专利名称：厘米条半导体激光器双面贴焊匹配片装配方法
技术领域：
本发明涉及一种厘米条半导体激光器双面贴焊匹配片装配方法，能够防止器件退 化、损毁，提高器件可靠性和寿命，便于器件使用中的准直、耦合，属于半导体激光器件制造 技术领域。
背景技术：
由于大功率半导体激光器在体积、重量、电光效率和调制特性等方面具有巨大优 势，因而被广泛应用于医疗、材料加工、激光泵浦、图像记录、武器装备和空间光通讯等领 域。获得大功率输出的方法是将多只半导体激光器组成一维、二维阵列。半导体激光器阵 列的一种制造方法是从一个外延片上解理出一字排列的多个单管芯激光器，排列总长度为 一厘米，由此获得厘米条半导体激光器芯片，见图1所示，以下简称芯片1，由此获得一维半 导体激光器阵列。将多个所述芯片1叠层装配，构成二维半导体激光器阵列，激光输出功率 大幅提高。在厘米条半导体激光器的装配过程中，将芯片1嵌入热沉并将二者焊接成一体是 一个关键环节。所述热沉采用高热导率的无氧铜制作，但是，无氧铜的热膨胀系数是芯片衬 底材料GaAs的热膨胀系数的三倍，在热沉与芯片之间出现严重的热失配。现有技术利用软 焊料如铟的塑性形变来释放热失配引入的热应力。同时，为保证烧结强度，热沉表面软焊料 蒸镀层也较厚。然而，软焊料的采用给厘米条半导体激光器的装配带来新的技术问题。首 先，高温烧结时容易发生焊料爬升，生成须状物，导致器件退化、损毁。其次，软焊料具有塑 性形变，在烧结过程中压焊受力不均，软焊料本身存在容易氧化的缺点，这些因素造成芯片 1的“微笑效应”，进而热阻增加，导致器件可靠性降低，寿命缩短；同时“微笑效应”也给厘 米条半导体激光器使用中的准直、耦合造成困难。
发明内容
本发明其目的在于，避免因软焊料爬升现象导致的器件可靠性降低、寿命缩短，以 及显著降低“微笑效应”。为此我们提出了本发明之一种厘米条半导体激光器双面贴焊匹配 片装配方法。本发明其特征在于，在将厘米条半导体激光器芯片即芯片1嵌入热沉并采用软焊 料将二者焊接成一体之前，对所述芯片1作预处理1、制作匹配片2首先其材料选定为含Cu 7 12% (wt% )的W-Cu复合材料，尺寸确定为厚度 0. 2 0. 5mm、长宽大于芯片1尺寸的2 5%，见图2、图4所示，其次在匹配片2两个表面 上依次溅射Ti层、Pt层、Au层，见图3所示，厚度依次为100 200nm、200 300nm、400 800nm,之后电镀使Au层加厚到1 2 μ m，第三采用掩膜技术在匹配片2的一个表面边缘留 出焊料延展区3，然后在该面溅射2 4 μ m厚的硬焊料层4，见图2、图3所示；2、芯片1的夹装
将芯片1置于两片所制作的匹配片2溅射有硬焊料层4的表面之间，芯片1出光 面与匹配片2边缘对齐，采用贴片机完成芯片1的贴焊夹装，见图4所示。本发明其技术效果在于，材质为W-Cu复合材料的匹配片与GaAs芯片衬底的热膨 胀系数严格匹配，因此，可以采用硬焊料将芯片1与两片匹配片2贴焊成一体。相比软焊料， 硬焊料爬升现象很轻，况且在匹配片2边缘留出焊料延展区4，所以，不会发生因须状物的 生成而导致的器件退化、损毁后果。硬焊料不具有塑性形变，也不易氧化，不论在贴片机中 完成芯片1的贴焊夹装过程中压焊受力是否均勻，都会显著降低芯片1的“微笑效应”。在 将预处理的芯片1装配到热沉中的过程中，虽然仍采用软焊料焊接，由于软焊料的熔点比 硬焊料熔点低，所以，在匹配片2的夹持下，也不会发生明显的“微笑效应”；并且，尽管软焊 料依然会爬升，甚至生成须状物，但是，由于匹配片2的长宽尺寸略大于芯片1尺寸，所以不 至于导致器件退化、损毁。采用本发明之方法将芯片1进行预处理，厚度增加不大，依然可 以采用现有工艺装配一维或者二维阵列器件，如前面提及的软焊料烧结工艺以及压接引电 极工艺都可以继续使用。
图1是厘米条半导体激光器芯片形状示意图。图2是本发明所制作的匹配片形状 示意图。图3是本发明所制作的匹配片一端且溅射有硬焊料层一侧局部放大剖视示意图。 图4是本发明完成了双面贴焊匹配片的芯片示意图，该图兼作为摘要附图。
