CN112152067A - 一种管座带螺纹结构的to封装激光器与模组组装方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种管座带螺纹结构的TO封装激光器与模组组装方法；管座上设置管舌凸起，管座侧面上设有螺纹，管座上焊接有COS、管帽，管帽将COS罩住，管座上还设有引线，引线穿过管座后与COS电连接，引线和管座之间烧结有绝缘层；套筒一端完全敞开并在靠近端部的内圆柱面上设有螺纹，套筒内依次设置透镜、弹性体和管座，套筒和管座螺纹连接，管座通过弹性体将透镜压紧抵靠在套筒内部端面上，管帽上开孔并朝向透镜。通过在管座与套筒之间使用螺纹的连接方式，大大增加了可拆卸性，也可以通过螺纹调整出光焦距，更避免了激光模组出光方向与模组同轴度差的问题，在生产上也大大减少了因机械压紧导致的物料损坏。
Description
技术领域
本发明涉及封装激光器领域，具体是一种管座带螺纹结构的TO封装激光器与模组组装方法。
背景技术
经过几十年的发展，小功率半导体激光器在通讯，医疗，指示，安防等领域发展迅速，并且在新的领域不断获得新的应用，与之相匹配的激光模组也获得了长足发展，激光模组在朝着小型化，低功耗，高可靠性，高成品率发展。
现有技术中，激光模组组装一般将TO封装的激光器通过机械按压组装进铜制或铝制底座，然后在套筒中放入透镜、弹簧，最后将组装好激光器的底座压入套筒，完成模组的组装，该种组装方式，虽然可以通过底座压入套筒的不同深度来调整激光器与透镜的距离以达到调整焦距的目的，但是激光器一旦组装入底座，基本无法完成拆卸，而且，如果激光器或铜座存在加工、装配不良，将导致铜座与激光器一起报废，造成浪费。另外还有一部分激光模组激光器直接通过胶水固定于套筒，该类模组激光出光方向与模组轴线同轴度很难得到保证。
发明内容
本发明的目的在于提供一种管座带螺纹结构的TO封装激光器与模组组装方法，以解决现有技术中的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种管座带螺纹结构的TO封装激光器，包括管座、COS、管帽、套筒、弹性体和透镜；
管座主体为圆饼形并在其上设置管舌凸起，管座的圆柱侧面上设有螺纹，管座管舌上焊接有COS，管座上还焊接有管帽，管帽将COS罩住，管座上还设有引线，引线穿过管座后与COS电连接，引线和管座之间烧结有绝缘层；
套筒一端完全敞开并在靠近端部的内圆柱面上设有螺纹，套筒内依次设置透镜、弹性体和管座，套筒和管座螺纹连接，管座通过弹性体将透镜压紧抵靠在套筒内部端面上，管帽上开孔并朝向透镜。
COS，即带有激光器管芯的一个预制模块件，是本激光器的发光元件，COS焊接在管舌上，电气电极接管座和引线，管座与套筒通过连接螺纹旋合在一起，管座又将透镜通过弹性体压紧在套筒内，管座可以通过螺纹的旋转，使得COS与透镜的距离发生变化，从而从COS发出的激光经过透镜后对外界发出的激光光斑大小发生变化，获得符合预期的激光器，在管座直接加工螺纹并旋入套筒的设置方式，相比于将焊接有COS的常规管座通过机械挤压的方式压入一铜座上然后铜座再和套筒进行固定的设置方式，激光器的损伤率大大降低，粗略统计可以降低2％的废品率。
作为优化，弹性体为圆柱弹簧。圆柱弹簧轻质，弹性稳定。
作为优化，管座与套筒的连接螺纹为细牙螺纹且在其螺距系列中为最小的螺距规格。细牙螺纹可以在较短的轴向距离上存在较多的螺牙，在连接长度一定时，更多的螺牙旋合在一起可以提供更高的连接强度。
作为优化，引线与管座间的绝缘层为玻璃。玻璃的绝缘性非常好，且不与周围元件产生任何反应，物理、化学性质非常稳定。
一种管座带螺纹结构的TO封装激光器的模组组装方法，
包括如下步骤：
S1：使用螺纹挤压机台，在激光器管座侧面轧制标准外螺纹；先加工螺纹后进行电子元器件的焊接与烧结，防止加工螺纹时的振动对后续电子元器件的连接强度产生影响，造成松动；
S2：将玻璃、引线插入管座，进行高温烧结成为TO管座；引线插入管座进行烧结，为后续COS提供焊接连接位置；
