一种激光器芯片双基座的组装方法与流程

本发明涉及芯片组装技术领域，尤其涉及一种激光器芯片的组装方法。

背景技术：

随着科技的进步和社会的发展，激光器在各领域的应用逐步扩展。在现有的激光器的组装工艺中，对于激光器芯片安装的第一个步骤是把芯片(Chip或Die)固定在基座(Sub mount，或Substrate)上，基座不仅为芯片提供机械力学上的支撑，同时还需要完成电路的连接。对于在客户端应用的普及型激光器，也可能会将芯片直接固定在PCB电路板等材料上以节省成本；但绝大多数在线路侧使用的通信用激光器，为了获得基本的可靠性，都会将芯片固定在基座上。

在传统方法中，90％以上的通信用10G以上波特率激光器都采用管芯焊接(Die Bond)加焊线(Wire Bond)的方式实现芯片10与基座100之间的组装连接。具体为先进行Die Bond，即先用焊料(一般是金锡合金)把芯片10的底部高温(～300摄氏度)焊接固定在基座100上(图7所示)；之后进行Wire Bond，即用金线把芯片10表面上的电极与基座100上的电极连接起来。Die Bond加WireBond方法的优点是坚固可靠，芯片10底部与基座100间的整个表面用焊料固化，高低温情况下芯片10不会弯曲。缺点是金线的走线连接会随着电路的复杂化而越来越复杂。由于芯片上电极的位置是平面分布的，Wire Bond需要把金线连接到芯片的边缘，这需要小心的布置，高低错落而且难以避免交叉的情况。再者，由于芯片边缘的电极点是一维线形的，而芯片上电极显然是二维平面分布的，随着激光器技术的发展，芯片上的电极不断增多，芯片边缘的电极点会非常密集，从20年前的2～5个逐步增加至目前的20～50个，可以清晰地预见激光器芯片的电极数量会像普通电路芯片一样增加至数百个；另外随着信号的频率从10年前的每秒2.5G波特增加到目前的每秒64G波特，上述传统的Die Bond加Wire Bond方法已不能满足日益复杂或者高频的电路连接。

技术实现要素：

本发明的目的在于，提出一种激光器芯片双基座的组装方法，其可以使激光器的芯片，在高低温的情况下，保持稳定的机械形态；同时，可以适应复杂或者高频的电路连接。

为实现上述目的，本发明提供了一种激光器芯片双基座的组装方法，其包括如下步骤：

步骤S1、提供一具备激光输出功能的光学芯片，以及上、下两相同材料制作的基座；

步骤S2、将芯片的底面与上基座用金锡焊料高温焊接在一起，形成一整体组件；

步骤S3、采用翻转焊方式，将芯片与上基座形成的组件焊接于下基座上；

步骤S4、在上基座和/或下基座外侧设置温度控制器，在下基座的表面贴装为温度控制器提供反馈的温度探测器。

其中，所述上、下基座可以为一块陶瓷表面局部镀金而成的电路板，其厚度范围为0.5～2mm，边长范围为1～30mm；该上基座的平面尺寸大小等于或略大于芯片的平面尺寸大小，上基座厚度等于或略小于下基座的厚度。

具体的，在所述步骤2中，可以采用贴片机吸取芯片，将其底面在300～330摄氏度高温时焊接于上基座上，芯片接近或高于300摄氏度的时间为5～20秒钟。

进一步地，所述步骤S3还包括：步骤S301，安装金球：采用热超声焊线方式在下基座上表面安装金球；步骤S302，翻转焊接：翻转步骤S2中的组件，使芯片上表面朝下，通过超声加热方式，将芯片上表面在300～335摄氏度高温时焊接于下基座的上表面。

在所述步骤S301中，可以采用焊线工艺，利用自动焊线机把金线在下基座上打一个球形焊，之后将线尾去除；焊线时的温度为100～150摄氏度，焊线时间每个金球点为5～20毫秒。

在所述步骤S302中，可以采用贴片机吸取步骤S2中的组件，将芯片上表面在300～335摄氏度高温时焊接于下基座的上表面，芯片接近或高于300摄氏度的时间为40～80秒钟。

