CN117175346A - 一种氮化镓激光器及其加工工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种氮化镓激光器及其加工工艺，包括基座、电元组件、散热结构；所述电元组件与散热结构均安装于基座上；所述散热结构包括内散热组件、外散热组件；所述内散热组件对电元组件进行固定；所述外散热组件对内散热组件与电元组件进行覆盖从而形成密封的腔室；本发明通过散热结构可高效快速的对电元组件进行散热，并且散热结构中的内散热组件还可对电元组件进行固定，而外散热组件可对电元组件进行包裹，既起到散热作用又提供了优异的保护效果。

Description

一种氮化镓激光器及其加工工艺

技术领域

本发明是一种氮化镓激光器及其加工工艺，属于激光器领域。

背景技术

随着光学领域的不断发展，激光器件也朝着小型化、高功率的方向发展，对于封装管壳的散热要求也大大提高。特别是对于激光器件来说，在其工作时会产生大量的热，功率越大热效应越明显，而氮化镓激光器是一种半导体激光器，也称激光二极管。它的泵浦方式简单，正常来说电流越大功率越高，限制其功率的一些因素除了其本身的材质等因素之外，主要的因素就是散热。因为其体积小，所以散热对其的影响就更大，而现有的氮化镓激光器在长时间的高温大功率的使用环境下，芯片的性能将下降，响应的速度变慢，并且会影响使用寿命。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明目的是提供一种氮化镓激光器及其加工工艺，以解决问题。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：一种氮化镓激光器，包括基座、电元组件、散热结构；所述电元组件与散热结构均安装于基座上；所述散热结构包括内散热组件、外散热组件；所述内散热组件对电元组件进行固定；所述外散热组件对内散热组件与电元组件进行覆盖从而形成密封的腔室。

优选的，所述电元组件包括芯片、PIN引脚；所述芯片安装于内散热组件上；所述PIN引脚通过绝缘子固定在基座上。

优选的，所述内散热组件包括设置在基座上的安装架、基板；所述安装架上具有供基板所放置的插槽。

优选的，所述芯片固定安装于基板上；所述PIN引脚将接入基板，所述芯片与基板电性连接。

优选的，所述插槽设置于一敞开式的预留槽内；所述基板与预留槽的槽面具有间隙；所述插槽与预留槽均与安装架一体成型。

优选的，所述外散热组件包括管壳体、散热窗片；所述管壳体固定安装于基座上；所述散热窗片固定安装于管壳体内；所述管壳体对内散热组件与电元组件进行覆盖。

优选的，所述基板与散热窗片均采用金刚石材质。

一种氮化镓激光器的加工工艺，包括以下步骤：

步骤1；在基座上预留有供绝缘子安装的孔，通过将PIN引脚与绝缘子安装于该预留的孔中，通过高温进行烧结；

步骤2；在基板表面进行镀金形成镀金层，将芯片焊接在基板上，并在基板表面进行金属图形化来替代金线的电流和电信号传输；

步骤3；所述管壳体与散热窗片在相接处添加玻璃坯，而后进行高温烧结从而使管壳体与散热窗片密封固定；

步骤4；在干燥的惰性气体环境下，将管壳体固定在基座上。

优选的，将步骤1、步骤3中的基座、绝缘子、PIN引脚作为第一烧结件，管壳体、散热窗片、玻璃坯作为第二烧结件；将第一烧结件与第二烧结件进行清洗、净化、预氧化、而后进行装配，最后进行烧结。

优选的，步骤2中的基板的金属图形化采用蚀刻来实现。

优选的，步骤4中的管壳体上预留有出焊点，通过一对电极中其一电极夹住管壳体并向下施压与基座相配合，另一电极则接入基座而后通入电流，使基座与管壳体焦耳热熔化从而焊接固定。

有益效果

本发明通过散热结构可高效快速的对电元组件进行散热，并且散热结构中的内散热组件还可对电元组件进行固定，而外散热组件可对电元组件进行包裹，既起到散热作用又提供了优异的保护效果。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一种氮化镓激光器及其加工工艺的结构示意图；

