一种半导体激光器单巴封装方法
阅读说明：本技术 一种半导体激光器单巴封装方法 (Single-bar packaging method for semiconductor laser ) 是由 李伟 李波 李青民 孙翔 杨向荣 于 2020-12-30 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种半导体激光器单巴封装方法,解决现有激光器单巴封装成本高、制造工艺复杂、体积大、使用范围较窄等问题。该半导体激光器单巴封装方法包括：步骤一、将负电极通过绝缘材料设置在铜热沉的上表面；步骤二、将正电极焊接在铜热沉的上表面；步骤三、将半导体激光器巴条的P面与钨铜热沉的上表面通过金锡合金焊接,将钨铜热沉的下表面与铜热沉的上表面通过金锡合金焊接；步骤四、将半导体激光器巴条的N面与负电极通过金线连接；步骤五、将铜热沉安装在散热器上。通过本发明方法对激光器单巴进行封装时,材料要求较低,对加工设备的要求也较低,同时,该方法简单易实现,使用范围较广。(The invention provides a single-bar packaging method of a semiconductor laser, which solves the problems of high single-bar packaging cost, complex manufacturing process, large volume, narrow application range and the like of the traditional laser. The single-bar packaging method of the semiconductor laser comprises the following steps: step one, arranging a negative electrode on the upper surface of a copper heat sink through an insulating material; welding the positive electrode on the upper surface of the copper heat sink; welding the P surface of the semiconductor laser bar and the upper surface of the tungsten-copper heat sink through gold-tin alloy, and welding the lower surface of the tungsten-copper heat sink and the upper surface of the copper heat sink through gold-tin alloy; connecting the N surface of the semiconductor laser bar with the negative electrode through a gold wire; and step five, mounting the copper heat sink on the radiator. When the method is used for packaging the laser single bar, the material requirement is lower, the requirement on processing equipment is lower, and meanwhile, the method is simple and easy to implement and wide in application range.)
技术领域
本发明属于半导体激光器领域，具体涉及一种半导体激光器单巴封装方法。
背景技术
激光器由于其能量高，发热量大，封装主要采用成品封装热沉。目前成熟的封装方式主要包括COS封装、TO封装、C-mount封装、CS封装等，此类封装的优点在于：产品成熟，封装后再加散热器即可使用。但是，对于单巴的封装，存在以下问题：第一、传统单巴封装采用CS、C-mount等封装，此类封装中，热沉使用精密加工中心加工，多层金属叠加后焊接，使得此类封装加工工艺复杂，同时，此类封装使用的双面金属氮化铝陶瓷等耗材价格昂贵，使得封装成本较高；第二、单巴封装制造需要加工中心等进行精密加工，使得其制造工艺复杂，制造成本高昂；第二、传统单巴封装采用水冷冷却，水冷需设置相应的水冷设备，对于手持设备此种方式无法适用，使得其使用范围较窄；第三，传统单巴使用水冷方式，需要外加制冷设备，直接导致整体设备体积大，不便携带。
