CN103457151B - 一种高温硬焊料准连续半导体激光器巴条叠阵封装方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高温硬焊料准连续半导体激光器巴条叠阵封装方法，利用特殊工装夹具，采用高温硬焊料将n个巴条、n+1个导电散热隔块和n+1个电绝缘散热片交替堆叠、一次回流焊接成激光器巴条叠阵单元，然后采用温度相对较低的软焊料将激光器巴条叠阵单元与热沉再次回流焊接成型。该方法能够显著降低高温硬焊料准连续半导体激光器巴条叠阵封装时的焊接应力，提高器件的寿命、产出率和光电性能。
Description
技术领域
本发明涉及激光技术领域，具体涉及的是一种高温硬焊料准连续半导体激光器巴条叠阵封装方法。
背景技术
半导体激光器由于其体积小、重量轻、电光转换效率高等优点，广泛应用于工业、医疗、通讯、军事国防等领域。应用市场上对高功率、尤其是准连续输出时的峰值功率要求越来越高，多巴条组装的高功率垂直叠阵及面阵得以迅速发展。
目前，多巴条组装的高功率垂直叠阵主要是以微通道热沉封装的单巴条半导体激光器堆叠而成。微通道热沉利用去离子水及时的将激光器产生的热量从巴条中带走，散热效率较高。但是，运用这种方式散热的微通道热沉需要特殊设计，设计和制作成本很高；其次，使用这种封装方式的半导体激光器阵列相对传导冷却半导体激光器阵列的体积要大很多，并且需要配备水冷机才能正常工作；再次，这种封装方式在对激光器有效散热的同时，需要尽量减少对热沉材料的腐蚀和磨损，一般要求使用去离子水，一旦微通道内部被腐蚀、或者有金属碎屑剥落、又或者冷却水中有颗粒杂物等，微通道的冷却能力下降，从而引起器件性能急剧下降，光谱发生红移等现象，对工作条件的需求非常苛刻。
此外，以微通道热沉封装的单巴条半导体激光器所用的焊料主要是高纯铟。高纯铟是一种软焊料，具有良好的延展性，可以在器件封装（尤其是降温冷却阶段）时和器件工作状态下很好的补偿热沉材料和巴条材料的热膨胀系数失配，且与半导体激光器巴条p面镀金层焊接面的润湿性也非常好。铟焊料的缺点是当在铟界面发生机械和热循环时，塑性变形速率很高，易产生蠕变。铟焊料在烧结焊接过程中易氧化，在其表面形成熔点高、润湿性差、具有抗焊行的氧化膜，使器件焊接性能降低。并且易产生铟须，易导致巴条的P、N结短路和巴条腔面污染。在器件工作时，铟焊料在高电流下易产生电迁移和电热迁移，使器件稳定性下降，易出现突然退化现象，铟焊料封装的器件寿命远小于金锡焊料封装的器件。
因此高温硬焊料准连续半导体激光器巴条叠阵封装技术应用而生。美国专利No.5,040,187和5,284,790披露的方法是在电绝缘导热衬底切出多个间隔、平行的分开矩形槽。在这些平行分开的凹槽的壁到相邻的凹槽的壁上实现金属化的电导通。槽的宽度选择略小于单个激光巴条的厚度。导热衬底在外力作用下可以向另一方向弯曲，使得凹槽间距分开的更大，半导体激光器巴条可以***其中。当去除外力后，衬底回到正常的位置时，激光器巴条被牢固地压缩固定在衬底的凹槽内，实现多个在凹槽内激光器巴条和金属化衬底表面之间的电传导连接。这种方法为了避免封装时应力使巴条开裂，选择软焊料，如铟。此外这种方法很不利于激光器巴条前端对齐，封装过程中巴条很容易在凹槽平移或旋转。
美国专利No.5,128,951显示在上述方法基础上进行改进，是一种更加简易的激光巴条阵列制作方法。热沉基板由两层组成，上部为导电导热层，下部电绝缘导热层，两层可以通过焊接等方式连接在一起。上层切出凹槽阵列后可以置入激光器巴条，再通过回流焊接在一起。但还是没有提供更好的激光器巴条前端对齐的方法。
美国专利No.5,305,344披露将半导体激光器巴条热沉，而不是激光器巴条本身***到一个基体的顶部面上的凹槽里。这个热沉包括一个激光器巴条、氧化铝垫块及钨铜合金散热片。用金箔片把位于钨铜散热片前端的巴条和金属化的氧化铝垫块上表面连接起来。垫块位于散热片的中部。将软焊料贴到基体上平行等间距分布的凹槽内壁上。钨铜合金散热片的后端***凹槽内。叠阵中激光巴条之间的电连接是通过在散热片和氧化铝垫块顶部之间加上铜垫片来实现的。不幸的是，这样连接封装带来的失效模式，如激光器巴条性能退化、焊料蠕动到巴条表面等污染出现的几率很高。