图2为本发明管壳体的结构示意图。

图3为本发明基板的结构示意图

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

请参阅图1、图2，本发明提供一种氮化镓激光器技术方案：包括基座2、电元组件、散热结构。

所述基座2为圆柱体，采用柯伐合金或不锈钢制成。

所述散热结构包括内散热组件、外散热组件。所述内散热组件包括设置在基座2上的安装架23、基板24；其中安装架23可焊接固定在基座2上或是与基座2一体成型或是通过机床对基座2加工形成安装架23；所述基板24采用热导率大于等于1800W/(m·K)，透过率大于等于65％的金刚石制成；安装架23上具有供基板24所放置的插槽26，基板24可设计为方形。优选的插槽26与基板24将间隙配合，如此基板24插入后将得到良好的限位，不易脱落。并且基板24与插槽26的槽面预留有间隙至少1MM的散热腔27，如此基板24中的热量一是可以直接通过安装架23进行热传递，并且预留的间隙方便热量在管壳体1内的直接散发。所述外散热组件包括管壳体1、散热窗片12；所述管壳体1为中空的圆柱状体，并且顶部边沿具有倒圆角，所述管壳体1柯伐合金或不锈钢制成。所述管壳体1顶部具有圆形的窗口11，所述散热窗片12安装于对窗口11进行封闭。所述散热窗片12采用热导率大于等于1800W/(m·K)，透过率大于等于65％的金刚石制成。优选的散热窗片12为圆形，如此方便散热窗片12的加工，在其中一个实施例中，散热窗片12直径大于窗口直接1MM，如此使得散热窗片12能够完全对窗口进行覆盖，而管壳体1顶部的为90°倒圆角，如此当散热窗片12外沿添加玻璃坯14进行烧结时能够将散热窗片12牢固的密封固定在管壳体1上。

所述电元组件包括芯片25、PIN引脚21、元器件(图中未示出)；所述芯片25安装在镀金后的基板24上；所述PIN引脚21通过绝缘子22安装在基板24上，基板24具有预留有供绝缘子22安装的孔，通过将PIN引脚21与绝缘子22安装于该预留的孔中，通过高温进行烧结；其中绝缘子22采用诸如为玻璃陶瓷金属复合材料。元器件则放置于基座2上，通过相应的电导线连接PIN引脚21至基板24。

所述基座2与管壳体1之间具有一出焊点13，出焊点13为在管壳体1底部凸出的环形，环形的截面为梯形状。

一种氮化镓激光器的加工工艺，包括以下步骤：

步骤1；在基座2上预留有供绝缘子22安装的孔，通过将PIN引脚21与绝缘子22安装于该预留的孔中，通过高温进行烧结；

步骤2；在基板24表面进行镀金形成镀金层241，将芯片25焊接在基板24上，并在基板24表面进行金属图形化来替代金线的电流和电信号传输；

步骤3；所述管壳体1与散热窗片12在相接处添加玻璃坯14，而后进行高温烧结从而使管壳体1与散热窗片12密封固定；

步骤4；在干燥的惰性气体环境下，将管壳体1固定在基座2上。

将步骤1、步骤3中的基座2、绝缘子22、PIN引脚21作为第一烧结件，管壳体1、散热窗片12、玻璃坯14作为第二烧结件；将第一烧结件与第二烧结件进行清洗、净化、预氧化、而后进行装配，最后进行烧结；烧结的方法为：

S1；将第一烧结件或第二烧结件放置在超声波清洗机中，而后分别加入浓度为13.5mol/L的丙酮，使用超声清洗机清洗10-15min，超声清洗频率28K-40KHz；而后采用浓度为97％的酒精，使用超声清洗机清洗10-15min，超声清洗频率28K-40KHz，直至表面没有杂质；

S2；将S1中所清洗好的PIN引脚21、管壳体1均放入高纯石墨容器中，再放入真空退火炉里进行真空退火，其中真空环境为-103PA，温度为850℃；高纯石墨容器在烧结热处理过程中起到了两个主要作用：一是高纯石墨容器的作用就是让整体受热均匀；二是保护固定烧结件，石墨材料不会跟金属发生反应；真空退火是指将烧结件放入真空环境中进行加热处理的过程，其主要目的如下：

