CN115476016A - 一种半导体激光器芯片回流焊接夹具及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种半导体激光器芯片回流焊接夹具及其使用方法。所述夹具包括底座、安装在底座上的限位组件以及穿过限位组件的压针；所述的底座包括固定板，固定板上设置有限位凹槽；所述的限位组件包括导向板和定位板，导向板与定位板通过连接柱固定连接；导向板上设置有仿形压针孔；所述定位板设置有导柱孔，所述固定板上设置有导向柱，底座和限位组件通过导柱孔和导向柱固定连接。本发明提供的回流焊接夹具是由压针自身质量产生的重力来实现对半导体激光器芯片按压，调整压针的质量可以有效的配合不同的类型的激光器芯片和焊料片，保证了每个COS所受的压力都是相同的，极大地提高了半导体激光芯片回流焊接的合格率。

Description

一种半导体激光器芯片回流焊接夹具及其使用方法

技术领域

本发明涉及一种半导体激光器芯片回流焊接夹具及其使用方法，属于半导体回流焊接夹具技术领域。

背景技术

半导体激光器由于体积小、重量轻、转换效率高、使用寿命长等优点，在医疗、显示、泵浦、工业加工等领域有广泛的应用。近年来，随着半导体材料外延生长技术、半导体激光波导结构优化技术、腔面钝化技术、高稳定性封装技术、高效散热技术的飞速发展，特别是在直接半导体激光工业加工应用以及大功率光纤激光器抽运需求的推动下，具有高功率、高光束质量的半导体激光器飞速发展，为获得高质量、高性能的半导体激光加工设备以及高性能大功率光纤激光提供了光源基础。

为了获得高功率输出，芯片的回流焊接是至关重要的，半导体激光器的回流焊接，是生产厂家生产产品中一道关键流程，通过回流焊接使激光器芯片固定在产品中。传统的激光器回流焊接的方法很多，在回流焊接工序中，一般利用回流焊接夹具将激光器芯片固定在热沉上，然后实现回流焊接。现有的回流焊接夹具一般使用螺钉加压块的方式对激光器的芯片进行固定，然而利用螺钉难以控制对芯片的压力，若螺钉对芯片的压力过大，则会令芯片碎裂；若螺钉对芯片的压力不足，则芯片与散热器间会产生空洞，而空洞会令芯片的散热性能受到影响，回流焊接效率低。

中国专利文献CN110690643A公开了一种半导体激光器芯片焊接夹具，包括底座，所述底座上端面的两侧对称固定安装有两个支架，所述支架为倒“T”形结构，两个所述支架之间设置有固定架，所述固定架底部的中间设置有中间压块，所述固定架底部的一侧设置有边侧压块，所述底座的上端面设置有壳体，所述壳体的内部设置有固定座。该半导体激光器芯片焊接夹具，采用边侧压块和底部为阶梯形状的中间压块对半导体激光器焊接时的激光芯片进行固定，通过相邻两个压块对同一个激光芯片进行固定，同时一个压块的力同时作用在两个激光芯片上，保证整个激光器内部激光芯片受力均匀性，有效提升激光芯片焊接的平整性，有效提升激光光斑压缩整形的可操作性。然而该专利提供的焊接夹具通过弹簧调节压力大小，无法保证所有的弹簧变形量是一致的，因此每个COS所受的压力都是存在差异，焊接时，COS所需要的压力也不容易测量，其次，该专利需要依次将固定架通过连接轴穿过通孔固定在支架上，然后调节螺丝长度控制压力，在生产中会浪费大量时间，并且在焊接完成后，也需要依次拆解，工序复杂；最后，该专利按压COS是两个面接触，而不是两点接触，容易破坏COS表面，同时面接触容易使焊料平铺不均匀，造成焊接出现空洞。

中国专利文献CN110961846A一种用于半导体激光器中COS焊接夹具，包括承载定位组件和至少一个的悬臂弹簧探针组件；承载定位组件用于承载和定位管壳底座；悬臂弹簧探针组件包括至少一个的定位杆、和定位杆一一对应的压簧、至少一个的弹簧探针、悬臂支架和锁紧件；定位杆设在承载定位组件上，且定位杆外套有压簧；压簧压缩在承载定位组件和悬臂支架之间；定位杆穿过悬臂支架；锁紧件用于将悬臂支架限定在离承载定位组件一定距离位置；弹簧探针设在悬臂支架上，用于将COS压在管壳底座上设有的焊料上。但是该焊接夹具通过弹簧调节压力大小，无法保证所有的弹簧变形量是一致的，因此每个COS所受的压力都是存在差异；其次，焊接时，COS所需要的压力也不容易测量，并且需要依次调节螺栓长度控制压力，在生产中会浪费大量时间，同时在焊接完成后，也需要依次拆解，工序复杂。