此外，在所述步骤4中，可以利用焊接回流炉，采用传导加热方式，在230～250摄氏度温度范围内将温度探测器焊接贴装于下基座的表面。

具体的，所述回流焊接时间为10～15分钟，接近或高于230摄氏度的时间为1～3分钟。

本发明激光器芯片双基座的组装方法，其可以应用于各种光学器件芯片的组装，包括激光发射器、激光调制器、半导体激光放大器等所有具备激光输出功能的光学器件；其可以使激光器的芯片，在高低温的情况下不会弯曲，保持稳定的机械形态；同时，可以适应复杂或者高频的电路连接。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明中激光器芯片双基座的组装方法的流程示意图；

图2-图6为本发明的组装方法在步骤1至步骤3过程中的分解结构示意图；

图7为采用传统方法的Die Bond加Wire Bond的光路图；

图8为单纯的采用翻转焊方式直接将芯片翻转焊接于基座时的光路图；

图9为采用本发明的激光器芯片双基座的组装方法的光路图；

图10为本发明的组装方法在步骤4过程中的结构示意图；

图11为利用本发明方法完成组装时的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明提供一种激光器芯片双基座的组装方法，可以应用于各种光学器件芯片的组装，包括激光发射器、激光调制器、半导体激光放大器等所有具备激光输出功能的光学器件，该方法包括如下步骤：

步骤S1、提供一具备激光输出功能的光学芯片10，以及相同材料制作的上、下基座20、30。其中芯片10的基础材料是磷化铟，是光纤通信技术常用的半导体材料，该芯片10的厚度典型值100微米，范围在50～200微米。芯片10的典型尺寸为0.5x 1mm，边长的范围在1～20mm。所述上、下基座20、30采用相同的材料以保持一致的热膨胀系数，其可以为一块陶瓷(AlN氮化铝)表面局部镀金而成的电路板。氮化铝的热膨胀系数4.5×10^-6/℃，由于热膨胀系数的差异，当温度降低时，磷化铟芯片会向上弯曲。因此，上基座20用来固定芯片10的机械形态，防止在高低温环境下芯片10的弯曲变形，下基座30用以完成复杂或者高频的电路连接。在本发明具体实施例中，所述上、下基座20、30厚度范围为0.5～2mm，优选值为1毫米；边长范围为1～30mm，优选的大小尺寸为3x 5mm。在具体实施时，上基座20与芯片10的平面尺寸大小基本相等或略大，上基座20的一般比下基座30略薄(约为下基座30的80％)，或与下基座30一样厚(图2所示)。

步骤S2、将芯片10的底面(图中用B表示)与上基座20用金锡焊料高温焊接在一起，形成一整体组件。具体的，在该步骤中，可以采用德国FineTech品牌的半自动贴片机，或者美国MRSI品牌的自动贴片机进行焊接。如图3所示，通过贴片机上的吸头1吸取和固定芯片10，该吸头的中心有真空吸孔，可以提供吸取芯片的吸力。在焊接时，吸头1是紧贴芯片10的，压力通过吸头1施加于芯片10上。焊料采用金成分占70～80％，锡成分占30～20％的金锡(AuSn)合金焊料，将焊料均匀覆盖于芯片10的底面和上基座20之间的接触面上。金锡合金焊料的焊接温度为300～330摄氏度，焊接需要的整个工艺时间为1～3分钟。“整个焊接工艺时间”包括器件从常温升至300～330摄氏度，再从300～330摄氏度降至常温的过程；其中，器件接近300摄氏度或高于300摄氏度的“高温平台”时间为5～20秒钟。焊接完成后，吸头1抬起后芯片10固定于上基座20上。

步骤S3、采用翻转焊(Flip Bond)方式，将芯片10与上基座20形成的组件焊接于下基座30上。

作为本发明的一种具体实施例，所述步骤S3还包括：步骤S301，安装金球：采用热超声焊线方式在下基座30上表面安装金球32(图4所示)。步骤S302，翻转步骤S2中的组件，使芯片10上表面(图中用S表示)朝下，通过超声加热方式，将芯片10上表面S在300～335摄氏度高温时焊接于下基座的上表面。进一步地，在步骤S301中，可以采用焊线工艺，利用自动焊线机把金线在下基座30上打一个球形焊，之后将线尾去除。金球直径约20～50微米，焊线时的温度为100～150摄氏度，焊线的时间很短，每个金球点大约为5～20毫秒。在步骤S302中，可以采用贴片机吸取步骤S2中的组件，将芯片10上表面在300～335摄氏度高温时焊接于下基座30的上表面(图5所示)，整个焊接工艺时间为1～3分钟。“整个焊接工艺时间”包括器件从常温升至300～350摄氏度，再从300～350摄氏度降至常温的过程；其中，器件接近300摄氏度或高于300摄氏度的“高温平台”时间为40～80秒钟。焊接完成后，吸头1抬起后芯片10固定于下基座30上(图6所示)。