美国专利No.6,636,538and7,060,515,以及5,898,211披露了不同的叠阵组装方法来解决上述问题，即提供单个激光器巴条模块（包括热沉垫块、激光器巴条和电绝缘基片）组合成叠阵。每个单独的激光器模块可以进行测试，以确保它将参数与叠阵所需的操作参数一致。激光器巴条暴露另一个表面（即N面）包括一个焊料层，以便可以两个或更多的模块在这个特殊焊料熔化温度上回流后焊接组合成多巴条叠阵。美国专利No.6,424,667披露一个类似的方法，即使用热膨胀系数匹配的两个热沉垫块将激光器巴条夹在当中焊接在一起，然后在这个热沉垫块垂直于巴条焊接面的另一个面上贴上一个电绝缘热导材料基片，形成激光器巴条的子模块。稍后将多个子模块贴在一起焊接到一个大的散热体上，形成激光器巴条叠阵。这项发明极大改进了对激光器巴条叠阵对热循环疲劳的抵抗能力。然而，上述这些方法都需要许多不同焊料(不同熔点)多次回流组装过程，而使工序繁琐且效率低下。另外，叠阵中激光器巴条周期有一定的限制，不能足够小以满足很多实际要求及应用。
美国专利No.6,295,307和6,352,873披露装配半导体激光器巴条叠阵的一种方法。即把第一个导电垫块合金放好，贴上第一个焊料片，将巴条放置第一个焊料片上，再贴上第二个焊料片，放置第二个导电垫块合金后，用夹具把垫块、巴条、垫块压缩一起固定好，加热到高于其焊料熔点的温度回流，冷却***。此夹心式的制作流程可以扩展到多个激光器巴条叠阵制作过程中去。导电散热垫块-巴条复合组件粘接到非导电热沉基片上是这样实现的：非导电热沉基片上表面实现金属化或涂有导电材料，切出多个槽穿过的基片导电层。槽间距对应巴条排列周期，导电散热垫块焊接到非导电热沉基片的导电层上，而激光器巴条恰好位于凹槽的上方。然后基片的下表面再焊接到含有冷却剂的导热基体上。导热基体、非导电热沉基片、和导电散热垫块-巴条复合组件全都焊接在一块，起到良好的导热功效。美国专利No.7,864,825提供的一种激光器巴条叠阵封装方法，改变不同组件回流焊接的先后次序：金属化非导电热沉基片首先焊接到更大的导热基体上，切割出的多元平行的沟槽穿过非导电热沉基片形成平行街道式多元散热片，激光器巴条叠阵组成的多元的激光器巴条和导电散热垫块焊接到通过凹槽电绝缘的表面上，其中巴条恰好位于凹槽上方而非导电热沉基片与导电散热垫块焊接。在这种组装条件下，独立的热沉基片可自由移动随热沉的扩张移动。然而，在使用高温硬焊料回流时，由于不同材料热膨胀系数不一致带来的应力，仍有可能导致叠阵中激光器巴条性能退化，甚至激光器巴条劈裂，尤其是叠阵中巴条排列的周期较大的情况下。
采用无氧铜热沉进行传导冷却散热，无需去离子水等冷却介质。激光器巴条与导电散热隔块之间焊接采用的是高温硬焊料连接，形成稳定的合金相，焊接强度高，可以在-40℃～85℃等极端恶劣条件下工作。但是高温硬焊料易使巴条产生较大的应变，较大的焊接应力使巴条易开裂，导致激光器失效。因而急需一种采用高温硬焊料焊接、低应力的准连续半导体激光器巴条叠阵的封装方法。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的以上问题，提供一种高温硬焊料准连续半导体激光器巴条叠阵封装方法，显著降低高温硬焊料准连续半导体激光器巴条叠阵封装时的焊接应力。
为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：
一种高温硬焊料准连续半导体激光器巴条叠阵封装方法，包括以下步骤：
步骤1）在第一工装夹具底面放置超平氧化铝，在所述第一工装夹具的底面先放置一个超平氧化铝，然后从一端开始再放置一个超平氧化铝、若干个导电散热隔块，所述导电散热隔块之间通过激光器巴条、高温硬焊料等间距地隔开，在所述第一工装夹具的另一端放置弹簧销或螺钉将所述激光器巴条、高温硬焊料、导电散热隔块固定住；或者所述导电散热隔块两焊接面镀有高温硬焊料，以取代预成型的单独放置的高温硬焊料片；
步骤2）制作电绝缘散热片，将未加工的电绝缘散热片金属化，焊接面的最外层镀上一层金，再制作出与所述导电散热隔块尺寸匹配的电绝缘散热片，所述电绝缘散热片的焊接面之间保持绝缘；
