CN101986179B - 半导体器件组件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光纤耦合半导体器件，其相对于温度变化具有提高的光稳定性。该稳定性提高通过将固定半导体芯片和光纤的平台放置到安装于基座上的衬垫上实现。该衬垫的面积小于平台区域的面积，以使由于半导体器件的平台的变形而导致的基座的热诱导变形机械解耦。将光纤固定到光纤支架的垂直安装表面，并且再将光纤支架固定到半导体芯片的子支架，以进一步提高封装器件的热稳定性。

Description

半导体器件组件

本发明要求于2009年7月28日提交的美国临时专利申请号为No.61/229,171的专利申请的优先权，通过参考将其结合于此。

技术领域

本发明涉及半导体器件的封装，特别地，涉及光纤耦合半导体器件的绝热封装。

背景技术

诸如激光二极管、激光二极管阵列和发光二极管(LED)的发光半导体器件经常与光纤结合以将所发射的光传输到外部物体。在耦合到半导体器件的光纤的正常操作期间，必须维持半导体芯片和光传输光纤之间的光耦合效率。

大多数半导体芯片的发光区域相当小，在垂直于半导体器件的薄膜层平面的方向只有几微米。通常，小尺寸的发光区域是好的，是期望的光源形状，因为其带来光源的高亮度，例如，允许光源产生的光被紧聚焦。为了保持半导体光源的亮度，优选地利用具有小纤芯直径的光纤。由于小尺寸的发光区域和小的纤芯直径，所以光纤必须精确对准半导体芯片。此外，为了在器件的寿命期间维持发光功率水平，必须在器件的寿命期间维持光纤和半导体芯片之间的精确对准。

参照图1，所示的是现有的耦合光纤的激光二极管组件10。激光二极管组件10已经被转让给JDS单相公司的Ziari等人的美国专利US 6,758,610所公开，通过参考将其结合于此。激光二极管组件10包括基座11，激光芯片子支架12，激光芯片13，包括顶部14A的光纤子支架14，以及光纤15。子支架12和14通过焊接层16被固定到基座11，而激光芯片13通过焊接层16被固定到激光芯片子支架12。利用焊接珠17将光纤15连接到光纤子支架14。金属化光纤15，以使其具有金属化层18，从而通过焊接珠17的金属焊接材料提高光纤15的湿润性。顶部14A具有低热导率，以在焊接操作期间起到热障作用。光纤15的前表面19被透镜化，以提高光纤耦合效率。

不利地，即使在利用热电冷却器(TEC)稳定激光二极管组件10的温度的情况下，激光二极管组件10的光纤耦合效率也随着环境温度而改变。图1未示出TEC。为了移除激光二极管组件10的热量，基座11配置在TEC的顶表面，而TEC的底表面连接到外部热沉，未示出。当环境温度与激光二极管组件10的基座11的温度不同时，TEC的内侧表面和外侧表面具有不同的温度。温差将导致其上安装有基座11的内侧TEC表面变形，这将导致激光二极管组件10的基座11变形。基座11的变形导致光纤15相对于激光二极管芯片13的偏移，这将造成光纤耦合效率损失，最终导致输出光功率和激光二极管组件10的转换效率降低。

Miyokawa等人的美国专利US 6,734,517和US 7,030,422公开了一种提高光纤耦合二极管激光中光纤耦合效率稳定性的现有方法，通过参考将其结合于此。Miyokawa等人公开了一种半导体激光二极管模块，该模块被构造以减少光纤耦合效率对于温度的相关性。在Miyokawa等人公开的半导体激光二极管模块中，选择支撑激光芯片的基座的材料，以匹配光纤固定器的材料。此外，光纤固定器具有两个部分，一部分被安装到基座，而另一个部分支撑光纤套圈。安装到基座的部分被整形，以使其不妨碍基座的激光二极管的安装区域。不利地，Miyokawa等人的模块相当复杂，需要许多激光焊接部分以固定所有焊接元件的所有部分。