一是去除气体：真空环境中减少了气体分子的碰撞，可以将烧结件表面和内部的气体排除，消除气孔或减少缺陷；这样可以提高烧结件的密度和机械性能；二是消除残余应力：退火过程中，烧结件内部的残余应力会被释放，从而提高其抗拉强度和韧性；三是改善晶界结构：真空退火有利于降低烧结件的晶界能量，促进晶粒长大和晶界的再结晶；这可以提高烧结件的晶界结构和材料的性能；

S3：将烧结件放入管式炉内进行高温预氧化；PIN针引脚21的需通3.5L/min干氮气并加热到500-550℃保温20-25min后炉冷至室温；基座2与管壳体1的需通3.5L/min干氮气加热到600-650℃保温20-25min后炉冷至室温；如完成预氧化，通过该加温、保温、到室温的加热方式有助于使烧结件内部的晶体结构发生相应的变化，改善材料的晶界结构、提高抗拉强度、硬度和耐磨性等性能；通过通入干氮气，可以创建一个无氧或低氧环境，防止烧结件与氧气接触，减少氧化反应的发生；这对于一些金属材料或需要保持高纯度的材料很重要，综上所述该步骤主要是在烧结件表面形成一层致密的氧化层达到进行净化和改良处理，从而提高材料表面质量、增加氧化层、改善晶体结构，并最终提升材料的性能和耐久性。

S4；将S3中将预氧化完成的烧结件通过石墨治具进行组装，组装完成后放入管式炉中，通入氮氢混合气体，而后在预定时间内进行加热；烧结件的预定时间和加热方式均为阶梯式，在初次加热时通过80-85min使其从0℃至800-825℃，二次加热时间为25-30min使其至975-1000℃，保温时间为25-30min，从975-1000℃降温55-60min至500-550℃，保温时间为60-65min，再从500-550℃降温200min至150-100℃，而后关火待其随炉冷却；并搭配通入的混合气体氮氢比为3.5：0.3，流量5L/min，达到助于使烧结件内部的晶体结构发生相应的变化(在不同的温度下反应程度不同)，改善材料的晶界结构、提高抗拉强度、硬度和耐磨性等性能；且保温的目的是避免了因烧结件降温太快内部残余奥氏体含量增加就会增大脆性。

所述基板24表面进行镀金形成镀金层241，在其中一个实施例中镀金的方式可以用电子束蒸发。电子束蒸发是在真空环境下，使用高能电子束将金属蒸发并沉积在金刚石表面的一种工艺。在另一个实施例中镀金的方式可以用磁控溅射则是惰性气体电离产生电子轰击靶材，使得靶材上的金属原子脱离并沉积在金属表面。金刚石镀金的用处一是使得芯片25能焊接到基板24的镀金层241上，这种焊接方式比用导热胶粘接的方式拥有更好的导热性能和稳固性能；二是镀金后的金刚石基板24表面导电性能良好，可以在金刚石基板24表面进行金属图形化来替代金线的电流和电信号传输，减少金线的打线简化内部线路。金刚石的金属图形化工艺可以采用蚀刻工艺来实现，在已经整面镀金的金刚石镀金面上通过化学反应或物理撞击的技术来去除部分镀金层241，使之形成图案。

在步骤4的管壳体1上预留有出焊点13，出焊点13为在管壳体1底部凸出的环形，环形的截面为梯形状，通过相对的一对电极夹住管壳体1并向下施压(借助外部压力机)与底座相配合，另一个电极接入底座，而后导通焊接电流，管壳和底座的接触部位因为有接触电阻，所以会产生焦耳热熔化并焊接在一起。通过对管壳体1的施压保证工件接触良好，在通电后使焊接处能形成熔核及塑性环，而后断电后继续施压，使熔核在压力继续作用下冷却结晶，形成组织致密、无缩孔、裂纹的焊点。在其中一个实施例中，预压10～15Mpa压力，后面锻压的话用30～50Mp，焊接电压为50～80V，当然焊接电压越大，焊接电流就越大，焊接速度就越快。

