CN114221210A - 一种半导体激光器的烧结夹具及烧结方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种一次烧结多个半导体激光器的烧结夹具。该夹具包括：上、下固定板以及连接柱；若干压块分别通过上固定板上的矩形孔和下固定板上对应于COS的位置的圆孔压住待烧结的COS两侧。有定位片于对COS进行定位；另有一承载下固定板的套架罩在封装外壳外。本发明可以提高COS定位效率和准确性，且能够实现具有高度差的COS在烧结在过程中受力均匀。

Description

一种半导体激光器的烧结夹具及烧结方法

技术领域

本发明涉及一种半导体激光器的烧结夹具及烧结方法，属于半导体激光器烧结技术领域。

背景技术

半导体激光器由于其波长范围宽、体积小、重量轻、寿命长等诸多优势，已被广泛的应用在军事、通信、投影、医疗、照明以及科研等领域，并且需求也在逐渐增加。

虽然半导体激光器材料生长和制作工艺水平在不断进步，但是单芯片功率仍然无法满足工业生产对半导体激光器的高功率需求，为了获得高功率输出，一般通过增加芯片数量的方法来实现，主要实现方式为巴条阵列封装和多管芯串联封装两种形式，巴条阵列的封装即在慢轴方向上并联多个半导体激光芯片，需要低电压高电流驱动，这在工程运用中会产生很多实际问题，另外，由于巴条阵列尺寸较大，不仅封装难度高，还易产生空洞，造成热量富集，大大降低激光器的性能及寿命。相比之下，单芯片串联封装不仅具有独立的电、热工作环境，避免了发光单元之间的热串扰，使其在寿命等方面具有很大的优势。并且单个芯片是独立封装，可以降低芯片烧结难度，提高散热能力，还可以对封装好的小单元进行筛选，剔除不良品，提高串联模块的成品率。

多管芯串联封装，即将单个芯片封装到次热沉上，然后再将封装好的单元器件COS(COS指chip on submount，是封装在次热沉上的激光器)经过二次烧结，封装到大热沉上。由于焊料在融化时会有一定的流动性，造成热沉底板与大热沉之间形成烧结空洞，还会使管芯出光方向出现偏差。因此在进行二次烧结时，需要对COS施加一定的压力。

CN104409964A提出了一种半导体激光器烧结夹具及其烧结方法，该夹具包括底座、支撑板和压块，支撑板固定在底座上，支撑板上设置有压紧螺栓，底座上设置有固定柱，压块通过固定柱定位于底座上，压块底部一侧设有凸台，压块底部另一侧固定排布有竖向的弹簧针。首先将预制完焊料的热沉放置在底座上，并通过底座上的固定柱对热沉进行定位，然后将COS沿热沉的弧形边缘放置在热沉上，将压块放置在热沉上，弹簧针与COS一一对应，转动压紧螺栓，使其压紧压块，使烧结过程中不移位。该方法的不足之处是COS在大热沉上处于同一平面上，当大热沉上有梯度，要求COS具有一定的高度差进行排列时，对每个COS施加的力大小不同，从而无法保证高度差一致性。并且需要人工在显微镜下摆放COS，导致效率低下和COS排放的位置容易出现偏差，且一致性差。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种半导体激光器的烧结夹具，特别是一种一次烧结多个半导体激光器的烧结夹具，可以提高COS定位效率和准确性，并且能够实现具有高度差的COS在烧结在过程中受力均匀。