发明内容
本发明的目的是解决现有激光器单巴封装成本高、制造工艺复杂、体积大、使用范围较窄等问题，提供一种半导体激光器单巴封装方法。
为实现以上发明目的，本发明的技术方案是：
一种半导体激光器单巴封装方法，包括以下步骤：
步骤一、将负电极通过绝缘材料设置在铜热沉的上表面，且负电极的后侧面和铜热沉的后侧面平齐设置，所述铜热沉和负电极为纯铜材料，且表面镀有金层；
步骤二、将正电极焊接在铜热沉的上表面，所述正电极为纯铜材料，且表面镀有金层；
步骤三、将半导体激光器巴条的P面与钨铜热沉的上表面通过金锡合金焊接，将钨铜热沉的下表面与铜热沉的上表面通过金锡合金焊接，且钨铜热沉和半导体激光器巴条位于负电极的前侧，所述钨铜热沉的表面镀有金层；
步骤四、将半导体激光器巴条的N面与负电极通过金线连接；
步骤五、将铜热沉安装在散热器上。
进一步地，步骤三具体包括以下步骤：
3.1)在半导体激光器巴条的P面与钨铜热沉的上表面之间设置金锡合金焊料片，在钨铜热沉的下表面与铜热沉的上表面之间设置金锡合金焊料片；
3.2)在真空共晶炉内对步骤3.1)中的部件加热，温度为10～600℃，在半导体激光器巴条的N面施加一定的压力，将所有部件焊接为一个整体。
进一步地，步骤三具体包括以下步骤：
3.1)在钨铜热沉的金层表面镀金锡合金层；
3.2)将钨铜热沉的上表面与半导体激光器巴条的P面焊接，将钨铜热沉的下表面与铜热沉的上表面焊接，焊接温度为100～600℃。
进一步地，步骤三中，钨铜热沉中钨和铜的质量比为1：1～1：9，金锡合金中金和锡的质量比为1：1～9：1。
进一步地，步骤一至步骤三中，负电极、正电极、铜热沉和钨铜热沉的镀金层厚度在0.02微米～0.5微米之间。
进一步地，步骤一中，绝缘材料为聚酯亚胺、树脂纤维板或聚四氟乙烯板，绝缘材料通过PET、502胶水或AB胶与负电极、铜热沉连接。
进一步地，步骤四中，通过金线打线机将半导体激光器巴条的N面与负电极用金线连接到一起，金线为纯金拉制的直径0.001微米～0.1微米的导电线。
进一步地，步骤四中，所述半导体激光器巴条的N面与负电极之间的金线长短交错、高低交错设置。
进一步地，步骤五中，将铜热沉涂敷导热硅脂后安装在散热器上，所述散热器为铝合金散热器，所述铝合金散热器的下底面上设置有多个散热片。
进一步地，所述散热器的上端面设置有凹槽，所述铜热沉通过螺栓或压簧固定在凹槽内。
与现有技术相比，本发明技术方案具有以下有益效果：
1.生产成本低廉。通过本发明方法对激光器单巴进行封装时，对材料要求较低，各部件使用的材料均为常规材料，且投入的生产设备简单，无需设置加工中心等复杂加工装置，使得其成本低廉，整体降低了生产成本。
2.加工方法简单。本发明方法中使用的焊接温度均为一般高温，抽真空设备也无太高要求，焊接技术也只是一般方法，使得整体加工方法简单易实现。
3.激光器功率大，体积小。本发明方法无需对单巴激光器进行解离等操作，使得激光器整体光功率比单管高了几十倍，满足在较小体积下具有较高功率要求，从而使得其整体结构小巧，便于手持设备的安装。
4.散热方便。现有的巴条封装技术使用水冷方式，水冷设备体积大，成本高，不便携带，本发明方法可直接采用铝合金散热器，铝合金散热器体积较小，成本较低，方便携带，解决了传统巴条封装水冷散热不能携带的问题。
附图说明
图1为本发明半导体激光器巴条部分封装后的正视图；
图2为本发明半导体激光器巴条部分封装后的俯视图；
图3为本发明半导体激光器巴条整体封装后的俯视图；
图4为本发明半导体激光器巴条整体封装后的侧视图。
附图标记：1-负电极，2-绝缘材料，3-铜热沉，4-正电极，5-半导体激光器巴条，6-钨铜热沉，7-金线，8-散热器，11-负电极的后侧面，31-铜热沉的后侧面，81-散热片，82-凹槽。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。
现有激光器的封装普遍采用产业化标准进行封装，但是，对于手持式大功率激光器设备的封装，存在成本较高、体积较大、散热功率较小等问题，从而无法满足手持式激光设备的需求。基于此，本发明提供一种半导体激光器单巴封装方法，通过本发明方法对激光器单巴进行封装时，材料要求较低，对加工设备的要求也较低，因此整体制造成本较低。同时，该方法简单易实现，对焊接、加热、真空的要求较低。此外，该方法封装的半导体激光器单巴功率大、体积小，不仅能够满足手持式激光设备的要求，还能满足其他大功率、小体积设备器件的封装要求，使用范围较广。
如图1至图4所示，本发明半导体激光器单巴封装方法封装时，首先将负电极1加绝缘层后粘接在铜热沉3上，其次将正电极4焊接在铜热沉3上，随后将半导体激光器巴条焊接在钨铜热沉6上，钨铜热沉6焊接在铜热沉3上，焊接完成后，最后将其整体安装在散热器8上，下面对该方法进行详细的描述。
