CN103311797B - 一种半导体器件烧结用夹具及半导体激光器多管芯的烧结方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种半导体器件烧结用夹具及半导体激光器多管芯的烧结方法。该夹具包括底座、支撑架、盖板、升降柱、弹簧、固定柱，底座上有固定支撑架，其上安装有带的盖板，升降柱装在盖板的槽孔内并伸到盖板下方，升降柱柱体上套有弹簧且其下端底面有凹槽，用于***固定柱；在升降柱下方侧面有丝孔，螺丝拧入丝孔内用以挡住弹簧并固定凹槽内的固定柱。将半导体激光器器件放置在带有焊料的热沉上，正放在固定柱下，所述弹簧使固定柱对管芯施压，很好的固定住激光器管芯和热沉，将保护罩盖住夹具并密封，放到加热台上烧结。本发明夹具结构简单，可一次烧结多个半导体激光器件，提高生产效率。

Description

一种半导体器件烧结用夹具及半导体激光器多管芯的烧结方法

技术领域

本发明涉及一种半导体激光器多管芯烧结方法和夹具结构，特别是大功率半导体激光器生产使用的一种激光器管芯倒装焊的方法和夹具，属于半导体光电子学技术领域。

背景技术

随着社会的发展和科技的不断进步，激光器在社会各个领域不断凸显其重要地位。尤其是半导体激光器具有体积小、重量轻、转换效率高、寿命长、波长覆盖范围广等优点，逐步取代了传统气体和固体激光器所占领的市场，广泛应用于工业、医疗、通讯和军事等领域，如光纤通信、激光测距、材料加工、激光制导等。半导体激光器由于体积小，功率高等特点，不利于其管芯的散热，而管芯产生的废热需要及时排除，过热就会引起管芯器件的失效。半导体激光器的散热性成为影响半导体激光器寿命和稳定性的关键因素，一直是半导体激光器领域重要的研究方向之一。半导体激光器的散热需要通过热沉对管芯进行散热，这就要求热沉与管芯的连接需要满足连接牢固、热导率高、抗疲劳、低阻值等要求，而采用半导体激光器管芯烧结在热沉上的方法正是解决该问题所采用的最广泛的方法之一。普遍采用的烧结方法是将单个管芯放置在热沉上加热烧结，在热沉上带有的软焊料或硬焊料融化时，会有一定的流动性，这不仅会造成管芯与热沉的烧结空洞，还会影响管芯位置的变动导致发光方向偏转。目前采用合金炉等设备，对管芯没有施加压力，就会经常出现上述问题，合格率低，并且会影响激光器的寿命。国际上虽然有采用吸嘴吸起管芯，放置在热沉上，并直接烧结的设备，其采用吸嘴加压的方式，但这种设备每次只能烧结一个管芯或厘米巴，等到冷却后再去换下一组管芯和热沉烧结。此种设备烧结效率低，另外由于吸嘴的存在，使得烧结环境密闭性不好，焊料容易受到氧化。

中国专利文件CN101515702提出了一种半导体激光器管芯烧结装置及其使用方法，该管芯烧结的方法将翘压杆移动到远离前挡板的空位；用第一吸针将热沉吸到装置的的前挡板处，第一吸针离开热；用两手指往后拉动拨扳，将热沉放到压簧柱和前挡板之间，在80倍的显微镜观察下用第二吸针将待烧结的管芯芯片吸到热沉的边缘摆放对准，第二吸针离开热沉；在60倍显微镜观察下缓慢移动翘压杆，将翘压杆的压针准确落在芯片的上方；采用真空氮气保护的烧结方式完成烧结。该方法的不足之处在于一次只能烧结一个激光器，不适用于批量烧结。

中国专利文件CN101330195A提出了一种大功率半导体激光器的烧结方法，该方法包括：将蒸镀好焊料的C-mount热沉直接放到夹具底座的固定槽里；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；在夹具上部的定位孔内安装压力针，将夹具放到平整的铜板上再放到加热台上，合金6分钟，合金后装管测试。该方法只能烧结C-mount热沉，并且在烧结时没有给管芯施加压力，会出现管芯移位导致的发光方向移位、芯片和热沉无法均匀接触等问题，对激光器的稳定性、寿命和合格率都会造成不良影响。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种半导体激光器多管芯烧结的方法及夹具。

术语解释：

热沉，是指冷却激光器管芯所用的散热片。

本发明的技术方案如下：

一种半导体器件烧结用夹具，包括底座、支撑架、盖板、升降柱、弹簧、固定柱，底座上固定有支撑架，支撑架上安装有盖板，盖板上周边设有若干个槽孔，升降柱装在盖板的槽孔内并伸到盖板下方，盖板下方的升降柱柱体上套有弹簧，升降柱下端的底面有一凹槽，该凹槽内***有固定柱。在升降柱下端侧面开有丝孔与升降柱底面的凹槽贯通，螺丝拧入所述丝孔内，以挡住弹簧并固定凹槽内的固定柱，固定柱在凹槽内的固定位置上下可调。