本发明解决的技术问题包括，但不限于：一次烧结多个具有高度差的或位于同一平面上的导体激光器，COS排放容易且无偏差。

本发明还提供利用所述半导体激光器的烧结夹具的烧结方法。

多个半导体激光器：是指位于同一平面的或者位于具有高度差的多个平面的COS。

COS：是指chip on submount，是封装在次热沉上的激光器。

封装外壳：是指激光器的封装外壳，外壳内有COS烧结区，多个COS的光耦合后由光纤输出。

封装外壳、定位片的宽度与长度：所述“宽度”是指半导体激光器烧结夹具结构示意图图1中X方向的长，所述的“长度”是指图1中Y方向的长。

本发明的技术方案为：

一种半导体激光器的烧结夹具，包括：

上、下固定板以及连接上、下固定板的连接柱；

若干压块，压块上部是矩形柱状，称其为矩形部，压块下部的底端是尖头，用于压住待烧结COS；

所述上固定板上设置有矩形孔，与所述下固定板上的圆孔上下垂直对齐，用于压块的矩形部从中穿过；

所述下固定板上对应于COS的位置设置有若干通孔，用于压块下部从中穿过；

用于对COS进行定位的定位片；

用于承载下固定板的套架。

根据本发明优选，用于承载下固定板的套架套在封装外壳上。用于连接下固定板和封装外壳，防止组装好的装置移动过程中发生移位。

根据本发明优选，所述压块下部是圆柱。相应的，下固定板上的通孔为圆孔。进一步优选，压块下部的尺寸小于压块上部的尺寸。此处所述尺寸是指压块横截面的面积。

根据本发明优选，所述定位片一边与COS烧结区边缘平齐，该边设置有凹槽，将激光器出光面对准凹槽中心位置，可以对COS进行定位；该凹槽也可以防止定位片接触激光器出光面，避免损伤激光器出光面。

进一步的，所述定位片位于封装外壳内表面。所述定位片长度与封装外壳内表面内长度相匹配，定位片宽度为封装外壳上表面内壁到COS前腔面的距离，使定位片以卡在封装外壳内壁的方式固定。

根据本发明优选，所述压块下部底端的尖头压住待烧结COS上热沉的两侧。

所述下固定板上设置的圆孔个数为COS个数*2，圆孔直径与压块圆柱部直径相匹配。所述上固定板上设置的矩形孔个数为COS个数*2，矩形孔尺寸与压块矩形部尺寸相匹配。本发明是将压块下部底端的尖头压在COS上热沉的两侧实现固定作用，因此压块的个数是待烧结COS个数的两倍。

所述上固定板的圆孔和下固定板的矩形孔一一垂直对应，用于固定压块。

根据本发明优选，所述压块矩形部长度大于圆柱部长度。

根据本发明优选，所述压块底端的尖头与COS的接触点是带有圆弧形状的尖状。与现有的定位针相比，此处尖头部呈圆弧形可增加接触面积，能很好地避免位移。

根据本发明，所述COS位于所述封装外壳内的COS烧结区域，呈阶梯状排列。

本发明的半导体激光器烧结家具可以用于位于同一平面的多个COS，也可以用于位于具有高度差的多个平面的COS。

根据本发明优选，用于承载下固定板的套架卡装在封装外壳上部或贴合套在封装外壳外。所述套架连接下固定板和封装外壳，防止组装好的装置移动过程中发生移位。

根据本发明优选，用于承载下固定板的套架是有围壁的套筒或者是没有围壁的支架。其尺寸与下固定板匹配。平稳地卡住下固定板以承载上、下固定板和连接柱。

根据本发明优选，所述套架由横支撑卡梁分为上下两部分。套架下部尺寸与封装外壳上部或外部尺寸匹配，可以将套架卡在外壳壁上固定或贴合在封装外壳外。套架上部尺寸与下固定板尺寸匹配，使下固定板卡在套架上部固定。

使用本发明的半导体激光器烧结夹具一次烧结多个半导体烧结的方法，包括步骤：

(1)将定位片放置在封装外壳中，定位片以卡在外壳内表面内的方式固定。将COS放置在封装外壳中的烧结区域，出光面对准定位片凹槽中心位置。定位片一边与COS烧结区边缘平齐，对COS进行定位；

(2)将套架套置在封装外壳上部或壳外，套架下部尺寸与外壳上部尺寸匹配，可以将套架卡在外壳壁上固定。将下固定板放置在套架上部，使下固定板卡在套架上部固定。在下固定板上安装连接柱，然后安装上固定板。