芯片的弯曲，在激光器芯片的组装工艺中是必须解决的问题。如图7所示，为采用传统方法的Die Bond加Wire Bond的光路图，位于芯片10上表面的发光波导12所发出的光线，从“出光端面”(直径1～3微米的微小区域，图中用E表示)射出，经过耦合透镜200被耦合进出光光纤(直径9微米)300，整个光路需要精确的机械位置对准。如图8所示，本发明若是在没有上、下基座20、30这种双基座设置方式下，单纯的采用翻转焊方式直接将芯片10翻转焊接于基座100上，则当芯片10弯曲时，金球32会像弹簧一样被拉高，出光端面E会向上移动，光线将难以耦合进出光光纤300；如果出光端面E的位置偏移0.4～1.2微米，耦合进出光光纤300的光功率会减小为原来的一半。如图9所示，本发明先将芯片10的底面B与上基座20用金锡焊料高温焊接在一起，以固定芯片10的机械形态。之后，再进行翻转焊，完成双基座的组装，从而避免了芯片10在高低温弯曲的问题，同时可以适应复杂或者高频的电路连接。

步骤S4、在上基座20和/或下基座30的外侧设置温度控制器(TEC：Thermoelectric Cooler)40，在下基座30的表面贴装为温度控制器40提供反馈的温度探测器(Thermistor)50。在该步骤中，可以利用焊接回流炉，采用传导加热方式，在230～250摄氏度温度范围内将温度探测器50焊接贴装于下基座30的表面。具体的，所述回流焊接工艺时间为10～15分钟。“整个焊接工艺时间”包括器件从常温升至230～250摄氏度，再从230～250摄氏度降至常温的过程；其中，器件接近230摄氏度或高于230摄氏度的“高温平台”时间为1～3分钟。如图10所示，在具体实施时，一般需要根据具体的下基座30的形状来制作一个机械夹具，此夹具称为压针60。压力通过压针60来施加于温度探测器50上，温度探测器50的阻值会随温度变化，从而用于探测温度。在焊接时，压针60是紧贴温度探测器50的。温度控制器40的粘贴工艺及参数与温度探测器50完全一致，使用锡银铜合金焊料；采用加热回流方法熔化焊料，从而与基座粘贴在一起。温度控制器40的粘贴可以最后进行，也可以与温度探测器50的粘贴同时进行。

如图11所示，即使在基座外侧放置温度控制器40也无法保证芯片10在发光工作时的温度恒定，完全不受外界环境的影响。由于芯片10在发光工作时挥发大量的热能，所以温度控制器40只能保持芯片10附近某个“具体的监控点”的温度恒定不变；而芯片10体内所呈现的温度变化梯度，在发光工作时是很明显的，此时芯片10体内的温度差异在10～30摄氏度范围。在发光工作且存在温度控制器40的场景下，当外界环境温度在-10～75摄氏度范围变化时，芯片10作为一个物体的整体温度会有3～5摄氏度的变化。因此若是在没有上、下基座20、30这种双基座设置方式下，单纯的采用翻转焊方式直接将芯片10翻转焊接于基座100上，在高低温存储时(高品质的激光器经常采用空运，而航空货运无法避免低温存储)芯片10的弯曲现象将会非常剧烈，甚至引起芯片10的永久形变。金球32相对芯片和基座都是柔软的材料，而且金球32存在对机械形变的记忆性。金球32不但无法阻止芯片的弯曲，而且金球32在被严重地拉伸形变后难以恢复原状，这会造成芯片的永久性弯曲，足以使芯片弯曲而引起耦合进出光光纤300的光功率(10～20％)的变化。本发明采用双基座加翻转焊的组装方式，由于上、下基座的导热性很好，温度控制器40会使整个下基座30的温度保持恒定。上基座20与芯片10成为一个整体，由于体内存在发热的“发光波导12”，体内温度分布具备明显的梯度变化；而“上基座20与芯片10”作为一个整体，其温度会随外界环境温度而小幅(3～5摄氏度)变化。上基座20本身，其温度会随外界环境温度而小幅变化，但由于上、下基座的导热性很好，内部温度一致；而且陶瓷材料很硬且相对很厚～1mm，所以不会发生弯曲。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。