一种高功率激光芯片的直接烧结方法与流程

1.本发明涉及一种高功率激光芯片的直接烧结方法，属于半导体激光器技术领域。


背景技术：

2.半导体激光器具有效率高、体积小、重量轻、寿命长、可靠性高、易于调制及价格低廉等优点，在工业、医疗、通信及军事等领域得到了广泛应用。在20世纪90年代取得了突破性进展，其标志是半导体激光器的输出功率显著增加，国外千瓦级的高功率半导体激光器已经商品化，国内样品器件输出已达到600w以上。
3.相比固体激光器、光纤激光器等技术，半导体激光器的电光转换效率较高，可达40％～60％，即便如此其工作时仍会产生大量的热，如散热效果不佳，则会造成芯片温度升高直接影响半导体激光器输出功率、阈值电流密度、电光转化效率、微分量子效率、偏振度等性能，并导致半导体激光器寿命和可靠性的下降，甚至会损毁芯片。良好的散热是保障半导体激光器功率和光束质量关键因素之一。
4.为了获得稳定的输出，同时达到良好的散热要求，一般现将单个芯片烧结到氮化铝、氧化铝、金刚石等材料热沉材料上封装成cos(cos指chip on submount，是封装在热沉上的激光器)，然后再将cos烧结到金属热沉或者壳体上，这些材料散热性能良好，能够提高激光器输出功率，延长激光器寿命。
5.对于高功率芯片来说，烧结质量有着很高的要求，传统的烧结方式是用回流炉和夹具进行烧结，将芯片和热沉摆放到夹具中，放到一个能够加热的炉子中，通过电热丝加热的方式将焊料熔化，然后在冷却，达到将cos固定在热沉上的目的。此方法需要专业的烧结炉，还需要配套动力设施，无法满足灵活生产的需求。
6.例如：专利文献cn200520120348.0公开了一种激光二极管芯片烧结机，为激光芯片专用的烧结设备，需要外部加热，同时需要相应的动力辅助。
7.综上目前的工艺具有需要单独设备、需要外部加热、操作不灵便，需要单独的动力支持等缺点。