发明内容

本发明的目的是提供一种简单和便宜的光纤耦合半导体器件，其中在不同环境温度下的正常操作期间能维持光纤耦合效率。本发明的另一个目的是提供这种器件的组装方法。

本发明人发现光纤和激光芯片之间的对准损失主要是由于支撑激光二极管子组件的平台的变形导致的。本发明人进一步发现，在平台下面设置具有小于该平台面积的导热衬垫，在提供充分的热沉以将激光芯片保持在期望的温度时，能够显著减少平台的变形。

根据本发明，提供一种半导体器件组件，包括：

基座；

安装在基座上的衬垫；

半导体器件子组件，其包括具有底表面的平台，该平台具有安装到衬垫上的平台安装区域，以及具有活性层的半导体芯片，该半导体芯片热耦合到平台，用于移除该半导体芯片产生的热量；

固定到半导体器件子组件的光纤支架，该光纤支架具有光纤安装平面；以及

光纤，其在光纤安装平面被固定到光纤支架，并光耦合到半导体芯片，以接收从半导体芯片发出的光；

其中，平台安装区域小于平台底表面的总区域，从而降低半导体芯片和光纤之间的光耦合相对于基座变形的灵敏度。

在本发明的一个实施例中，活性层的平面垂直于光纤安装平面，以用于降低半导体芯片和光纤之间的光耦合相对于组件的温度变化的灵敏度。

根据本发明的另一方面，半导体器件组件还包括具有底表面的子支架，用于支撑半导体芯片和将半导体芯片热耦合到平台，其中所述底表面具有安装在平台上的子支架安装区域。光纤支架优选地被直接固定到子支架，以降低半导体芯片和光纤之间的光耦合相对于基座变形的灵敏度。

根据本发明的再一方面，本发明还提供一种半导体器件的组装方法，包括：

(a)提供基座；

(b)在基座上安装衬垫；

(c)提供半导体器件子组件，该子组件包括：具有底表面的平台，该底表面具有平台安装区域；具有活性层的半导体芯片，该半导体芯片热耦合到平台，以移除该半导体芯片产生的热量；固定到半导体器件子组件上的光纤支架，该光纤支架具有光纤安装平面；以及在光纤安装平面固定到光纤支架的光纤，所述光纤光耦合到半导体芯片以接收其发出的光；以及

将平台安装区域安装到衬垫上，以使平台安装区域小于平台底表面的总区域，从而降低半导体芯片和光纤之间的光耦合相对于基座变形的灵敏度。

附图说明

下面将结合附图描述示范性实施例，其中：

图1是现有光纤耦合激光二极管组件的；

图2是根据本发明的激光二极管器件组件的横截面侧视图；

图3是安装在热电冷却器(TEC)上的图2所示的半导体器件组件的三维图，其中示出了TEC的变形的夸大形式；

图4A和4B是图2所示的激光二极管组件的立体图，其示出了透镜化的光纤到垂直表面的安装；

图5是本发明的封装的激光二极管组件的立体图；

图6是本发明的半导体器件组件的横截面侧视图，具有固定到激光二极管芯片子支架的光纤支架；以及

图7是安装到TEC并被密闭封装的图6所示的半导体器件组件的横截面侧视图。

具体实施方式

虽然结合不同实施例和例子描述了本发明的内容，但是并不将本发明的内容限定到这些实施例中。相反，本发明的内容包含本领域技术人员能意识到的不同的替换物，改进以及等价物。

