一種半導體激光器芯片的自對準燒結夾具及燒結方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種半導體激光器芯片的自對準燒結夾具及燒結方法。所述自對準燒結夾具包括底座、導軌支架和壓塊；所述底座上設有與熱沉適配的定位卡槽，所述壓塊兩側(cè)有對稱的定位道，所述導軌支架豎立于所述底座上，導軌支架上有對稱的懸臂，懸臂內(nèi)設有定位導軌，使壓塊的定位道能套入定位導軌中并在定位導軌中上下移動，所述壓塊底端有壓柱，壓塊向下移動時壓柱壓緊熱沉上的芯片。本發(fā)明還提供一種利用該夾具進行半導體激光器芯片燒結的方法。本發(fā)明的夾具結構簡單，成本低廉，可實現(xiàn)自行對準，操作和觀察方便；可實現(xiàn)對半導體激光器的芯片與熱沉進行快速批量的燒結，顯著提高夾具的燒結良率。
【專利說明】
一種半導體激光器芯片的自對準燒結夾具及燒結方法
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及一種用于半導體激光器芯片的自對準燒結夾具及使用該夾具進行芯片燒結的方法，屬于半導體激光器芯片燒結技術領域。
【背景技術】
[0002]由于半導體激光器具有體積小、重量輕、電光轉(zhuǎn)換效率高、壽命長和可靠性高等優(yōu)點，已在通訊、醫(yī)療、顯示、工業(yè)制作和安防等領域逐漸取代了氣體和固體激光器的使用，其應用范圍也在逐步擴展。半導體激光器工作時芯片產(chǎn)生的廢熱需要及時有效的排出，否則會造成激光器芯片溫度過高，降低器件發(fā)光效率并誘發(fā)激光器的失效。目前廣泛應用的技術方案是將半導體激光器芯片燒結到散熱能力強的熱沉上，通過熱沉對芯片工作時產(chǎn)生的熱量進行有效疏散。熱沉與芯片間的焊料燒結應滿足電阻低、導熱性高、牢固可靠、抗疲勞等特性，燒結質(zhì)量是影響半導體激光器的散熱性能乃至激光器的壽命和可靠性的關鍵因素。
[0003]目前常用的燒結方案有兩種，一種是采用真空吸筆將芯片吸起放置于熱沉上，再進行加熱燒結。所采用吸筆加壓的方式的燒結質(zhì)量較好，但每個升降溫循環(huán)只能加壓燒結一個激光器芯片，待燒結完成和冷卻后再更換下一組芯片和熱沉進行燒結，因此燒結效率低，并且設備復雜，需要真空設備制造負壓，另外難以將燒結環(huán)境密閉，造成焊料容易被氧化。另一種是采用合金爐或回流爐等，將芯片放置在熱沉上而后進行加熱燒結，不對芯片施加壓力。由于熱沉上的焊料在熔化時具有一定的流動性，使得芯片與熱沉間在燒結后容易出現(xiàn)燒結空洞，還可能導致芯片相對熱沉位置的偏移，造成激光器芯片的發(fā)光位置和方向發(fā)生偏移，使得激光器的合格率和壽命下降。
[0004]中國專利文獻CN101515702A提出了一種半導體激光器管芯芯片裝置及其使用方法，燒結裝置包括底支座、前擋板、熱沉、壓簧柱、彈簧、撥扳、壓針、支柱、翹壓桿、彈性支柱和滑足;該方法首先移開翹壓桿至空位處，使用吸針將待燒熱沉放于裝置的前擋板處，移開吸針后拉動撥扳，將熱沉固定于壓簧柱和前擋板之間，在顯微鏡觀察下用吸針將待燒結的芯片吸到熱沉的邊緣擺放對準，吸針移開后，在顯微鏡觀察下移動翹壓桿，將翹壓桿的壓針準確落在芯片的上方;在真空以及氮氣保護下完成燒結。該方法的不足之處在于需要在顯微鏡下擺放熱沉、芯片和落下壓針，操作不便且效率較低;并且整個裝置部件較多，加工和組裝所需的精密部件較為困難，需要使用真空設備制造負壓以吸取熱沉和芯片，設備的制造成本高，不適用于批量燒結。
