CN104966987B - 一种半导体激光器多芯片烧结夹具及烧结方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种半导体激光器多芯片烧结夹具及烧结方法。该烧结夹具包括主体、下压条、上压条、带有压柱的顶块和弹簧，所述下压条和上压条通过固定螺丝固定在主体上，且下压条和上压条上均有分布均匀的孔，分别用于限定顶块压柱和给进螺丝，弹簧套在顶块压柱上，主体底面有激光器限位槽。烧结方法包括：将装有热沉和COS的管壳依次放置到激光器限位槽中、顶块压柱的正下方；然后转动给进螺丝使压柱下移至底部触到COS上，通过施加压力将芯片夹持住；将安装好激光器的夹具进行烧结。本发明夹具中压柱为方形结构，保证在下压过程中不转动，避免COS在安装过程中位移，提高烧结一致性；同时该夹具可根据需求放置多个激光器，烧结效率高，便于产业化。

Description

一种半导体激光器多芯片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，尤其涉及一种可实现多芯片同时加压烧结的夹具，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、高性能的直接半导体激光加工设备以及高性能大功率光纤激光抽运源提供了光源基础。

为了获得高功率输出，同时达到良好的散热要求，目前大多数是通过将单个芯片独立封装成小单元，然后将测试合格后的小单元串联或并联组装成高功率模块。对于这种封装形式，单个芯片是独立封装，一方面可以降低芯片烧结难度，另一方面可提高芯片的散热能力，避免多个芯片封装造成的热量富集，而且可对封装好的小单元进行筛选，剔除不良品，提高高功率模块的成品率。因此，这种封装形式逐渐成为高功率、高光束质量半导体激光主流器件封装的趋势。对于输出功率为几十瓦甚至上百瓦的激光器模块，一般需要几个或十几个小单元进行组装，所以，这对小单元的烧结质量、效率及成品率提出了更高的要求。烧结空洞会影响芯片的散热，降低器件的可靠性，封装效率低、成品率低又不能满足生产的需求。为保证烧结质量，必须在芯片烧结和后续的COS(COS指chip on submount，是封装在次热沉上的激光器)烧结过程中施加一定的压力。

CN 101741011A公开了一种半导体激光器的低应力封装装置，其中所述的封装夹具由用于热沉定位的夹具基座和用于芯片固定的弹簧压片两部分组成，夹具基座的上表面开槽，开槽的形状由热沉形状决定，尺寸略大于热沉尺寸，弹簧压片的两端用高度可调的螺栓固定在基座开槽两侧，通过改变弹簧片两端的高度改变弹簧片对激光器芯片的压力。该夹具采用弹片的施压方式施力，因弹片易变形，多次使用后会影响施力的均匀性。

目前，对于激光器的烧结一般由自动化设备完成，但自动化设备只能一次生产一个，效率低，不适于批量生产，而且自动化设备价格较高，经济效益差。

发明内容

针对目前半导体激光器烧结存在的技术问题，本发明提供一种操作简便，可实现多个激光器单元同时加压烧结的夹具。

本发明还提供利用该夹具对半导体激光器进行烧结的方法。

术语说明：

COS(chip on submount)：是封装在次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这一通用专业术语。

本发明技术方案如下：

一种半导体激光器多芯片烧结夹具，包括主体、下压条、上压条、带有压柱的顶块和弹簧，所述下压条和上压条通过固定螺丝固定在主体上，且下压条和上压条上均有分布均匀的孔，分别用于限定顶块压柱和给进螺丝；弹簧套在顶块压柱上。

更为优选的方案如下：

一种半导体激光器多芯片烧结夹具，包括主体、下压条、上压条、带有压柱的顶块和弹簧，所述主体由底板和侧板组成，底板表面设有均匀排布的激光器限位槽，该激光器限位槽用于放置激光器管壳；

所述下压条和上压条分别固定在主体的侧板上，且平行于或基本上平行于主体底板表面；

所述上压条上设有均匀分布的丝孔，用于拧入给进螺丝并限位；

所述下压条上设有均匀分布的柱孔，用于顶块压柱从中穿过并限位；弹簧套在位于顶块和下压条之间的顶块压柱上。

根据本发明优选的，所述弹簧置于下压条上面的弹簧限位槽内。顶块压柱套在弹簧内。所述下压条上设有弹簧限位槽，以防止在加压过程中弹簧发生位移。

根据本发明优选的，所述顶块上表面有给进螺丝限位槽，用于防止在螺丝给进过程中顶块受力不匀，造成下方被夹持的COS位移。

所述下压条上的孔为柱孔，柱孔的尺寸与顶块压柱相匹配，以防止压柱在下压过程中转动。

根据本发明优选的，所述顶块压柱为方形结构；相应地下压条上柱孔也是尺寸相适配的方形孔；以防止其在下压过程中转动，造成COS位移。压柱上端与顶块固定一体。

所述下压条的柱孔、上压条的丝孔上下一一对齐，且使顶块压柱正压在激光器限位槽内放置的激光器COS上的着力点上。所述激光器限位槽、柱孔及丝孔的中心点间距一致。

所述下压条和上压条是长方形条板，或者是圆环形条板；后者对应的激光器限位槽需在主体底板上环形排列设置。

根据本发明优选的，所述下压条和上压条分别是1个长方形条板，对应的，底板表面均匀排列设有1排激光器限位槽；或者，所述下压条和上压条分别是2个长方形条板，对应的，底板表面均匀排列设有2排激光器限位槽。