发明内容

针对现有技术的不足，尤其是现有夹具对主芯片的压力不能精确控制的难题，本发明提供一种半导体激光器芯片回流焊接夹具及其使用方法。本发明的夹具回流焊接时能够快速精准装配，提高工作效率。

术语说明：

COS(chip on submount)：是指封装在热沉上的激光器芯片；为了使文字表达简洁明了，本发明中均使用COS这一专业术语。

本发明的技术方案如下：

一种半导体激光器芯片回流焊接夹具，包括底座、安装在底座上的限位组件以及穿过限位组件的压针；

所述的底座包括固定板，固定板上设置有限位凹槽；

所述的限位组件包括导向板和定位板，导向板与定位板通过连接柱固定连接；导向板上设置有仿形压针孔，定位板上设置有与仿形压针孔数量相同的仿形顶针孔，仿形压针孔与仿形顶针孔的位置相匹配；

所述定位板还设置有导柱孔，所述固定板上设置有导向柱，底座和限位组件通过导柱孔和导向柱固定连接。

根据本发明优选的，所述限位凹槽为矩形，个数为2～4个。

根据本发明优选的，所述限位凹槽内可以设置2～4个热沉，所述热沉是直接放置在限位凹槽内，然后在热沉的上方设置有斜面定位块，斜面定位块的侧面设置有侧斜面楔块，下面设置有底斜面楔块。依靠限位凹槽侧壁、斜面定位块、侧斜面楔块和底斜面楔块来将热沉完全固定。

进一步优选的，所述斜面定位块、侧斜面楔块和底斜面楔块还设置有夹取孔。夹取孔可以方便镊子夹取安装。

根据本发明优选的，所述压针上部是矩形柱状，称其为压条，下部是圆柱形连接有尖头，称其为顶针。

根据本发明优选的，所述顶针镶嵌在压条上，压条为钨铜或者钨钢，顶针为钨钢或者304不锈钢，顶针的末端采用平面结构，减小COS表面的磨损。

根据本发明优选的，所述压针的质量为15～25g。压针的质量根据COS与焊料片的类型不同而质量不同，即根据焊料片的种类和厚度不同，压针的质量也对应变化；在同种焊料片使用时，不需要更换压针，只有焊料片发生改变时，才会更换压针。

根据本发明优选的，所述仿形压针孔为2～4组，每组4～6个；所述仿形顶针孔为2～4组，每组4～6个。压针贯穿仿形压针孔和仿形压针孔，通过顶针压住待回流焊接的COS。

根据本发明优选的，所述仿形顶针孔侧面还设置有观察框。观察框是便于装配后能看到里面的COS是否发生移位。

根据本发明优选的，所述固定板的材质是热传导率为237w/(m˙k)的铝。可以保证半导体激光器在回流焊接时加快热量吸收和散发的速度，提高半导体激光器的回流焊接效果。

上述半导体激光器芯片回流焊接夹具的使用方法，操作步骤如下：

(1)将热沉均匀排列在限位凹槽内，在热沉表面放置斜面定位块，在斜面定位块侧面放置侧斜面楔块，底面放置底斜面楔块，调整限位凹槽内的斜面定位块和斜面楔块将热沉固定；

(2)在热沉表面铺设焊料片，在焊料片上方放置COS，通过斜面定位块的侧壁和热沉凸台侧壁固定将焊料片和COS固定；

(3)将放置有焊料片、COS的底座和限位组件通过导柱孔和导向柱固定连接，然后将压针缓慢贯穿仿形压针孔和仿形压针孔，通过顶针压住待回流焊接的COS，放置在回流炉内回流焊接。

本发明未详尽之处，均可采用现有技术。

本发明的有益效果为：

1、本发明提供的半导体激光器芯片回流焊接夹具是由压针自身质量产生的重力来实现对半导体激光器芯片按压，通过调整压针的质量可以有效的配合不同的类型的激光器芯片和焊料片，保证了每个COS所受的压力都是相同的，极大地提高了半导体激光芯片回流焊接的合格率。

