一种基于各向异性衬底的半导体激光器的制造方法
【专利摘要】本实用新型提出一种新的半导体激光器结构，主要对芯片衬底进行了改进，解决了现有传导冷却半导体激光器封装结构热传导效率较低、封装工艺较复杂的问题。该半导体激光器包括激光器芯片、衬底和散热器，激光器芯片键合于衬底的正面或背面，衬底底部直接通过焊料键合到散热器上，满足CTE匹配；所述衬底是由绝缘材料和导电材料共同构成的复合体，绝缘材料和导电材料在复合体中的布局使得：所述复合体中对应于激光器芯片的键合区域，从衬底正面到衬底背面表现为导电联通；所述键合区域与衬底底部表现为相互绝缘。
【专利说明】
一种基于各向异性衬底的半导体激光器
技术领域
[0001 ]本实用新型涉及一种半导体激光器，主要涉及对芯片衬底的改进。
【背景技术】
[0002]如图1所示的一种常见的半导体激光器封装结构，激光器芯片散热的路径如下:半导体激光器芯片I产生的热量，先传导到衬底2，通过焊料层3再传导到绝缘块4上，再通过焊料层5传导到散热器6上。从激光器芯片到散热器的热传导路径长，界面多，降低了整个激光器的散热能力。
[0003]绝缘块4因为结构、工艺的需要，其厚度一般需要达到300微米以上，这也限制了其热传导的效率。同时，绝缘块与激光器芯片衬底和散热器之间，需要通过焊料层来进行组装键合，增加了热传导的界面。
[0004]这种结构的激光器，组成的零部件较多，在组装、键合过程中，需要相对复杂的对齐、定位工艺，配合精准的夹具或微型自动化设备。同时焊料种类、焊接界面多，导致失效率大大增加。
[0005]这种结构的绝缘块的安装，一种是绝缘块预先与芯片衬底焊接到一起，一种是绝缘块与散热器焊接到一起，这两种方案均需要比较复杂的工艺，失效率较高。
【实用新型内容】
[0006]为了解决现有传导冷却半导体激光器封装结构热传导效率较低、封装工艺较复杂的问题，本实用新型提出一种新的半导体激光器结构。
[0007]本实用新型的技术方案如下:
[0008]—种基于各向异性衬底的半导体激光器，包括激光器芯片、衬底和散热器，激光器芯片键合于衬底的正面或背面，衬底底部直接通过焊料键合到散热器上(这里的“直接”，是指衬底底部与焊料层之间不存在传统意义上的绝缘块)，满足CTE匹配;所述衬底是由绝缘材料和导电材料共同构成的复合体，绝缘材料和导电材料在复合体中的布局使得:
[0009]所述复合体中对应于激光器芯片的键合区域，从衬底正面到衬底背面表现为导电联通;所述键合区域与衬底底部表现为相互绝缘。
[0010]在以上方案的基础上，具体可以将产品主要分为两大类:
[0011 ]第一类:复合体的底部为绝缘材料。
[0012]第二类:复合体的底部为导电材料。
[0013]对于第一类产品方案，可以进一步作如下优化:
[0014]复合体的底部的绝缘材料厚度为50纳米?100微米。
[0015]复合体的主体为绝缘材料;所述复合体中对应于激光器芯片的键合区域，至少有一处以导电材料自衬底正面贯通至衬底背面。贯通形态以柱形结构为佳，即每一处导电材料为柱形结构自衬底正面贯通至衬底背面;或者每一处导电材料形成复合体中完整的一层。
[0016]考虑到复合体成型的加工工艺等其他因素，这里的“柱形结构”优选方柱形、圆柱形等较为规则的形态。另外，当然，这种以导电材料在局部位置贯通的结构并不局限于“柱形结构”，只要能够保证自衬底正面贯通至衬底背面形成导电通路，也都是能够达到一定效果的。
[0017]对于柱形贯通结构的导电材料布局，较佳的结构形式是:多处柱形结构的导电材料整体上呈阵列排布。
