CN101741011B - 使半导体激光器在宽温区可靠工作的低应力封装装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种使半导体激光器在宽温区可靠工作的低应力封装装置和方法，其利用超高真空镀膜仪和本发明的夹具进行热沉上铟焊料的蒸镀，蒸镀工艺中铟焊料的形状及厚度均可控；然后利用本发明的封装夹具将激光器和热沉放入具有还原气氛的烧结炉中进行封装焊接。利用本发明所涉及的封装方法可以实现半导体激光器芯片的铟焊料封装，使得激光器可以稳定工作在宽温区环境下，有利于推动激光器在宽温区环境下的应用。本发明所涉及的封装方法实施过程简单，所设计的夹具结构简单，便于加工，因此本发明方法容易推广，利用激光器芯片封装的产业化。

Description

使半导体激光器在宽温区可靠工作的低应力封装装置及方法

技术领域

本发明属半导体激光器技术领域，特别是涉及一种使半导体激光器在宽温区可靠工作的低应力封装装置及方法。

背景技术

半导体激光器具有体积小、重量轻、转换效率高、易于调制和价格低廉等优点，近年来在照明、医疗、工业等方面得到了广泛的应用，如光纤通信、激光测距、目标指示、气体检测、照明等行业。随着半导体激光器性能的不断提高，应用范围越来越广，需求量也越来越大。

由于半导体激光器应用范围越来越广，激光器有时会要求工作在较低温度环境中(＜150K)，这对半导体激光器在宽温区(10K-400K)内的封装可靠性提出了更高的要求。半导体激光器常用的封装焊料金锡合金和银浆由于材料本身的特性不适用于低温工作的激光器封装，质地较软的铟焊料则是宽温区内低应力、高可靠性的封装焊料。半导体激光器由于散热的需求通常要求封装在具有散热功能的热沉上，激光器的种类繁多导致热沉的规格也各自不同，而由于封装要求的多样性一般情况下热沉表面不制备封装焊料，因此在热沉表面制备封装焊料是半导体激光器封装的重要工艺。由于市面上常见的铟膜较厚(～0.2mm)，热沉表面的铟焊料通常是采用超高真空热蒸发镀膜仪自行在热沉表面制备。通常制备铟焊料的传统方法是首先在热沉表面进行光刻，然后放入镀膜仪中大面积热蒸发，再通过剥离的方法去除多余的铟焊料，从而在热沉表面形成特定形状的焊料。但是由于半导体激光器封装用的热沉规格一般都比较小，在热沉上进行光刻的工艺较为复杂，使得激光器封装工艺大大复杂化，不利用产业化。因此随着半导体激光器应用范围的展宽，迫切需要发展小规格热沉表面制备焊料薄膜的工艺技术。

另外，现在实验室中用于半导体激光器的封装夹具仍然普遍采用压针式夹具，半导体激光器通过施加了一定力的压针固定在热沉上，因此在利用压针进行封装过程中，由于压针的受力点小而导致作用在激光器表面的压力较大，半导体激光器有可能因为表面受到物理损伤而失效，严重影响了半导体激光器的封装工艺可靠性。高可靠性的半导体激光器封装夹具也是急需发展的一项工艺技术。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种使半导体激光器在宽温区可靠工作的低应力封装装置和方法，目的是获得半导体激光器宽温区内的可靠封装，确保激光器可以稳定的工作在宽温区环境下(10K-400K)，推动半导体激光器在宽温区环境下的应用。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种使半导体激光器在宽温区可靠工作的低应力封装装置，包括形状规则且可变的蒸发窗口和用于固定半导体激光器的夹具组成的蒸发夹具以及用于烧结炉烧结用的封装夹具，所述的蒸发窗口根据焊料薄膜的形状参数及需要进行蒸镀的热沉数目，确定至少2片具有不同宽度狭缝的不锈钢薄片，通过对薄片的叠加组合形成最终的蒸发窗口；所述的用于固定半导体激光器的夹具根据叠加形成的窗口的位置在不锈钢板的相同位置处开窗口，窗口大小和热沉大小相同；窗口和固定夹具通过螺钉组装在一起，组成蒸发夹具；所述的封装夹具由用于热沉定位的夹具基座和用于芯片固定的弹簧压片两部分组成，夹具基座的上表面开槽，开槽的形状由热沉形状决定，尺寸略大于热沉尺寸，弹簧压片的两端用高度可调的螺栓固定在基座开槽两侧，通过改变弹簧片两端的高度改变弹簧片对激光器芯片的压力。

