CN114156729A - 用于高功率半导体激光器的封装管壳及其制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于高功率半导体激光器的封装管壳及其制备工艺，其包括壳体、支架、透镜和引线组件，壳体包括底板和框体，底板水平设置，框体的侧板固定连接于底板的顶面；框体一端的侧板上设置有激光孔，支架设置于激光孔内，支架外周面套设有第一过渡环且焊接烧结固定，第一过渡环外周面焊接烧结固定于激光孔的内壁；第一过渡环的线膨胀系数介于框体和支架的线膨胀系数之间；透镜固定连接于支架的内壁，引线组件有多个，多个引线组件安装于框体上。本申请具有增强高功率半导体激光器内部产生光子出射的几率的效果。

Description

用于高功率半导体激光器的封装管壳及其制备工艺

技术领域

本发明涉及激光设备技术领域，尤其是涉及一种用于高功率半导体激光器的封装管壳及其制备工艺。

背景技术

半导体激光器是成熟较早、进展较快的一类激光器，由于它的波长范围宽，制作简单、成本低、易于大量生产，并且由于体积小、重量轻、寿命长，因此，品种发展快，应用范围广，目前已超过300种，半导体激光器的最主要应用领域是Gb局域网，850mn波长的半导体激光器适用于1Gb局域网，1300mn-1550nm波长的半导体激光器适用于1OGb局域网系统。半导体激光器的应用范围覆盖了整个光电子学领域，已成为当今光电子科学的核心技术。半导体激光器在激光测距、激光雷达、激光通信、激光模拟武器、激光警戒、激光制导跟踪、引燃引爆、自动控制、检测仪器等方面获得了广泛的应用，形成了广阔的市场。

高功率半导体激光器具有体积小、重量轻、光电转换效率高、性能稳定、可靠性高、和寿命长等优点，已经成为光电行业中最有发展前途的产品，被广泛应用于工业、军事、医疗和直接的材料处理等领域。对于高功率半导体激光器而言，输出功率、转换效率和可靠性是描述器件性能的三个主要参数。

相关技术中，半导体激光器封装管壳，结构主要由框体、底板、支架、引线、玻璃绝缘子、透镜烧结而成。其中框体、支架、引线为4J29材质，4J29线膨胀系数为5.8×10-6℃-1；底板一般为钨铜材质，钨铜的热导率为200W/m℃左右；玻璃绝缘子为BH-G/K材质，BH-G/K材质热导率为17 W/m℃，透镜为蓝宝石材质。

针对上述中的相关技术，发明人认为：此类封装管壳只适合于中小功率的半导体激光器的散热，在对于大功率的半导体激光器散热时，容易出现散热不及时的情况，造成半导体激光器温度过高而损坏；半导体激光器的散热主要取决于底板材质，目前为了增加散热量将框体设置为容易散热的材质，框体的材质发生改变后，框体与支架的材质因线膨胀系数差异太大，框体和支架直接烧结后，焊缝容易因残留应力产生微裂纹而漏气，气体进入封装管壳内，使得半导体激光器内部产生光子出射的几率降低。

发明内容

为了增强高功率半导体激光器内部产生光子出射的几率，本申请提供一种用于高功率半导体激光器的封装管壳及其制备工艺。

本申请提供的一种用于高功率半导体激光器的封装管壳及其制备工艺采用如下的技术方案：

一种用于高功率半导体激光器的封装管壳及其制备工艺，包括壳体、支架、透镜和引线组件，所述壳体包括底板和框体，所述底板水平设置，所述框体的侧板固定连接于所述底板的顶面；所述框体一端的侧板上设置有激光孔，所述支架设置于所述激光孔内，所述支架外周面套设有第一过渡环且焊接烧结固定，所述第一过渡环外周面焊接烧结固定于所述激光孔的内壁；所述第一过渡环的线膨胀系数介于所述框体和所述支架的线膨胀系数之间；所述透镜固定连接于所述支架的内壁，所述引线组件有多个，多个所述引线组件安装于所述框体上。

通过采用上述技术方案，在为高功率半导体激光器提供足够的散热时，往往将框体也设计成散热材料，但框体与支架之间的线膨胀系数差异太大，通过在框体和支架之间加设第一过渡环，由于第一过渡环的线膨胀系数介于框体和支架之间，通过第一过渡环的过渡作用，在烧结焊接时，第一过渡环与支架以及第一过渡环与框体线膨胀系数差异较小，烧结焊接成型后，使得三者之间残留应力的情况减少，产生裂纹而漏气的情况也减少，从而有助于增强高功率半导体激光器内部产生光子出射的几率。

