CN114406460A

CN114406460A - 一种激光巴条封装结构及焊接夹具与方法

Info

Publication number: CN114406460A
Application number: CN202210015735.6A
Authority: CN
Inventors: 梅泽群; 赛红帅; 沙彬
Original assignee: Suzhou Youshi Photoelectric Technology Co ltd
Current assignee: Suzhou Youshi Photoelectric Technology Co ltd
Priority date: 2022-01-07
Filing date: 2022-01-07
Publication date: 2022-04-29

Abstract

本发明提供了一种激光巴条封装结构及焊接夹具与方法，焊接夹具包括：平行对齐的上压板和下压板，所述上压板和下压板通过与上、下压板垂直的螺杆轴实现锁定，所述下压板上设有用于容置封装材料的窄槽，所述上压板与所述窄槽相对的表面设有平衡压紧结构，所述上压板和下压板的面积和材质相同，所述螺杆轴的热膨胀系数小于所述上压板和下压板的热膨胀系数。本发明通过特殊设计的焊接夹具结合低温焊接的方法把两个热沉和激光巴条焊接在一起，从而降低了高温焊接引起的热应力。

Description

一种激光巴条封装结构及焊接夹具与方法

技术领域

本发明涉及激光巴条封装技术领域，具体涉及一种激光巴条封装结构及焊接夹具与方法。

背景技术

近年来，大功率半导体激光器已广泛应用于激光泵浦、医疗/医美、显示照明、工业加工等领域。大功率半导体激光器的发光芯片多采用巴条(英文Bar)的形式。一根激光巴条的典型尺寸，在长×宽×厚的三个方向分别是10×1×0.11立方毫米。一根激光巴条垂直于厚度的两个侧面之一是发光面。一个激光巴条垂直于宽度的两个侧面分别是P极和N极，P极表面有纹理结构，对应于近20个发光区的分割和排列；N极则是一个平面，相当于近20个发光区的N极的短接。P极和N极表面有镀金层。一根激光巴条的电功率100瓦以上(驱动电流约为50A，电压约为2V)，鉴于芯片的发光效率在50％左右，约有50％的电功率转化为热功率，也就是50瓦的热量。如果热量不能从如此之小的芯片体积有效地传出，芯片的温度迅速上升，对芯片的发光效率和寿命有直接的致命影响。

为了给以上典型尺寸的激光巴条提供约为50A的电流，传出约为50瓦的热量，两根热沉把一根激光巴条夹在中间，形成三明治结构，激光巴条和热沉接触的部分分别是激光巴条的P极和N极。P极表面有纹理结构，对应于近20个发光区的分割和排列；N极则是一个平面，相当于近20个发光区的N极的短接。P极和N极表面有镀金层。一根激光巴条垂直于厚度的两个侧面之一是发光面，如图1所示。如果激光巴条和热沉的材料的热膨胀系数不匹配，激光巴条和热沉在高温焊接冷却到室温后产生热应力。这种热应力可能造成激光巴条的机械损坏，尤其是巴条是扁平的长条，很容易产生裂纹甚至脆断。

目前用于光电组件焊接的许多低温焊接合金，譬如铟-铋-锡系的合金系统，熔点在110-230℃之间，但是这些合金的表面存在较厚的氧化层，一般焊接的工艺中需要添加化学助焊剂。对于激光巴条而言，化学助焊剂在焊接工艺后的残余在大电流驱动下，可能造成激光芯片的短路或击穿。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供了一种激光巴条封装结构及焊接夹具与方法，通过特殊设计的焊接夹具结合低温焊接的方法把两个热沉和激光巴条焊接在一起，从而降低了高温焊接引起的热应力。