[0005]中國專利文獻CN105098593A提出了一種半導體激光器管芯的自對準燒結夾具及燒結方法，燒結夾具包括支架、對位底座、壓柱和彈簧;支架有底支座和懸臂，底支座上有與對位底座適配的定位卡槽，懸臂上有壓柱導孔，彈簧套在壓柱上部;所述對位底座有熱沉載置臺，使熱沉上的管芯在對位底座完全推抵定位卡槽內(nèi)時能夠正對準所述壓柱下端，以使壓柱在彈簧彈力下能壓緊在管芯上。該方法的不足之處在于C型支架的加工較為困難;并且將熱沉及芯片放到對位底座上并推入支架的定位卡槽后，由于支架上部的遮擋而無法觀察熱沉上的芯片在放置過程中是否有發(fā)生移位；另外在燒結的熱循環(huán)過程中，所使用的彈簧會發(fā)生塑性形變，導致下壓壓力變小，可能造成芯片發(fā)生燒結不良。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明針對現(xiàn)有的半導體激光器芯片燒結技術存在的問題，提出一種具有自對準功能的結構簡單、方便操作和檢查、生產(chǎn)效率高的半導體激光器芯片燒結夾具。
[0007]本發(fā)明還提供一種利用該夾具進行半導體激光器芯片燒結的方法。
[0008]本發(fā)明的技術方案如下:
[0009]—種半導體激光器芯片自對準燒結夾具，包括底座、導軌支架和壓塊;所述底座上設有與熱沉適配的定位卡槽，所述壓塊兩側(cè)有對稱的定位道，導軌支架上有對稱的懸臂，懸臂內(nèi)設有定位導軌，使壓塊的定位道能套入定位導軌中并在定位導軌中上下移動。
[0010]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，壓塊的定位道是凸緣或凹槽，所述懸臂上的定位導軌是凹槽或凸緣，定位導軌與定位道相適配。保證壓塊在定位道和定位導軌的配合下能上下移動不偏移，最終實現(xiàn)自對準且精準定位于底座上的熱沉上的待燒結的芯片。
[0011]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述壓柱與熱沉上的芯片的尺寸和位置相適配。
[0012]根據(jù)本發(fā)明，所述底座上的定位卡槽有與熱沉適配，是指使載有待燒結芯片的熱沉能在定位卡槽內(nèi)移動且貼合在所述定位卡槽內(nèi)壁上，并且使熱沉完全推抵底定位卡槽內(nèi)時熱沉上的芯片能夠正位于所述壓塊下端的壓柱下方，以使壓塊的重力壓緊在芯片上。
[0013]根據(jù)本發(fā)明，所述對稱的懸臂之間的距離與壓塊的尺寸相適配。所述壓塊的高度大于懸臂的高度;使壓塊套入懸臂內(nèi)后，壓塊的上端都能露出懸臂一截，方便使用。且保證壓在待燒結芯片上時壓塊兩側(cè)面與懸臂內(nèi)壁接觸良好，定位凸緣限位于定位導軌中。
[0014]根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選的，所述壓塊底端有壓柱，壓塊向下移動時壓柱能壓緊熱沉上的芯片。所述壓塊底端壓柱的尺寸和位置與待燒結的芯片的尺寸和位置適配，以使壓塊在導軌支架的定位導軌中向下移動時能通過所述壓柱壓緊熱沉上的芯片。所述壓柱是立方體形或圓柱形。
[0015]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述對稱的懸臂是平行的兩個豎臂，懸臂與底座表面垂直。
[0016]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述導軌支架垂直于所述底座表面。
[0017]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述底座上的定位卡槽是一端開口的長方形或正方形卡槽，與載有待燒結芯片的熱沉相尺寸適配。
[0018]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述定位卡槽底端正對熱沉上芯片位置開有保護凹槽；以保護激光器芯片的前腔面。所述定位卡槽底端是與定位卡槽開口端相對的一端。
[0019]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述壓塊主體部分為正方體形或長方體形;壓塊尺寸與導軌支架懸臂間的尺寸相適配，使壓塊能在導軌支架懸臂間上下自由移動。