参照图2，本发明的半导体器件组件20包括基座21，安装在基座21上的衬垫22，安装在衬垫22上的半导体器件子组件23，安装在半导体器件子组件23上的光纤支架26，以及安装到光纤支架26上的光纤27。半导体器件子组件23包括平台24，安装在平台24上的子支架28，以及安装在子支架28上的半导体芯片25。半导体芯片25通过子支架28热耦合到平台24。半导体芯片25光耦合到光纤27，以接收来自未示出的半导体芯片25的活性层(active layer)的光。子支架28是可选的。当不使用子支架时，半导体芯片25被直接安装到平台24。平台24的底表面包括与衬垫22接触的安装区域。平台24的安装区域小于平台24的底表面的总区域，这样基座21的变形不会引起平台24的变形，或者至少减少了平台24的变形。因此，降低了半导体芯片25和光纤27之间的光耦合相对于基座21的变形的灵敏度。如上所述，由于基座21的变形是因为环境温度的改变导致的，所以光耦合相对于环境温度改变的灵敏度也同样降低。

半导体芯片25优选的是激光二极管芯片，但是，其可以是能够发光的任何其它类型的半导体芯片，例如发光二极管(LED)芯片。光纤27优选的是在其尾端具有失真光纤透镜(anamorphic fiber lens)的透镜化光纤，所述失真光纤透镜用于提高半导体芯片25和光纤27之间的光耦合。失真透镜可以包括在两个平面或仅在一个平面具有聚焦能力的双锥或凿式透镜，柱面透镜，等等。此外，也可以使用非失真光纤透镜，例如形成在光纤尖端的圆锥透镜。也可以使用分离的透镜。可选择地，光纤27可以平接耦合到半导体芯片25。

优选地，半导体芯片25的活性层的平面垂至于光纤27的安装平面。例如，在图2的侧视图中，活性层的平面是水平的，而光纤安装平面是垂直的，也就是说，平行于图2的平面。光纤27的垂直安装减少了水平安装的半导体芯片25和光纤27之间的光耦合的热相关性。下面将对这种有利效果进行解释。

在一个实施例中，平台24上的支架28的安装区域的长度在衬垫22上的平台24安装区域直接设置在平台安装区域之上也是同样期望的，如图2所示。这些构造特征都能导致半导体芯片25处的机械应力的减少并能提高光学稳定性。

衬垫22优选地由具有高热导率的材料制成，例如，氮化铝或铜。作为例子，衬垫22的热导率可以位于200W/m·K和400W/m·K之间。基座21可由便宜的钢制成，虽然也可以用其它材料。

转到图3，所示的是三维结构的半导体器件组件30。半导体器件组件30类似于图2中的半导体器件组件20，具有衬垫22，平台24，子支架28，半导体器件芯片25，光纤支架26，以及光纤27，除了基座21被热电冷却器(TEC)31上部板33代替。TEC 31安装在外部热沉32上。TEC用来维持半导体器件芯片25处于工作温度，并且外部热沉用来移除TEC运转所释放的热。如上所述，由于TEC运转产生的温差导致所示的TEC31是变形的。TEC 31的变形被夸大以说明利用衬垫22的优点。

从图3可以看出，由于衬垫22的存在，TEC 31的上部板33的变形不会导致平台24的变形，从而减小了半导体芯片25和光纤27之间的光耦合相对于基座变形的灵敏度，在此情况下，基座是TEC 31的上部板33。

现在参照图4A和4B，如XYZ坐标系统40所示，半导体芯片25被设置在XZ平面。光纤27被固定到设置在YZ平面的光纤支架26的垂直表面41。因此，半导体器件25的平面垂至于垂直表面41的平面，光纤27安装到该垂直表面。这种光纤附件的几何结构提高了光耦合相对于温度变化的稳定性，原因如下。