S3：使用移栽设备将管座整齐排列至工装模条中，在管座的管舌部位涂覆银浆；银浆的涂覆厚度小于20微米；移栽设备例如使用机械手，将焊接好的管座拾取后，以一定的姿态置入工装模条内等待后续操作，在管舌部位涂覆厚度小于20微米的银浆，银浆后续将成为导体，而厚度小于20微米是防止COS的出光区域与管座螺纹的轴线不同轴，在原材料零件在尺寸上已经设计好，银浆涂覆过厚就无法保证银浆厚度均匀进而导致COS偏斜而使发出的激光也偏斜。
S4：将粘接有激光器管芯的COS粘接于管舌银浆涂覆处，并进行烘烤固化，使COS上的激光芯片P极与管座形成电路连通；烘烤温度为150～180℃，时间为1～2小时；温度过高影响固化过程中银浆的胶黏性，过低则无法热固或固化时间过长，以150～180℃，1～2小时为宜。
S5：使用自动焊线机将激光器管芯N极与TO管座引线柱进行焊接；采用金丝球焊焊接工艺，金丝线径大于20微米；金丝球焊对焊点周围的热影响很小，且焊接稳固，能形成稳定的电路连接，金丝线径大于20微米保证对焊点处电极的覆盖。
S6：使用储能焊机台将激光器管帽焊接于TO管座。储能焊机焊接迅速，基本达到瞬间焊接，升温降温快，热量尚未传递到焊点周围就已经完成了焊接，从而对周围的热影响几乎没有，焊接处也很牢靠。因为焊接前机器有一个储能过程，所以机器的焊接功率并没有因为焊接的瞬时性而需求很大，对作业处的用电需求小。
S7：筛选合格的激光器产品，筛选条件是：在规定功率下，选出激光器管芯的工作电流以及光斑形状符合理论值的产品；工作电流以及在目标处形成的光斑形状大小都是比较方便量化与测量的参数，将其作为激光器的合格性能方便进行判定。如前述，现有技术中有一些激光器就是机械按压进入一铜座然后固定进套筒的，这些激光器在与本步骤相似的测试步骤中就出现大量的废品率，本发明所提供的激光器以及按本方法生产的激光器，能将废品率降低到0.5％以下。
S8：在套筒内壁加工与管座外圈相匹配的螺纹；为后续旋合做准备。
S9：将透镜与弹性体依次放入套筒；
S10：将管座插入管式测试座，并接通电源；
S11：将套筒旋上管座并进行旋转调焦，待输出光斑满足形状要求后在套筒与管座的螺纹上进行点胶固化。
最后三步是总装与调试过程，因为管座与套筒上加工了螺纹，所以能方便地通过旋转方式来调整COS与透镜的间距来达到调焦目的。点胶固化防止螺纹松动，胶水可以使用热熔胶，后期如果激光器发光部分损坏后，还可以更换管座而保留套筒、透镜、弹性体等部件，达到节省材料的目的。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明所提供的TO封装激光器通过在管座与套筒之间使用螺纹的连接方式，大大增加了可拆卸性，也可以通过螺纹调整出光焦距，更避免了激光模组出光方向与模组同轴度差的问题，在生产上也大大减少了因机械压紧导致的物料损坏；先加工螺纹再行电子元器件的焊接烧结等步骤，防止连接松动，激光器管芯与TO管座引线柱使用金丝球焊工艺，管帽与管座使用储能点焊工艺，均对焊点周围的热影响很小，且焊接迅速，焊点牢固。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明的结构示意图。
图中：1-管座、2-COS、3-管帽、4-套筒、5-弹簧、6-透镜、7-连接螺纹。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
如图1所示，一种管座带螺纹结构的TO封装激光器，包括管座1、COS2、管帽3、套筒4、弹性体5和透镜6；
管座1主体为圆饼形并在其上设置管舌凸起，管座1的圆柱侧面上设有螺纹，管座1管舌上焊接有COS2，管座1上还焊接有管帽3，管帽3将COS2罩住，管座1上还设有引线，引线穿过管座1后与COS2电连接，引线和管座1之间烧结有绝缘层；
套筒4一端完全敞开并在靠近端部的内圆柱面上设有螺纹，套筒4内依次设置透镜6、弹性体5和管座1，套筒4和管座1螺纹连接，管座1通过弹性体5将透镜6压紧抵靠在套筒1内部端面上，管帽3上开孔并朝向透镜6。