为了实现本发明的技术目的，本发明采用的技术方案为：

本发明提供了一种激光巴条封装结构的焊接夹具，包括：平行对齐的上压板和下压板，所述上压板和下压板通过与上、下压板垂直的螺杆轴实现锁定，所述下压板上设有用于容置封装材料的窄槽，所述上压板与所述窄槽相对的表面设有平衡压紧结构，所述上压板和下压板的面积和材质相同，所述螺杆轴的热膨胀系数小于所述上压板和下压板的热膨胀系数。

优选地，所述螺杆轴设置于所述上压板和下压板的两端。

更优选地，所述螺杆轴包括贯穿所述上压板和下压板的可伐合金螺杆以及位于所述上压板的上方并与所述可伐合金螺杆匹配的可伐合金螺母。

优选地，所述平衡压紧结构包括但不限于互相连接的弹簧阵列结构或者两层钢珠结构，所述互相连接的弹簧阵列结构包括但不限于互相连接的多圆环结构或者多菱形结构。

优选地，所述封装材料包括热沉和激光巴条。

本发明还提供了一种激光巴条封装结构的焊接方法，通过将封装材料夹在上述焊接夹具中间并进行低温焊接(110-180℃)实现，所述封装材料包括热沉和激光巴条，所述热沉的焊接面镀有焊接合金或者在所述热沉和所述激光巴条之间添加焊接合金的焊片。

优选地，所述热沉的材料包括但不限于钨-铜合金，钨的含量在70％-90％(重量比)之间，更优选80-90％；或者钼-铜合金，钼的含量在60-90％(重量比)之间，更优选85-90％；或者钨-钼-铜的三元素合金；或者铜片和钼片的层压结构。

优选地，所述热沉的焊接面镀有便于焊接的贵重金属，所述贵重金属包括但不限于金、铂、钯、银；镀层的厚度一般约为0.5-1.0μm；镀层的制作方法可以是电镀，化学镀或者是真空镀；或者所述热沉的焊接面镀有低温焊接合金，低温焊接合金可以是铟(In)、铋(Bi)、锡(Sn)的合金，熔点在119-232℃之间；低温焊接合金可以通过真空镀的方法镀在热沉的焊接面上，可以采用各个金属依次镀的方法；镀层的总厚度大于3μm，最好5-10μm。

优选地，所述焊接合金的焊片可以在熔炼合金后，压制成型，切割；焊片的厚度控制在5-20μm之间，最好是10μm；焊片的平面尺寸小于激光巴条的焊接面。

本发明另提供了由上述方法获得的激光巴条封装结构。

本发明的有益效果在于：

本发明设计了一种激光巴条封装结构的焊接夹具，该焊接夹具有两种特性，一是随着温度的上升，夹具间的压力增加；二是夹具表面有平衡压紧结构，能够使夹具间的压力自动调节均匀；结合该夹具，本发明在低温、无助焊剂的条件下完成激光巴条和热沉的焊接，从而降低了高温焊接产生的热应力，形成的封装结构焊接界面沿着巴条的长度方向均匀一致，无虚焊；由于是低温焊接芯片和巴条之间热应力低，无芯片破损或裂纹现象，生产产品的良率高，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为激光巴条的封装结构。

图2为本发明一种激光巴条封装结构的焊接夹具的结构示意图，其中：101、热沉，102、焊片，103、激光巴条，104、焊片，105、热沉，106、平衡压紧结构，107、可伐合金螺母，108、可伐合金螺杆，109、导向定位销，110、上压板，111、下压板。

图3为本发明焊接夹具中一种互相连接的多圆环结构的示意图。

图4为一种互相连接的多圆环结构的平衡压紧原理示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合实施例并对照附图对本发明作进一步详细说明。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

本发明提供的一种激光巴条封装结构的焊接夹具的结构如图2所示，包括：平行对齐的上压板110和下压板111，上压板110和下压板111可通过导向定位销109对准，并通过与上、下压板垂直的螺杆轴实现锁定，螺杆轴设置于上压板110和下压板111的两端，包括贯穿上压板110和下压板111的可伐合金螺杆108以及位于上压板110的上方并与可伐合金螺杆108匹配的可伐合金螺母107。下压板111上设有用于容置封装材料(包括热沉和激光巴条)的窄槽，上压板110与窄槽相对的表面设有平衡压紧结构106。