技术实现要素：

8.针对现有技术的不足，本发明提供一种高功率激光芯片的直接烧结方法，利用cos自发热方式进行烧结的方法，解决了传统烧结需要专业炉具，不能灵活变动的问题。
9.术语说明：
10.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。
11.本发明采用以下技术方案：
12.一种高功率激光芯片的直接烧结方法，包括以下步骤：
13.(1)将热沉、焊料片、cos放置于烧结夹具中，通过烧结夹具将cos固定住，然后使用两片压片分别压在cos两侧的电极上，以对cos施加一定压力；
14.(2)将烧结夹具放于隔热绝缘材料之上；
15.(3)在cos的正前方放置散热片以接收芯片发出的光；
16.(4)将烧结夹具整体连同散热片放入密封容器中；
17.(5)将直流电源的正负极分别接到两个压片上，用于对芯片通电流，利用芯片自身发热熔化焊料片，不借用其他外部加热设备；
18.(6)利用真空泵将密封容器内部抽真空，排出焊料底部的气泡；
19.(7)停止通电，让整个系统冷却；
20.(8)将热沉从夹具中取出，显微镜下检查焊接效果。
21.优选的，所述焊料片厚度为0.04-0.06mm，优选为0.05mm。
22.优选的，所述焊料片为低温焊料，其熔化温度在100-150℃之间，如铟银焊料、铟焊料等，且无助焊剂。
23.优选的，步骤(3)中，散热片采用水冷方式散热，其材质优选为铜，并将接收光的一面设置为斜面或锯齿面，以防止光路返回损伤芯片。
24.优选的，步骤(4)中，密封容器内填充有保护气体。
25.优选的，步骤(5)中，在通电时监控温度，并调整电流使焊料片温度比焊料片熔化温度高10℃，温度保持时间为10min以上，且控制焊料片温度始终低于150℃。
26.优选的，步骤(6)中，抽真空需要反复抽充气大于3次，充气时充入氮气、氦气等保护气体，同时掺杂有甲酸蒸发气体、氢气等还原性气体，掺杂还原气体可以防止焊料被氧化。
27.优选的，步骤(7)中，采用自然冷却或风冷、水冷辅助冷却，在焊料片熔点附近控制冷却速度小于10℃每分钟，以减少烧结应力。
28.优选的，所述烧结夹具包括底座、支撑柱、压片固定板和压片，所述底座上设置有一凹槽，热沉放置于凹槽内且热沉前端与凹槽前端平齐，热沉左右两侧尽量居中(精定位主要靠后期的定位块)，热沉上放置焊料片，焊料片前端与凹槽内部边缘平齐，焊料片左右两侧与热沉两侧边缘平齐，焊料片上放置cos，焊料片大小与cos大小一致，并且两者完全对齐；
29.所述凹槽内设置有三个定位块，其中一个定位块用于定位热沉一端，两个定位块用于定位cos的两个侧边；
30.所述底座上在凹槽前端设置有一缺口，cos芯片发光区正对该缺口，在缺口前方距离底座外边缘约5cm处放置散热片；
31.所述支撑柱位于底座远离凹槽的一端，底座上有对应的孔，支撑柱可以进行插拔拆卸，支撑柱上固定设置有一压片固定板，压片固定板与底座相平行，压片固定板上设置有两个孔位，两个压片放置于两个孔位中使其依靠重力正好压在cos两侧的电极上，并保证不损伤芯片和金线，压片固定板与压片之间可滑动，压片可以靠重力自然下落，所述压力固定板为耐温绝缘材料，以陶瓷材质为佳，压片为导体，优选为铜镀金材料，压片与夹具其他结构之间绝缘，保证在通电时不会发生短路。
32.优选的，所述定位块为斜面设计，即其横截面为三角形；
33.所述定位块的斜面正对着热沉或cos放置，依靠定位块的自重实现对热沉或cos的定位，在三个方向给热沉/cos一个挤压力。
34.优选的，本发明的烧结夹具也可以设置为多个孔位，便于同时进行多个芯片的烧结，即设计同时兼容多个芯片的夹具，通电时多个芯片串联，同步改正烧结电流，保证烧结效果。
35.进一步的，本发明中的压片可以使用弹簧探针代替，弹簧探针需要耐温超过200℃，并且与其他支架绝缘，其他装配方式一致。
36.值得注意的是，本发明的正负极需要根据芯片的实际情况确认，电流电压需要根据具体实验情况进行确认，不同芯片需要使用不同的参数，只要保证电流使焊料片温度比焊料片熔化温度高10℃左右即可，通电时间优选为15-30min，可根据实际情况来灵活设置，如本装置在使用915芯片、铟银焊料片时需要通电约30分钟，使用915芯片、铟焊料片时通电需要约25分钟，控制电流跟通电时间20分钟左右，待整个系统冷却后，按照逆序将热沉跟芯片取出。