[0020]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述壓塊兩側(cè)的定位道是方形的凸緣，相應地，所述懸臂上的定位導軌是方形的凹槽，兩者其尺寸和位置相適配，以使定位凸緣能在凹槽中上下自由移動。
[0021]根據(jù)本發(fā)明，所述底座、導軌支架和壓塊均采用金屬材料制成，優(yōu)選的，所述底座、導軌支架和壓塊采用無氧銅制成。
[0022]根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選的，所述壓柱的底部拋光處理。
[0023]根據(jù)本發(fā)明，所述導軌支架的高度以在顯微鏡下觀察到放入底支座的定位卡槽內(nèi)的熱沉和芯片。
[0024]本發(fā)明的夾具使用時，將放有芯片的熱沉完全推抵到底座上的定位卡槽內(nèi)，然后將壓塊置于懸臂之間，壓塊兩側(cè)的定位道(凸緣或凹槽)限位于導軌支架懸臂的定位導軌中，壓塊通過導軌上下移動并使得壓塊下端的壓柱壓緊熱沉上的芯片。底座上的定位卡槽與熱沉尺寸適配，熱沉恰好能推入開口槽內(nèi)，在抵到定位卡槽底端時熱沉上芯片的位置正對于壓柱底端，同時壓塊側(cè)面與懸臂內(nèi)面、定位凸緣或凹槽與定位導軌之間的限位作用保證了壓塊在下壓后不發(fā)生橫向的移動，從而實現(xiàn)自對準和位置穩(wěn)定。壓柱作用于激光器芯片和熱沉的壓力可以通過改變壓塊主體的整體尺寸調(diào)整。
[0025]根據(jù)本發(fā)明，一種半導體激光器芯片燒結的方法，包括使用上述的自對準燒結夾具，包括如下步驟:
[0026](I)在顯微鏡下用吸附機將半導體激光器芯片放置在熱沉的焊料上；
[0027](2)將載放有芯片的熱沉插入到底座的定位卡槽中，并推抵到底；
[0028](3)用顯微鏡從上方觀察確認熱沉上的芯片在操作中位置未發(fā)生移位；
[0029](4)將壓塊兩側(cè)的定位道置于導軌支架懸臂的定位導軌中，使壓塊插入到懸臂之間并向下移動，使壓塊低端的壓柱下端正對住熱沉上的激光器芯片并壓緊，完成夾具夾持；
[0030](5)重復上述步驟(I)?(4)，設置其他若干個相同的夾具夾持熱沉及芯片;然后將夾持熱沉及芯片的夾具排列整齊，將通有氮氣的保護罩殼蓋住所述擺放好的夾具后密封，放于加熱臺上燒結。
[0031 ]所述燒結過程按照現(xiàn)有技術進行。
[0032]本發(fā)明的有益效果:
[0033]本發(fā)明夾具結構簡單，成本低廉，操作和檢查方便可靠，可實現(xiàn)自行對準。利用壓塊的重力，對芯片施加一定的壓力進行燒結，可以有效的減少芯片與熱沉間的燒結空洞，提升激光器的壽命，保證產(chǎn)品的質(zhì)量;定位卡槽可以保證熱沉在插入后實現(xiàn)自對準，壓塊下壓時壓柱正對芯片，不需調(diào)整壓塊的位置，壓柱放下后在重力的作用下能保持芯片壓實在熱沉上。
[0034]本發(fā)明夾具的導軌支架上部沒有遮擋，在將熱沉和芯片推進定位卡槽后，能夠方便地利用顯微鏡從上方檢查熱沉和芯片的相對位置，從而避免熱沉和芯片在放置于定位卡槽過程中出現(xiàn)偶然移位而導致燒結的產(chǎn)品不合格，進一步提升了夾具燒結的合格率。通過壓塊主體側(cè)面與懸臂內(nèi)部、以及導軌支架上的定位導軌與壓塊上的定位道(凸緣或凹槽)的適配和限位作用，可保證壓塊在放置于導軌支架的懸臂之間后保持橫向位置的穩(wěn)定，僅能上下移動并使得壓塊下端的壓柱能正對芯片。本發(fā)明的夾具的燒結良率提升至90%以上。
[0035]本發(fā)明夾具的壓塊能夠上下移動，從而可滿足不同高度熱沉和不同厚度芯片的燒結需要。通過調(diào)整導軌底座上定位卡槽的尺寸和位置，可以對不同尺寸的熱沉進行燒結。
[0036]本發(fā)明簡化了芯片燒結的準確定位;壓塊施加給芯片的重力有效降低了激光器芯片的串聯(lián)電阻和熱阻，解決了因熱沉上焊料熔化時芯片移位造成的發(fā)光效率低的問題，工藝簡單實用，且燒結前方便檢查；裝置僅包括兩個組件，結構簡單，制作成本低，生產(chǎn)效率尚O