该焊接夹具的功能有三：一是方便把热沉/焊片/激光巴条/焊片/热沉相互对准对齐；二是在焊接的过程中对热沉/焊片/激光巴条/焊片/热沉的层状结构加压；三是调节焊接过程中由于热沉的厚度不一致引起的压力不均匀。

焊接夹具的第一个功能即对正对齐功能是通过刻槽来完成，热沉、焊片和激光巴条放入尺寸稍大的窄槽中。

焊接夹具的第二个功能是焊片熔化的时候对焊片施加压力。这时候焊片的内部已经熔化，但外表面的氧化层没有熔化，阻挡了熔化的焊接合金与激光巴条焊接面的接触。这时候，只要稍加压力就能打破表面的固体氧化层，熔化的内部合金和激光巴条焊接面的金镀层反应，完成焊接。可见在熔化时刻的压力对于低温无助焊剂的焊接化学反应至关重要。

我们也曾试图用弹簧或螺丝旋紧加压的方法，效果都不好。弹簧的压力随着温度的提升逐渐下降；螺丝旋紧的方法同样是压力随着温度的提升逐渐下降。如果在室温时的起始压力过大，会造成芯片的机械破损。

基于此，我们设计了一个特殊的焊接夹具，在室温时的起始压力不大，但随着温度的提高，压力也逐渐提高。

图2的结构中，上压板110和下压板111的面积和材质相同，螺杆轴的热膨胀系数小于上压板110和下压板111的热膨胀系数，所以当温度升高时，上、下压板膨胀的程度比螺杆轴大，而螺杆轴已经锁紧，造成对夹具中间的热沉/焊片/激光巴条/焊片/热沉结构加压。

夹具压力F的计算公式如下：

F≈ΔαΔT S_螺E_螺公式1

其中Δα为上压板/下压板与可伐合金螺杆的热膨胀系数之差，ΔT为焊片熔点和环境温度之差，S_螺和E_螺为可伐合金螺杆的截面积和杨氏弹性模量。

夹具的第三个功能是调节和平衡由于热沉厚度不一致引起的压力不均的情况。如图3所示，在上压板的表面有一个互相连接的多圆环结构作为平衡压紧结构，该结构类似于互相连接的弹簧阵列结构，其平衡压紧原理如图4所示：

当图中1和2处，受到箭头方向的力时，1与2处圆环变形，通过变形量3和4处的力，挤压中间圆环，使其向5处变形，产生6的位移量，实现均衡施压。由于热沉的局部不平整，某处的压力比相邻的其它处高，压力高处的圆环压扁变形，挤压相邻的圆环，使其升高，从而达到压力平衡的结果。

除了互相连接的多圆环结构，还有类似的能取得同样效果的结构，譬如互相连接的多菱形结构，或者两层钢珠结构。

本发明提供的一种激光巴条封装结构的焊接方法，通过将封装材料夹在上述焊接夹具中间并进行低温焊接实现，封装材料主要包括热沉和激光巴条。

热沉材料必须是导热和导电性能良好的金属，同时其热膨胀系数和激光巴条的材料匹配。一些相关材料的热性能参数如表1：

表1.相关材料的热性质

表中最好的导热金属是铜和银，但它们的热膨胀系数和激光材料AlGaAs不匹配。最匹配AlGaAs热膨胀系数的材料是Kovar，但其热导率不高。热导率和热膨胀系数和激光芯片材料接近的是钨、钼，但这两个材料的机械加工性能也不好，而且材料价格比铜高许多。

本发明中，热沉的材料可以是钨铜合金，钨的含量在70％-90％(重量比)之间，更优选80-90％。钨铜合金的热膨胀系数和导热系数如表2所列：

表2.钨铜合金的热学性能(选自株洲佳邦难熔金属股份有限公司)