优选的，所述下压条的柱孔、上压条的丝孔、激光器限位槽的数目相同。一排激光器限位槽一般以5-10个为佳。

所述主体、下压条为导热率较高的铜材料制成。以利于烧结过程中的热传导。

所述上压条为刚性较高的不锈钢材料制成，以防止夹具在高温烧结施压过程中变形。

本发明的半导体激光器多芯片烧结夹具的主体底板上有分布均匀的激光器限位槽，以防止激光器管壳在烧结前的过程中发生移位。该激光器限位槽用于放置激光器管壳；所述顶块带有的压柱用于压在待烧结的COS上，将后者夹持住。

利用本发明的上述夹具对半导体激光器进行烧结的方法，包括以下步骤：

(1)将上表面预制完焊料的热沉放置到带焊料的激光器管壳中；

(2)将COS放置在热沉的指定位置上，保证出光位置达到要求；

(3)将放置好热沉和COS的激光器管壳一一放置到主体底板的激光器限位槽中，使COS上着力点在顶块压柱的正下方；

(4)转动给进螺丝，通过弹簧压缩将顶块压柱下压到COS上的着力点上，螺丝给进时要保证其顶端位于给进螺丝限位槽中；

(5)将安装完激光器的夹具放在烧结台或烧结炉内进行加热烧结；

(6)达到设定烧结时间后，直接将夹具取出，冷却后，拆装，取出烧结好的激光器。

拆卸时，朝相反方向松开给进螺丝，顶块在弹簧的弹力作用下向上移动，相应地顶块压柱也向上移动，松开被夹持的激光器。

本发明半导体激光器多芯片烧结夹具结构简单，操作方便，成本低；通过给进螺丝给弹簧施压，可通过螺丝的给进量调整压力的大小；可根据需要增加激光器一次烧结的芯片数量；本发明夹具中压柱为方形结构，保证在下压过程中不转动。可方便地将整个夹具移至烧结台或烧结炉内进行烧结，在烧结过程中也不会出现滑动移位，避免COS移位，增加光功率密度及亮度，保证烧结的一致性，同时降低空洞的产生机率。

本发明的烧结方法对烧结设备要求低，而且烧结效率高；烧结过程中压力的施加可大大减少烧结空洞的产生，提高激光器的可靠性。

附图说明

图1是本发明的半导体激光器烧结夹具的一个实施例结构示意图。

图2是本发明夹具中下压条的示意图。

图3是本发明夹具中顶块的示意图。

图4是本发明夹具中可放置2排激光器的主体及激光器限位槽的示意图。其中，1、主体，2、激光器限位槽，3、激光器管壳，4、热沉，5、COS，6、下压条，7、上压条，8、弹簧，9、弹簧限位槽，10、顶块，11、给进螺丝，12、给进螺丝限位槽，13、固定螺丝，14、顶块压柱，15、柱孔。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例1、

半导体激光器多芯片烧结夹具，结构如图1所示，包括主体1、下压条6、上压条7、顶块10和弹簧8，主体1由底板和侧板组成，底板表面设有一排间距相等的5个激光器限位槽2，用于放置激光器管壳3，以防止激光器管壳3在烧结前及过程中发生移位。所述下压条6和上压条7是长方形条板，一个下压条6和一个上压条7通过两端的固定螺丝13固定在主体1的侧板上，且平行于主体底板表面；所述上压条7上设有均匀分布的5个丝孔用于拧入给进螺丝11并限位；所述下压条6上设有均匀分布的5个柱孔15，顶块压柱14从柱孔中穿过以伸到下方；下压条的柱孔、上压条的丝孔上下一一对齐，并与激光器限位槽中放置激光器COS的着力点位置冲齐。弹簧套在位于顶块10和下压条6之间的顶块压柱14上，该弹簧8底部位于下压条6上设有的弹簧限位槽9中，以防止在加压过程中弹簧8发生位移。

顶块10上表面有给进螺丝限位槽12，用于防止在给进螺丝11给进过程中顶块10受力不匀，造成下方夹持的COS 5位移。所述顶块压柱14为方形结构，下压条6上的柱孔15为方形孔，其尺寸与顶块压柱14相匹配，以防止顶块压柱14在下压过程中转动造成被夹的COS5位移。