具体实施例方式本发明具体是这样实施的，在将厘米条半导体激光器芯片即芯片1嵌入热沉并采 用软焊料将二者焊接成一体之前，对所述芯片ι作预处理1、制作匹配片2。首先其材料选 定为含Cu 7 12% (wt % )的W-Cu复合材料，尺寸确定为厚度0. 2 0. 5mm、长宽大于芯 片1尺寸的2 5%，见图2所示。如此选料和确定尺寸，一则能够实现匹配片2与芯片1 衬底的良好热膨胀匹配，二则能够避免在向热沉中装配芯片1时，因软焊料的爬升而对器 件造成的损害。其次在匹配片2两个表面上依次溅射Ti、Pt、Au层，见图3所示，厚度依次 为100 200nm、200 300nm、400 800nm，之后电镀使Au层加厚到1 2 μ m。其中Ti 层起到粘接和支撑作用；Pt层为阻挡层，防止高温下无氧铜热沉铜原子向芯片扩散；Au层 作为接触导电层，且具有很强的抗氧化能力和非常高的可靠性。第三采用掩膜技术在匹配 片2的一个表面边缘留出焊料延展区3，然后在该面溅射2 4 μ m厚的硬焊料层4，见图2、 图3所示。所留出的焊料延展区3为匹配片2长宽尺寸大于芯片1的部分。焊料延展区3 能够应对硬焊料的轻微爬升。硬焊料的选择有两种方案，一是用于夹装芯片1的两片匹配 片2使用相同的硬焊料，如金锡焊料，具体为Au80Sn20或者Au70Sn30 ；二是用于夹装芯片 1的两片匹配片2使用不同的硬焊料，如一片使用金锡焊料，另一片使用熔点高于金锡焊料 的金锗焊料。2、芯片1的夹装。将芯片1置于两片所制作的匹配片2溅射有硬焊料层4的 表面之间，芯片1出光面与匹配片2边缘对齐，采用贴片机完成芯片1的贴焊夹装。具体过 称如下，当用于夹装芯片1的两片匹配片2使用相同的硬焊料时，如金锡焊料，先将一片匹 配片2溅射有硬焊料层4的表面朝上摆放在载物台上；然后将芯片1的P面朝下摆放在匹配 片2上；最后再将另一片匹配片2溅射有硬焊料层4的表面朝下摆放在芯片1上。在0. 3 0.5N/mm2范围内用压块施压固定。通入保护气体，如惰性气体、氮气、氮氢混合气(N290%， H210%)之一种。加热完成贴焊。标注芯片1的P面一侧的匹配片2，便于后续工艺步骤分 辨。当用于夹装芯片1的两片匹配片2使用不同的硬焊料时，如一片使用金锡焊料，另一片 使用熔点高于金锡焊料金锗焊料，先将一片匹配片2溅射有熔点较高的硬焊料层4的表面 朝上摆放在载物台上；然后将芯片1的P面朝下摆放在匹配片2上。采用所述贴焊工艺完 成芯片1的一面贴焊夹装。之后再将另一片匹配片2溅射有熔点较低的硬焊料层4的表面 朝下摆放在芯片1上。再一次采用所述贴焊工艺完成芯片1的另一面贴焊夹装。下面举例说明本发明之方法。实施例一芯片1长宽尺寸为IOX 1mm。匹配片2其材料选定为含Cu 7 12% (wt% )的W-Cu复合材料，尺寸确定为厚度0.2mm、长宽10. 2 X 1.02mm，见图2所示。在匹 配片2两个表面上依次溅射Ti、Pt、Au层，见图3所示，厚度依次为100nm、200nm、400nm，之 后电镀使Au层加厚到1. 5μπι。采用掩膜技术在匹配片2的一个表面边缘留出焊料延展区 3，然后在该面溅射3μ m厚的硬焊料层4，见图2、图3所示。所留出的焊料延展区3为匹配 片2长宽尺寸大于芯片1的部分。用于夹装芯片1的两片匹配片2使用相同的硬焊料金锡 焊料Au80Sn20。采用贴片机完成芯片1的贴焊夹装，先将一片匹配片2溅射有硬焊料层4 的表面朝上摆放在载物台上；然后将芯片1的P面朝下摆放在匹配片2上；最后再将另一片 匹配片2溅射有硬焊料层4的表面朝下摆放在芯片1上，芯片1出光面与匹配片2边缘对 齐。用压块施压0. 3N/mm2固定。通入队90%、H210%的氮氢混合气作为保护气体，加热完成 贴焊。标注芯片1的P面一侧的匹配片2，便于后续工艺步骤分辨。实施例二 芯片1长宽尺寸为10X2mm。匹配片2其材料选定为含Cu 7 12% (wt% )的W-Cu复合材料，尺寸确定为厚度0.3mm、长宽10. 2X2. 04mm，见图2所示。在匹 配片2两个表面上依次溅射Ti、Pt、Au层，见图3所示，厚度依次为150nm、300nm、600nm，之 后电镀使Au层加厚到1 μ m。采用掩膜技术在匹配片2的一个表面边缘留出焊料延展区3， 然后在该面溅射3 μ m厚的硬焊料层4，见图2、图3所示。所留出的焊料延展区3为匹配片 2长宽尺寸大于芯片1的部分。用于夹装芯片1的两片匹配片2使用不同的硬焊料，一片 使用金锡焊料，另一片使用熔点高于金锡焊料的金锗焊料。在贴片机中完成芯片1的贴焊 夹装，先将一片匹配片2溅射有金锗焊料硬焊料层4的表面朝上摆放在载物台上；然后将芯 片1的P面朝下摆放在匹配片2上。用压块施压0. 5N/mm2固定。通入惰性气体作为保护气 体，加热完成贴焊。之后再将另一片匹配片2溅射有金锡焊料硬焊料层4的表面朝下摆放 在芯片1上，芯片1出光面与匹配片2边缘对齐。再一次采用所述贴焊工艺完成芯片1的 另一面贴焊夹装。标注芯片1的P面一侧的匹配片2，便于后续工艺步骤分辨。