热沉也可以是钼-铜合金，钼的含量在60-90％(重量比)之间，更优选在85-90％之间。钼-铜合金的热膨胀系数和导热系数如表3所列：

表3.钼铜合金的热学性能(选自安泰科技股份有限公司)

热沉也可以钨-钼-铜的三元素合金；或者也可以是铜片和钼片的层压结构。

热沉与激光巴条的焊接面表面可以有两种形式：(1)镀有便于焊接的贵重金属，譬如金、铂、钯、银。镀层的厚度一般约为0.5-1.0μm。镀层的制作方法可以是电镀、化学镀、或者是真空镀。(2)镀有低温焊接合金，厚度大于3μm。

热沉和激光巴条的焊接焊料采用低温合金。低温合金可以是铟(In)、铋(Bi)、锡(Sn)的合金，熔点在119℃-232℃之间。常用的低温合金一般含有铅，由于铅被认为是对人体的神经系统有损害的效应，我们这里不予考虑。

锡与铟的共晶成分是52In-48Sn(wt％)，共晶熔点为117℃。锡与铋的共晶成分是58Bi-42Sn(wt％)，共晶熔点为138℃。这两个低温焊接合金都在电子封装焊接材料中使用了超过50年，52In-48Sn比较软，延展性优良；58Bi-42Sn比较硬，强度高但延展性低。以58Bi-42Sn为基础，加入少量的铟；或者以52In-48Sn为基础，加入少量的铋，从而形成的无穷数量的合金成分。另外微量其它元素尤其是微量的银能改善材料的强度和延展性。表4列出一些文献中报道的合金成分，以及相应的机械性质：

表4.一些低温焊接合金的成分和机械性质

焊接合金可以通过真空镀的方法镀在热沉的焊接面上，可以采用各个金属依次镀的方法，譬如40Sn-55Bi-5In可以依次分别镀Sn，Bi，最后In，形成Sn/Bi/In的层状结构，在焊接的过程中，三种金属会分别熔化、混合、形成合金。也可以Sn/Bi/In的重复叠加，从而各层的厚度降低，熔化混合形成合金的时间相应缩短。镀层的总厚度应该大于3μm，最好5-10μm。

焊接合金也可以通过焊片的方式夹在激光和热沉之间。合金的焊片可以在熔炼合金后，压制成型，切割。焊片的厚度应控制在5-20μm之间，最好是10μm。焊片的平面尺寸应该比激光巴条的焊接面稍小，避免过多的焊锡流动造成P极和N极的短路。

本申请中，低温焊接合金替代金锡合金大大降低了焊接过程中的热应力。焊接产生热应力的原因如下；在焊料熔点，焊料成液体，没有应力；完成焊接后激光巴条和热沉形成一体；在从熔点温度下降到室温的过程中，由于激光巴条材料AlGaAs的热膨胀系数和热沉不一样，在巴条和热沉的交接处产生应力。这种热应力可能造成芯片的机械损伤。金锡合金的熔点是280℃，低温焊接合金的温度譬如是140℃。金锡合金产生热应力的温差是(280℃-25℃)＝255℃。低温焊接合金产生的热应力的温差是(140℃-25℃)＝115℃。低温焊接合金产生的热应力只是金锡合金产生的热应力的45％。

另外，低温焊接合金尤其是铟合金，其弹性模量、屈服强度远低于共晶金锡合金，热应力通过塑性变形得以释放。另外，低温合金的在室温下会蠕变，也能产生塑性变形释放热应力。

实施例

激光巴条采用华光光电的808纳米的激光巴条，尺寸为10×1×0.11平方毫米。每个巴条有19个发光区域，正常驱动电流为50A，电压为2.1V。热沉采用90W-10Cu的钨铜合金，其热膨胀系数为6.5e-6/K，只比激光巴条的AlGaAs材料的热膨胀系数为5.8e-6/K大0.7e-6/K。热沉表面镀有化学镀的镍和化学镀的金，镀层厚度为镍5μm，金0.5μm。本实施例中采用52In-48Sn的铟-锡共晶合金，其熔点为117℃。