进一步在步骤3中为满足气密性的条件，散热窗片12采用的是热导率大于等于1800W/(m·K)，透过率大于等于65％的金刚石制成。这样一方面散热窗片12因高的热导率可连接内外的温度环境，进行快速的热传递，降低器件内部温度，另一方面其高的强度能对内部元件提供保护，高的透过率也能降低激光透过时的能量损耗。基于采用管壳体1采用柯伐合金，其中的玻璃坯14为金属陶瓷复合材料制成玻璃粉末后，经过压制成型、预烧结制成，如此再经过上述的高温烧结后将形成有效的密封与封装稳固。采用玻璃坯14的好处是玻璃坯可以作为氧气屏障，将焊接区域与外界环境隔离开来，防止氧气进入焊接区域，从而减少氧化反应的发生。

进一步在步骤4中，管壳体1与基座2在干燥的惰性气体中进行固定封装，这样一是可以防止空气对金属部件或线路的腐蚀，二是防止器件潮湿腐蚀。

工作原理：通过上述的工艺实现本激光器的制造，从而使得芯片25可透过散热窗片12进行工作，而产生的热量一是由基座2、案件架进行吸收，二是由基板24进行导热吸收，三是通过散热窗片12进行吸收。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (11)

1.一种氮化镓激光器，其特征在于：包括基座、电元组件、散热结构；所述电元组件与散热结构均安装于基座上；所述散热结构包括内散热组件、外散热组件；所述内散热组件对电元组件进行固定；所述外散热组件对内散热组件与电元组件进行覆盖从而形成密封的腔室。

2.根据权利要求1所述的一种氮化镓激光器，其特征在于：所述电元组件包括芯片、PIN引脚；所述芯片安装于内散热组件上；所述PIN引脚通过绝缘子固定在基座上。

3.根据权利要求1所述的一种氮化镓激光器，其特征在于：所述内散热组件包括设置在基座上的安装架、基板；所述安装架上具有供基板所放置的插槽。

4.根据权利要求2、3任意一项所述的一种氮化镓激光器，其特征在于：所述芯片固定安装于基板上；所述PIN引脚与将接入基板，所述芯片与基板电性连接。

5.根据权利要求4所述的一种氮化镓激光器法，其特征在于：所述插槽设置于一敞开式的预留槽内；所述基板与预留槽的槽面具有间隙；所述插槽与预留槽均与安装架一体成型。

6.根据权利要求1所述的一种氮化镓激光器，其特征在于：所述外散热组件包括管壳体、散热窗片；所述管壳体固定安装于基座上；所述散热窗片固定安装于管壳体内；所述管壳体对内散热组件与电元组件进行覆盖。

7.根据权利要求3、6任意一项所述的一种氮化镓激光器，其特征在于：所述基板与散热窗片均采用金刚石材质。

8.一种氮化镓激光器的加工工艺，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1；在基座上预留有供绝缘子安装的孔，通过将PIN引脚与绝缘子安装于该预留的孔中，通过高温进行烧结；

步骤2；在基板表面进行镀金形成镀金层，将芯片焊接在基板上，并在基板表面进行金属图形化来替代金线的电流和电信号传输；

步骤3；所述管壳体与散热窗片在相接处添加玻璃坯，而后进行高温烧结从而使管壳体与散热窗片密封固定；

步骤4；在干燥的惰性气体环境下，将管壳体固定在基座上。

9.根据权利要求8所述的一种氮化镓激光器的加工工艺，其特征在于：将步骤1、步骤3中的基座、绝缘子、PIN引脚作为第一烧结件，管壳体、散热窗片、玻璃坯作为第二烧结件；将第一烧结件与第二烧结件进行清洗、净化、预氧化、而后进行装配，最后进行烧结。

10.根据权利要求8所述的一种氮化镓激光器的加工工艺，其特征在于：步骤2中的基板的金属图形化采用蚀刻来实现。

11.根据权利要求8所述的一种氮化镓激光器的加工工艺，其特征在于：步骤4中的管壳体上预留有出焊点，通过一对电极中其一电极夹住管壳体并向下施压与基座相配合，另一电极则接入基座而后通入电流，使基座与管壳体焦耳热熔化从而焊接固定。