37.本发明未详尽之处均可参见现有技术。
38.本发明的有益效果为：
39.1)本发明无需专业烧结设备，且不受设备空间限制，对工作条件要求低，综合投入少。
40.2)本发明依靠cos自发热方式进行烧结，方法简单，所需材料少，工作灵活。
41.3)一般情况，筛选过程是在整个模块封装完成后再进行通电流老化筛选，而本发明利用自发热方式可以在封装初期即可筛选芯片的可靠性，将可靠性低的芯片提前筛选出(通电将产品点亮一段时间，观察芯片是否有不发光的情况发生，以此来检查芯片的可靠性)，风险前移，降低质量成本。
附图说明
42.图1为本发明一种实施例的烧结夹具的第一视角图；
43.图2为本发明一种实施例的烧结夹具的第二视角图；
44.图3为本发明一种实施例的烧结夹具的某一剖面图；
45.其中，1-支撑柱，2-压片固定板，3-压片，4-底座，5-热沉，6-cos，7-定位块。
具体实施方式：
46.为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述，但不仅限于此，本发明未详尽说明的，均按本领域常规技术。
47.实施例1：
48.一种高功率激光芯片的直接烧结方法，包括以下步骤：
49.(1)将热沉5、焊料片、cos 6放置于烧结夹具中，通过烧结夹具将cos 6固定住，然后使用两片压片3分别压在cos两侧的电极上，以对cos施加一定压力；
50.(2)将烧结夹具放于隔热绝缘材料之上；
51.(3)在cos的正前方放置散热片以接收芯片发出的光；
52.(4)将烧结夹具整体连同散热片放入密封容器中；
53.(5)将直流电源的正负极分别接到两个压片3上，用于对芯片通电流，利用芯片自身发热熔化焊料片，不借用其他外部加热设备；
54.(6)利用真空泵将密封容器内部抽真空，排出焊料底部的气泡；
55.(7)停止通电，让整个系统冷却；
56.(8)将热沉从夹具中取出，显微镜下检查焊接效果。
57.实施例2：
58.一种高功率激光芯片的直接烧结方法，如实施例1所述，不同的是，焊料片厚度为0.05mm。
59.焊料片为低温焊料，其熔化温度在100-150℃之间，如铟银焊料、铟焊料等，且无助焊剂。
60.实施例3：
61.一种高功率激光芯片的直接烧结方法，如实施例2所述，不同的是，步骤(3)中，散热片采用水冷方式散热，其材质优选为铜，并将接收光的一面设置为斜面或锯齿面，以防止光路返回损伤芯片。
62.实施例4：
63.一种高功率激光芯片的直接烧结方法，如实施例3所述，不同的是，步骤(4)中，密封容器内填充有保护气体；
64.步骤(5)中，在通电时监控温度，并调整电流使焊料片温度比焊料片熔化温度高10℃，温度保持时间为10min以上，且控制焊料片温度始终低于150℃。
65.实施例5：
66.一种高功率激光芯片的直接烧结方法，如实施例4所述，不同的是，步骤(6)中，抽真空需要反复抽充气大于3次，充气时充入氮气、氦气等保护气体，同时掺杂有甲酸蒸发气体、氢气等还原性气体，掺杂还原气体可以防止焊料被氧化。
67.步骤(7)中，采用自然冷却。
68.实施例6：
69.一种高功率激光芯片的直接烧结方法，如实施例5所述，不同的是，如图1-3所示，烧结夹具包括底座4、支撑柱1、压片固定板2和压片3，底座4上设置有一凹槽，热沉5放置于凹槽内且热沉5前端与凹槽前端平齐，热沉5左右两侧尽量居中(精定位主要靠后期的定位块)，热沉5上放置焊料片，焊料片前端与凹槽内部边缘平齐，焊料片左右两侧与热沉两侧边缘平齐，焊料片上放置cos 6，焊料片大小与cos 6大小一致，并且两者完全对齐；
70.凹槽内设置有三个定位块7，其中一个定位块用于定位热沉一端，两个定位块用于定位cos的两个侧边；
71.底座4上在凹槽前端设置有一缺口，cos芯片发光区正对该缺口，在缺口前方距离底座外边缘约5cm处放置散热片；
72.支撑柱1位于底座4远离凹槽的一端，底座上有对应的孔，支撑柱可以进行插拔拆卸，支撑柱1上固定设置有一压片固定板2，压片固定板2与底座4相平行，压片固定板上设置有两个孔位，两个压片3放置于两个孔位中使其依靠重力正好压在cos两侧的电极上，并保证不损伤芯片和金线，压片固定板与压片之间可滑动，压片可以靠重力自然下落，所述压力固定板为耐温绝缘材料，以陶瓷材质为佳，压片为导体，优选为铜镀金材料，压片与夹具其他结构之间绝缘，保证在通电时不会发生短路。
73.实施例7：
