CN113725719B - 一种半导体激光器的退火方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半导体激光器的退火方法，包括：采用退火装置，退火装置包括第一夹具、第二夹具，激光器热沉位于第一夹具、第二夹具之间，第一夹具、第二夹具远离激光器热沉的表面上分别设置有第一温度调节器、第二温度调节器，对热沉上下表面同时进行阶梯等速退火，优化夹具和热沉在厚度方向的温差应力，并使厚度方向由温差应力产生的芯片翘曲和由于芯片及热沉的CTE不匹配导致的芯片翘曲相消，达到消除封装过程中半导体激光器smile的目的，提高激光器的光束质量。

Description

一种半导体激光器的退火方法

技术领域

本发明属于半导体激光器技术领域，涉及一种半导体激光器的退火方法。

背景技术

半导体激光器体积小、寿命长，并可采用简单的注入电流的方式来泵浦，其工作电压和电流与集成电路兼容，可进行单片集成。因此半导体激光器在激光加工、激光武器、激光通信、光存储、光陀螺、激光打印、测距以及雷达等方面得到了广泛的应用。在很多应用领域要求半导体激光器具有高光束质量和高亮度。在封装过程中半导体激光器由于热应力产生smile效应，降低了器件的光束质量和亮度。目前半导体激光器在退火过程中主要采用单面退火的方法，该方法从器件的热沉底部进行退火。这种退火的方法在半导体激光器厚度方向产生较大的温差应力，加大了激光器的smile，降低光束质量和亮度。

发明内容

本发明的目的是提供一种半导体激光器的退火方法，解决了现有技术中存在的退火过程中半导体激光器应力和“smile”大的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种半导体激光器的退火方法，用于对激光器退火，激光器热沉上表面设置有焊料、芯片，包括以下步骤：

采用退火装置，退火装置包括第一夹具、第二夹具，激光器热沉位于第一夹具、第二夹具之间，第一夹具、第二夹具远离激光器热沉的表面上分别设置有第一温度调节器、第二温度调节器，按照如下所示的退火速度v同时对激光器热沉上下表面进行退火：

其中，σ_chy为CTE失配的应力，

上式中，h₁为焊料厚度，a₁为芯片厚度，α₁为芯片的热膨胀系数，E₁为芯片的杨氏模量，T_f和T_s分别为退火的温度上下限，α₂为热沉的热膨胀系数，E₂为铜的杨氏模量，K为铜的传热系数，a₂为热沉的长度，b₂为热沉的宽度，h₂为第一夹具、第二夹具与激光器热沉的厚度之和。

本发明的特点还在于：

用于对铟封装传导冷却半导体激光器退火。

退火装置还包括有对第一夹具、第二夹具进行定位和距离调节的位置调节器。

第一温度调节器、第二温度调节器内均设置有传感器，每个温度调节器一端设置有电极，两个电极之间连接有控制器。

第一夹具表面开设有凹槽，焊料、芯片位于凹槽内。

本发明的有益效果是：

本发明的一种半导体激光器的退火方法，通过确定第一夹具、第二夹具与热沉的厚度之和，确定退火速度，使退火过程中在厚度方向由温差应力芯片产生的翘曲和由于芯片及热沉的热膨胀系数(CTE)不匹配导致芯片翘曲相消，使退火过程中半导体激光器的smile为0，提高激光器的光束质量；采用退火装置，通过在第一夹具、第二夹具的表面分别设置第一温度调节器、第二温度调节器，对热沉上下表面同时进行阶梯等速退火，优化夹具和热沉在厚度方向的温差应力，并使由厚度方向的温差应力产生的芯片翘曲和由于芯片及热沉的CTE不匹配导致的芯片翘曲相消，使退火过程中半导体激光器的smile为0。

附图说明

图1是本发明一种半导体激光器的退火方法的结构示意图；

图2是本发明一种半导体激光器的退火方法对应的退火速度变化示意图；

图3是本发明一种半导体激光器的退火方法对应的退火温度-时间关系示意图。

图中：1.第一温度调节器，2.第二温度调节器，3.凹槽，4.夹具位置调节器，5.传感器，6.控制器，7.第一夹具，8.第二夹具，9.电极。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

一种半导体激光器的退火方法，用于铟封装传导冷却半导体激光器巴条退火，激光器热沉上表面设置有焊料、芯片，包括以下步骤：

采用退火装置，退火装置包括第一夹具7、第二夹具8，激光器热沉位于第一夹具7、第二夹具8之间，第一夹具7、第二夹具8远离热沉的表面上分别设置有第一温度调节器1、第二温度调节器2，第一温度调节器1、第二温度调节器2分别固定在第一夹具7、第二夹具8上，温度调节器的厚度可忽略。夹具的材料与热沉材料一致。第一温度调节器1、第二温度调节器2对激光器热沉上下表面同时进行温度调节，实现等速退火，本实施例中激光器的热沉为铜。具体的退火操作方法与现有技术的退火方法相同，本实施例只是控制退火速度，实现双面阶梯等速退火。退火过程中，按照下式退火速度v进行退火：

