11-铝合金管套，12-陶瓷壳体，13-SnBi合金焊膏。
具体实施方式
下面对本发明的较优的实施例作进一步的详细说明。
实施例1
如图1所示，一种光纤尾纤与光电器件紫铜壳体的封装方法，光纤1的表面镀有50nm Ti+500 nm Ni+100 nm Au，封装方法包括以下步骤：
步骤S1，根据光纤1的尺寸，在光电器件壳体2上特定位置制备带有导流坡面的凹槽结构3，其中坡面宽度0.5mm，凹槽深度5 mm，第一坡角45°，第二坡脚80°，且凹槽结构3的底部通孔尺寸与光纤的直径一致或为过盈配合，保证光纤的对准固定、液态钎料的润湿、导流和限流。
步骤S2，将光纤1插入凹槽结构3中，通过点胶机在坡面处注入Sn-Bi合金焊膏4，通过外部夹具固定该结构，并在100℃条件下进行预热。
步骤S3，通过感应加热加热凹槽结构3的凸起部位，调整加热位置，使感应电流仅发生在凹槽结构3中，加热峰值温度约180℃，并施加超声振动，使SnBi合金焊膏4自凹槽内表面熔化并快速填充整个焊缝，加热时间5 s后，钎料自发凝固完成连接。
本实施例所用连接工艺成熟，结构加工及操作简单，可直接完成光纤在壳体上的连接。焊接完成后，焊缝较深且致密，能够保证气密性，氦气细检漏率可达1*10-8Pa*m3/s以下，且由于感应加热效率高、液态钎料的热传导速率较低，光纤表面及周边壳体温度仅有约110-120℃，可以有效避免光纤和光电器件内部的热损伤，因而，本实施例所述方法能够完成光纤与光电器件壳体的连接。
实施例2
一种光纤尾纤经紫铜金属套管和可伐合金光电器件壳体的封装方法，结构如图2所示，其中光纤1的表面镀有50nm Ti+500 nmNi+200 nmAu，可伐合金壳体5的表面电镀有2 μmNi+500 nmAu，采用以下步骤进行封装：
步骤S1，根据光纤1的尺寸，加工带有导流槽的金属套管6，并在可伐合金壳体5上特定位置制备带有导流结构的阶梯凹槽7，其中金属套管6长6.5 mm，厚度为0.5 mm，内径为光纤直径+0.8 mm，阶梯凹槽7中凹槽的宽度为光纤1直径+3 mm，深度为7 mm，阶梯底部通孔尺寸与光纤1直径一致或为过盈配合。
步骤S2，将光纤1插入金属套管6，通过外部夹具固定该结构，使用电阻加热的方式加热金属套管6，加热温度为180℃，并借用自动送丝机构注入Sn-Bi焊丝8，焊丝8在金属套管6内表面熔化，并通过导流槽填充焊接缝隙，加热10s后待液相Sn-Bi合金完全凝固，完成光纤1与金属套管6的连接；之后，将金属套管6及Sn-In钎料环9放入阶梯凹槽7中，在50℃预热，通过电磁感应加热阶梯凹槽7外壁，阶梯凹槽峰值温度为150℃，加热时间10s，Sn-In钎料环9自阶梯凹槽内表面熔化，并在对流作用下延钎料环间缝隙流至金属套管表面，快速润湿、凝固完成连接；同时，使用送丝机构自阶梯凹槽7与金属套管6之间的缝隙顶部送入Sn-In焊丝完成补缩，待凝固后完成光纤1经金属套管6与可伐合金壳体5的连接。
同时，可选择不用的钎料合金和连接顺序完成连接过程，具体步骤包括：将金属套管6和SAC305钎料环9放入阶梯凹槽7中，经180 ℃感应加热10s完成金属套管6与可伐合金壳体5的连接，然后将光纤1插入金属套管6中，整体加热至160℃，并通过自动送丝机构送入Sn-Bi焊丝8并熔化，待钎料充分填充金属套管6与光纤1间的间隙后，冷却完成连接。
本实施例所述封装方法的结构和工艺较为复杂，但适用于带有套管结构的光纤部件的封装，能够有效避免原位连接过程中的钎料重熔、溢流等问题；同时，焊接部位具有阶梯封装和阻流结构，因而具有更加优秀的气密性、机械强度和稳定性，细检气体泄露率可低于0.5*10-8 Pa*m3/s。
实施例3