[0037]本發(fā)明的夾具可以方便的置于氮氣保護罩殼中，有效防止焊料在高溫燒結時發(fā)生氧化。利用多組夾具固定好每組熱沉及芯片后，可以使用加熱裝置進行快速批量的燒結，從而顯著提升生產(chǎn)效率。
【附圖說明】
[0038]圖1是本發(fā)明半導體激光器芯片自對準燒結夾具的結構示意圖。
[0039]圖2是本發(fā)明夾具中壓塊的結構示意圖。
[0040]圖3是本發(fā)明夾具中導軌支架的結構示意圖。
[0041]圖中:1、激光器芯片，2、熱沉，3、壓塊主體，4、壓塊上的定位道(凸緣)，5、壓柱，6、底座，7、定位卡槽，8、保護凹槽，9、懸臂，1、導軌支架，11、定位導軌(凹槽)。
【具體實施方式】
[0042]下面結合實施例和附圖對本發(fā)明做進一步說明。但不限于此。
[0043]實施例1:
[0044]半導體激光器芯片的自對準燒結夾具，如圖1所示，包括底座6、導軌支架10和壓塊3 ο所述導軌支架豎立于所述底座上，導軌支架上有對稱的懸臂9，懸臂9內(nèi)設有定位導軌11，該定位導軌為方形凹槽。如圖3所示。所述底座6上有與熱沉2適配的定位卡槽7，定位卡槽7是一邊開口的長方凹槽，使熱沉2能在定位卡槽7內(nèi)移動且側(cè)面與卡槽內(nèi)壁貼合。
[0045]所述壓塊3的結構如圖2所示，包括壓塊主體3、壓塊定位道4和壓柱5，壓塊主體3的尺寸與導軌支架的懸臂9之間的空隙相適配;壓塊兩側(cè)有定位用的壓塊定位道(凸緣)4，該壓塊定位道4為方形凸臺，能套在導軌支架懸臂9上的定位導軌11中并上下移動;所述壓塊下部有壓柱5，在熱沉2完全推抵道底座6上的定位卡槽7內(nèi)時，壓柱5底端正對于熱沉2上的芯片I，通過重力作用使得壓柱壓緊芯片及熱沉，實現(xiàn)自對準和固定。
[0046]所述定位卡槽7內(nèi)正對熱沉芯片位置開有保護凹槽8，以保護激光器芯片的前腔面。
[0047]所述懸臂9之間的尺寸恰好容納壓塊主體3并使得壓塊側(cè)面能與對稱的懸臂9之間的內(nèi)壁貼合，保證壓塊能在導軌支架中上下移動；如圖1所示，通過定位導軌與定位凸緣以及懸臂內(nèi)壁與壓塊主體之間的限位作用，保證壓塊在放置到導軌支架中并自由向下放置時，橫向方向上不發(fā)生移位，同時通過定位卡槽、壓塊下端壓柱以及熱沉的相對位置的設計，保證壓塊向下放置時壓柱恰好壓在熱沉2上的芯片I上，實現(xiàn)位置穩(wěn)定和自對準。
[0048]使用時，在顯微鏡下用吸附機將半導體激光器芯片I放置在帶有焊料的熱沉2上。將載放有芯片I的熱沉2插入到導軌支架的支座6的定位卡槽7中，并推抵到底。支座6上的定位卡槽7與熱沉2的尺寸適配，在熱沉2推抵到定位卡槽7底端時熱沉2上芯片I的位置正對于壓塊下端的壓柱5?？蓮纳戏酵ㄟ^顯微鏡觀察確認芯片I在熱沉2上的位置在操作中未發(fā)生移位。將壓塊主體3套入到導軌支架的懸臂9之間，并使壓塊兩側(cè)的壓塊定位道4套入到懸臂9的定位導軌11中，使壓塊自由下放，壓塊下端的壓柱5正對住激光器芯片I并壓緊，從而實現(xiàn)自對準和固定，完成夾具夾持。
[0049]壓柱5的底部進行拋光，該底部接觸激光器芯片和底座上的放置熱沉的上表面，壓柱底端的尺寸可根據(jù)待燒結的芯片的大小調(diào)整，定位卡槽的尺寸和位置可根據(jù)待燒結的熱沉的大小調(diào)整。燒結時壓柱作用于激光器芯片和熱沉的壓力可以通過改變壓塊的整體長度調(diào)整。
[0050]實施例2:
[0051]利用實施例1的自對準燒結夾具進行半導體激光器芯片燒結的方法，步驟如下:
[0052](I)在顯微鏡下用吸附機將半導體激光器芯片I放置在熱沉2上的焊料上；
[0053](2)將載放有芯片I的熱沉2插入到底座的定位卡槽7中，并推抵到底；
[0054](3)用顯微鏡從上方觀察確認熱沉2上的激光器芯片I在操作中位置未發(fā)生移位；