优选地，利用紫外(UV)可固化的环氧树脂42将光纤27固定到垂直表面41。当光纤27被固定时，由于光纤27，光纤支架26，和环氧树脂42之间的热失配，其在XY平面是有些弯曲的。当温度改变，弯曲度改变，这导致光纤27的端部沿着X轴移动。如果光纤27被固定到水平表面(平行于XZ平面)，与现有技术相同并且是事实上如图1中的现有技术所示，此时光纤端部将沿着Y轴移动。然而，沿着Y轴的移动将导致更多地减少光纤耦合效率，因为半导体芯片25的发光区域的光斑尺寸在Y方向总是小于X方向。因此，将光纤27安装到光纤支架26的垂直表面41将导致半导体器件组件20中的光耦合稳定性的提高。有利地，这种提高的稳定性不仅在半导体器件组件20的正常操作期间能够观察到，而且在半导体器件组件20的建造期间也能观察到。

特别参考图4A中的A-A视图，光纤27是在其端部具有用于提高耦合效率的失真光纤透镜27A的透镜化光纤。光纤透镜27A是失真的，因为，如上所述，半导体芯片25具有失真光场，其需要被耦合进入圆形光纤27。失真光纤透镜27A具有相互正交的平行于XZ和YZ平面的第一和第二光平面。第一平面内的失真光纤透镜27A的聚焦强度通常不同于第二平面内的聚焦强度。

现在转到图5，封装的激光二极管组件50具有图2、4A和4B中的半导体器件组件20中的所有元件，包括基座21，安装在基座21上的衬垫22，安装在衬垫22上的平台24，安装在平台24上的子支架28，安装在子支架28上的半导体器件芯片25，安装在平台24上的光纤支架26，以及安装在子支架26的垂直表面41上的光纤27。激光二极管组件50也包括框架51(在图5中只有部分可见)，用于密封半导体器件组件20，引线52，用于提供必要的电连接，以及连接到引线52的电极53，用于穿过框架51提供电连接到激光二极管组件50的外部控制器。基座21被固定到框架51的底部。可选择地，基座21是框架51的一部分。

参考图6，半导体器件组件60具有如图2、4A和4B中的半导体器件组件20相同的元件。半导体器件组件20和60之间的一个不同是：在半导体器件组件60中，光纤支架26被固定到激光二极管芯片子支架28而不是平台24。这进一步提高了光耦合相对于基座21的变形的稳定性，因为平台24的变形对光纤支架26的位置几乎没有影响。优选地，光纤27被安装到光纤支架26的垂直表面41。进一步，优选地，光纤被透镜化，在其端部具有失真光纤透镜27A。

现在转到图7，本发明的封装的半导体器件组件70具有如图6中的半导体器件组件60相同的元件，除了基座21，其被具有上部板73，多个珀耳帖元件74和底板75的TEC 72所代替。TEC 72安装在密封封装71内，该封装71具有用于光纤27的通孔76和用于电接触的电通孔77。光纤支架26连接到子支架28。优选地，利用UV可固化环氧树脂将光纤27固定到光纤支架26。利用UV环氧树脂是有利的，因为其允许将元件快速固定到一起而不用加热。至少一些类型的UV环氧树脂和其它类型的环氧树脂相比具有一个缺点，即相对于潮湿的灵敏度增加，然而这在使用密闭的密封封装71的时候是不重要的。当然，也可以使用其它类型的环氧树脂，以及玻璃或金属焊接，铜焊接，或激光焊接。虽然密封封装通常是优选的，然而非密封封装也是可用的。

半导体器件组件20，30，50，60和70可以用下面的一般步骤制造：

提供基座21和/或TEC 31或72，子组件23将安装在其上；

提供衬垫22并在基座21和/或TEC上安装衬垫22；

提供子组件，该子组件包括安装在子支架28上的半导体芯片25，该子支架28被安装在平台24上，和被对准用于光耦合到半导体芯片25并被安装到光纤支架26上的光纤27，该光纤支架26被安装到平台24或被直接安装到子支架28，视情况而定；

在衬垫22上安装平台24，以使平台安装区域小于平台24的底表面的全部区域。如上所述，这种安装方法有助于减少半导体芯片25和光纤27之间的光耦合相对于基座21的变形的灵敏度。