所述的焊料薄膜紧贴热沉边缘，其面积和半导体激光器面积相当；所述的不锈钢薄片的厚度为0.5mm；

所述的用于固定半导体激光器的夹具由不锈钢加工而成，其面积和窗口采用的不锈钢片面积相同；

所述的夹具基座为无氧铜材料，基座上下表面进行抛光处理，上表面开槽，槽深为2mm；所述的弹簧压片为不锈钢。

所述的一种使用使半导体激光器在宽温区可靠工作的低应力封装装置的方法，包括下列步骤：

(1)将封装用热沉放入权利要求1所述的夹具中，然后将夹具放入超高真空镀膜仪中进行铟焊料薄膜的蒸镀；

(2)利用夹具中的窗口在热沉上形成特定形状的铟焊料薄膜，薄膜的厚度由蒸镀条件决定；

(3)在热沉的铟焊料薄膜制备完成后，利用封装夹具将热沉和激光器芯片固定后放入高温烧结炉中进行封装焊接

有益效果

利用本发明所涉及的封装方法可以实现半导体激光器芯片的铟焊料封装，使得激光器可以稳定工作在宽温区环境下，有利于推动激光器在宽温区环境下的应用。本发明所涉及的封装方法实施过程简单，所设计的夹具结构简单，便于加工，因此本发明方法容易推广，利用激光器芯片封装的产业化。

首先封装选用封装焊料为铟焊料，铟焊料在宽温区内有较高的可靠性，而且铟焊料质地较软，在宽温区环境下产生的应力较小，铟焊料采用真空镀膜，焊料厚度可精确控制，避免了焊料过厚或者过薄引起的焊料短路或者封装失效现象；其次，利用夹具在热沉上实现了特定形状的焊料蒸镀，解决了小热沉无法通过传统的光刻-蒸发-剥离工艺制备特定形状焊料的问题；最后利用封装夹具进行封装，避免了封装过程中对激光器芯片造成的物理损伤。本发明所涉及的夹具结构简单，成本较低，满足了批量生产的需要，具有很好的通用性。

附图说明

图1为本发明利用蒸发窗口实现特定形状薄膜的原理示意图。

图2为本发明封装夹具示意图。

图3为8.2μm量子级联激光器在50K-200K下测试得到的激射光谱图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明内容主要包括：(1)使用超高真空镀膜仪和专用夹具在封装用热沉上制备形状规则、宽温区低应力、高可靠性的铟焊料薄膜；(2)利用专用封装夹具，将固定好的热沉和半导体激光器放入具有还原气氛的高温烧结炉进行封装，有效避免了压针类夹具对半导体激光器芯片的物理损伤。

1、利用超高真空镀膜仪和专用夹具在热沉上制备铟焊料薄膜

本发明所涉及的封装方法主要是针对在宽温区环境下工作的半导体激光器，因此要充分考虑宽温区环境下封装的可靠性。半导体激光器封装工艺中使用的热沉主要有铜、氮化铝和金刚石，虽然氮化铝和金刚石的散热性能都比铜要好，但是考虑到工业应用中的成本问题，铜是应用最为广泛的热沉，因此本发明所涉及的封装方法中所选用的热沉为铜热沉。半导体激光器封装工艺中使用的焊料通常为铟焊料和金锡合金焊料，考虑到半导体激光器通常工作在宽温区环境下以及半导体和热沉热膨胀系数的差异，质地较硬的金锡合金焊料会将温度变化产生的应力作用在半导体激光器上，不适用于温度变化较大的环境中，因此本发明中所涉及的封装方法采用的是铟焊料，铟焊料质地较软，在宽温区工作环境下产生的应力较小。

由于半导体激光器种类繁多，而且铟焊料暴露在空气极易氧化，因此在半导体激光器的封装工艺中通常是自行在热沉表面制备铟焊料薄膜。在传统的铟焊料薄膜制备工艺中，通常是在用光刻-蒸发-剥离的工艺制备特定形状的铟焊料薄膜。但是在一些集成度较高的应用中，热沉通常比较小，在小面积热沉上进行光刻的工艺较为复杂，而且每个热沉上都要进行光刻，使整个封装工艺复杂化，不利于半导体激光器的产业化。本发明设计了专用的夹具，利用该夹具结合超高真空镀膜仪，在不使用光刻工艺的条件下实现小面积热沉表面特定形状铟焊料薄膜的蒸镀。