(3)将压块依次穿过上固定板上的矩形孔和下固定板上的圆孔，压块底端的尖头压在COS上热沉的两侧，使COS受力均匀，并且避免损坏激光器。

(4)将安装好的整个夹具放在烧结炉中进行烧结。优选的，在氮气保护中烧结。

本发明未做详细限定的，可按现有技术。

本发明的有益效果：

1、本发明结构简单，操作方便。将压块上部设计为矩形柱状可以防止圆柱形压块的转动，防止底端尖头旋转，避免位移。本发明通过套筒连接下固定板和封装外壳，防止组装好的装置移动过程中夹具移位。提高烧结良率。

2、本发明设计每个COS对应两个压块，使COS两侧受力均匀，并且施加的压力不受COS焊接面的高度影响，特别适用于COS具有一定的高度差进行排列的情况。

3、本夹具可以放在氮气的保护中烧结，防止高温烧结时焊料氧化。同时可以设置多个夹具单元批量烧结，提高生产效率。

4、本发明通过定位片对COS进行定位，极大提高了COS定位效率和准确性，解决了以往人工在显微镜下摆放COS导致的效率低下和位置偏差问题。

附图说明

图1为实施例1的半导体激光器烧结夹具的结构示意图；

图2为本发明中压块下部的尖头压在COS上热沉的两侧示意图；

图3压块示意图；

图4下固定板示意图；

图5套架示意图；

图6是定位片与COS安装位置示意图；

图7封装外壳内呈阶梯状排列COS烧结区域示意图；

图中，1、压块，2、上固定板，3、连接柱，4、下固定板，5、套架，6、封装外壳，7、定位片，8、压块下部的圆柱部，9、COS，10、压块底端的尖头，11、压块上部的矩形部，12、下固定板上压块通孔(圆孔)，13、下固定板上COS观察窗口，14、安装孔。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例1：

本发明的半导体激光器烧结夹具的结构如图1所示；主要包括上固定板2、下固定板4以及连接上、下固定板的连接柱3，还有若干压块1及定位片7；压块上部是矩形部11，下部是圆柱部8，底端是尖头10，用于压住待烧结COS 9的两侧，压块底端的尖头10与COS的接触点是带有圆弧形状的尖状，增加接触面积能很好地避免位移，所述压块的结构如图3所示。所述压块矩形部11长度大于圆柱部8长度。

所述上固定板2上设置有矩形孔用于压块矩形部11从中通过，与所述下固定板上的圆孔上下垂直对齐，下固定板上对应于COS的位置设置有若干圆孔12，用于压块的圆柱部8从中穿过；上固定板2上的矩形孔与下固定板上的圆孔上下垂直对齐。下固定板4卡在套架5的横梁上，水平、稳定地固定在套架5上，套架5的结构如图5所示，该套架5罩在封装外壳外，套架5下部尺寸与封装外壳尺寸匹配，可将套架4卡在外壳壁上固定。

定位片7用于对COS进行定位；所述定位片7卡装在封装外壳内表面，定位片长度(Y向长度)与封装外壳内表面内长度相匹配，定位片宽度(X向宽度)为封装外壳内壁到COS前腔面的距离，使定位片以卡在封装外壳内壁的方式固定；所述定位片7一边与COS烧结区边缘平齐，该边设置有凹槽，将激光器出光面对准凹槽中心位置，可以对COS进行定位(如图6所示)；该凹槽也可以防止定位片接触激光器出光面，避免损伤激光器出光面。

所述下固定板上设置的圆孔个数为COS个数*2，圆孔直径与压块圆柱部直径相匹配。所述上固定板上设置的矩形孔个数为COS个数*2，矩形孔尺寸与压块矩形部尺寸相匹配。所述下固定板的圆孔12和上固定板的矩形孔一一垂直对应，用于固定压块。一种方案是所述COS位于所述封装外壳内的COS烧结区域，呈阶梯状排列，如图7所示。

利用实施例1所述半导体激光器烧结夹具的对多个具有高度差的半导体激光器进行烧结的方法，步骤如下：

(1)将定位片7放置在封装外壳6中，定位片7以卡在封装外壳6内表面内的方式固定。将COS放置在封装外壳6中的烧结区域，出光面对准定位片凹槽中心位置。定位片7一边与COS烧结区边缘平齐，对COS进行定位；