[0055](4)將壓塊兩側(cè)的壓塊定位道4置于導軌支架上懸臂的定位導軌11中，使壓塊插入到懸臂之間并下放，使壓柱5下端正對住激光器芯片I并壓緊，完成夾具夾持；
[0056](5)重復上述步驟(I)?(4)，設置其他若干個相同的夾具夾持熱沉及芯片;然后將夾持熱沉及芯片的夾具排列整齊，將通有氮氣的保護罩殼蓋住所述擺放好的夾具后密封，放于加熱臺上燒結。
[0057]燒結試驗:
[0058]按實施例2的方法利用實施例1的夾具進行半導體激光器芯片燒結，燒結數(shù)量128只，其中合格品數(shù)為116只，燒結良率90.6 %。
[0059]對比實驗:
[0060]按CN105098593A實施例1的夾具通過實施例2的方法進行半導體激光器管芯燒結，燒結數(shù)量120只，其中合格品數(shù)為97只，燒結良率80.8 %。
[0061]由于利用本發(fā)明的夾具進行半導體激光器芯片燒結時，在將載放有芯片的熱沉插入到底座的定位卡槽中并推抵到底后，可以通過顯微鏡從夾具上方觀察芯片是否移位，如有芯片移位的可取出調(diào)整再裝入，從而進一步提升了燒結后的激光器件的良率。本發(fā)明的夾具的燒結良率可由CN105098593A的80 %左右提升至90 %以上。
【主權項】
1.一種半導體激光器芯片自對準燒結夾具，包括底座、導軌支架和壓塊;所述底座上設有與熱沉適配的定位卡槽，所述壓塊兩側(cè)有對稱的定位道，導軌支架上有對稱的懸臂，懸臂內(nèi)設有定位導軌，使壓塊的定位道能套入定位導軌中并在定位導軌中上下移動。2.如權利要求1所述的半導體激光器芯片自對準燒結夾具，其特征在于，所述壓塊的定位道是凸緣或凹槽，所述懸臂上的定位導軌是凹槽或凸緣，定位導軌與定位道相適配。3.如權利要求1所述的半導體激光器芯片自對準燒結夾具，其特征在于，所述對稱的懸臂是平行的兩個豎臂，懸臂與底座表面垂直。4.如權利要求1所述的半導體激光器芯片自對準燒結夾具，其特征在于，所述底座上的定位卡槽是一端開口的長方形或正方形卡槽，與載有待燒結芯片的熱沉相尺寸適配。5.如權利要求1所述的半導體激光器芯片自對準燒結夾具，其特征在于，所述定位卡槽底端正對熱沉上芯片位置開有保護凹槽。6.如權利要求1所述的半導體激光器芯片自對準燒結夾具，其特征在于，所述壓塊主體部分為正方體形或長方體形;壓塊尺寸與導軌支架懸臂間的尺寸相適配。7.如權利要求1所述的半導體激光器芯片自對準燒結夾具，其特征在于，所述壓塊兩側(cè)的定位道是方形的凸緣，相應地，所述懸臂上的定位導軌是方形的凹槽。8.如權利要求1所述的半導體激光器芯片自對準燒結夾具，其特征在于，所述壓塊底端有壓柱，壓塊向下移動時壓柱壓緊熱沉上的芯片;所述壓柱的尺寸和位置與待燒結的芯片的尺寸和位置適配;優(yōu)選所述壓柱的底部拋光處理。9.如權利要求1所述的半導體激光器芯片自對準燒結夾具，其特征在于所述底座、導軌支架和壓塊均采用金屬材料制成;優(yōu)選采用無氧銅制成。10.—種半導體激光器芯片燒結的方法，包括用權利要求1-9任一項所述自對準燒結夾具進行燒結，包括如下步驟: (1)在顯微鏡下用吸附機將半導體激光器芯片放置在熱沉的焊料上； (2)將載放有芯片的熱沉插入到底座的定位卡槽中，并推抵到底； (3)用顯微鏡從上方觀察確認熱沉上的芯片在操作中位置未發(fā)生移位； (4)將壓塊兩側(cè)的定位道置于導軌支架懸臂的定位導軌中，使壓塊插入到懸臂之間并向下移動，使壓塊低端的壓柱下端正對住熱沉上的激光器芯片并壓緊，完成夾具夾持； (5)重復上述步驟(I)?(4)，設置其他若干個相同的夾具夾持熱沉及芯片;然后將夾持熱沉及芯片的夾具排列整齊，將通有氮氣的保護罩殼蓋住所述擺放好的夾具后密封，放于加熱臺上燒結。
【文檔編號】H01S5/022GK105896307SQ201610285100
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年4月29日
【發(fā)明人】楊揚, 徐現(xiàn)剛, 夏偉, 李沛旭
【申請人】山東華光光電子股份有限公司