可选的，所述框体对称的两侧侧板均设置有多个线孔，所述引线组件一一对应设置于所述线孔内，所述引线组件包括引线、绝缘子和第二过渡环，所述引线设置于所述线孔内，所述绝缘子套设在所述引线外周面且烧结固定，所述第二过渡环套设在所述绝缘子外周面且烧结固定，所述第二过渡环外周面焊接烧结于所述线孔的内壁，所述第二过渡环线膨胀系数介于所述框体和所述引线的线膨胀系数之间。

通过采用上述技术方案，绝缘子将引线和第二过渡环烧结在一起，再将第二过渡环烧结焊接在框体上，由于第二过渡环与引线以及第二过渡环与框体线膨胀系数差异较小，烧结焊接成型后，使得三者之间残留应力的情况减少，产生裂纹而漏气的情况也减少，从而有助于提高封装壳体的气密性。

可选的，所述底板和所述框体均为无氧铜板构成。

通过采用上述技术方案，由于底板和框体均为无氧铜板，无氧铜热导率为398W/m℃左右，材质通过更改为热导率更高的无氧铜，使封装管壳具有更好的散热性能；钨铜材料成本高，加工性差，而无氧铜材料成本较钨铜低，且加工性非常好，且价格相对钨铜低，有利于降低成本。

可选的，所述底板和所述框体一体成型设计。

通过采用上述技术方案，由于底板和框体一体成型设计，缩短了CNC加工周期，提高CNC加工效率，同样减少了框体和底板烧结带来的漏气风险，有助于进一步提高气密性。

可选的，所述第一过渡环材质线膨胀系数介于9～14×10-6℃-1。

通过采用上述技术方案，第一过渡环材质线膨胀系数介于9～14×10-6℃-1之间，此区间的材质不仅够提供做够的散热，且线膨胀系数介于框体和支架之间，在烧结焊接时，可以减少残留应力的产生。

第二方面，本申请提供的一种封装管壳的制备工艺，采用如下的技术方案，包括以下制备步骤：

S1. 烧结前处理：壳体、引线和支架经机加工后，再经超声波清洗表面油污，壳体、引线和支架在750～850℃氮氢保护下加热25～35min，壳体、引线和支架加热完成后，壳体、引线和支架再自然降至室温；第一过渡环和第二过渡环经机加工后，第一过渡环和第二过渡环表面再预镀镍；绝缘子烧结前经酒精超声清洗5～15min，再烘干；封口环蚀刻工艺加工，封口环表面再预镀镍；

S2.第二过渡环、绝缘子和引线先组装在一起后，再装入石墨夹具中，第二过渡环、绝缘子和引线放入氮氢保护气氛的隧道炉烧结，烧结温度为950～1050℃，炉速60～70mm/min，进行玻璃熔封，构成引线组件；

S3.壳体、封口环、第一过渡环、支架以及S2烧结后的引线组件一起装配好，装入石墨夹具中，放入氮氢保护气氛的隧道炉烧结，进行钎焊烧结，烧结温度为730～830℃，炉速60～70mm/min，烧结成半成品；

S4.将S3烧结的半成品电镀，先镀镍，再镀金；

S5.将S4电镀好的半成品和透镜组装好，装入铝夹具中，放入氮氢保护气氛的隧道炉进行钎焊烧结，烧结温度为300～400℃，炉速60～70mm/min。

通过采用上述技术方案，将框体原先4J29材质改为无氧铜材质，将底板原先的钨铜材质改为无氧铜材质，从而可以提高半导体激光器的散热能力，底板和框体为一体成型，可以解决底板和框体之间焊接处的漏气的情况；由于无氧铜与4J29的线膨胀系数差异太大，烧结焊接时，焊缝容易因残留应力而产生裂纹漏气，通过在框体和支架之间加设第一过渡环，第一过渡环的线膨胀系数在支架和框体之间，第一过渡环可以起到过渡作用，通过在框体和引线之间加设第二过渡环，第二过渡环的线膨胀系数在引线和框体之间，第二过渡环也可以起到过渡作用，有利于减少焊缝容易因残留应力产生微裂纹而漏气。