74.一种高功率激光芯片的直接烧结方法，如实施例6所述，不同的是，定位块7为斜面设计，即其横截面为三角形；
75.定位块的斜面正对着热沉或cos放置，依靠定位块的自重实现对热沉或cos的定位，在三个方向给热沉/cos一个挤压力，如图3所示。
76.以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种高功率激光芯片的直接烧结方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将热沉、焊料片、cos放置于烧结夹具中，通过烧结夹具将cos固定住，然后使用两片压片分别压在cos两侧的电极上，以对cos施加压力；(2)将烧结夹具放于隔热绝缘材料之上；(3)在cos的正前方放置散热片以接收芯片发出的光；(4)将烧结夹具整体连同散热片放入密封容器中；(5)将直流电源的正负极分别接到两个压片上，用于对芯片通电流，利用芯片自身发热熔化焊料片；(6)利用真空泵将密封容器内部抽真空，排出焊料底部的气泡；(7)停止通电，让整个系统冷却；(8)将热沉从夹具中取出，显微镜下检查焊接效果。2.根据权利要求1所述的高功率激光芯片的直接烧结方法，其特征在于，所述焊料片厚度为0.04-0.06mm。3.根据权利要求2所述的高功率激光芯片的直接烧结方法，其特征在于，所述焊料片为低温焊料，其熔化温度在100-150℃之间。4.根据权利要求3所述的高功率激光芯片的直接烧结方法，其特征在于，步骤(3)中，散热片采用水冷方式散热，其材质优选为铜，并将接收光的一面设置为斜面或锯齿面。5.根据权利要求1所述的高功率激光芯片的直接烧结方法，其特征在于，步骤(4)中，密封容器内填充有保护气体。6.根据权利要求1所述的高功率激光芯片的直接烧结方法，其特征在于，步骤(5)中，在通电时监控温度，并调整电流使焊料片温度比焊料片熔化温度高10℃，温度保持时间为10min以上，且控制焊料片温度始终低于150℃。7.根据权利要求1所述的高功率激光芯片的直接烧结方法，其特征在于，步骤(6)中，抽真空需要反复抽充气大于3次，充气时充入氦气等保护气体，同时掺杂有还原性气体。8.根据权利要求1所述的高功率激光芯片的直接烧结方法，其特征在于，步骤(7)中，采用自然冷却或风冷、水冷辅助冷却，在焊料片熔点附近控制冷却速度小于10℃每分钟，以减少烧结应力。9.根据权利要求1所述的高功率激光芯片的直接烧结方法，其特征在于，所述烧结夹具包括底座、支撑柱、压片固定板和压片，所述底座上设置有一凹槽，热沉放置于凹槽内且热沉前端与凹槽前端平齐，热沉上放置焊料片，焊料片前端与凹槽内部边缘平齐，焊料片左右两侧与热沉两侧边缘平齐，焊料片上放置cos，焊料片大小与cos大小一致，并且两者完全对齐；所述凹槽内设置有三个定位块，其中一个定位块用于定位热沉一端，两个定位块用于定位cos的两个侧边；所述底座上在凹槽前端设置有一缺口，cos芯片发光区正对该缺口，在缺口前方放置散热片；所述支撑柱位于底座远离凹槽的一端，支撑柱上固定设置有一压片固定板，压片固定板上设置有两个孔位，两个压片放置于两个孔位中使其依靠重力正好压在cos两侧的电极上，所述压力固定板为耐温绝缘材料，压片为导体，优选为铜镀金材料。
10.根据权利要求9所述的高功率激光芯片的直接烧结方法，其特征在于，所述定位块为斜面设计，即其横截面为三角形；所述定位块的斜面正对着热沉或cos放置，依靠定位块的自重实现对热沉或cos的定位。

技术总结
本发明涉及一种高功率激光芯片的直接烧结方法，属于半导体激光器技术领域，包括：将热沉、焊料片、COS放置于烧结夹具中，通过烧结夹具将COS固定住，然后使用两片压片分别压在COS两侧的电极上；将烧结夹具放于隔热绝缘材料之上；在COS的正前方放置散热片以接收芯片发出的光；将烧结夹具整体连同散热片放入密封容器中；将直流电源的正负极分别接到两个压片上，用于对芯片通电流，利用芯片自身发热熔化焊料片；利用真空泵将密封容器内部抽真空；停止通电，让整个系统冷却；本发明利用COS自发热方式进行烧结的方法，解决了传统烧结需要专业炉具，不能灵活变动的问题。不能灵活变动的问题。不能灵活变动的问题。


技术研发人员：马凯胜 秦华兵 王友志 王栋
受保护的技术使用者：潍坊华光光电子有限公司
技术研发日：2022.03.23
技术公布日：2023/10/6