一種基于各向異性襯底的半導體激光器的制造方法
【專利摘要】本實用新型提出一種新的半導體激光器結構，主要對芯片襯底進行了改進，解決了現(xiàn)有傳導冷卻半導體激光器封裝結構熱傳導效率較低、封裝工藝較復雜的問題。該半導體激光器包括激光器芯片、襯底和散熱器，激光器芯片鍵合于襯底的正面或背面，襯底底部直接通過焊料鍵合到散熱器上，滿足CTE匹配；所述襯底是由絕緣材料和導電材料共同構成的復合體，絕緣材料和導電材料在復合體中的布局使得：所述復合體中對應于激光器芯片的鍵合區(qū)域，從襯底正面到襯底背面表現(xiàn)為導電聯(lián)通；所述鍵合區(qū)域與襯底底部表現(xiàn)為相互絕緣。
【專利說明】
一種基于各向異性襯底的半導體激光器
技術領域
[0001 ]本實用新型涉及一種半導體激光器，主要涉及對芯片襯底的改進。
【背景技術】
[0002]如圖1所示的一種常見的半導體激光器封裝結構，激光器芯片散熱的路徑如下:半導體激光器芯片I產(chǎn)生的熱量，先傳導到襯底2，通過焊料層3再傳導到絕緣塊4上，再通過焊料層5傳導到散熱器6上。從激光器芯片到散熱器的熱傳導路徑長，界面多，降低了整個激光器的散熱能力。
[0003]絕緣塊4因為結構、工藝的需要，其厚度一般需要達到300微米以上，這也限制了其熱傳導的效率。同時，絕緣塊與激光器芯片襯底和散熱器之間，需要通過焊料層來進行組裝鍵合，增加了熱傳導的界面。
[0004]這種結構的激光器，組成的零部件較多，在組裝、鍵合過程中，需要相對復雜的對齊、定位工藝，配合精準的夾具或微型自動化設備。同時焊料種類、焊接界面多，導致失效率大大增加。
[0005]這種結構的絕緣塊的安裝，一種是絕緣塊預先與芯片襯底焊接到一起，一種是絕緣塊與散熱器焊接到一起，這兩種方案均需要比較復雜的工藝，失效率較高。
【實用新型內(nèi)容】
[0006]為了解決現(xiàn)有傳導冷卻半導體激光器封裝結構熱傳導效率較低、封裝工藝較復雜的問題，本實用新型提出一種新的半導體激光器結構。
[0007]本實用新型的技術方案如下:
[0008]—種基于各向異性襯底的半導體激光器，包括激光器芯片、襯底和散熱器，激光器芯片鍵合于襯底的正面或背面，襯底底部直接通過焊料鍵合到散熱器上(這里的“直接”，是指襯底底部與焊料層之間不存在傳統(tǒng)意義上的絕緣塊)，滿足CTE匹配;所述襯底是由絕緣材料和導電材料共同構成的復合體，絕緣材料和導電材料在復合體中的布局使得:
[0009]所述復合體中對應于激光器芯片的鍵合區(qū)域，從襯底正面到襯底背面表現(xiàn)為導電聯(lián)通;所述鍵合區(qū)域與襯底底部表現(xiàn)為相互絕緣。
[0010]在以上方案的基礎上，具體可以將產(chǎn)品主要分為兩大類:
[0011 ]第一類:復合體的底部為絕緣材料。
[0012]第二類:復合體的底部為導電材料。
[0013]對于第一類產(chǎn)品方案，可以進一步作如下優(yōu)化:
[0014]復合體的底部的絕緣材料厚度為50納米?100微米。
[0015]復合體的主體為絕緣材料;所述復合體中對應于激光器芯片的鍵合區(qū)域，至少有一處以導電材料自襯底正面貫通至襯底背面。貫通形態(tài)以柱形結構為佳，即每一處導電材料為柱形結構自襯底正面貫通至襯底背面;或者每一處導電材料形成復合體中完整的一層。
[0016]考慮到復合體成型的加工工藝等其他因素，這里的“柱形結構”優(yōu)選方柱形、圓柱形等較為規(guī)則的形態(tài)。另外，當然，這種以導電材料在局部位置貫通的結構并不局限于“柱形結構”，只要能夠保證自襯底正面貫通至襯底背面形成導電通路，也都是能夠達到一定效果的。
[0017]對于柱形貫通結構的導電材料布局，較佳的結構形式是:多處柱形結構的導電材料整體上呈陣列排布。