一种光纤束经铝合金金属套管和陶瓷壳体的封装方法，结构如图3所示，其中光纤束10的表面镀有50nm Cr+100 nm Pt+150 nmAu，铝合金管套11的表面镀有1 μm Ni+0.5 μm Au，陶瓷壳体12的表面镀有100nmTi+1 μmNi+1 μm Cu，采用以下步骤进行封装：
步骤S1，根据光纤束10的尺寸，加工铝合金套管11，并在陶瓷壳体12上特定位置制备通孔，其中铝合金套管11长4 mm，厚度为1 mm，内径为光纤束10直径+1 mm，壳体上通孔尺寸与光纤直径一致或为过盈配合。
步骤S2，将光纤10插入铝合金套管11，通过外部夹具固定该结构，使用感应加热的方式加热铝合金套管11，铝合金套管局部温度为180℃，并借用自动送丝机构注入Sn-Bi焊丝8，加热及送丝时间为6 s，完成光纤束10与铝合金套管11的连接；之后，在陶瓷壳体12通孔周边待焊区域涂敷厚度为60微米的SnBi合金焊膏13，将光纤束10穿入通孔，对准堆叠并施加80℃预热，在0.01MPa压力下使用脉冲激光加热焊膏，激光功率150 W，激光脉宽0.5ms，占空比为0.4，焊接速度3 mm/s，焊缝峰值温度约150℃，完成铝合金套管10与陶瓷壳体11的连接。
本实施例所述封装结构相较实施例2更为简单，焊接面积更小，其由于金属套管与壳体间焊缝尺寸较小，有助于助焊剂的挥发，可以获得更加优秀的焊点完整性。相较实施例2所得接头，激光焊缝处前道工序所得SnBi接头会发生少量局部重熔，但由于陶瓷壳体和顶部未熔区域的限制，不会发生溢流或影响气密性，不过由于激光焊缝尺寸较小，其气密性相较深焊缝对较差，因此仅可用于气密要求较低的光电器件的封装。
对比例1
一种光纤尾纤经紫铜金属套管和陶瓷壳体的封装方法，结构如图2所示，其中陶瓷壳体表面镀有100nmTi+1 μmNi+1 μm Cu。焊接过程中，根据光纤的尺寸，加工金属套管，并在光电器件壳体上制备通孔，其中金属套管长4 mm，厚度为1 mm，内径为光纤直径+1 mm，通孔尺寸与光纤直径一致或为过盈配合。然后，将光纤插入金属套管，通过外部夹具固定该结构，使用电阻加热的方式加热金属套管，并借用自动送丝机构注入Sn-Bi焊丝，凝固后完成光纤与金属套管的连接；之后，将金属套管及Sn-In钎料环放入阶梯凹槽中，在150℃下整体加热，熔化Sn-In钎料环，峰值温度时间为30 s，完成光纤经金属套管与光电器件壳体的连接。
该对比例为实现原位多次焊接，需将光电器件整体加热至150℃以上（Sn-In熔点+30℃），且加热时间较长，易引起金属套管内Sn-Bi钎料的重熔和溢出，且会导致光纤和壳体内部器件受到较大的热损伤。
对比例2
一种光纤尾纤与光电器件紫铜壳体的封装方法，光纤表面镀有50nm Ti+500 nm Ni+100 nm Au。封装过程中，根据光纤的尺寸，在光电器件壳体上特定位置制备通孔，并保留0.5 mm的间隙；通过点胶机在间隙内填入Sn-In合金焊膏，再使用激光加热间隙区域，完成焊接。
该对比例使用激光加热焊膏，由于光纤与壳体之间的间隙小且深，焊接过程中，激光加热输入的热量无法有效传输至间隙底部，钎料熔化后难以流动至焊缝底部完成填充，且助焊剂挥发产生的气体无法自间隙中排除，将导致焊缝中存在大量孔洞、虚焊等缺陷，无法保证接头的密闭性和强度。
对比例3
一种光纤束经铝合金金属套管和陶瓷壳体的封装方法，结构如图3所示。焊接过程中，根据光纤的尺寸，加工金属套管，并在陶瓷壳体上制备通孔，通孔尺寸与光纤直径一致或为过盈配合。然后，在金属套管内壁及陶瓷基板通孔周边待连接区域涂敷厚度为50微米的有机胶粘剂，将光纤依次穿入金属套管及通孔，对准堆叠，在100℃下整体加热30min，完成胶粘剂的固化，实现光纤经金属套管与光电器件壳体的连接。