COS，即带有激光器管芯的一个预制模块件，是本激光器的发光元件，COS2焊接在管舌上，电气电极接管座和引线，管座1与套筒4通过连接螺纹7旋合在一起，管座1又将透镜5通过弹性体5压紧在套筒4内，管座1可以通过螺纹的旋转，使得COS2与透镜6的距离发生变化，从而从COS发出的激光经过透镜6后对外界发出的激光光斑大小发生变化，获得符合预期的激光器，在管座1直接加工螺纹并旋入套筒1的设置方式，相比于将焊接有COS的常规管座1通过机械挤压的方式压入一铜座上然后铜座再和套筒4进行固定的设置方式，激光器生产过程的损伤率大大降低，粗略统计可以降低2％的废品率。
弹性体5为圆柱弹簧。圆柱弹簧轻质，弹性稳定。
管座1与套筒4的连接螺纹为细牙螺纹且在其螺距系列中为最小的螺距规格。细牙螺纹可以在较短的轴向距离上存在较多的螺牙，在连接长度一定时，更多的螺牙旋合在一起可以提供更高的连接强度。
引线与管座1间的绝缘层为玻璃。玻璃的绝缘性非常好，且不与周围元件产生任何反应，物理、化学性质稳定。
管座带螺纹结构的TO封装激光器的模组组装方法，
包括如下步骤：
S1：使用螺纹挤压机台，在激光器管座侧面轧制标准外螺纹；先加工螺纹后进行电子元器件的焊接与烧结，防止加工螺纹时的振动对后续电子元器件的连接强度产生影响，造成松动；
S2：将玻璃、引线插入管座，进行高温烧结成为TO管座；引线插入管座进行烧结，为后续COS提供焊接连接位置；
S3：使用移栽设备将管座整齐排列至工装模条中，在管座的管舌部位涂覆银浆；银浆的涂覆厚度为17±2微米；移栽设备例如使用机械手，将焊接好的管座拾取后，以一定的姿态置入工装模条内等待后续操作。
S4：将粘接有激光器管芯的COS粘接于管舌银浆涂覆处，并进行烘烤固化，使COS上的激光芯片P极与管座形成电路连通；烘烤温度为180℃，时间为1小时。
S5：使用自动焊线机将激光器管芯N极与TO管座引线柱进行焊接；采用金丝球焊焊接工艺，金丝线径为20.3微米；金丝球焊对焊点周围的热影响很小，且焊接稳固，能形成稳定的电路连接。
S6：使用储能焊机台将激光器管帽焊接于TO管座。储能焊机焊接迅速，基本达到瞬间焊接，升温降温快，热量尚未传递到焊点周围就已经完成了焊接，从而对周围的热影响几乎没有，焊接处也很牢靠。因为焊接前机器有一个储能过程，所以机器的焊接功率并没有因为焊接的瞬时性而需求很大，对作业处的用电需求小。
S7：筛选合格的激光器产品，筛选条件是：在规定功率下，选出激光器管芯的工作电流以及光斑形状符合理论值的产品；工作电流以及在目标处形成的光斑形状大小都是比较方便量化与测量的参数，将其作为激光器的合格性能方便进行判定。如前述，现有技术中有一些激光器就是机械按压进入一铜座然后固定进套筒的，这些激光器在与本步骤相似的测试步骤中就出现大量的废品率，本发明所提供的激光器以及按本方法生产的激光器，能将废品率降低到0.5％以下。
S8：在套筒内壁加工与管座外圈相匹配的螺纹；为后续旋合做准备。
S9：将透镜与弹性体依次放入套筒；
S10：将管座插入管式测试座，并接通电源；
S11：将套筒旋上管座并进行旋转调焦，待输出光斑满足形状要求后在套筒与管座的螺纹上进行点胶固化。
最后三步是总装与调试过程，因为管座与套筒上加工了螺纹，所以能方便地通过旋转方式来调整COS与透镜的间距来达到调焦目的。点胶固化防止螺纹松动，胶水可以使用热熔胶，后期如果激光器发光部分损坏后，还可以更换管座而保留套筒、透镜、弹性体等部件，达到节省材料的目的。
实施例2：
相比于实施例1，区别在于：
S3步骤中银浆的涂覆厚度为14±2微米；S4步骤中烘烤温度为150℃，时间为2小时；S5步骤中金丝线径为25.4微米。
实施例3：
相比于实施例1，区别在于：
S3步骤中银浆的涂覆厚度为9±2微米；S4步骤中烘烤温度为160℃，时间为1.5小时；S5步骤中金丝线径为30.5微米。
对比例1：
相比于实施例1，区别在于：
S3步骤中银浆的涂覆厚度为30±2微米；S4步骤中烘烤温度为200℃，时间为1小时；S5步骤中金丝线径为15.2微米。
结果比较：
将实施例1-3和对比例1在步骤S7处的通过率、产品生产完毕后抽样进行500/2000小时带电运行测试通过率制成表一：
说明：对比例1仍将本发明的专利结构作为对象，本发明相比于现有技术在结构上的差异导致的废品率问题已在实施例1中阐明。本次对比针对的是组装方法中步骤S3、S4、S5的参数设定。