[0018]对于第二类产品方案，要求复合体位于所述键合区域下方的部分存在完全由绝缘材料组成的隔层。
[0019]另外还有一种无需考虑衬底底部导电特性的结构形式，即复合体由多层绝缘材料和多层导电材料以间隔层叠的形式构成。
[0020]上述导电材料可以是铜、钨、钼、铜钨、钼铜或者金刚石铜；绝缘材料可以是氮化铝、金刚石、氧化铍或者氧化铝。
[0021]—种制备上述半导体激光器的方法，包括以下步骤:
[0022]多个激光器芯片和相应的多个衬底依次对齐、排列、组装，形成一个巴条组；
[0023]一个或多个所述巴条组通过焊料键合到散热器上，制得一个传导冷却型高功率半导体激光器。
[0024]本实用新型中的衬底自身既能实现多个激光器芯片的堆叠方向上的电联接，也能实现与散热器之间的电绝缘，同时实现热量的迅速传导。具体有以下技术效果:
[0025]1、导电/绝缘一体化的芯片衬底的使用，省去了传统结构中的绝缘片以及相应的焊料层，不存在焊料溢出等问题，改善了产品外观，提升了产品性能。
[0026]2、本实用新型的一体化衬底与散热器之间厚度明显减少，仅为传统绝缘块几十到几百分之一，极大的降低了热阻，缩短了热传导的路径，提高了整体的散热效率。
[0027]3、基于该一体化衬底的传导冷却型激光器，零部件种类、数量减少，简化了制成工艺步骤，大大降低了对准、组装、制成的工艺难度，降低了衬底切割工艺的精度，提升了产品的成品率。
[0028]4、本实用新型衬底复合体中绝缘材料和导电材料的结合力好，相对于键合界面，产品的可靠性提升。
【附图说明】
[0029]图1为现有半导体激光器封装结构。
[0030]图2为本实用新型的半导体激光器封装结构。
[0031]图3为本实用新型的衬底(复合体)的导电&绝缘特性。
[0032]图4为本实用新型的衬底的实施例一(主体为绝缘材料)
[0033]图5为本实用新型的衬底的实施例二(主体为导电材料)。
[0034]图6为本实用新型的衬底的实施例三(多层材料间隔层叠)。
[0035]图7为本实用新型的衬底的实施例四(主体为绝缘材料，导电材料以柱形阵列的形式均勾分布)。
[0036]图8为本实用新型的传导冷却半导体激光器的封装步骤。
【具体实施方式】
[0037]如图2所示，激光器芯片I组装在一种高热导率、CTE匹配的衬底20，一个或多个激光器芯片与相应的衬底通过焊料5，组装键合到散热器6上，组成一个半导体激光器。该衬底在芯片堆叠方向具备导电性(导电区域至少覆盖芯片键合区)，在垂直于散热器表面的方向上具备绝缘性。
[0038]如图3，衬底20是由绝缘材料和导电材料共同构成的复合体，绝缘材料与导电材料结合紧密，这样的一体化衬底同时实现导电与绝缘，相比现有的导电衬底加绝缘块键合的组合，减少了两个键合的界面和一个焊料层(5?10微米厚)。绝缘材料和导电材料在复合体中的布局使得:在方向H上是导电的；在其垂直的方向即方向V上是绝缘的；当然，绝缘材料和导电材料都应选择高热导率材料，材料的整体导热是各向同性的。
[0039]导电材料可选铜、钨、钼、铜钨、钼铜、金刚石铜等。
[0040]绝缘材料可选氮化铝、金刚石、氧化铍、氧化铝等。
[0041 ]该复合体中的绝缘材料和/或导电材料可以通过3D打印、物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、物理化学气相沉积(PCVD)、电子溅射、涂覆、喷涂、熔渗、结合化学物理抛光(CMP)、精密切割等工艺加工制成。
[0042]该复合体有两种基本类型:
[0043]1、以绝缘材料为主体，在该绝缘材料22的内部和/或表面添加导电材料21。如图4所示。
[0044]复合体表面与激光器芯片键合的部位限于目前工艺要求，通常都需要做金属化处理，形成金属化表面23，以便于激光器芯片I与衬底的键合。
[0045]2、以导电材料21为主体，在该导电材料的内部和/或表面添加绝缘材料22。如图5所示。
[0046]即便采用热导率稍差一些的绝缘材料，这种复合体中的绝缘膜的厚度可做成50纳米?100微米，相比传统的300微米以上厚度的绝缘块，仍然显著降低了热阻，同时保证绝缘性。
[0047]该复合体也可由多层绝缘材料和多层导电材料以间隔层叠的形式构成。如图6所示。复合体30中，绝缘层32采用氮化铝，在氮化铝之间为导电层31，导电材料由铜、镍、金组成。多层氮化铝表面镀金属后，互相在一定压力、温度情况下结合为一体。复合体30由A面(衬底正面)到B面(衬底背面)是导电的，由A面或B面到C面(衬底底部)是绝缘的。
[0048]如图7所示另一种复合体结构，复合体40的基体为绝缘材料42，材料为氧化铍，在氧化铍基体的局部孔隙中添加导电材料41铝、铜在一定温度条件下结合为一体，形成均匀分布的导电通路(柱形阵列)。
[0049]如图8所示，本实用新型的封装工艺主要包括以下步骤:
[0050]将一个或多个半导体激光器芯片(如微型巴条、半巴条、标准厘米巴条等)依次对齐、排列，组装键合到(底部区域绝缘的)衬底上，制成巴条组;其中，一个芯片可以对应一个衬底，也可以在相邻的芯片之间额外增加单独的衬底;将巴条组组装或键合到散热器上，制成传导冷却型高功率半导体激光器。
【主权项】
1.一种基于各向异性衬底的半导体激光器，包括激光器芯片、衬底和散热器，激光器芯片键合于衬底的正面或背面，其特征在于:衬底底部直接通过焊料键合到散热器上，满足CTE匹配;所述衬底是由绝缘材料和导电材料共同构成的复合体，绝缘材料和导电材料在复合体中的布局使得: 所述复合体中对应于激光器芯片的键合区域，从衬底正面到衬底背面表现为导电联通;所述键合区域与衬底底部表现为相互绝缘。2.根据权利要求1所述的基于各向异性衬底的半导体激光器，其特征在于:所述复合体的底部为绝缘材料。3.根据权利要求2所述的基于各向异性衬底的半导体激光器，其特征在于:复合体的底部的绝缘材料厚度为50纳米?10微米。4.根据权利要求2或3所述的基于各向异性衬底的半导体激光器，其特征在于:所述复合体的主体为绝缘材料;所述复合体中对应于激光器芯片的键合区域，至少有一处以导电材料自衬底正面贯通至衬底背面。5.根据权利要求4所述的基于各向异性衬底的半导体激光器，其特征在于:每一处导电材料为柱形结构自衬底正面贯通至衬底背面;或者每一处导电材料形成复合体中完整的一层。6.根据权利要求5所述的基于各向异性衬底的半导体激光器，其特征在于:多处柱形结构的导电材料整体上呈阵列排布。7.根据权利要求1所述的基于各向异性衬底的半导体激光器，其特征在于:所述复合体的底部为导电材料，所述复合体位于所述键合区域下方的部分存在完全由绝缘材料组成的隔层。8.根据权利要求1所述的基于各向异性衬底的半导体激光器，其特征在于:所述复合体由多层绝缘材料和多层导电材料以间隔层叠的形式构成。
【文档编号】H01S5/02GK205543682SQ201620222216
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年3月22日
【发明人】刘兴胜, 蔡万绍, 陶春华, 邢卓, 宋涛
【申请人】西安炬光科技股份有限公司