所述盖板上的槽孔为六面体形，相应地所述升降柱柱体为六面体形且与盖板上的六面体槽孔相适配，升降柱可在槽孔内上下移动，可根据要烧结的半导体器件和热沉的高度来调节升降柱的高低。由于升降柱的六面体形柱体与盖板上的六面体槽孔密切配合，升降柱只能竖直上下移动但不会在槽孔转动。

所述升降柱上端有圆形柱帽，圆形柱帽直径大于槽孔直径。

所述升降柱上的丝孔有2～4个，对称设置。

所述盖板为长方形、正方形或圆形。所述盖板上的槽孔为5～20个，根据盖板大小确定，一般以6～10个为宜。

固定柱下方的底座放置装有半导体器件的热沉，并通过弹簧给升降柱向下的压力，升降柱带动固定柱将半导体器件夹持在固定柱底面与底座之间。

本发明的半导体器件烧结用夹具可用作半导体器件管芯及厘米巴的烧结用夹具。

一种半导体激光器多管芯烧结的方法，包括使用本发明所述的夹具，步骤如下：

1、在显微镜下用吸附机将半导体激光器管芯放置在带有焊料的热沉上，向上升起升降柱，将放有半导体激光器管芯的热沉移至夹具底座上，放置在固定柱底下，使固定柱正对住管芯。此时升降柱柱体上的弹簧处于压紧状态；然后缓缓将升降柱放下，在靠近管芯时，微调激光器位置，使固定柱能够正对住管芯。

2、放下升降柱，升降柱柱体上的弹簧给升降柱向下的力，并带动固定柱对管芯施压，将半导体激光器管芯及热沉夹持在固定柱底面与底座之间，用通有氮气的保护罩壳罩住整个夹具并密封，然后放到加热台上，按现有技术进行烧结。

优选的，步骤1中带有焊料的热沉可以放在管壳内。

优选的，步骤1中所述的热沉为Cu材料热沉或者绝缘晶体材料的热沉。

优选的，步骤2中所述固定柱对管芯施压的压力范围在0.1-1N为宜。

放有半导体激光器管芯的夹具在加热台上的烧结，按现有工艺，根据需要选定烧结温度和时间。一般而言，半导体激光器管芯的烧结温度为200～230℃，烧结时间2～4分钟。

根据管芯和热沉的高度以及焊接时所需要的温度，更换合适材料合适弹力的弹簧来实现固定柱对管芯的适当压力。本发明的上述方法中，未做明确限定的，均参照本领域现有技术。

将上述半导体激光器管芯替换成厘米巴，按同样的方法进行烧结。

本发明的有益效果如下：

本发明的夹具结构设计合理，使用方便。使用该夹具进行半导体激光器管芯烧结，可以一次烧结多个激光器管芯。所用夹具的升降柱能够上下移动、高度可调，可以满足不同热沉高度时管芯烧结的需要；夹具的固定柱高度可调以满足不同类型激光器的烧结需要；该夹具的固定柱可以非常方便地更换，可以满足不同尺寸管芯烧结的需要。

本发明的方法中方便地将夹具置于氮气保护罩壳中，能有效阻止焊料在高温时在空气中氧化。本发明还能通过升降柱上面的弹簧实现给管芯施加一定的压力；通过该方法实现的烧结能够减少管芯与热沉的烧结空洞，提高激光器寿命，保证产品的质量，所烧结的半导体激光器管芯质量可靠；本发明的方法一次多管，显著地提高了生产效率。

附图说明

图1是本发明夹具的结构示意图。图中：1、底座，2、支撑架，3、盖板，4、升降柱，5、弹簧，6、螺丝，7、固定柱、8、槽孔。

图2是实施例1升降柱的示意图(倒转方向)，9、柱体，10、柱帽，11、丝孔，12、凹槽。

图3是实施例1夹具应用状态示意图。13、通有氮气的保护罩，14、半导体激光器管芯，15、热沉，16、管壳，17、加热台。

图4是圆形盖板及槽孔分布示意图(小型)。

图5是圆形盖板及槽孔分布示意图(大型)。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不限于此。

实施例1、

一种半导体器件用烧结夹具，结构如图1、2所示，包括底座1、支撑架2、盖板3、升降柱4、弹簧5、螺丝6、固定柱7、槽孔8、丝孔11、凹槽12。底座1是平板，其中心安装有长方体支撑架2，该支撑架2上端固定安装有长方形盖板3，该盖板3上有8个六面体槽孔8，每个槽孔8中放入一个升降柱4。该升降柱4上端是圆形柱帽10，下部分为六面体形柱体9，该柱体9与槽孔8严密配合，能够上下移动，但不能转动。升降柱4下端的底面有一凹槽12，该凹槽12内***有固定柱7。升降柱4下端侧面对称开有2个丝孔11，该丝孔11与升降柱底面的凹槽12贯通，弹簧5套在盖板3下方的升降柱柱体9上，螺丝6拧入所述丝孔11内，盖板3下面升降柱4上的弹簧5，并固定住凹槽12内的固定柱7。

