激光晶体板条与热沉焊接的方法

摘要

一种适用于固体激光器的激光晶体板条与热沉焊接的方法，主要是利用置于充满N2的密封柜中的加热平台对热沉、金锡焊片以及激光晶体板条组成的焊接体进行加热而将所述的激光晶体板条与热沉焊接在一起。本发明具有成本低、易于实现、焊接效果好等优点。本发明应用于固体激光器封装，相比于传统的In等软焊料焊接有很大的优势，能大大提高固体激光器的散热效果。

权利要求

1.一种适用于固体激光器的激光晶体板条与热沉焊接的方法，其特征是该方法包括下列步骤：①激光晶体板条表面镀金；

②热沉处理：所述的热沉是用紫铜材料加工的内部具有微通道水冷结构的热沉，所述的热沉与所述的激光晶体板条相对的表面要求达到：清洁度≤0.1mg/cm2，面形≤40/20，光洁度≤λ/2，λ＝632.8nm；

③金锡焊片是具有一定厚度的，大小与所述的激光晶体板条尺寸相当的金锡薄片；

④自下而上依次放置下热沉、金锡焊片、激光晶体板条、金锡焊片、上热沉，然后用螺栓压紧且均匀受力，所述的上热沉和下热沉的两侧用铜片连接，组成焊接体；

⑤焊接前，密封柜通高纯N2置换出柜中的空气，创造一个无氧的环境，将所述的加热平台置于密封柜内，先将加热平台加热到340℃～360℃，将所述的焊接体置于所述的加热平台上，并保温6～9分钟后，关掉加热平台的电源，自然降温至室温，焊接过程结束。

2.根据权利要求1所述的激光晶体板条与热沉焊接的方法，其特征在于所述的密封柜由可控制流量的进气口和出气口及密封柜体组成。

3.根据权利要求1所述的激光晶体板条与热沉焊接的方法，其特征在于所述的金锡焊片是用厚度为5μm～25μm的Au80％Sn20％合金片制成的。

说明书

技术领域

本发明涉及全固态激光器(DPSSL)，特别是一种固体板条激光器中激光晶体板条与热沉焊接的方法。

背景技术

固体激光器由于体积小、效率高以及寿命长等优点，备受人们关注。由激光二极管泵浦的固体激光器称为全固态激光器，全固态激光器既结合了半导体激光器和固体激光器的优点，又克服了各自的不足，由于其效率高、结构紧凑、性能稳定、使用寿命长，而且具有比半导体激光器更窄的输出光谱线宽、更小的发散角和更稳定的输出波长，所以目前已成为激光器件研究中的一个重要方向。
然而全固态激光器的固体激光器中激光晶体因吸收泵浦辐射而发热，产生热透镜效应和热致双折射等不良热效应，从而导致输出的激光束发生畸变。因此对于高平均功率的激光系统，高效率的散热是至关重要的。
传统的固体激光器的封装是用助焊剂或铟等软焊料等实现的。助焊剂有去除氧化物、降低表面张力、防止再氧化等作用，但它同时会导致热导率降低，残留的焊剂残渣也会造成很多问题，清洗成本高，另外某些电子设备禁止使用助焊剂。而传统软焊料如铟具有良好的延展性，但它的强度低，在焊接过程中易被氧化，并且在高温焊接时，铟会长出须状物，即铟须，这对于激光器有非常大的损害。
而金锡(AuSn)焊料的共晶合金的熔点(280℃)适中，强度高，无需助焊剂，导热和导电性能好，浸润性优良，低粘性，易焊接，抗腐蚀，抗蠕度等，正越来越引起人们的关注。目前在微电子器件和光电子器件的陶瓷封装封盖、芯片粘接、金属封装的陶瓷绝缘子焊接、大功率半导体激光器的芯片焊接中，AuSn都有着广泛的应用，它可明显提高这些器件的封装可靠性和导电/导热性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种固体板条激光器的激光晶体板条与热沉焊接的方法。该方法的优点是成本低、易于实现、焊接效果好。
本发明的技术解决方案如下：
一种适用于固体激光器的激光晶体板条与热沉焊接的方法，其特点是该方法包括下列步骤：
①激光晶体板条表面镀金；
②热沉处理：所述的热沉是用紫铜材料加工的内部具有微通道水冷结构的热沉，所述的热沉与所述的激光晶体板条相对的焊接的表面要求达到：清洁度≤0.1mg/cm2，面形≤40/20，光洁度≤λ/2，λ＝632.8nm；
③金锡焊片是具有一定厚度的，大小与所述的激光晶体板条尺寸相当的金锡薄片；
④自下而上依次放置下热沉、金锡焊片、激光晶体板条、金锡焊片、上热沉，然后用螺栓压紧且均匀受力，所述的上热沉和下热沉的两侧用铜片连接，组成焊接体；
⑤焊接前，密封柜通高纯N2置换出柜中的空气，创造一个无氧的环境，将所述的加热平台置于密封柜内，先将加热平台加热到340℃～360℃，将所述的焊接体置于所述的加热平台上，并保温6～9分钟后，然后关掉所述的加热平台的电源，自然降温至室温，焊接过程结束。
所述的密封柜由可控制流量的进气口和出气口及密封柜体组成。
所述的金锡焊片是用厚度为5μm～25μm的Au80％Sn20％合金片制成的。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
本发明不仅具有AuSn焊导热性好、强度高、易焊接等优点，能实现无氧焊接，并且相对一般大型真空钎焊炉的无氧焊接，本发明的装置简单、体积小、易于实现。