本发明所设计的蒸发夹具主要由两部分构成：形状规则且可变的蒸发窗口和用于固定半导体激光器的夹具，两部分通过螺钉固定在一起以方便操作。

蒸发窗口是由一系列具有规则狭缝的不锈钢薄片通过叠加组成。首先我们可以根据实际应用的需要设计热沉上铟焊料薄膜的形状，考虑到半导体激光器工作对热沉的要求，我们将铟焊料薄膜制备在热沉一端，薄膜紧贴热沉边缘以增强对激光器腔面处的散热；同时为了方便后续封装工艺，焊料薄膜的面积要尽可能和半导体激光器面积相当。确定好薄膜的形状参数后，我们根据这些参数以及需要进行蒸镀的热沉数目设计一系列具有特定宽度狭缝的不锈钢薄片，通过对薄片的叠加组合形成最终的蒸发窗口，图1为窗口形成示意图。这里选用的不锈钢薄片的厚度要足够薄，以保证形成窗口的精度，我们选用的不锈钢薄片的厚度为0.5mm。

1)用于固定半导体激光器的夹具也是由不锈钢加工而成，其面积和窗口采用的不锈钢片面积相同。根据叠加形成的窗口的位置在不锈钢板的相同位置处开窗口，窗口大小和热沉大小相同，使用时只需要将热沉放入窗口就能够轻松实现固定半导体激光器的目的。

通过螺钉将窗口和固定夹具组装在一起，然后将热沉固定在夹具中放入超高真空镀膜仪进行铟焊料的蒸发，从而在热沉表面形成特定形状的铟焊料薄膜，薄膜厚度可以通过改变蒸发条件进行调整，可以有效避免焊料过厚或者过薄产生的焊料短路或者封装失效问题。

2、使用专用封装夹具进行焊接封装

考虑到传统半导体激光器的封装夹具所采用的压针式夹具对激光器芯片容易产生物理损伤，本发明设计了用于半导体激光器封装的无损夹具。夹具结构如图2所示，主要有两部构成：用于热沉定位的夹具基座和用于芯片固定的弹簧压片。夹具基座为无氧铜材料，基座上下表面进行抛光处理，上表面开槽，槽深为2mm，开槽的形状由热沉形状决定，尺寸略大于热沉尺寸。弹簧压片为不锈钢，宽度由激光器芯片的腔长决定，略小于激光器腔长。弹簧压片两端用高度可调的螺栓固定在基座开槽两侧，通过改变弹簧片两端的高度改变弹簧片对激光器芯片的压力。具体实施步骤如下：首先将镀有铟焊料薄膜的热沉安装到夹具基座上的开槽内；然后松开弹簧压片将激光器芯片安放到铟焊料薄膜上，激光器出射腔面紧贴热沉边缘，避免热沉对出射激光的阻挡；安放好激光器芯片后调节弹簧压片两端螺栓的高度至弹簧压片将激光器芯片稳定的固定在热沉上。由于弹簧压片对芯片的压力可调，而且不锈钢材质相对半导体激光器材料其质地较软，因此利用该封装夹具可以实现无物理损伤封装。

本发明所涉及的一种使半导体激光器在宽温区可靠工作的低应力封装方法具体实施过程如下：首先将封装用热沉放入专用夹具中，然后将夹具放入超高真空镀膜仪中进行铟焊料薄膜的蒸镀，利用专用夹具中的窗口在热沉上形成特定形状的铟焊料薄膜，薄膜的厚度由蒸镀条件决定；在热沉的铟焊料薄膜制备完成后，利用封装夹具将热沉和激光器芯片固定后放入高温烧结炉中进行封装焊接，利用自行设计的封装夹具可以避免封装过程中对激光器芯片产生的物理损伤。

利用本发明对8.2μm量子级联激光器进行宽温区可靠的铟焊料低应力封装，具体实施步骤包括以下几个方面：(1)根据激光器管芯的大小设计窗口组成部件的狭缝的具体参数，并利用不锈钢薄片制备部件；(2)根据封装用热沉的面积制备热沉蒸镀固定部件；(3)将热沉装入由窗口和固定部件组成的夹具，放入超高真空镀膜仪进行铟焊料薄膜的蒸镀；(4)利用自行设计的封装夹具将镀有铟焊料薄膜的热沉和激光器管芯固定在一起放入烧结炉进行焊接封装。

1)根据所选用的8.2μm量子级联激光器的腔长为3.0mm，管芯宽度为0.5mm。窗口部件由两个薄片成90度叠加组合而成，薄片面积由超高真空镀膜仪的夹具决定，大小为60mm×60mm。薄片分别上刻有5mm和1mm宽的狭缝，形成窗口的面积为5mm×1mm的窗口，窗口面积略大于管芯面积。

