CN101330195A - 一种大功率半导体激光器的烧结方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种可实现批量生产的大功率半导体激光器的烧结方法，包括以下步骤：(1)设计制作一套用于热沉固定的夹具；(2)将蒸镀好铟的C－mount热沉固定到夹具底座两侧的固定槽里；(3)将半导体激光器芯片放到C－mount热沉上；(4)将夹具上部安装在底座上，在夹具上部内安装压力针，将压力针的导向孔精确在芯片上方；(5)将夹具放到平整的铜板上，并用石英罩把整个夹具罩住并密封，石英罩内通入氮气将石英罩内的空气排出；(6)将铜板放到加热台上，合金6分钟，合金后装管测试。本发明的烧结质量可靠，半导体激光器芯片与热沉之间无空洞，合格率高、生产效率高，烧结后芯片与热沉之间接触严密，无明显空洞和缺陷。

Description

一种大功率半导体激光器的烧结方法

技术领域

本发明涉及一种大功率激光器的烧结方法，属于激光器烧结技术领域。

背景技术

半导体激光器具有体积小、重量轻、效率高、寿命长、易于调制及价格低廉等优点，在工业、医学和军事领域得到了广泛的应用，如材料加工、光纤通讯、激光测距、目标指示、激光制导、激光雷达、空间光通信等。近几年随着半导体激光器输出功率的大幅度提高，应用范围越来越广，对激光器的可靠性要求也越来越高。通常半导体激光器首先固定在一个热沉上，因激光器与热沉的固定方式不同而分为C-mount及D-mount等不同封装。大功率半导体激光器工作中产生大量废热必须及时排出，在制作过程中激光器的焊接质量对器件散热能力影响很大，焊层中极小的空洞都会造成器件过热而失效。

目前烧结焊料分为硬焊料和软焊料两种，硬焊料具有良好的抗疲劳性和高热导率，软焊料则具有较好的塑性形变。软焊料有容易形成晶须和热疲劳等可靠性问题，尤其是在高温环境下，更容易促进焊层晶须的生长，加速焊层热疲劳产生，导致激光二极管早期失效。铟是低熔点软焊料，具有良好的塑性形变和浸润性，能缓解芯片与热沉热膨胀不匹配而产生的应力，若铟焊料过厚，焊接过程中会挤出焊料造成pn结短路；若铟焊料过薄，烧结不劳。减薄铟的厚度采用加压烧结法可有效提高烧结质量和产品合格率，目前主要采用单只加压烧结法，但单只加压烧结法存在以下一些缺点：

1、设备投资较大；

2、每次只能烧结1只，生产效率低；

3、烧结时暴露在空气中，仅靠氮气吹扫保护，容易氧化。

发明内容

本发明针对现有大功率半导体激光器的烧结方法存在的不足，提供一种适合C-mount结构热沉、可实现批量生产的大功率半导体激光器的烧结方法。

本发明的大功率半导体激光器的烧结方法，采用C-mount结构热沉，包括以下步骤：

(1)设计制作一套用于固定热沉的夹具，该夹具包括夹具上部、底座和压力针，底座上面设有固定热沉用的固定槽，并在底座上面设置有与上部连接的导向柱，夹具上部设置有安装压力针的定位孔，并设置有用于与夹具底座导向柱连接的导向孔，夹具上部安装在底座上后，应使夹具上部的定位孔与底座上的固定槽的位置对应，压力针上带有压力调节重块；

(2)将蒸镀好铟焊料的C-mount热沉直接放到夹具底座的固定槽里；

(3)用吸附机在显微镜下将半导体激光器芯片放到C-mount热沉上，使半导体激光器芯片定位在夹具上部安装压力针的定位孔的对应位置；

(4)通过导向孔将夹具上部安装在底座上，在夹具上部的定位孔内安装压力针，使压力针压在半导体激光器芯片上；

(5)将夹具放到平整的铜板上，并用石英罩把整个夹具罩住并密封，石英罩内通入氮气将石英罩内的空气排出；

(6)将铜板放到加热台上，合金6分钟，合金后装管测试。

本发明的烧结质量可靠，半导体激光器芯片与热沉之间无空洞，合格率高、生产效率高，可实现批量生产。在高倍显微镜下拍摄烧结照片显示烧结后芯片与热沉之间接触严密，无明显空洞和缺陷；而用普通不加压方法烧结，在芯片与热沉之间容易产生微小空洞，造成芯片散热不良，激光器可靠性降低。用此方法制作大功率1W808nm激光器，取10只进行了长期寿命考核，经过5000小时老化后合格率100％，平均衰减率3％。