焊接夹具的上夹板和下夹板的在长、宽方向尺寸接近，宽6mm，长25mm，上夹板有弹簧结构，厚约为25mm，下夹板厚20mm。夹板材料选自含Mg铝合金，其热膨胀系数约为20E-6/℃，夹具的螺杆材料是304L不锈钢，其热膨胀系数约为16E-6/℃。通过该焊接夹具，可以在低温、无助焊剂的条件下完成激光巴条和热沉的焊接，从而降低了高温焊接产生的热应力，形成的封装结构焊接界面沿着巴条的长度方向均匀一致，无虚焊；由于是低温焊接芯片和巴条之间热应力低，无芯片破损或裂纹现象，生产产品的良率高。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为更清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方法予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims

1.一种激光巴条封装结构的焊接夹具，包括：平行对齐的上压板和下压板，所述上压板和下压板通过与上、下压板垂直的螺杆轴实现锁定，所述下压板上设有用于容置封装材料的窄槽，所述上压板与所述窄槽相对的表面设有平衡压紧结构，所述上压板和下压板的面积和材质相同，所述螺杆轴的热膨胀系数小于所述上压板和下压板的热膨胀系数。

2.根据权利要求1所述的一种激光巴条封装结构的焊接夹具，其特征在于，所述螺杆轴设置于所述上压板和下压板的两端。

3.根据权利要求1所述的一种激光巴条封装结构的焊接夹具，其特征在于，所述螺杆轴包括贯穿所述上压板和下压板的可伐合金螺杆以及位于所述上压板的上方并与所述可伐合金螺杆匹配的可伐合金螺母。

4.根据权利要求1所述的一种激光巴条封装结构的焊接夹具，其特征在于，所述平衡压紧结构包括互相连接的弹簧阵列结构或者两层钢珠结构，所述互相连接的弹簧阵列结构包括互相连接的多圆环结构或者多菱形结构。

5.根据权利要求1-4任意一项所述的一种激光巴条封装结构的焊接夹具，其特征在于，所述封装材料包括热沉和激光巴条。

6.一种激光巴条封装结构的焊接方法，通过将封装材料夹在权利要求1-4任意一项所述的一种激光巴条封装结构的焊接夹具中间并进行低温焊接实现，所述封装材料包括热沉和激光巴条，所述热沉的焊接面镀有焊接合金或者在所述热沉和所述激光巴条之间添加焊接合金的焊片。

7.根据权利要求6所述的一种激光巴条封装结构的焊接方法，其特征在于，所述热沉的材料包括钨-铜合金，钨的含量在70％-90％之间；或者钼-铜合金，钼的含量在60-90％之间；或者钨-钼-铜的三元素合金；或者铜片和钼片的层压结构。

8.根据权利要求6所述的一种激光巴条封装结构的焊接方法，其特征在于，所述热沉的焊接面镀有便于焊接的贵重金属，所述贵重金属包括金，铂，钯或银；镀层的厚度为0.5-1.0μm；镀层的制作方法包括电镀，化学镀或者是真空镀；或者所述热沉的焊接面镀有低温焊接合金，低温焊接合金包括铟、铋、锡的合金，熔点在119-232℃之间；低温焊接合金通过真空镀的方法镀在热沉的焊接面上，采用各个金属依次镀的方法；镀层的总厚度大于3μm。

9.根据权利要求6所述的一种激光巴条封装结构的焊接方法，其特征在于，所述焊接合金的焊片在熔炼合金后，压制成型，切割；焊片的厚度控制在5-20μm之间；焊片的平面尺寸小于激光巴条的焊接面。

10.一种激光巴条封装结构，由权利要求6所述的一种激光巴条封装结构的焊接方法获得。