步骤3）利用精密机械加工或微纳加工技术制作第二工装夹具，在第二工装夹具上制作出n个槽，槽的宽度略小于巴条的宽度，再将绝缘物体镶嵌入槽内；
步骤4）在每两个所述绝缘物体中间放置所述电绝缘散热片，在所述电绝缘散热片上放置所述高温硬焊料；
步骤5）将特制夹具的两部分装配成一个整体，把步骤1的单元模块倒扣在步骤4的单元模块上，使得所述导电散热隔块与所述电绝缘散热片相对应，镶嵌的绝缘物体对应在相邻的两个导电散热隔块之间的激光器巴条上，利用工装夹具上的特制的精密定位、对位***，使得所述巴条、所述导电散热隔块和所述电绝缘散热片之间实现精密对位，保证焊接后的对位精度，然后进行回流焊接，一次成型后去除特制夹具，得到巴条叠阵模块单元；
步骤6）将巴条叠阵模块单元通过熔点相对较低的软焊料与底座大热沉焊接成型，再焊接上电极，从而得到高温硬焊料准连续半导体激光器巴条叠阵。
进一步的，所述高温硬焊料可以是预成型的焊料片或者是经过电镀或蒸镀的硬焊料层，厚度为5um～50um其成分可以是金锡或金锗。
进一步的，所述激光器巴条个数大于等于1个，相邻两激光器巴条之间的间隔周期可以是0.4mm～2mm。
进一步的，所述导电散热隔块的热膨胀系数须与激光器巴条的热膨胀系数相匹配。
进一步的，所述激光器巴条的尺寸小于所述导电散热隔块的尺寸。
进一步的，所述电绝缘散热片两焊接面经过金属化后，切割成型，彼此分开、独立与相对应的导电散热隔块相对应焊接成型。
进一步的，所述第一工装夹具、第二工装夹具和槽的装配面的平整度、粗糙度在10μm以内，所述槽的加工精度在5μm以内，所述超平氧化铝的粗糙度和平整度在5μm以内。
本发明的有益效果是:
本发明能够保证在传导冷却散热模式下实现半导体激光器巴条叠阵的各半导体巴条前端对齐、低应力、大功率、高亮度、窄光谱、巴条焊接部无铟化、周期小等优点，提高器件的寿命、产出率和光电性能。
附图说明
图1整体结构示意图；
图2为激光器巴条、导电散热隔块与焊料的组装示意图；
图3激光器叠阵单元装配示意图；
图4为激光器巴条叠阵模块单元。
图中标号说明：1、高温硬焊料，2、激光器巴条，3、导电散热隔块，4、电绝缘散热片，5、软焊料，6、热沉，7、超平氧化铝，8、绝缘物体。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。
参照图1、图2、图3、图4所示，一种高温硬焊料准连续半导体激光器巴条叠阵封装方法，包括以下步骤：
步骤1）在第一工装夹具底面放置超平氧化铝7，在所述第一工装夹具的底面先放置一个超平氧化铝7，然后从一端开始再放置一个超平氧化铝7、若干个导电散热隔块3，所述导电散热隔块之间通过激光器巴条2、高温硬焊料1等间距地隔开，在所述第一工装夹具的另一端放置弹簧销或螺钉将所述激光器巴条2、高温硬焊料1、导电散热隔块3固定住；或者所述导电散热隔块3两焊接面镀有高温硬焊料1，以取代预成型的单独放置的高温硬焊料片；
步骤2）制作电绝缘散热片4，将未加工的电绝缘散热片金属化，焊接面的最外层镀上一层金，再制作出与所述导电散热隔块3尺寸匹配的电绝缘散热片4，所述电绝缘散热片的焊接面之间保持绝缘；
步骤3）利用精密机械加工或微纳加工技术制作第二工装夹具，在第二工装夹具上制作出n个槽，槽的宽度略小于巴条的宽度，再将绝缘物体8镶嵌入槽内；
步骤4）在每两个所述绝缘物体8中间放置所述电绝缘散热片4，在所述电绝缘散热片4上放置所述高温硬焊料1；
步骤5）将特制夹具的两部分装配成一个整体，把步骤1的单元模块倒扣在步骤4的单元模块上，使得所述导电散热隔块3与所述电绝缘散热片4相对应，镶嵌的绝缘物体8对应在相邻的两个导电散热隔块3之间的激光器巴条2上，利用工装夹具上的特制的精密定位、对位***，使得所述巴条2、所述导电散热隔块3和所述电绝缘散热片4之间实现精密对位，保证焊接后的对位精度，然后进行回流焊接，一次成型后去除特制夹具，得到巴条叠阵模块单元；
步骤6）将巴条叠阵模块单元通过熔点相对较低的软焊料5与底座大热沉6焊接成型，再焊接上电极，从而得到高温硬焊料准连续半导体激光器巴条叠阵。