附图说明

图1是本发明设计制作的夹具的底座结构示意图。

图2是夹具上部的结构示意图。

图3是压力针的结构示意图。

图4是用石英罩把整个夹具罩住的示意图。

图5是采用本发明方法的半导体激光器芯片与热沉烧结处的结构示意图。

图6是采用现有普通方法烧结的半导体激光器芯片与热沉烧结处的结构示意图。

图7是采用本发明方法的激光器的功率变化曲线图。

图8是采用本发明方法的激光器的阈值电流变化曲线图。

其中：1、夹具底座，2、热沉固定槽，3、导向柱，4、夹具上部，5、定位孔，6、导向孔，7、压力针，8、压力调节重块，9、加热台，10、铜板，11、石英罩，12、夹具，13、半导体激光器芯片，14、热沉，15、空洞。

具体实施方式

本发明的大功率半导体激光器的烧结方法适合C-mount结构热沉、可实现批量生产。具体步骤如下：

1.首先设计制作一套用于固定热沉的夹具，该夹具分为底座1、夹具上部4和压力针7，底座1的结构如图1所示，底座1的上面两侧设计有热沉固定槽2，并在底座四个角位置设置有用于与夹具上部连接的导向柱3。夹具上部4的结构如图2所示，夹具上部设置有安装压力针的定位孔5，定位孔5设置若干列，每列有若干个定位孔，定位孔的列数与热沉固定槽的槽数一样多，并且两列之间的间距也与两条热沉固定槽的间距一样，以使夹具上部4安装在底座1上后，夹具上部4的各个定位孔与底座1的热沉固定槽的位置对应，保证热沉上的半导体激光器芯片在定位孔的对应位置精确定位，在夹具上部四个角位置设置有用于与夹具底座1连接的导向孔6。压力针7的结构如图3所示，其上设置有压力调节重块8，调节该重块重量可改变压力。夹具大小可根据需要设计，长度越长可装热沉数量越多，生产量越大。本实施例的底座固定槽2设计安装两列共14只热沉，所以对应的上体定位孔5也有两列14个，以使每个热沉上的半导体激光器芯片都有压力针压住。

2.将蒸镀好铟的C-mount热沉直接放到到夹具底座1两侧的固定槽2中。

3.用吸附机在显微镜下将半导体激光器芯片放到C-mount热沉上，并精确定位，使半导体激光器芯片定位在夹具上部安装压力针的定位孔5的对应位置。

4.通过将夹具上部的导向孔6***底座1上的导向柱3中使夹具上部与底座安装在一起，在夹具上部的定位孔5内安装压力针7，使压力针压在半导体激光器芯片上。在设计制作夹具时已经将压力针的定位孔精确在芯片上方，所以安装速度快，定位准确。

5.如图4所示，将夹具12放到平整的铜板10上，并用石英罩11把整个夹具12罩住并密封，石英罩11内通入氮气以将石英罩11内的空气排出；

6.将铜板5放到恒温加热台9上，合金6分钟，合金后装管测试。

经上述方法烧结的大功率半导体激光器质量可靠，半导体激光器芯片与热沉之间无空洞，合格率高、生产效率高。如图5所示，本发明方法烧结后半导体激光器芯片13与热沉14之间接触严密，无明显空洞和缺陷。如图6所示，用普通不加压方法烧结，在半导体激光器芯片13与热沉14之间容易产生微小空洞15，造成芯片散热不良，激光器可靠性降低。

用此方法制作大功率1W808nm激光器，取10只进行了长期寿命考核，经过5000小时老化后合格率100％，平均衰减率3％，功率变化曲线如图7所示，阈值电流变化曲线如图8所示。

Claims (1)

1.一种大功率半导体激光器的烧结方法，采用C-mount结构热沉，其特征在于：包括以下步骤：

(1)设计制作一套用于固定热沉的夹具，该夹具包括夹具上部、底座和压力针，底座上面设有固定热沉用的固定槽，并在底座上面设置有与上部连接的导向柱，夹具上部设置有安装压力针的定位孔，并设置有用于与夹具底座导向柱连接的导向孔，夹具上部安装在底座上后，应使夹具上部的定位孔与底座上的固定槽的位置对应，压力针上带有压力调节重块；

(2)将蒸镀好铟焊料的C-mount热沉直接放到夹具底座的固定槽里；

(3)用吸附机在显微镜下将半导体激光器芯片放到C-mount热沉上，使半导体激光器芯片定位在夹具上部安装压力针的定位孔的对应位置；

(4)通过导向孔将夹具上部安装在底座上，在夹具上部的定位孔内安装压力针，使压力针压在半导体激光器芯片上；

(5)将夹具放到平整的铜板上，并用石英罩把整个夹具罩住并密封，石英罩内通入氮气将石英罩内的空气排出；

(6)将铜板放到加热台上，合金6分钟，合金后装管测试。

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