固定柱7的尺寸根据要烧结的管芯的尺寸确定，以能压住半导体器件上表面为宜。本夹具的各部件可用耐候钢制作，以便能适应200～250℃烧结，且材料导热性能好。

使用上述夹具进行半导体激光器多管芯烧结的方法，步骤如下：

将半导体激光器管芯14用吸附机在显微镜下放置在带有铟焊料的Cu材热沉15上，热沉15可以带有管壳16，然后将一个升降柱4升起，把热沉15或装有热沉的管壳16移至夹具底座1上，放置在固定柱7正下方，使固定柱7的底面正好压住热沉上的管芯14。然后将升降柱落下，升降柱柱体上的弹簧5使升降柱向下并带动固定柱7对管芯施加一个0.6-0.7N的压力，能够很好的固定住激光器管芯、热沉及管壳。

重复上述步骤，将8个激光器管芯一一固定好，再将通有氮气的石英保护罩13罩住夹具并密封。如图3所示。

将夹具和保护装置放到加热台17上，加热至200℃，烧结3分钟，然后降温至室温。

实施例2、一种半导体器件用烧结夹具，如实施例1所述，所不同的是盖板3为圆形平板，直径8cm，其上开有9个六面体槽孔8，沿盖板周边均匀分布。如图4所示。

利用该夹具进行半导体激光器多管芯烧结的方法，步骤如实施例1，可一次烧结9个管芯。

实施例3、一种半导体器件用烧结夹具，如实施例1所述，所不同的是盖板3为圆形平板，直径11cm，其上开有内外两圈共19个六面体槽孔8，沿盖板周边均匀分布，内圈9个槽孔，外圈10个槽孔，内外圈的槽孔错位设置，即一个内槽孔在两个外槽孔之间。如图5所示。

利用该夹具进行半导体激光器多管芯烧结的方法，步骤如实施例1，可一次烧结19个管芯。所不同的是，先将夹具内圈槽孔的升降柱升降并固定好9个管芯后，再将外圈槽孔升降柱升降依次固定好外圈的10个管芯。

Claims (6)

1.一种半导体器件烧结用夹具，其特征在于包括底座、支撑架、盖板、升降柱、弹簧、固定柱，底座上固定有支撑架，支撑架上安装有盖板，盖板上周边设有若干个槽孔，升降柱装在盖板的槽孔内并伸到盖板下方，盖板下方的升降柱柱体上套有弹簧，升降柱下端的底面有一凹槽，该凹槽内***有固定柱；在升降柱下端侧面开有丝孔与升降柱底面的凹槽贯通，螺丝拧入所述丝孔内，以挡住弹簧并固定凹槽内的固定柱，固定柱在凹槽内的固定位置上下可调；

所述升降柱上端有圆形柱帽，圆形柱帽直径大于槽孔直径；

所述升降柱上的丝孔有2～4个，对称设置；

所述盖板上的槽孔为六面体形，相应地所述升降柱柱体为六面体形且与盖板上的六面体槽孔相适配，升降柱可在槽孔内上下移动；

所述盖板为长方形、正方形或圆形。

2.如权利要求1所述的半导体器件烧结用夹具，其特征在于所述盖板上的槽孔为5～20个。

3.如权利要求1所述的半导体器件烧结用夹具，其特征在于所述盖板上的槽孔为6～10个。

4.一种半导体激光器多管芯烧结的方法，包括使用权利要求1－3任一项所述的夹具，步骤如下：

（1）在显微镜下用吸附机将半导体激光器管芯放置在带有焊料的热沉上，向上升起升降柱，将放有半导体激光器管芯的热沉移至夹具底座上，放置在固定柱底下，使固定柱正对住管芯；此时升降柱柱体上的弹簧处于压紧状态；然后缓缓将升降柱放下，在靠近管芯时，微调激光器管芯位置，使固定柱能够正对住管芯；

（2）放下升降柱，升降柱柱体上的弹簧给升降柱向下的力，并带动固定柱对管芯施压，将半导体激光器管芯及热沉夹持在固定柱底面与底座之间，用通有氮气的保护罩壳罩住整个夹具并密封，然后放到加热台上，进行烧结。

5.如权利要求4所述的半导体激光器多管芯烧结的方法，其特征在于步骤（1）中带有焊料的热沉放在管壳内。

6.如权利要求4所述的半导体激光器多管芯烧结的方法，其特征在于步骤（1）中所述的热沉为Cu材料热沉或者绝缘晶体材料的热沉。