其中，σ_chy为CTE失陪的应力，

上式中，h₁为焊料厚度，a₁为芯片厚度，α₁为芯片的热膨胀系数，E₁为芯片的杨氏模量，T_f和T_s分别为退火的温度上下限，α₂为热沉的热膨胀系数，E₂为铜的杨氏模量，K为铜的传热系数，a₂为热沉的长度，b₂为热沉的宽度，μ₂为泊松系数，h₂为热沉与第一夹具7、第二夹具8厚度之和。

按照公式(1)的退火速度进行退火，在退火时退火速度和时间满足如图2、图3所示的关系，图中Δt持续退火时间，即将T_n降到T_n+1需要的时间，Δt′为等待时间，将整个热沉温度降到T_n+1的时间，主要由热沉和温度调节器的热属性和结构决定。持续退火时间对应的斜率为v。

公式(1)的推导过程如下：

由传热学和热应力理论可知，退火过程中半导体激光器的smile由温差应力和芯片及热沉的CTE不匹配导致的。由于退火过程中热沉的温差产生弯矩，从而产生芯片的smile，温差产生的smile由w_TD表示，温差产生的弯矩为M_cux和w_TD表示为：

上式中，T′(x)为双面等速退火过程中的热沉的稳定温差分布，r_cux为热沉的翘曲曲率。由CTE不匹配得到的smile由w_CTE表示，通过计算得到：

由公式(3)和(4)可知，CTE不匹配导致的smile的形状为“cry”，而温差应力形成的smile为“smile”，因此，当w_TD＝w_CTE时smile就为0，即可得到公式(1)，即当退火速度满足公式(1)时，smile就为0。

本实施例以60W的半导体激光器双面等速退火为例，退火装置还包括有夹具，第一温度调节器1、第二温度调节器2位于夹具之间，夹具用于对第一温度调节器1、第二温度调节器2进行定位，第一温度调节器1、第二温度调节器2选择现有的能实现温度上升和下降的可控器件；还包括有对夹具进行定位的夹具位置调节器4，夹具位置调节器4用于调节夹具与第一温度调节器1、第二温度调节器2之间的距离，并控制第一温度调节器1、凹槽3对芯片的接触压力。第一温度调节器1、第二温度调节器2内均设置有传感器5(1个或多个)，传感器5为温度传感器，每个温度调节器1、2一端设置有电极9，两个电极9之间连接有控制器6，控制器6为时间及温度控制器，控制器6应选择温度控制精度小于0.1℃的控制器。第一夹具7表面开设有凹槽3，焊料、芯片位于凹槽3内。

通过以上方式，本发明的一种半导体激光器的退火方法，通过确定第一夹具、第二夹具与热沉的厚度之和，确定退火速度，使退火过程中由厚度方向的温差应力产生的芯片翘曲和由于芯片及热沉的CTE不匹配导致芯片翘曲相消，使退火过程中半导体激光器的smile为0，提高激光器的光束质量；采用退火装置，通过在第一夹具、第二夹具的表面分别设置第一温度调节器、第二温度调节器，对热沉上下表面同时进行阶梯等速退火，优化夹具和热沉在厚度方向的温差应力，并使厚度方向的温差应力产生的芯片翘曲和由于芯片及热沉的CTE不匹配导致芯片翘曲相消，达到消除封装过程中半导体激光器smile的目的。

Claims (5)

1.一种半导体激光器的退火方法，用于对激光器的退火，激光器热沉上表面设置有焊料、芯片，其特征在于，包括以下步骤：

采用退火装置，所述退火装置包括第一夹具(7)、第二夹具(8)，所述激光器热沉位于第一夹具(7)、第二夹具(8)之间，所述第一夹具(7)、第二夹具(8)远离激光器热沉的表面上分别设置有第一温度调节器(1)、第二温度调节器(2)，按照如下所示的退火速度v同时对激光器热沉上下表面进行退火：

其中，σ_chy为CTE失配的应力，

上式中，h₁为焊料厚度，a₁为芯片厚度，α₁为芯片的热膨胀系数，E₁为芯片的杨氏模量，T_f和T_s分别为退火的温度上下限，α₂为热沉的热膨胀系数，E₂为铜的杨氏模量，K为铜的传热系数，a₂为热沉的长度，b₂为热沉的宽度，μ₂为泊松系数，h₂为两个第一夹具(7)、第二夹具(8)与激光器热沉的厚度之和。

2.根据权利要求1所述的一种半导体激光器的退火方法，其特征在于，用于对铟封装传导冷却半导体激光器巴条退火。

3.根据权利要求1所述的一种半导体激光器的退火方法，其特征在于，所述退火装置还包括有对第一夹具(7)、第二夹具(8)进行定位的夹具位置调节器(4)。

4.根据权利要求1所述的一种半导体激光器的退火方法，其特征在于，所述第一温度调节器(1)、第二温度调节器(2)内均设置有传感器(5)，每个所述温度调节器(1)(2)一端设置有电极(9)，两个所述电极(9)之间连接有控制器(6)。

5.根据权利要求1所述的一种半导体激光器的退火方法，其特征在于，所述第一夹具(7)表面开设有凹槽(3)，所述焊料、芯片位于凹槽(3)内。