可选的，S1中所述第一过渡环和所述第二过渡环的表面镍层的厚度为2～5μm，所述封口环镍层厚度为8～10μm。

通过采用上述技术方案，金属镍具有很强的钝化能力，在金属表面镀上适宜厚度的镀层，能迅速生成一层极薄的钝化膜，能抵抗大气、碱和某些酸的腐蚀。

可选的，S3中所述壳体和所述封口环选择银铜焊料焊接，所述壳体和所述第一过渡环和所述支架选择银铜焊料焊接，其中银铜焊料中银铜质量比为18：7。

通过采用上述技术方案，银铜焊料具有优异的工艺性能、适宜的熔点、良好的润湿和填满间隙的能力，焊料及焊缝的强度、导电性和耐腐蚀性优良。

可选的，S4中镍层厚度2～5μm，镀金层厚度大于0.5μm。

通过采用上述技术方案，镍镀层能迅速生成一层极薄的钝化膜，能抵抗大气、碱和某些酸的腐蚀，在镍镀层基础上再加镀一层适宜的镀金层，金属金活泼型低，铜的活泼型较高，镀金能有效解决活泼金属的氧化问题。

可选的，S5中半成品采用金锡焊料烧结，其中金锡焊料中金锡质量比为4：1。

通过采用上述技术方案，金锡焊料烧结，钎焊温度仅比其熔点高出20～30℃(即约300～310)，在钎焊过程中，基于合金的共晶成分，很小的过热度就可使合金熔化并浸润，且合金的凝固过程很快；金锡合金的屈服强度很高，即使在250～260℃的温度下，其强度也能胜任气密性的要求；合金成份中金占了很大的比重(80％)，材料表面的氧化程度较低，如果在钎焊过程中采用真空或还原性气体如氮气和氢气的混合气，就不必使用化学助焊剂。

综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：

在为高功率半导体激光器提供足够的散热时，往往将框体也设计成散热材料，但框体与支架之间的线膨胀系数差异太大，通过在框体和支架之间加设第一过渡环，由于第一过渡环的线膨胀系数介于框体和支架之间，通过第一过渡环的过渡作用，在烧结焊接时，第一过渡环与支架以及第一过渡环与框体线膨胀系数差异较小，烧结焊接成型后，使得三者之间残留应力的情况减少，产生裂纹而漏气的情况也减少，从而有助于增强高功率半导体激光器内部产生光子出射的几率；

绝缘子将引线和第二过渡环烧结在一起，再将第二过渡环烧结焊接在框体上，由于第二过渡环与引线以及第二过渡环与框体线膨胀系数差异较小，烧结焊接成型后，使得三者之间残留应力的情况减少，产生裂纹而漏气的情况也减少，从而有助于提高封装壳体的气密性；

将框体原先4J29材质改为无氧铜材质，将底板原先的钨铜材质改为无氧铜材质，从而可以提高半导体激光器的散热能力，底板和框体为一体成型，可以解决底板和框体之间焊接处的漏气的情况；由于无氧铜与4J29的线膨胀系数差异太大，烧结焊接时，焊缝容易因残留应力而产生裂纹漏气，通过在框体和支架之间加设第一过渡环，第一过渡环的线膨胀系数在支架和框体之间，第一过渡环可以起到过渡作用，通过在框体和引线之间加设第二过渡环，第二过渡环的线膨胀系数在引线和框体之间，第二过渡环也可以起到过渡作用，有利于减少焊缝容易因残留应力产生微裂纹而漏气。

附图说明

图1是本申请实施例的封装管壳的结构示意图。

图2是本申请实施例的封装管壳的爆炸结构示意图。

附图标记说明：

1、壳体；11、底板；12、框体；121、激光孔；122、线孔；2、支架；21、第一过渡环；3、透镜；4、引线组件；41、引线；42、绝缘子；43、第二过渡环；5、封口环。

具体实施方式

以下结合附图1-2对本申请作进一步详细说明。

本申请实施例公开一种用于高功率半导体激光器的封装管壳。参照图1，封装壳体1包括壳体1、封口环5、支架2、透镜3和引线组件4，壳体1包括底板11和框体12，底板11为无氧铜板，无氧铜的热导率为398W/m℃左右，无氧铜的线膨胀系数为17.6×10-6℃-1，底板11水平设置；框体12为方框，框体12与底板11材质相同，框体12的四个侧板的侧边一体成型底板11的顶面，且位于底板11的中间位置，封口环5呈方形，封口环5材质为SUS304，封口环5通过银铜焊料焊接烧结于框体12四个侧板的顶面。