所述夹具主体1、下压条6均为导热率较高的铜材料制成。上压条7为刚性较高的不锈钢材料，以防止夹具在高温施压过程中变形。

实施例2、

一种对半导体激光器进行多芯片烧结的方法，利用实施例1中所述的烧结夹具，步骤如下：

(1)将上表面预制完焊料的热沉4放置到带焊料的激光器管壳3中；

(2)将COS 5放置上述热沉4指定位置，保证出光位置达到要求；

(3)将放置好热沉和COS的激光器管壳一一放置到主体的激光器限位槽2中，保证COS上着力点在顶块压柱14的正下方；

(4)逐个转动给进螺丝11，通过弹簧压缩使顶块压柱14下移，使顶块压柱14底部压到COS上的着力点上，螺丝给进时要保证其顶端位于给进螺丝限位槽12中；以防止在给进螺丝11给进过程中顶块10受力不匀，造成下方夹持的COS 5位移；

(5)将装完激光器的夹具放在烧结台或烧结炉内进行加热烧结；

(6)达到指定烧结时间后，直接将夹具取出，冷却后，拆卸。

(7)拆卸时，朝相反方向松开给进螺丝，顶块在弹簧8的弹力作用下向上移动，相应地顶块压柱14也向上移动，松开被夹持的激光器。

实施例3、

一种半导体激光器多芯片烧结夹具，如实施例1所述，所不同的是主体1底板表面设有两排激光器限位槽2，每排5个激光器限位槽，结构如图4所示。对应的，所述下压条是2个并排的长方形条板，上压条也是2个并排的长方形条板，所述下压条和上压条上的孔也都与底板表面的两排激光器限位槽2上下对齐。该夹具可同时烧结的芯片数目是实施例1夹具的两倍。

Claims (7)

1.一种半导体激光器多芯片烧结夹具，其特征在于包括主体、下压条、上压条、带有压柱的顶块和弹簧，所述主体由底板和侧板组成，底板表面设有均匀排布的激光器限位槽，该激光器限位槽用于放置激光器管壳；

所述下压条和上压条分别固定在主体的侧板上，且平行于或基本上平行于主体底板表面；

所述上压条上设有均匀分布的丝孔，用于拧入给进螺丝并限位；

所述下压条上设有均匀分布的柱孔，用于顶块压柱从中穿过并限位；弹簧套在位于顶块和下压条之间的顶块压柱上，顶块压柱正压在激光器限位槽内放置的激光器COS上的着力点上；所述弹簧置于下压条上面的弹簧限位槽内；

所述顶块上表面有给进螺丝限位槽，用于防止在螺丝给进过程中顶块受力不匀。

2.如权利要求1所述的半导体激光器多芯片烧结夹具，其特征在于所述顶块压柱为方形结构；相应地下压条上柱孔也是尺寸相适配的方形孔。

3.如权利要求1所述的半导体激光器多芯片烧结夹具，其特征在于所述下压条的柱孔、上压条的丝孔上下一一对齐。

4.如权利要求1所述的半导体激光器多芯片烧结夹具，其特征在于所述下压条和上压条分别是1个长方形条板，对应的，底板表面均匀排列设有1排激光器限位槽；或者，所述下压条和上压条分别是2个长方形条板，对应的，底板表面均匀排列设有2排激光器限位槽。

5.如权利要求1所述的半导体激光器多芯片烧结夹具，其特征在于所述主体、下压条为铜材制成。

6.如权利要求1所述的半导体激光器多芯片烧结夹具，其特征在于所述主体底板表面设有一排间距相等的5个激光器限位槽（2），用于放置激光器管壳（3），所述下压条（6）和上压条（7）是长方形条板各1个，下压条（6）和上压条（7）通过两端的固定螺丝（13）固定在主体（1）的侧板上，且平行于主体底板表面；所述上压条（7）上设有均匀分布的5个丝孔用于拧入给进螺丝（11）并限位；所述下压条（6）上设有均匀分布的5个柱孔（15），顶块压柱（14）从柱孔（15）中穿过以伸到下方；下压条的柱孔、上压条的丝孔上下一一对齐，并与激光器限位槽放置激光器COS（5）的位置对齐；弹簧(8)套在位于顶块（10）和下压条（6）之间的顶块压柱（14）上，该弹簧（8）底部位于下压条(6)上设有的弹簧限位槽(9)中；顶块（10）上表面有给进螺丝限位槽（12），所述顶块压柱（14）为方形结构，柱孔（15）为方形孔，其尺寸与顶块压柱（14）相匹配。

7.利用权利要求1-6任一项所述夹具对半导体激光器进行烧结的方法，包括以下步骤：

（1）将上表面预制完焊料的热沉放置到带焊料的激光器管壳中；

（2）将COS放置在热沉的指定位置上，保证出光位置达到要求；

（3）将放置好热沉和COS的激光器管壳一一放置到主体底板的激光器限位槽中，使COS上着力点在顶块压柱的正下方；

（4）转动给进螺丝，通过弹簧压缩将顶块压柱下压到COS上的着力点上，螺丝给进时要保证其顶端位于给进螺丝限位槽中；

（5）将安装完激光器的夹具放在烧结台或烧结炉内进行加热烧结；

（6）达到设定烧结时间后，直接将夹具取出，冷却后，拆卸，取出烧结好的激光器。