(2)将套架5套置在封装外壳6上，套架下部尺寸与外壳上部尺寸匹配，可以将套架卡在外壳壁上固定。将下固定板4放置在套架上部，使下固定板4卡在套架5上部固定。在下固定板上安装连接柱，然后安装上固定板。

(3)将压块依次穿过上固定板上的矩形孔和下固定板上的圆孔12，压块的尖头10压在COS上热沉的两侧，使COS受力均匀，并且避免损坏激光器。

(4)将安装好的整个夹具放在烧结炉中，在氮气保护中烧结。

采用本发明实施例1的夹具和烧结方法，一个夹具固定6个COS，同时设置8个夹具单元批量烧结，烧结后全部合格，烧结良率为100％。

Claims (10)

1.一种半导体激光器的烧结夹具，包括：

上、下固定板以及连接上、下固定板的连接柱；

若干压块，压块上部是矩形柱状，称其为矩形部，压块下部的底端是尖头，用于压住待烧结COS；

所述上固定板上设置有矩形孔，与所述下固定板上的圆孔上下垂直对齐，用于压块的矩形部从中穿过；

所述下固定板上对应于COS的位置设置有若干通孔，用于压块下部从中穿过；

用于对COS进行定位的定位片；

用于承载下固定板的套架。

2.如权利要求1所述的半导体激光器的烧结夹具，其特征在于所述压块下部是圆柱形。

3.如权利要求1所述的半导体激光器的烧结夹具，其特征在于，所述定位片一边与COS烧结区边缘平齐，该边设置有凹槽，将激光器出光面对准凹槽中心位置；进一步优选的，所述定位片位于封装外壳内表面；使定位片以卡在封装外壳内壁的方式固定。

4.如权利要求1所述的半导体激光器的烧结夹具，其特征在于所述压块下部底端尖头压住待烧结COS上热沉的两侧；优选的，所述压块下部底端的尖头与COS的接触点是带有圆弧形状的尖状。

5.如权利要求1所述的半导体激光器的烧结夹具，其特征在于所述下固定板上设置的圆孔个数为COS个数*2，圆孔直径与压块圆柱部直径相匹配；所述上固定板上设置的矩形孔个数为COS个数*2，矩形孔尺寸与压块矩形部尺寸相匹配。

6.如权利要求1所述的半导体激光器的烧结夹具，其特征在于所述压块矩形部长度大于压块下部圆柱长度。

7.如权利要求1所述的半导体激光器的烧结夹具，其特征在于所述COS位于所述封装外壳内的COS烧结区域，呈阶梯状排列。

8.如权利要求1所述的半导体激光器的烧结夹具，其特征在于，用于承载下固定板的套架套在封装外壳上，用于连接下固定板和封装外壳；选的，该套架卡装在封装外壳上部或贴合套在封装外壳外。

9.如权利要求1所述的半导体激光器的烧结夹具，其特征在于用于承载下固定板的套架是有围壁的套筒或者是没有围壁的支架；套架尺寸与下固定板匹配；优选的，所述套架由横支撑卡梁分为上下两部分；套架下部尺寸与封装外壳上部或外部尺寸匹配，将套架卡在外壳壁上固定或贴合；套架上部尺寸与下固定板尺寸匹配，使下固定板卡在套架上部固定。

10.一种一次烧结多个半导体激光器的烧结方法，包括使用权利要求1-9任一项所述的半导体激光器的烧结夹具，包括步骤：

(1)将定位片放置在封装外壳中，定位片以卡在外壳内表面内的方式固定；将COS放置在封装外壳中的烧结区域，出光面对准定位片凹槽中心位置；定位片一边与COS烧结区边缘平齐，对COS进行定位；

(2)将套架套置在封装外壳上部或壳外，套架下部尺寸与外壳上部尺寸匹配，可以将套架卡在外壳壁上固定；将下固定板放置在套架上部，使下固定板卡在套架上部固定；在下固定板上安装连接柱，然后安装上固定板；

(3)将压块依次穿过上固定板上的矩形孔和下固定板上的圆孔，压块底端的尖头压在COS上热沉的两侧，使COS受力均匀，并且避免损坏激光器；

(4)将安装好的整个夹具放在烧结炉中进行烧结。

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