2、本发明提供的半导体激光器芯片回流焊接夹具可以同时回流焊接多个半导体激光器芯片，焊接的重复一致性较好，同时也节省了大量时间，提高工作效率。

3、本发明提供的半导体激光器芯片回流焊接夹具中的底座和限位组件是通过导向柱和导向孔活动连接，回流焊接后方便拆卸，只需分离限位组件即可取出COS。

4、本发明通过斜面定位块、侧斜面楔块和底斜面楔块，采用两边定位的方式来固定COS，斜面定位块、侧斜面楔块和底斜面楔块在热胀冷缩和尺寸误差改变时，始终施加给热沉力的作用，防止由于热胀冷缩和焊料溶化高度下降导致的COS定位异常。避免了由于焊料片溶化后，COS与热沉之间的间隙变大，COS受力较小，熔融的焊料与COS和热沉接触较差，导致焊料层减小，焊接效果差，出现空洞的现象。

5、本发明提供的半导体激光器芯片回流焊接夹具成本较低，方便操作，定位准确，适于工业使用和推广。

附图说明

图1为本发明半导体激光器芯片回流焊接夹具的结构示意图。

图2为本发明半导体激光器芯片回流焊接夹具的立体示意图。

图3为本发明限位组件的结构示意图；

图4为本发明底座的结构示意图；

图5为本发明压针的结构示意图；

图6为本发明的COS热沉的示意图；

图7为本发明回流焊接后热沉上焊料平铺均匀性的照片。

图8为本发明回流焊接后COS上焊料平铺均匀性的照片。

图中，1、导向板，2、连接柱，3、侧斜面楔块，4、底斜面楔块，5、斜面定位块，6、导向柱，7、固定板，8、夹取孔，9、热沉，10、定位板，11、压针，12、限位凹槽，13、导柱孔，14、压条、15、顶针，16、COS，17、焊料、18、凸台，19、仿形顶针孔，20、仿形压针孔，21、观察框。

具体实施方式：

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述，但不仅限于此，本发明未详尽说明的，均按本领域常规技术。

实施例1：

如图1-5所示，一种半导体激光器芯片回流焊接夹具，包括底座、安装在底座上的限位组件以及穿过限位组件的压针11；所述的底座包括固定板7，固定板7上设置有4个矩形限位凹槽12；所述的限位组件包括导向板1和定位板10，导向板1与定位板10通过连接柱2固定连接；导向板1上设置有4组仿形压针孔20，每组6个；定位板10上设置有4组仿形顶针孔19，每组6个，仿形压针孔20与仿形顶针孔19的位置相匹配；所述定位板10上还设置有导柱孔13，所述固定板7上设置有导向柱6，底座和限位组件通过导柱孔13和导向柱6固定连接。

所述限位凹槽12内设置3个热沉9，所述热沉9是直接放置在限位凹槽12内，然后在热沉9的上方设置有斜面定位块5，斜面定位块5的侧面设置有侧斜面楔块3，下面设置有底斜面楔块4。依靠限位凹槽12侧壁、斜面定位块5、侧斜面楔块3和底斜面楔块4将热沉9完全固定。

所述压针11上部是矩形柱状，称其为压条14，下部是圆柱形连接有尖头，称其为顶针15；所述压针11的质量为20g；压针11贯穿仿形顶针孔19和仿形压针孔20，通过顶针15压住待回流焊接的COS，对应的本实施例使用24枚压针11。压针11的质量可以根据COS与焊料片的类型不同而质量不同，即根据焊料片的种类和厚度不同，压针的质量也对应变化；在同种焊料片使用时，不需要更换压针，只有焊料片发生改变时，才会更换压针。

上述半导体激光器芯片回流焊接夹具的使用方法，操作步骤如下：

(1)将热沉均匀排列在限位凹槽内，调整限位凹槽内的斜面定位块和斜面楔块将热沉固定；

(2)在热沉表面铺设焊料片，在焊料片上方放置COS，通过斜面定位块的侧壁和热沉凸台侧壁固定将焊料片和COS固定；

(3)将放置有焊料片、COS的底座和限位组件通过导柱孔和导向柱固定连接，然后将压针缓慢贯穿仿形压针孔和仿形压针孔，通过顶针压住待回流焊接的COS，放置在回流炉内回流焊接。