本发明提供的半导体激光器单巴封装方法具体包括以下步骤：
步骤一、将负电极1通过绝缘材料2设置在铜热沉3的上表面，且负电极的后侧面11和铜热沉的后侧面31平齐设置，即负电极的后侧面11和铜热沉的后侧面31在同一平面上，这样的位置排布使得后续电极打金线7有空间也更方便；
该步骤中，铜热沉3和负电极1为纯铜材料，且表面镀有金层，在负电极1和铜热沉3之间设置绝缘材料2，然后将负电极1和铜热沉3分别与绝缘材料2的两面粘接，绝缘材料2具体可为聚酯亚胺、树脂纤维复合材料、聚四氟乙烯或塑料等绝缘材料，粘接使用502、AB胶等胶水粘接或使用PET薄膜进行加热加压力粘接，粘接温度50～500摄氏度；
步骤二、将正电极4焊接在铜热沉3的上表面，正电极4为纯铜材料，且表面镀有金层；
该步骤中，焊接使用金锡合金焊料片焊接，金和锡的质量比例为：9：1到1：1，焊接温度为100～600℃；
步骤三、将半导体激光器巴条5的P面与钨铜热沉6的上表面通过金锡合金焊接，将钨铜热沉6的下表面与铜热沉3的上表面通过金锡合金焊接，且钨铜热沉6和半导体激光器巴条5位于负电极1的前侧，钨铜热沉6的表面镀有金层；
该步骤中，可通过以下两种方式将半导体激光器巴条5、钨铜热沉6和铜热沉3进行连接；
当钨铜热沉6只镀有金层时，钨铜热沉6使用金锡合金焊料片进行焊接，焊接各层分别为：半导体激光器巴条5、金锡合金焊料片、钨铜热沉6、金锡合金焊料片、铜热沉3；此时，半导体激光器巴条5的N面朝上，P面接金锡合金焊料片，金锡合金焊料片下表面接钨铜热沉6的一个面，钨铜热沉6的另一面通过金锡合金焊料片与铜热沉3的上表面结合，在真空共晶炉内对整体加热，温度100～600℃，对半导体激光器巴条5的N面施加一定的压力，把各部件焊接为一个整体；
当钨铜热沉6镀金后再镀金锡合金时，焊接各层分别为：半导体激光器巴条5、钨铜热沉6、铜热沉3，将钨铜热沉6的一面与半导体激光器巴条5的P面焊接，钨铜热沉6的另一面与铜热沉3焊接，焊接温度为100～600℃；
步骤四、将半导体激光器巴条5的N面与负电极1通过金线7连接；
该步骤中，具体通过金线打线机将半导体激光器巴条5的N面与负电极1用金线7连接到一起，金线7使用纯金拉制的直径0.001微米～0.1微米的导电线；同时，可将半导体激光器巴条5的N面与负电极1之间的金线7设置为长短交错、高低交错，这样可以在较小的空间内打更多的金线7，可以走更大的电流，防止后期大流过大烧毁金线7；
步骤五、将铜热沉3安装在散热器8上；
该步骤中，将铜热沉3涂敷导热硅脂后安装在散热器8上，散热器8为铝合金散热器，散热器8可为齿形散热器，外观形状可以为方形，也可以是圆形，也可以是其它多边形，散热器8的上端面设置有凹槽82，安装时，将封装好的铜热沉3与散热器8的接触面涂敷导热硅脂后，使用螺栓或者压簧将铜热沉3安装在凹槽82，铝合金散热器8的下底面设置有多个散热片81，实现散热。
本发明半导体激光器单巴封装方法中，正电极4、负电极1、铜热沉3均使用纯铜材料，且表面镀纯金层，金层的厚度在0.02微米到0.5微米之间，钨铜热沉6的表面也镀有纯金层，金层的厚度在0.02微米到0.5微米之间，由于金层厚度太薄焊接不牢固，金层厚度太厚成本过高，因此，本发明将金层的厚度设置在0.02微米到0.5微米之间，在焊接质量得到保证的前提下使得成本较小。
本发明半导体激光器单巴封装方法中，钨铜热沉中钨和铜的质量比为1：1～1：9，钨和铜的比例直接影响钨铜合金的热膨胀系数，钨铜热沉膨胀系数和激光巴条热膨胀系数相同才能不影响激光巴条的性能，实验数据证明，钨和铜的质量比在上述比例中最为合适。同时，金锡合金层或金锡合金焊料片中金和锡的质量比例为1：1到9：1，金和锡的质量比例在上述比例中，焊接的质量好，焊接温度不会伤害激光巴条。
相比现有封装方法，本发明半导体激光器单巴封装方法中具有如下特点：
通过本发明方法对激光器单巴进行封装时，各部件材料均为市场存在的常规材料，材料成本低廉，投入的生产设备也相对简单，生产成本低廉，相比较于目前激光器行业的投入，成本非常小，整体生产成本低廉。
本发明方法中使用的焊接温度均为一般高温，抽真空设备也无太高要求，焊接技术也只是一般方法，因此整体加工方法简单易实现。
本发明方法直接使用巴条激光器，无需将巴条解离成单管使用，减少了解离的成本，巴条激光器整体光功率比单管高了几十倍，使得激光器的功率较大，满足手持设备的需求。本发明方法封装后的高功率激光器整体结构小巧，便于手持设备的安装使用，适用范围广。此外，现有的巴条封装方式采用水冷方式，水冷设备体积大，成本高，不便携带，对于手持设备无法使用，本发明方法可直接采用铝合金散热器，铝合金散热器体积较小，成本较低，方便携带，解决了传统巴条封装水冷散热不能携带的问题。
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