[0018]對于第二類產(chǎn)品方案，要求復合體位于所述鍵合區(qū)域下方的部分存在完全由絕緣材料組成的隔層。
[0019]另外還有一種無需考慮襯底底部導電特性的結構形式，即復合體由多層絕緣材料和多層導電材料以間隔層疊的形式構成。
[0020]上述導電材料可以是銅、鎢、鉬、銅鎢、鉬銅或者金剛石銅；絕緣材料可以是氮化鋁、金剛石、氧化鈹或者氧化鋁。
[0021]—種制備上述半導體激光器的方法，包括以下步驟:
[0022]多個激光器芯片和相應的多個襯底依次對齊、排列、組裝，形成一個巴條組；
[0023]一個或多個所述巴條組通過焊料鍵合到散熱器上，制得一個傳導冷卻型高功率半導體激光器。
[0024]本實用新型中的襯底自身既能實現(xiàn)多個激光器芯片的堆疊方向上的電聯(lián)接，也能實現(xiàn)與散熱器之間的電絕緣，同時實現(xiàn)熱量的迅速傳導。具體有以下技術效果:
[0025]1、導電/絕緣一體化的芯片襯底的使用，省去了傳統(tǒng)結構中的絕緣片以及相應的焊料層，不存在焊料溢出等問題，改善了產(chǎn)品外觀，提升了產(chǎn)品性能。
[0026]2、本實用新型的一體化襯底與散熱器之間厚度明顯減少，僅為傳統(tǒng)絕緣塊幾十到幾百分之一，極大的降低了熱阻，縮短了熱傳導的路徑，提高了整體的散熱效率。
[0027]3、基于該一體化襯底的傳導冷卻型激光器，零部件種類、數(shù)量減少，簡化了制成工藝步驟，大大降低了對準、組裝、制成的工藝難度，降低了襯底切割工藝的精度，提升了產(chǎn)品的成品率。
[0028]4、本實用新型襯底復合體中絕緣材料和導電材料的結合力好，相對于鍵合界面，產(chǎn)品的可靠性提升。
【附圖說明】
[0029]圖1為現(xiàn)有半導體激光器封裝結構。
[0030]圖2為本實用新型的半導體激光器封裝結構。
[0031]圖3為本實用新型的襯底(復合體)的導電&絕緣特性。
[0032]圖4為本實用新型的襯底的實施例一(主體為絕緣材料)
[0033]圖5為本實用新型的襯底的實施例二(主體為導電材料)。
[0034]圖6為本實用新型的襯底的實施例三(多層材料間隔層疊)。
[0035]圖7為本實用新型的襯底的實施例四(主體為絕緣材料，導電材料以柱形陣列的形式均勾分布)。
[0036]圖8為本實用新型的傳導冷卻半導體激光器的封裝步驟。
【具體實施方式】
[0037]如圖2所示，激光器芯片I組裝在一種高熱導率、CTE匹配的襯底20，一個或多個激光器芯片與相應的襯底通過焊料5，組裝鍵合到散熱器6上，組成一個半導體激光器。該襯底在芯片堆疊方向具備導電性(導電區(qū)域至少覆蓋芯片鍵合區(qū))，在垂直于散熱器表面的方向上具備絕緣性。
[0038]如圖3，襯底20是由絕緣材料和導電材料共同構成的復合體，絕緣材料與導電材料結合緊密，這樣的一體化襯底同時實現(xiàn)導電與絕緣，相比現(xiàn)有的導電襯底加絕緣塊鍵合的組合，減少了兩個鍵合的界面和一個焊料層(5?10微米厚)。絕緣材料和導電材料在復合體中的布局使得:在方向H上是導電的；在其垂直的方向即方向V上是絕緣的；當然，絕緣材料和導電材料都應選擇高熱導率材料，材料的整體導熱是各向同性的。
[0039]導電材料可選銅、鎢、鉬、銅鎢、鉬銅、金剛石銅等。
[0040]絕緣材料可選氮化鋁、金剛石、氧化鈹、氧化鋁等。
[0041 ]該復合體中的絕緣材料和/或?qū)щ姴牧峡梢酝ㄟ^3D打印、物理氣相沉積(PVD)、化學氣相沉積(CVD)、物理化學氣相沉積(PCVD)、電子濺射、涂覆、噴涂、熔滲、結合化學物理拋光(CMP)、精密切割等工藝加工制成。
[0042]該復合體有兩種基本類型:
[0043]1、以絕緣材料為主體，在該絕緣材料22的內(nèi)部和/或表面添加導電材料21。如圖4所示。
[0044]復合體表面與激光器芯片鍵合的部位限于目前工藝要求，通常都需要做金屬化處理，形成金屬化表面23，以便于激光器芯片I與襯底的鍵合。
[0045]2、以導電材料21為主體，在該導電材料的內(nèi)部和/或表面添加絕緣材料22。如圖5所示。
[0046]即便采用熱導率稍差一些的絕緣材料，這種復合體中的絕緣膜的厚度可做成50納米?100微米，相比傳統(tǒng)的300微米以上厚度的絕緣塊，仍然顯著降低了熱阻，同時保證絕緣性。
[0047]該復合體也可由多層絕緣材料和多層導電材料以間隔層疊的形式構成。如圖6所示。復合體30中，絕緣層32采用氮化鋁，在氮化鋁之間為導電層31，導電材料由銅、鎳、金組成。多層氮化鋁表面鍍金屬后，互相在一定壓力、溫度情況下結合為一體。復合體30由A面(襯底正面)到B面(襯底背面)是導電的，由A面或B面到C面(襯底底部)是絕緣的。
[0048]如圖7所示另一種復合體結構，復合體40的基體為絕緣材料42，材料為氧化鈹，在氧化鈹基體的局部孔隙中添加導電材料41鋁、銅在一定溫度條件下結合為一體，形成均勻分布的導電通路(柱形陣列)。
[0049]如圖8所示，本實用新型的封裝工藝主要包括以下步驟:
[0050]將一個或多個半導體激光器芯片(如微型巴條、半巴條、標準厘米巴條等)依次對齊、排列，組裝鍵合到(底部區(qū)域絕緣的)襯底上，制成巴條組;其中，一個芯片可以對應一個襯底，也可以在相鄰的芯片之間額外增加單獨的襯底;將巴條組組裝或鍵合到散熱器上，制成傳導冷卻型高功率半導體激光器。
【主權項】
1.一種基于各向異性襯底的半導體激光器，包括激光器芯片、襯底和散熱器，激光器芯片鍵合于襯底的正面或背面，其特征在于:襯底底部直接通過焊料鍵合到散熱器上，滿足CTE匹配;所述襯底是由絕緣材料和導電材料共同構成的復合體，絕緣材料和導電材料在復合體中的布局使得: 所述復合體中對應于激光器芯片的鍵合區(qū)域，從襯底正面到襯底背面表現(xiàn)為導電聯(lián)通;所述鍵合區(qū)域與襯底底部表現(xiàn)為相互絕緣。2.根據(jù)權利要求1所述的基于各向異性襯底的半導體激光器，其特征在于:所述復合體的底部為絕緣材料。3.根據(jù)權利要求2所述的基于各向異性襯底的半導體激光器，其特征在于:復合體的底部的絕緣材料厚度為50納米?10微米。4.根據(jù)權利要求2或3所述的基于各向異性襯底的半導體激光器，其特征在于:所述復合體的主體為絕緣材料;所述復合體中對應于激光器芯片的鍵合區(qū)域，至少有一處以導電材料自襯底正面貫通至襯底背面。5.根據(jù)權利要求4所述的基于各向異性襯底的半導體激光器，其特征在于:每一處導電材料為柱形結構自襯底正面貫通至襯底背面;或者每一處導電材料形成復合體中完整的一層。6.根據(jù)權利要求5所述的基于各向異性襯底的半導體激光器，其特征在于:多處柱形結構的導電材料整體上呈陣列排布。7.根據(jù)權利要求1所述的基于各向異性襯底的半導體激光器，其特征在于:所述復合體的底部為導電材料，所述復合體位于所述鍵合區(qū)域下方的部分存在完全由絕緣材料組成的隔層。8.根據(jù)權利要求1所述的基于各向異性襯底的半導體激光器，其特征在于:所述復合體由多層絕緣材料和多層導電材料以間隔層疊的形式構成。
【文檔編號】H01S5/02GK205543682SQ201620222216
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年3月22日
【發(fā)明人】劉興勝, 蔡萬紹, 陶春華, 邢卓, 宋濤
【申請人】西安炬光科技股份有限公司