其中，在半导体激光器芯片回流焊接夹具的使用过程中，热沉、焊料片和COS之间的关系如图6所示。

采用本实施例夹具和方法焊接完成后的半导体激光器芯片的光学照片如图7～8所示。

由图7～8可以清楚的看到焊接后焊料的分布是非常均匀的，焊料上基本没有产生空洞，焊接质量良好，说明采用本实施例提供的夹具和方法能够极大地提高了半导体激光芯片回流焊接的合格率。

实施例2：

一种半导体激光器芯片回流焊接夹具，其结构如实施例1所述，不同之处在于，所述斜面定位块5、侧斜面楔块3和底斜面楔块4还设置有夹取孔8。夹取孔8可以方便镊子夹取安装。

实施例3：

一种半导体激光器芯片回流焊接夹具，其结构如实施例1所述，不同之处在于，所述顶针15镶嵌在压条14上，压条14材料为钨铜，顶针15材料为钨钢，顶针15的末端采用平面结构，减小COS表面的磨损。

实施例4：

一种半导体激光器芯片回流焊接夹具，其结构如实施例1所述，不同之处在于，所述固定板7的材质是热传导率为237w/(m˙k)的铝。可以保证半导体激光器在回流焊接时加快热量吸收和散发的速度，提高半导体激光器的回流焊接效果。

实施例5：

一种半导体激光器芯片回流焊接夹具，其结构如实施例1所述，不同之处在于，定位板10上还设置有观察框21。观察框21能够在装配完热沉、焊料和COS，使用压针固定后能看到里面的COS是否发生移位，若发生位移即可及时调整。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明专利的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种半导体激光器芯片回流焊接夹具，其特征在于，包括底座、安装在底座上的限位组件以及穿过限位组件的压针；

所述的底座包括固定板，固定板上设置有限位凹槽；

所述的限位组件包括导向板和定位板，导向板与定位板通过连接柱固定连接；导向板上设置有仿形压针孔，定位板上设置有与仿形压针孔数量相同的仿形顶针孔，仿形压针孔与仿形顶针孔的位置相匹配；

所述定位板还设置有导柱孔，所述固定板上设置有导向柱，底座和限位组件通过导柱孔和导向柱固定连接。

2.如权利要求1所述的半导体激光器芯片回流焊接夹具，其特征在于，所述限位凹槽为矩形，个数为2～4个。

3.如权利要求1所述的半导体激光器芯片回流焊接夹具，其特征在于，所述限位凹槽内设置2～4个热沉，所述热沉是直接放置在限位凹槽内，然后在热沉的上方设置有斜面定位块，斜面定位块的侧面设置有侧斜面楔块，下面设置有底斜面楔块。

4.如权利要求3所述的半导体激光器芯片回流焊接夹具，其特征在于，所述斜面定位块、侧斜面楔块和底斜面楔块设置有夹取孔。

5.如权利要求1所述的半导体激光器芯片回流焊接夹具，其特征在于，所述压针上部是矩形柱状，称其为压条，下部是圆柱形连接有尖头，称其为顶针。

6.如权利要求5所述的半导体激光器芯片回流焊接夹具，其特征在于，所述顶针镶嵌在压条上，压条为钨铜或者钨钢，顶针为钨钢或者304不锈钢，顶针的末端采用平面结构，所述压针的质量为15～25g。

7.如权利要求1所述的半导体激光器芯片回流焊接夹具，其特征在于，所述仿形压针孔为2～4组，每组4～6个；所述仿形顶针孔为2～4组，每组4～6个。

8.如权利要求1所述的半导体激光器芯片回流焊接夹具，其特征在于，所述仿形顶针孔侧面设置有观察框。

9.如权利要求1所述的半导体激光器芯片回流焊接夹具，其特征在于，所述固定板的材质是热传导率为237w/(m˙k)的铝。

10.权利要求1-9所述的半导体激光器芯片回流焊接夹具，其特征在于，所述半导体激光器芯片回流焊接夹具的使用方法，操作步骤如下：

(1)将热沉均匀排列在限位凹槽内，在热沉表面放置斜面定位块，在斜面定位块侧面放置侧斜面楔块，底面放置底斜面楔块，调整限位凹槽内的斜面定位块和斜面楔块将热沉固定；

(2)在热沉表面铺设焊料片，在焊料片上方放置COS，通过斜面定位块的侧壁和热沉凸台侧壁固定将焊料片和COS固定；

(3)将放置有焊料片、COS的底座和限位组件通过导柱孔和导向柱固定连接，然后将压针缓慢贯穿仿形压针孔和仿形压针孔，通过顶针压住待回流焊接的COS，放置在回流炉内回流焊接。

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