权利要求
1.一种厘米条半导体激光器双面贴焊匹配片装配方法，其特征在于，在将厘米条半导 体激光器芯片即芯片(1)嵌入热沉并采用软焊料将二者焊接成一体之前，对所述芯片(1) 作预处理一、制作匹配片⑵首先其材料选定为含Cu 7 12% (wt % )的W-Cu复合材料，尺寸确定为厚度0. 2 0.5mm、长宽大于芯片(1)尺寸的2 5%，其次在匹配片(2)两个表面上依次溅射Ti层、 Pt层、Au层，厚度依次为100 200nm、200 300nm、400 800nm，之后电镀使Au层加厚 到1 2μπι，第三采用掩膜技术在匹配片( 的一个表面边缘留出焊料延展区(3)，然后在 该面溅射2 4 μ m厚的硬焊料层⑷；二、芯片(1)的夹装将芯片(1)置于两片所制作的匹配片(2)溅射有硬焊料层的表面之间，芯片1出 光面与匹配片2边缘对齐，采用贴片机完成芯片(1)的贴焊夹装。
2.根据权利要求1所述的装配方法，其特征在于，所留出的焊料延展区(3)为匹配片 (2)长宽尺寸大于芯片(1)的部分。
3.根据权利要求1所述的装配方法，其特征在于，用于夹装芯片(1)的两片匹配片(2) 使用相同或者不同的硬焊料。
4.根据权利要求3所述的装配方法，其特征在于，当用于夹装芯片(1)的两片匹配片 (2)使用相同硬焊料时为金锡焊料。
5.根据权利要求3所述的装配方法，其特征在于，当用于夹装芯片(1)的两片匹配片 (2)使用不同硬焊料时，一片使用金锡焊料，另一片使用熔点高于金锡焊料的金锗焊料。
6.根据权利要求1、3、4所述的装配方法，其特征在于，先将一片匹配片( 溅射有金 锡焊料硬焊料层的表面朝上摆放在载物台上；然后将芯片(1)的P面朝下摆放在匹配 片( 上；最后再将另一片匹配片( 溅射有金锡焊料硬焊料层的表面朝下摆放在芯 片(1)上，芯片1出光面与匹配片2边缘对齐；在0. 3 0. 5N/mm2范围内用压块施压固定， 通入惰性气体、氮气、氮氢混合气(N290%，H210%)之一种，加热完成贴焊。
7.根据权利要求1、3、5所述的装配方法，其特征在于，先将一片匹配片2溅射有金锗 焊料硬焊料层的表面朝上摆放在载物台上；然后将芯片(1)的P面朝下摆放在匹配片 (2)上，芯片1出光面与匹配片2边缘对齐；在0. 3 0. 5N/mm2范围内用压块施压固定，通 入惰性气体、氮气、氮氢混合气(N290%，H210%)之一种，加热完成贴焊；之后再将另一片匹 配片( 溅射有金锡焊料硬焊料层的表面朝下摆放在芯片(1)上；在0. 3 0. 5N/mm2 范围内用压块施压固定，通入惰性气体、氮气、氮氢混合气(N290%，H210%)之一种，加热完 成贴焊。
全文摘要
厘米条半导体激光器双面贴焊匹配片装配方法属于半导体激光器件制造技术领域。现有技术将芯片嵌入热沉并采用软焊料将二者焊接成一体，因焊料爬升，生成须状物，导致器件退化、损毁，另外，还会造成芯片的“微笑效应”。本发明在将芯片与热沉装配前，对所述芯片作预处理，首先制作匹配片其材料选定为W-Cu复合材料，尺寸确定为厚度0.2～0.5mm、长宽大于芯片尺寸的2～5％，在匹配片两个表面上依次溅射Ti层、Pt层、Au层，之后电镀使Au层加厚，采用掩膜技术在匹配片的一个表面边缘留出焊料延展区，然后在该面溅射2～4μm厚的硬焊料层；其次夹装芯片将芯片置于两片所制作的匹配片溅射有硬焊料层的表面之间，采用贴片机完成芯片的贴焊夹装。
文档编号H01S5/022GK102097743SQ201010582208
公开日2011年6月15日 申请日期2010年12月10日 优先权日2010年12月10日
发明者张剑家, 曲轶, 李辉, 辛德胜 申请人:长春理工大学