进一步的，所述高温硬焊料1可以是预成型的焊料片或者是经过电镀或蒸镀的硬焊料层，厚度为5um～50um其成分可以是金锡或金锗。
进一步的，所述激光器巴条2个数大于等于1个，相邻两激光器巴条2之间的间隔周期可以是0.4mm～2mm。
进一步的，所述导电散热隔块3的热膨胀系数须与激光器巴条2的热膨胀系数相匹配。
进一步的，所述激光器巴条2的尺寸小于所述导电散热隔块3的尺寸。
进一步的，所述电绝缘散热片4两焊接面经过金属化后，切割成型，彼此分开、独立与相对应的导电散热隔块3相对应焊接成型。
进一步的，所述第一工装夹具、第二工装夹具和槽的装配面的平整度、粗糙度在10μm以内，所述槽的加工精度在5μm以内，所述超平氧化铝7的粗糙度和平整度在5μm以内。
Claims (7)
1.一种高温硬焊料准连续半导体激光器巴条叠阵封装方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1）在第一工装夹具的底面先放置一个超平氧化铝（7），然后从第一工装夹具的一内侧面端开始再放置一个超平氧化铝（7）、若干个导电散热隔块（3），所述导电散热隔块之间通过激光器巴条（2）、高温硬焊料（1）等间距地隔开，在所述第一工装夹具的另一端放置弹簧销或螺钉将所述激光器巴条（2）、高温硬焊料（1）、导电散热隔块（3）固定住；或者所述导电散热隔块（3）两焊接面镀有高温硬焊料（1），以取代预成型的单独放置的高温硬焊料片；
步骤2）制作电绝缘散热片（4），将未加工的电绝缘散热片金属化，焊接面的最外层镀上一层金，再制作出与所述导电散热隔块（3）尺寸匹配的电绝缘散热片（4），所述电绝缘散热片的焊接面之间保持绝缘；
步骤3）利用精密机械加工或微纳加工技术制作第二工装夹具，在第二工装夹具上制作出多个槽，槽的宽度略小于巴条的宽度，再将绝缘物体（8）镶嵌入槽内；
步骤4）在每两个所述绝缘物体（8）中间放置所述电绝缘散热片（4），在所述电绝缘散热片（4）上放置所述高温硬焊料（1）；
步骤5）将特制夹具的两部分装配成一个整体，把步骤1）的单元模块倒扣在步骤4）的单元模块上，使得所述导电散热隔块（3）与所述电绝缘散热片（4）相对应，镶嵌的绝缘物体（8）对应在相邻的两个导电散热隔块（3）之间的激光器巴条（2）上，利用工装夹具上的特制的精密定位、对位***，使得所述激光器巴条（2）、所述导电散热隔块（3）和所述电绝缘散热片（4）之间实现精密对位，保证焊接后的对位精度，然后进行回流焊接，一次成型后去除特制夹具，得到巴条叠阵模块单元；
步骤6）将巴条叠阵模块单元通过熔点相对较低的软焊料（5）与底座大热沉（6）焊接成型，再焊接上电极，从而得到高温硬焊料准连续半导体激光器巴条叠阵。
2.根据权利要求1所述的高温硬焊料准连续半导体激光器巴条叠阵封装方法，其特征在于：所述高温硬焊料（1）可以是预成型的焊料片或者是经过电镀或蒸镀的硬焊料层，厚度为5um～50um，其成分是金锡或金锗。
3.根据权利要求1所述的高温硬焊料准连续半导体激光器巴条叠阵封装方法，其特征在于：所述激光器巴条（2）个数大于等于1个，相邻两激光器巴条（2）之间的间隔周期是0.4mm～2mm。
4.根据权利要求1所述的高温硬焊料准连续半导体激光器巴条叠阵封装方法，其特征在于：所述导电散热隔块（3）的热膨胀系数须与激光器巴条（2）的热膨胀系数相匹配。
5.根据权利要求1所述的高温硬焊料准连续半导体激光器巴条叠阵封装方法，其特征在于：所述激光器巴条（2）的尺寸小于所述导电散热隔块（3）的尺寸。
6.根据权利要求1所述的高温硬焊料准连续半导体激光器巴条叠阵封装方法，其特征在于：所述电绝缘散热片（4）两焊接面经过金属化后，切割成型，彼此分开、独立与相对应的导电散热隔块（3）相对应焊接成型。
7.根据权利要求1所述的高温硬焊料准连续半导体激光器巴条叠阵封装方法，其特征在于：所述第一工装夹具、第二工装夹具和槽的装配面的平整度、粗糙度在10μm以内，所述槽的加工精度在5μm以内，所述超平氧化铝（7）的粗糙度和平整度在5μm以内。
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