2)根据需要选用24mm×12mm的无氧铜热沉，根据热沉面积和窗口位置制备热沉固定部件，固定部件由不锈钢加工而成，面积与窗口部件一致，为60mm×60mm。

3)利用螺栓将窗口部件和热沉固定部件组装在一起，然后将热沉放入固定部件中，再将整个夹具放入超高真空镀膜仪中进行铟焊料蒸镀。蒸镀原料为99.999％的高纯度铟，质量为8g，工作电流为12A，蒸发时间为2min，蒸发厚度约为3μm。通过改变蒸发条件可以改变铟焊料薄膜的厚度，避免了焊料过厚或过薄产生的焊料短路或者封装失效等问题。蒸发完成后将热沉继续保留在高真空腔中，直至热沉充分冷却后取出使用，这样可以有效避免铟焊料的氧化问题。

4)取出蒸发好铟焊料薄膜的热沉，安放到封装夹具的基座上，通过基座上的定位开槽可以有效固定热沉。调整弹簧压片的高度，使之高出热沉，预留出装备管芯的空间。将管芯安放到热沉上镀有铟焊料薄膜的位置，腔面紧贴热沉边缘，调整弹簧压片的高度至弹簧压片可以充分固定激光器管芯。最后将固定好的管芯和热沉放入烧结炉中进行封装焊接，烧结炉中通氢气以对氧化了的铟焊料进行还原焊接，焊接温度为180℃，焊接时间为2min。焊接完成后将器件保留在通有氢气的烧结炉中，直至器件充分冷却，即可取出进行后续的封装及测试。

下图3是该激光器在低温环境下测试得到的光谱图，从图中可以看到在激光器的工作温度在50K-200K内变化时，激光器都能实现稳定的单模输出，说明该激光器的封装在宽温区环境下有较高的可靠性。

Claims (5)

1.一种使半导体激光器在宽温区可靠工作的低应力封装装置，包括形状规则且可变的蒸发窗口和用于固定半导体激光器的夹具组成的蒸发夹具以及用于烧结炉烧结用的封装夹具，其特征在于：所述的蒸发窗口根据焊料薄膜的形状参数及需要进行蒸镀的热沉数目，确定至少2片具有不同宽度狭缝的不锈钢薄片，通过对薄片的叠加组合形成最终的蒸发窗口；所述的用于固定半导体激光器的夹具根据叠加形成的蒸发窗口的位置在不锈钢板的相同位置处开固定窗口，固定窗口大小和热沉大小相同；蒸发窗口和固定夹具通过螺钉组装在一起，组成蒸发夹具；所述的封装夹具由用于热沉定位的夹具基座和用于芯片固定的弹簧压片两部分组成，夹具基座的上表面开槽，开槽的形状由热沉形状决定，尺寸略大于热沉尺寸，弹簧压片的两端用高度可调的螺栓固定在基座开槽两侧，通过改变弹簧压片两端的高度改变弹簧压片对激光器芯片的压力。

2.根据权利要求1所述的一种使半导体激光器在宽温区可靠工作的低应力封装装置，其特征在于：所述的焊料薄膜紧贴热沉边缘，其面积和半导体激光器面积相当；所述的不锈钢薄片的厚度为0.5mm。

3.根据权利要求1所述的一种使半导体激光器在宽温区可靠工作的低应力封装装置，其特征在于：所述的用于固定半导体激光器的夹具由不锈钢加工而成，其面积和所述的蒸发窗口采用的不锈钢片面积相同。

4.根据权利要求1所述的一种使半导体激光器在宽温区可靠工作的低应力封装装置，其特征在于：所述的封装夹具基座为无氧铜材料，基座上下表面进行抛光处理，上表面开槽，槽深为2mm；所述的弹簧压片为不锈钢。

5.一种使用权利要求1所述的一种使半导体激光器在宽温区可靠工作的低应力封装装置的方法，其特征在于：包括下列步骤：

(1)将封装用热沉放入权利要求1所述的蒸发夹具中，然后将蒸发夹具放入超高真空镀膜仪中进行铟焊料薄膜的蒸镀；

(2)利用蒸发夹具中的蒸发窗口在热沉上形成特定形状的铟焊料薄膜，薄膜的厚度由蒸镀条件决定；

(3)在热沉的铟焊料薄膜制备完成后，利用封装夹具将热沉和激光器芯片固定后放入高温烧结炉中进行封装焊接。

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