从对比中可推论：
步骤S3中银浆的涂覆厚度会影响COS2相对于管座1的位置精度，在管舌部位涂覆厚度小于20微米的银浆，银浆后续将成为导体，而厚度小于20微米是防止COS的出光区域与管座螺纹的轴线不同轴，在原材料零件在尺寸上已经设计好，银浆涂覆过厚就无法保证银浆厚度均匀进而导致COS偏斜而使发出的激光也偏斜，产生残次的激光器；
步骤S4中烘烤温度显著影响银浆的固化过程，温度过高影响固化过程中银浆的胶黏性，过低则固化时间过长甚至无法热固，固化参数以150～180℃，1～2小时为宜；
步骤S5中金丝线径影响激光器管芯和引线的连接可靠性，表现在后期的运行一定时间出现后的故障率。金丝线径大于20微米保证对焊点处电极的覆盖，在运行时的电导性和发热量上获得较优性能。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
Claims (9)
1.一种管座带螺纹结构的TO封装激光器，其特征在于：所述TO封装激光器包括管座(1)、COS(2)、管帽(3)、套筒(4)、弹性体(5)和透镜(6)；
所述管座(1)主体为圆饼形并在其上设置管舌凸起，管座(1)的圆柱侧面上设有螺纹，管座(1)管舌上焊接有COS(2)，管座(1)上还焊接有管帽(3)，管帽(3)将COS(2)罩住，所述管座(1)上还设有引线，引线穿过管座(1)后与COS(2)电连接，引线和管座(1)之间烧结有绝缘层；
所述套筒(4)一端完全敞开并在靠近端部的内圆柱面上设有螺纹，套筒(4)内依次设置透镜(6)、弹性体(5)和管座(1)，套筒(4)和管座(1)螺纹连接，管座(1)通过弹性体(5)将透镜(6)压紧抵靠在套筒(1)内部端面上，所述管帽(3)上开孔并朝向透镜(6)。
2.根据权利要求1所述的一种管座带螺纹结构的TO封装激光器，其特征在于：所述弹性体(5)为圆柱弹簧。
3.根据权利要求1所述的一种管座带螺纹结构的TO封装激光器，其特征在于：所述管座(1)与套筒(4)的连接螺纹为细牙螺纹且在其螺距系列中为最小的螺距规格。
4.根据权利要求1所述的一种管座带螺纹结构的TO封装激光器，其特征在于：所述引线与管座(1)间的绝缘层为玻璃。
5.根据权利要求1-4任一项所述的管座带螺纹结构的TO封装激光器的模组组装方法，其特征在于：所述模组组装方法包括如下步骤：
S1：使用螺纹挤压机台，在激光器管座侧面轧制标准外螺纹；
S2：将玻璃、引线插入管座，进行高温烧结成为TO管座；
S3：使用移栽设备将管座整齐排列至工装模条中，在管座的管舌部位涂覆银浆；
S4：将粘接有激光器管芯的COS粘接于管舌银浆涂覆处，并进行烘烤固化，使COS上的激光芯片P极与管座形成电路连通；
S5：使用自动焊线机将激光器管芯N极与TO管座引线柱进行焊接；
S6：将激光器管帽焊接于TO管座罩住COS；
S7：筛选合格的激光器产品，筛选条件是：在规定功率下，选出激光器管芯的工作电流以及光斑形状符合理论值的产品；
S8：在套筒内壁加工与管座外圈相匹配的螺纹；
S9：将透镜与弹性体依次放入套筒；
S10：将管座插入管式测试座，并接通电源；
S11：将套筒旋上管座并进行旋转调焦，待输出光斑满足形状要求后在套筒与管座的螺纹上进行点胶固化。
6.根据权利要求5所述的一种管座带螺纹结构的TO封装激光器的模组组装方法，其特征在于：所述步骤S3中银浆的涂覆厚度小于20微米。
7.根据权利要求5所述的一种管座带螺纹结构的TO封装激光器的模组组装方法，其特征在于：所述步骤S4中烘烤温度为150～180℃，时间为1～2小时。
8.根据权利要求5所述的一种管座带螺纹结构的TO封装激光器的模组组装方法，其特征在于：所述步骤S5中焊接采用金丝球焊焊接工艺，金丝线径大于20微米。
9.根据权利要求5所述的一种管座带螺纹结构的TO封装激光器的模组组装方法，其特征在于：所述步骤S6中焊接采用储能点焊工艺。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20201229 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |