一种半导体激光器芯片的自对准烧结夹具及烧结方法
【专利摘要】本发明涉及一种半导体激光器芯片的自对准烧结夹具及烧结方法。所述自对准烧结夹具包括底座、导轨支架和压块；所述底座上设有与热沉适配的定位卡槽，所述压块两侧有对称的定位道，所述导轨支架竖立于所述底座上，导轨支架上有对称的悬臂，悬臂内设有定位导轨，使压块的定位道能套入定位导轨中并在定位导轨中上下移动，所述压块底端有压柱，压块向下移动时压柱压紧热沉上的芯片。本发明还提供一种利用该夹具进行半导体激光器芯片烧结的方法。本发明的夹具结构简单，成本低廉，可实现自行对准，操作和观察方便；可实现对半导体激光器的芯片与热沉进行快速批量的烧结，显著提高夹具的烧结良率。
【专利说明】
一种半导体激光器芯片的自对准烧结夹具及烧结方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种用于半导体激光器芯片的自对准烧结夹具及使用该夹具进行芯片烧结的方法，属于半导体激光器芯片烧结技术领域。
【背景技术】
[0002]由于半导体激光器具有体积小、重量轻、电光转换效率高、寿命长和可靠性高等优点，已在通讯、医疗、显示、工业制作和安防等领域逐渐取代了气体和固体激光器的使用，其应用范围也在逐步扩展。半导体激光器工作时芯片产生的废热需要及时有效的排出，否则会造成激光器芯片温度过高，降低器件发光效率并诱发激光器的失效。目前广泛应用的技术方案是将半导体激光器芯片烧结到散热能力强的热沉上，通过热沉对芯片工作时产生的热量进行有效疏散。热沉与芯片间的焊料烧结应满足电阻低、导热性高、牢固可靠、抗疲劳等特性，烧结质量是影响半导体激光器的散热性能乃至激光器的寿命和可靠性的关键因素。
[0003]目前常用的烧结方案有两种，一种是采用真空吸笔将芯片吸起放置于热沉上，再进行加热烧结。所采用吸笔加压的方式的烧结质量较好，但每个升降温循环只能加压烧结一个激光器芯片，待烧结完成和冷却后再更换下一组芯片和热沉进行烧结，因此烧结效率低，并且设备复杂，需要真空设备制造负压，另外难以将烧结环境密闭，造成焊料容易被氧化。另一种是采用合金炉或回流炉等，将芯片放置在热沉上而后进行加热烧结，不对芯片施加压力。由于热沉上的焊料在熔化时具有一定的流动性，使得芯片与热沉间在烧结后容易出现烧结空洞，还可能导致芯片相对热沉位置的偏移，造成激光器芯片的发光位置和方向发生偏移，使得激光器的合格率和寿命下降。
[0004]中国专利文献CN101515702A提出了一种半导体激光器管芯芯片装置及其使用方法，烧结装置包括底支座、前挡板、热沉、压簧柱、弹簧、拨扳、压针、支柱、翘压杆、弹性支柱和滑足;该方法首先移开翘压杆至空位处，使用吸针将待烧热沉放于装置的前挡板处，移开吸针后拉动拨扳，将热沉固定于压簧柱和前挡板之间，在显微镜观察下用吸针将待烧结的芯片吸到热沉的边缘摆放对准，吸针移开后，在显微镜观察下移动翘压杆，将翘压杆的压针准确落在芯片的上方;在真空以及氮气保护下完成烧结。该方法的不足之处在于需要在显微镜下摆放热沉、芯片和落下压针，操作不便且效率较低;并且整个装置部件较多，加工和组装所需的精密部件较为困难，需要使用真空设备制造负压以吸取热沉和芯片，设备的制造成本高，不适用于批量烧结。
[0005]中国专利文献CN105098593A提出了一种半导体激光器管芯的自对准烧结夹具及烧结方法，烧结夹具包括支架、对位底座、压柱和弹簧;支架有底支座和悬臂，底支座上有与对位底座适配的定位卡槽，悬臂上有压柱导孔，弹簧套在压柱上部;所述对位底座有热沉载置台，使热沉上的管芯在对位底座完全推抵定位卡槽内时能够正对准所述压柱下端，以使压柱在弹簧弹力下能压紧在管芯上。该方法的不足之处在于C型支架的加工较为困难;并且将热沉及芯片放到对位底座上并推入支架的定位卡槽后，由于支架上部的遮挡而无法观察热沉上的芯片在放置过程中是否有发生移位；另外在烧结的热循环过程中，所使用的弹簧会发生塑性形变，导致下压压力变小，可能造成芯片发生烧结不良。
【发明内容】
[0006]本发明针对现有的半导体激光器芯片烧结技术存在的问题，提出一种具有自对准功能的结构简单、方便操作和检查、生产效率高的半导体激光器芯片烧结夹具。
[0007]本发明还提供一种利用该夹具进行半导体激光器芯片烧结的方法。
[0008]本发明的技术方案如下:
[0009]—种半导体激光器芯片自对准烧结夹具，包括底座、导轨支架和压块;所述底座上设有与热沉适配的定位卡槽，所述压块两侧有对称的定位道，导轨支架上有对称的悬臂，悬臂内设有定位导轨，使压块的定位道能套入定位导轨中并在定位导轨中上下移动。
[0010]根据本发明优选的，压块的定位道是凸缘或凹槽，所述悬臂上的定位导轨是凹槽或凸缘，定位导轨与定位道相适配。保证压块在定位道和定位导轨的配合下能上下移动不偏移，最终实现自对准且精准定位于底座上的热沉上的待烧结的芯片。
[0011]根据本发明优选的，所述压柱与热沉上的芯片的尺寸和位置相适配。
[0012]根据本发明，所述底座上的定位卡槽有与热沉适配，是指使载有待烧结芯片的热沉能在定位卡槽内移动且贴合在所述定位卡槽内壁上，并且使热沉完全推抵底定位卡槽内时热沉上的芯片能够正位于所述压块下端的压柱下方，以使压块的重力压紧在芯片上。
[0013]根据本发明，所述对称的悬臂之间的距离与压块的尺寸相适配。所述压块的高度大于悬臂的高度;使压块套入悬臂内后，压块的上端都能露出悬臂一截，方便使用。且保证压在待烧结芯片上时压块两侧面与悬臂内壁接触良好，定位凸缘限位于定位导轨中。
[0014]根据本发明，优选的，所述压块底端有压柱，压块向下移动时压柱能压紧热沉上的芯片。所述压块底端压柱的尺寸和位置与待烧结的芯片的尺寸和位置适配，以使压块在导轨支架的定位导轨中向下移动时能通过所述压柱压紧热沉上的芯片。所述压柱是立方体形或圆柱形。
[0015]根据本发明优选的，所述对称的悬臂是平行的两个竖臂，悬臂与底座表面垂直。
[0016]根据本发明优选的，所述导轨支架垂直于所述底座表面。
[0017]根据本发明优选的，所述底座上的定位卡槽是一端开口的长方形或正方形卡槽，与载有待烧结芯片的热沉相尺寸适配。
[0018]根据本发明优选的，所述定位卡槽底端正对热沉上芯片位置开有保护凹槽；以保护激光器芯片的前腔面。所述定位卡槽底端是与定位卡槽开口端相对的一端。
[0019]根据本发明优选的，所述压块主体部分为正方体形或长方体形;压块尺寸与导轨支架悬臂间的尺寸相适配，使压块能在导轨支架悬臂间上下自由移动。
[0020]根据本发明优选的，所述压块两侧的定位道是方形的凸缘，相应地，所述悬臂上的定位导轨是方形的凹槽，两者其尺寸和位置相适配，以使定位凸缘能在凹槽中上下自由移动。
[0021]根据本发明，所述底座、导轨支架和压块均采用金属材料制成，优选的，所述底座、导轨支架和压块采用无氧铜制成。
[0022]根据本发明，优选的，所述压柱的底部抛光处理。
[0023]根据本发明，所述导轨支架的高度以在显微镜下观察到放入底支座的定位卡槽内的热沉和芯片。
[0024]本发明的夹具使用时，将放有芯片的热沉完全推抵到底座上的定位卡槽内，然后将压块置于悬臂之间，压块两侧的定位道(凸缘或凹槽)限位于导轨支架悬臂的定位导轨中，压块通过导轨上下移动并使得压块下端的压柱压紧热沉上的芯片。底座上的定位卡槽与热沉尺寸适配，热沉恰好能推入开口槽内，在抵到定位卡槽底端时热沉上芯片的位置正对于压柱底端，同时压块侧面与悬臂内面、定位凸缘或凹槽与定位导轨之间的限位作用保证了压块在下压后不发生横向的移动，从而实现自对准和位置稳定。压柱作用于激光器芯片和热沉的压力可以通过改变压块主体的整体尺寸调整。
[0025]根据本发明，一种半导体激光器芯片烧结的方法，包括使用上述的自对准烧结夹具，包括如下步骤:
[0026](I)在显微镜下用吸附机将半导体激光器芯片放置在热沉的焊料上；
[0027](2)将载放有芯片的热沉插入到底座的定位卡槽中，并推抵到底；
[0028](3)用显微镜从上方观察确认热沉上的芯片在操作中位置未发生移位；
[0029](4)将压块两侧的定位道置于导轨支架悬臂的定位导轨中，使压块插入到悬臂之间并向下移动，使压块低端的压柱下端正对住热沉上的激光器芯片并压紧，完成夹具夹持；
[0030](5)重复上述步骤(I)?(4)，设置其他若干个相同的夹具夹持热沉及芯片;然后将夹持热沉及芯片的夹具排列整齐，将通有氮气的保护罩壳盖住所述摆放好的夹具后密封，放于加热台上烧结。
[0031 ]所述烧结过程按照现有技术进行。
[0032]本发明的有益效果:
[0033]本发明夹具结构简单，成本低廉，操作和检查方便可靠，可实现自行对准。利用压块的重力，对芯片施加一定的压力进行烧结，可以有效的减少芯片与热沉间的烧结空洞，提升激光器的寿命，保证产品的质量;定位卡槽可以保证热沉在插入后实现自对准，压块下压时压柱正对芯片，不需调整压块的位置，压柱放下后在重力的作用下能保持芯片压实在热沉上。
[0034]本发明夹具的导轨支架上部没有遮挡，在将热沉和芯片推进定位卡槽后，能够方便地利用显微镜从上方检查热沉和芯片的相对位置，从而避免热沉和芯片在放置于定位卡槽过程中出现偶然移位而导致烧结的产品不合格，进一步提升了夹具烧结的合格率。通过压块主体侧面与悬臂内部、以及导轨支架上的定位导轨与压块上的定位道(凸缘或凹槽)的适配和限位作用，可保证压块在放置于导轨支架的悬臂之间后保持横向位置的稳定，仅能上下移动并使得压块下端的压柱能正对芯片。本发明的夹具的烧结良率提升至90%以上。
[0035]本发明夹具的压块能够上下移动，从而可满足不同高度热沉和不同厚度芯片的烧结需要。通过调整导轨底座上定位卡槽的尺寸和位置，可以对不同尺寸的热沉进行烧结。
[0036]本发明简化了芯片烧结的准确定位;压块施加给芯片的重力有效降低了激光器芯片的串联电阻和热阻，解决了因热沉上焊料熔化时芯片移位造成的发光效率低的问题，工艺简单实用，且烧结前方便检查；装置仅包括两个组件，结构简单，制作成本低，生产效率尚O
[0037]本发明的夹具可以方便的置于氮气保护罩壳中，有效防止焊料在高温烧结时发生氧化。利用多组夹具固定好每组热沉及芯片后，可以使用加热装置进行快速批量的烧结，从而显著提升生产效率。
【附图说明】
[0038]图1是本发明半导体激光器芯片自对准烧结夹具的结构示意图。
[0039]图2是本发明夹具中压块的结构示意图。
[0040]图3是本发明夹具中导轨支架的结构示意图。
[0041]图中:1、激光器芯片，2、热沉，3、压块主体，4、压块上的定位道(凸缘)，5、压柱，6、底座，7、定位卡槽，8、保护凹槽，9、悬臂，1、导轨支架，11、定位导轨(凹槽)。
【具体实施方式】
[0042]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。
[0043]实施例1:
[0044]半导体激光器芯片的自对准烧结夹具，如图1所示，包括底座6、导轨支架10和压块3 ο所述导轨支架竖立于所述底座上，导轨支架上有对称的悬臂9，悬臂9内设有定位导轨11，该定位导轨为方形凹槽。如图3所示。所述底座6上有与热沉2适配的定位卡槽7，定位卡槽7是一边开口的长方凹槽，使热沉2能在定位卡槽7内移动且侧面与卡槽内壁贴合。
[0045]所述压块3的结构如图2所示，包括压块主体3、压块定位道4和压柱5，压块主体3的尺寸与导轨支架的悬臂9之间的空隙相适配;压块两侧有定位用的压块定位道(凸缘)4，该压块定位道4为方形凸台，能套在导轨支架悬臂9上的定位导轨11中并上下移动;所述压块下部有压柱5，在热沉2完全推抵道底座6上的定位卡槽7内时，压柱5底端正对于热沉2上的芯片I，通过重力作用使得压柱压紧芯片及热沉，实现自对准和固定。
[0046]所述定位卡槽7内正对热沉芯片位置开有保护凹槽8，以保护激光器芯片的前腔面。
[0047]所述悬臂9之间的尺寸恰好容纳压块主体3并使得压块侧面能与对称的悬臂9之间的内壁贴合，保证压块能在导轨支架中上下移动；如图1所示，通过定位导轨与定位凸缘以及悬臂内壁与压块主体之间的限位作用，保证压块在放置到导轨支架中并自由向下放置时，横向方向上不发生移位，同时通过定位卡槽、压块下端压柱以及热沉的相对位置的设计，保证压块向下放置时压柱恰好压在热沉2上的芯片I上，实现位置稳定和自对准。
[0048]使用时，在显微镜下用吸附机将半导体激光器芯片I放置在带有焊料的热沉2上。将载放有芯片I的热沉2插入到导轨支架的支座6的定位卡槽7中，并推抵到底。支座6上的定位卡槽7与热沉2的尺寸适配，在热沉2推抵到定位卡槽7底端时热沉2上芯片I的位置正对于压块下端的压柱5。可从上方通过显微镜观察确认芯片I在热沉2上的位置在操作中未发生移位。将压块主体3套入到导轨支架的悬臂9之间，并使压块两侧的压块定位道4套入到悬臂9的定位导轨11中，使压块自由下放，压块下端的压柱5正对住激光器芯片I并压紧，从而实现自对准和固定，完成夹具夹持。
[0049]压柱5的底部进行抛光，该底部接触激光器芯片和底座上的放置热沉的上表面，压柱底端的尺寸可根据待烧结的芯片的大小调整，定位卡槽的尺寸和位置可根据待烧结的热沉的大小调整。烧结时压柱作用于激光器芯片和热沉的压力可以通过改变压块的整体长度调整。
[0050]实施例2:
[0051]利用实施例1的自对准烧结夹具进行半导体激光器芯片烧结的方法，步骤如下:
[0052](I)在显微镜下用吸附机将半导体激光器芯片I放置在热沉2上的焊料上；
[0053](2)将载放有芯片I的热沉2插入到底座的定位卡槽7中，并推抵到底；
[0054](3)用显微镜从上方观察确认热沉2上的激光器芯片I在操作中位置未发生移位；
[0055](4)将压块两侧的压块定位道4置于导轨支架上悬臂的定位导轨11中，使压块插入到悬臂之间并下放，使压柱5下端正对住激光器芯片I并压紧，完成夹具夹持；
[0056](5)重复上述步骤(I)?(4)，设置其他若干个相同的夹具夹持热沉及芯片;然后将夹持热沉及芯片的夹具排列整齐，将通有氮气的保护罩壳盖住所述摆放好的夹具后密封，放于加热台上烧结。
[0057]烧结试验:
[0058]按实施例2的方法利用实施例1的夹具进行半导体激光器芯片烧结，烧结数量128只，其中合格品数为116只，烧结良率90.6 %。
[0059]对比实验:
[0060]按CN105098593A实施例1的夹具通过实施例2的方法进行半导体激光器管芯烧结，烧结数量120只，其中合格品数为97只，烧结良率80.8 %。
[0061]由于利用本发明的夹具进行半导体激光器芯片烧结时，在将载放有芯片的热沉插入到底座的定位卡槽中并推抵到底后，可以通过显微镜从夹具上方观察芯片是否移位，如有芯片移位的可取出调整再装入，从而进一步提升了烧结后的激光器件的良率。本发明的夹具的烧结良率可由CN105098593A的80 %左右提升至90 %以上。
【主权项】
1.一种半导体激光器芯片自对准烧结夹具，包括底座、导轨支架和压块;所述底座上设有与热沉适配的定位卡槽，所述压块两侧有对称的定位道，导轨支架上有对称的悬臂，悬臂内设有定位导轨，使压块的定位道能套入定位导轨中并在定位导轨中上下移动。2.如权利要求1所述的半导体激光器芯片自对准烧结夹具，其特征在于，所述压块的定位道是凸缘或凹槽，所述悬臂上的定位导轨是凹槽或凸缘，定位导轨与定位道相适配。3.如权利要求1所述的半导体激光器芯片自对准烧结夹具，其特征在于，所述对称的悬臂是平行的两个竖臂，悬臂与底座表面垂直。4.如权利要求1所述的半导体激光器芯片自对准烧结夹具，其特征在于，所述底座上的定位卡槽是一端开口的长方形或正方形卡槽，与载有待烧结芯片的热沉相尺寸适配。5.如权利要求1所述的半导体激光器芯片自对准烧结夹具，其特征在于，所述定位卡槽底端正对热沉上芯片位置开有保护凹槽。6.如权利要求1所述的半导体激光器芯片自对准烧结夹具，其特征在于，所述压块主体部分为正方体形或长方体形;压块尺寸与导轨支架悬臂间的尺寸相适配。7.如权利要求1所述的半导体激光器芯片自对准烧结夹具，其特征在于，所述压块两侧的定位道是方形的凸缘，相应地，所述悬臂上的定位导轨是方形的凹槽。8.如权利要求1所述的半导体激光器芯片自对准烧结夹具，其特征在于，所述压块底端有压柱，压块向下移动时压柱压紧热沉上的芯片;所述压柱的尺寸和位置与待烧结的芯片的尺寸和位置适配;优选所述压柱的底部抛光处理。9.如权利要求1所述的半导体激光器芯片自对准烧结夹具，其特征在于所述底座、导轨支架和压块均采用金属材料制成;优选采用无氧铜制成。10.—种半导体激光器芯片烧结的方法，包括用权利要求1-9任一项所述自对准烧结夹具进行烧结，包括如下步骤: (1)在显微镜下用吸附机将半导体激光器芯片放置在热沉的焊料上； (2)将载放有芯片的热沉插入到底座的定位卡槽中，并推抵到底； (3)用显微镜从上方观察确认热沉上的芯片在操作中位置未发生移位； (4)将压块两侧的定位道置于导轨支架悬臂的定位导轨中，使压块插入到悬臂之间并向下移动，使压块低端的压柱下端正对住热沉上的激光器芯片并压紧，完成夹具夹持； (5)重复上述步骤(I)?(4)，设置其他若干个相同的夹具夹持热沉及芯片;然后将夹持热沉及芯片的夹具排列整齐，将通有氮气的保护罩壳盖住所述摆放好的夹具后密封，放于加热台上烧结。
【文档编号】H01S5/022GK105896307SQ201610285100
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年4月29日
【发明人】杨扬, 徐现刚, 夏伟, 李沛旭
【申请人】山东华光光电子股份有限公司