参照图1和图2，框体12一端侧板的中间位置设置有激光孔121，支架2呈圆筒状，支架2的材质为4J29，线膨胀系数为5.8×10-6℃-1，支架2设置于激光孔121内；支架2外周面套设有第一过渡环21，第一过渡环21为多种材质，第一过渡环21材质线膨胀系数介于9～14×10-6℃-1，在具体实施中，第一过渡环21材质为10#钢，线膨胀系数为12×10-6℃-1，第一过渡环21的线膨胀系数介于框体12和支架2之间，第一过渡环21内周面采用银铜焊料焊接烧结于支架2的外周面上，第一过渡环21的外周面采用银铜焊料焊接烧结于激光孔121的内壁上，银铜焊料中银铜质量比为18：7，第一过渡环21的线膨胀系数介于框体12和支架2的线膨胀系数之间；透镜3材质为蓝宝石，透镜3通过金锡焊料焊接烧结于支架2的内壁，且靠近框体12内部的一端。

参照图1和图2，框体12对称的两侧侧板上均开设有四个线孔122，两个侧板上的线孔122一一对应，所述引线组件4有八个，八个引线组件4与八个线孔122一一对应，引线组件4包括引线41、绝缘子42和第二过渡环43，引线41为4J50包铜材质，引线41设置于线孔122内；绝缘子42可以为陶瓷绝缘子42（ELAN13#）或玻璃绝缘子42（氧化铝），在具体实施中，绝缘子42为玻璃绝缘子42，绝缘子42呈圆环状，绝缘子42套设于引线41的外周面，当采用陶瓷绝缘子42时，引线41的材质可替换为4J29包铜；第二过渡环43呈圆环状，第二过渡环43材质为10#钢，第二过渡环43套设于绝缘子42外周面，将组装好的引线组件4进行玻璃熔封，第二过渡环43的外周面采用银铜焊料焊接烧结在线孔122内壁，第二过渡环43线膨胀系数介于框体12和引线41的线膨胀系数之间。

本申请实施例还公开一种封装管壳的制备工艺，包括如下制备步骤：

S1. 烧结前处理：壳体1、引线41和支架2经机加工后，再经超声波清洗表面油污，壳体1、引线41和支架2在800℃氮氢保护下炉体内加热30min，壳体1、引线41和支架2加热完成后，壳体1、引线41和支架2再在炉体自然降至室温；第一过渡环21和第二过渡环43经机加工后，第一过渡环21和第二过渡环43表面再预镀镍，镍层厚度为2～5μm；绝缘子42烧结前经酒精超声清洗10min，再烘干；封口环5蚀刻工艺加工，封口环5表面再预镀镍，镍层厚度为8～10μm；

S2.第二过渡环43、绝缘子42和引线41先组装在一起后，再装入石墨夹具中，第二过渡环43、绝缘子42和引线41放入氮氢保护气氛的隧道炉烧结，烧结温度为950～1050℃，炉速60～70mm/min，进行玻璃熔封，构成引线组件4；

S3.壳体1、封口环5、第一过渡环21、支架2以及S2烧结后的引线组件4一起装配好，装入石墨夹具中，放入氮氢保护气氛的隧道炉烧结，进行钎焊烧结，壳体1和封口环5采用银铜焊料焊接，壳体1、支架2和第一过渡环21也采用银铜焊接，银铜焊料中的中银铜质量比为18：7，烧结温度为780℃，炉速65mm/min，烧结成半成品；

S4.将S3烧结的半成品电镀，先镀镍，镍层厚度2～5μm，再镀金，镀金层厚度大于0.5μm；

S5.将S4电镀好的半成品和透镜3组装好，装入铝夹具中，放入氮氢保护气氛的隧道炉进行钎焊烧结，半成品采用金锡焊料烧结，其中金锡焊料中金锡质量比为4：1，烧结温度为350℃，炉速65mm/min。

本申请实施例一种用于高功率半导体激光器的封装管壳及其制备工艺的实施原理为：在增加高功率半导体激光器散热能力时，将框体12也设计成无氧铜材料，但框体12与支架2之间的线膨胀系数差异太大以及框体12与引线41之间的线膨胀系数差异太大，通过在框体12和支架2之间加设第一过渡环21以及引线41和框体12之间加设第二过渡环43，由于第一过渡环21的线膨胀系数介于框体12和支架2之间以及第二过渡环43的线膨胀系数介于框体12和引线41之间，通过第一过渡环21和第二过渡环43的过渡作用，在烧结焊接时，第一过渡环21与支架2以及第一过渡环21与框体12线膨胀系数差异较小，第二过渡环43与框体12以及第二过渡环43与引线41线膨胀系数差异较小，烧结焊接成型后，使得三者之间残留应力的情况减少，产生裂纹而漏气的情况也减少，从而可以提高封装管壳的气密性，进而有助于增强高功率半导体激光器内部产生光子出射的几率。