附图说明

图1是本发明激光晶体板条与热沉焊接装置实施例的示意图。
图2是本发明实施例焊接体的结构示意图。
图中：1-密封柜，101-进气口，可控制N2的流量，102-出气口，2-加热平台，3-焊接体，301-上热沉，302-下热沉，305-激光晶体板条，303、304-金锡焊片，306、307-螺栓。

具体实施方式

以下结合附图与实施例对本发明做进一步的说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
请先参阅图1、图2。图1是本发明激光晶体板条与热沉焊接装置实施例的示意图，图2是本发明实施例焊接体的结构示意图。密封柜1内径为W598×H602×D687(mm3)，两侧各开一个进气口101和一个出气口102，进气口101可控制进气流量。本实施例的焊接体3的构成是：自下而上依次放置下热沉302、金锡焊片304、激光晶体板条305、金锡焊片303、上热沉301，然后用螺栓306、307压紧且均匀受力，所述的上热沉301和下热沉302的两侧用铜片连接，组成焊接体3。上热沉301、下热沉302用紫铜材料加工而成，采用微通道水冷结构，控制热沉表面的清洁度＜0.1mg/cm2、面形＜20/10，光洁度＜λ/5(波长632.8nm)，以避免焊接过程中产生气孔、夹渣、开裂等不良焊接情况而导致焊接失败。激光晶体板条305上下表面各镀一层2μm厚的金，以增加其与AuSn原子间的相互作用力即润湿力。金锡焊片303、304为两块厚度5μm～25μm、大小与激光晶体相当的两块AuSn预成型焊片。
本发明适用于固体激光器的激光晶体板条与热沉焊接的方法，包括下列步骤：
①激光晶体板条表面镀金，以增加其与AuSn原子间的相互作用力即润湿力；
②热沉处理：所述的热沉是用紫铜材料加工的内部具有微通道水冷结构的热沉，所述的热沉与所述的激光晶体板条相对的焊接的表面要求达到：清洁度≤0.1mg/cm2，面形≤40/20，光洁度≤λ/2，λ＝632.8nm；
③金锡焊片304、303是具有一定厚度的，大小与所述的激光晶体板条305尺寸相当的金锡薄片；
④自下而上依次放置下热沉302、金锡焊片304、激光晶体板条305、金锡焊片303、上热沉301，然后用螺栓306、307压紧且均匀受力，所述的上热沉301和下热沉302的两侧用铜片连接，组成焊接体3，所述的上下热沉两侧用铜片连接，以使焊接过程中传热良好，各焊接面同时成功焊接；
⑤焊接前，密封柜1通高纯N2置换出柜中的空气，创造一个无氧的环境，将所述的加热平台2置于密封柜1内，先将加热平台2加热到340℃～360℃，将所述的焊接体3置于所述的加热平台2上，并保温6～9分钟后，然后关掉加热平台2的电源，自然降温至室温，焊接过程结束，关掉加热平台电源，使自然缓慢降温至室温，以防止由于晶体、AuSn、热沉三者间的热膨胀系数的差异而导致的焊接裂缝甚至晶体炸裂等情况。
所述的金锡焊片用厚度为5μm～25μm的Au80％Sn20％合金片制成的。
实施例1
Nd：YAG激光器的晶体和热沉的焊接。按本发明所述的实施方式对Nd:YAG激光器的晶体和热沉进行焊接，加热平台的峰值温度为340℃，加热时间为9分钟，AuSn焊片厚度为5μm，焊接结果良好。用扫描显微镜观察焊接面，缝隙、气孔、夹渣等情况较In焊有明显改善，在其他条件相同情况下AuSn焊Nd:YAG激光器较In焊Nd:YAG激光器输出功率提高6.5％。
实施例2
Nd:YAG激光器的晶体和热沉的焊接。按本发明所述的实施方式对Nd:YAG激光器的晶体和热沉进行焊接，加热平台的峰值温度为350℃，加热时间为8分钟，AuSn焊片厚度为12.5μm，焊接结果良好。用扫描显微镜观察焊接面，缝隙、气孔、夹渣等情况较In焊有明显改善，且较实施例1亦有所改善，在其他条件相同情况下AuSn焊Nd:YAG激光器较In焊Nd:YAG激光器输出功率提高7.9％。
实施例3
Tm:YAP激光器的晶体和热沉的焊接。按本发明所述的实施方式对Tm:YAP激光器的晶体和热沉进行焊接，加热平台的峰值温度为360℃，加热时间为6分钟，AuSn焊片厚度为25μm，焊接结果良好。用扫描显微镜观察焊接面，缝隙、气孔、夹渣等情况较In焊有明显改善，在其他条件相同情况下AuSn焊Tm:YAP激光器较In焊Tm:YAP激光器输出功率提高6.0％。