该对比例使用有机胶粘剂完成光纤与金属套管和光电器件壳体的连接，焊接工艺简单、焊接区域完整性高、无需引入钎料剂、且不易产生局部热变形或热应力，能够保证光纤与金属套管或壳体间的可靠连接。但有机胶粘剂的密封性和耐热性不佳，在后续服役过程中会迅速老化失效，从而丧失连接强度和密闭效果，进而导致器件失效。
通过上述实施例和对比例的对比可见，采用本发明技术方案的封装方法可以更有效的实现低温封装，封装温度低于150度，并能保持焊接接头的强度，得到的焊缝致密、缺陷少，能够保证气密性，气体泄露率大大降低。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种光电器件与光纤的低温封装方法，其特征在于，其包括：
步骤S1，根据待连接的光纤的尺寸，准备金属套管，使金属套管的内径不小于光纤的外径，或在光电器件的壳体上待焊接的部位制作带有薄壁或凹槽结构的对准固定结构；其中，所述光纤为光纤尾纤或光纤束；
在光电器件的壳体上待焊接的部位制作带有薄壁的对准固定结构时，所述对准固定结构满足使光纤穿过光电器件的壳体时，光纤与光电器件的壳体之间的间隙逐渐增大或减小；
步骤S2，选择低温软钎料，并将低温软钎料填入到所需焊接的部位，进行预热；
步骤S3，通过局部加热的方式加热金属套管或对准固定结构，使低温软钎料在金属套管或对准固定结构内表面熔化，并通过辅助补缩和致密化处理，促使钎料熔化填充焊缝，完成光电器件与光纤的连接。
2.根据权利要求1所述的光电器件与光纤的低温封装方法，其特征在于：所述光纤、金属套管、对准固定结构的表面设有Ti/Ni/Au、Ti/Pt/Au、Cr/Ni/Cu表面金属化层。
3.根据权利要求2所述的光电器件与光纤的低温封装方法，其特征在于：所述金属套管、对准固定结构的材料为紫铜、黄铜、可伐合金、铝合金、陶瓷或玻璃。
4.根据权利要求3所述的光电器件与光纤的低温封装方法，其特征在于：步骤S2中，所述低温软钎料为Sn-Bi、Sn-In、Sn-Ag-Cu或Bi-In钎料合金的钎料环、焊丝或钎料膏。
5.根据权利要求4所述的光电器件与光纤的低温封装方法，其特征在于：步骤S2中，所述低温软钎料的填入方式为预置钎料环、钎料膏点胶、激光喷球或在局部加热的同时送入焊丝，加热温度为50-120℃。
6.根据权利要求1~5任意一项所述的光电器件与光纤的低温封装方法，其特征在于：根据连接顺序，使用熔点不同的软钎料填入到待焊接部位，加热温度呈从高到低的梯度设置。
7.根据权利要求6所述的光电器件与光纤的低温封装方法，其特征在于：步骤S3中，所述局部加热为感应加热、电阻加热或激光加热；
采用感应加热或电阻加热时，所述感应电流、电阻加热的电流发生在金属套管或对准固定结构中；采用激光加热时，所述激光加热的激光束射向低温软钎料；
加热过程中，所述金属套管、对准固定结构中的局部峰值温度为130-200℃，加热过程中光电器件、光纤、金属套管的未焊区域的温度不高于120℃。
8.根据权利要求7所述的光电器件与光纤的低温封装方法，其特征在于：步骤S3中，所述辅助补缩和致密化处理为在焊接的同时施加超声振动或在增加的导流槽中进行二次补锡。
9.根据权利要求8所述的光电器件与光纤的低温封装方法，其特征在于：所述金属套管、对准固定结构的顶部设有至少两重斜面坡口或导流槽；所述金属套管、对准固定结构的底部为阻挡限流结构。
10.根据权利要求9所述的光电器件与光纤的低温封装方法，其特征在于：所述斜面坡口的坡口宽度为0.1-1mm，所述金属套管或对准固定结构与光纤之间的间隙的宽度为0.1-1mm，间隙的深度为0.1-10 mm。
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