以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于高功率半导体激光器的封装管壳，其特征在于：包括壳体(1)、支架(2)、透镜(3)和引线组件(4)，所述壳体(1)包括底板(11)和框体(12)，所述底板(11)水平设置，所述框体(12)的侧板固定连接于所述底板(11)的顶面；所述框体(12)一端的侧板上设置有激光孔(121)，所述支架(2)设置于所述激光孔(121)内，所述支架(2)外周面套设有第一过渡环(21)且焊接烧结固定，所述第一过渡环(21)外周面焊接烧结固定于所述激光孔(121)的内壁；所述第一过渡环(21)的线膨胀系数介于所述框体(12)和所述支架(2)的线膨胀系数之间；所述透镜(3)固定连接于所述支架(2)的内壁，所述引线组件(4)有多个，多个所述引线组件(4)安装于所述框体(12)上。

2.根据权利要求1所述的一种用于高功率半导体激光器的封装管壳，其特征在于：所述框体(12)对称的两侧侧板均设置有多个线孔(122)，所述引线组件(4)一一对应设置于所述线孔(122)内，所述引线组件(4)包括引线(41)、绝缘子(42)和第二过渡环(43)，所述引线(41)设置于所述线孔(122)内，所述绝缘子(42)套设在所述引线(41)外周面且烧结固定，所述第二过渡环(43)套设在所述绝缘子(42)外周面且烧结固定，所述第二过渡环(43)外周面焊接烧结于所述线孔(122)的内壁，所述第二过渡环(43)线膨胀系数介于所述框体(12)和所述引线(41)的线膨胀系数之间。

3.根据权利要求1所述的一种用于高功率半导体激光器的封装管壳，其特征在于：所述底板(11)和所述框体(12)均为无氧铜板构成。

4.根据权利要求2所述的一种用于高功率半导体激光器的封装管壳，其特征在于：所述底板(11)和所述框体(12)一体成型设计。

5.根据权利要求1所述的一种用于高功率半导体激光器的封装管壳，其特征在于：所述第一过渡环(21)材质线膨胀系数介于9～14×10-6℃-1。

6.一种封装管壳的制备工艺，适用于如权利要求1-5任一项所述封装管壳，其特征在于，包括以下制备步骤，

S1. 烧结前处理：壳体(1)、引线(41)和支架(2)经机加工后，再经超声波清洗表面油污，壳体(1)、引线(41)和支架(2)在750～850℃氮氢保护下加热25～35min，壳体(1)、引线(41)和支架(2)加热完成后，壳体(1)、引线(41)和支架(2)再自然降至室温；第一过渡环(21)和第二过渡环(43)经机加工后，第一过渡环(21)和第二过渡环(43)表面再预镀镍；绝缘子(42)烧结前经酒精超声清洗5～15min，再烘干；封口环(5)蚀刻工艺加工，封口环(5)表面再预镀镍；

S2.第二过渡环(43)、绝缘子(42)和引线(41)先组装在一起后，再装入石墨夹具中，第二过渡环(43)、绝缘子(42)和引线(41)放入氮氢保护气氛的隧道炉烧结，烧结温度为950～1050℃，炉速60～70mm/min，进行玻璃熔封，构成引线组件(4)；

S3.壳体(1)、封口环(5)、第一过渡环(21)、支架(2)以及S2烧结后的引线组件(4)一起装配好，装入石墨夹具中，放入氮氢保护气氛的隧道炉烧结，进行钎焊烧结，烧结温度为730～830℃，炉速60～70mm/min，烧结成半成品；

S4.将S3烧结的半成品电镀，先镀镍，再镀金；

S5.将S4电镀好的半成品和透镜(3)组装好，装入铝夹具中，放入氮氢保护气氛的隧道炉进行钎焊烧结，烧结温度为300～400℃，炉速60～70mm/min。

7.根据权利要求6所述的一种封装管壳的制备工艺，其特征在于：S1中所述第一过渡环(21)和所述第二过渡环(43)的表面镍层的厚度为2～5μm，所述封口环(5)镍层厚度为8～10μm。

8.根据权利要求6所述的一种封装管壳的制备工艺，其特征在于：S3中所述壳体(1)和所述封口环(5)选择银铜焊料焊接，所述壳体(1)和所述第一过渡环(21)和所述支架(2)选择银铜焊料焊接，其中银铜焊料中银铜质量比为18：7。

9.根据权利要求6所述的一种封装管壳的制备工艺，其特征在于：S4中镍层厚度2～5μm，镀金层厚度大于0.5μm。

10.根据权利要求6所述的一种封装管壳的制备工艺，其特征在于：S5中半成品采用金锡焊料烧结，其中金锡焊料中金锡质量比为4：1。

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