在所述步骤(c)，子组件在平台24上被对准，所述平台接下来被安装到衬垫22上。这减轻了在精确对准配置中对于TEC 31或72的需要。当然，已经安装在TEC 31或72上的子组件同样被对准。步骤(c)可以包括将光纤27和半导体芯片25对准，以接收其发出的光的子步骤(c1)，以及将光纤25固定到光纤支架26以使活性层的平面(XZ平面)垂至于光纤安装平面(YZ平面)的子步骤(c2)。对于使用子支架28的器件，步骤(c)包括在平台24上安装子支架28，以及在子支架28上安装半导体芯片25，不需要精确地规定顺序。对于半导体器件组件60和70，步骤(c)也包括将光纤支架26安装到子支架28。

Claims (15)

1.一种半导体器件组件，包括：

基座，所述基座包括热电冷却器；

导热衬垫，所述导热衬垫被安装在所述热电冷却器上；

半导体器件子组件，其包括：

具有底表面的平台，所述底表面具有安装在所述导热衬垫上的平台安装区域；

包括底表面的子支架，所述底表面具有安装在所述平台上的子支架安装区域；以及

具有活性层的半导体芯片，所述半导体芯片被安装在所述子支架上，并因此被热耦合到所述平台，用于移除所述半导体芯片所产生的热量；

光纤支架，所述光纤支架被固定到所述子支架，并具有平的光纤安装表面；以及

光纤，所述光纤被固定到所述光纤安装表面，并光耦合到所述半导体芯片，以接收从所述半导体芯片发出的光；

其中所述平台安装区域小于所述平台的所述底表面的总区域，从而降低了所述半导体芯片和所述光纤之间的光耦合相对于所述热电冷却器的变形的灵敏度。

2.根据权利要求1所述的半导体器件组件，其中包含所述活性层的平面垂直于所述光纤安装表面，从而减少所述半导体芯片和所述光纤之间的光耦合相对于所述组件的温度的相关性。

3.根据权利要求2所述的半导体器件组件，其中所述光纤是具有失真光纤透镜的透镜化光纤，所述失真光纤透镜具有相互正交的第一和第二光学平面，所述第一和第二光学平面分别平行于所述活性层平面和所述光纤安装表面。

4.根据权利要求1所述的半导体器件组件，其中所述子支架安装区域和所述平台安装区域在所述光纤的长度方向上各有一段长度，其中所述子支架安装区域的长度是所述平台安装区域的长度的30％至80％。

5.根据权利要求1所述的半导体器件组件，其中所述子支架安装区域被直接设置在所述平台安装区域之上。

6.根据权利要求1所述的半导体器件组件，其中所述导热衬垫具有200W/m·K和400W/m·K之间的热导率。

7.根据权利要求1所述的半导体器件组件，其中所述半导体芯片是激光芯片，并且其中所述半导体器件子组件是半导体激光子组件。

8.根据权利要求1所述的半导体器件组件，其中所述导热衬垫的材料包括氮化铝或铜。

9.根据权利要求1所述的半导体器件组件，其中所述热电冷却器的材料包括钢。

10.一种封装的激光二极管装置，包括：

权利要求1所述的半导体器件组件，其中所述半导体芯片是激光芯片，并且其中所述半导体器件子组件是半导体激光子组件，以及

框架，所述框架用于密封所述半导体激光子组件和所述光纤支架，其中所述热电冷却器被固定到所述框架的内侧。

11.根据权利要求10所述的封装的激光二极管装置，其中所述框架是具有用于所述光纤的通孔的密封封装。

12.一种半导体器件的组装方法，包括：

(a)提供基座，所述基座包括热电冷却器；

(b)将导热衬垫安装到所述热电冷却器上；

(c)提供半导体器件子组件，所述子组件包括：具有底表面的平台，该底表面具有平台安装区域；具有底表面的子支架，所述底表面具有子支架安装区域；具有活性层的半导体芯片；具有平的光纤安装表面的光纤支架；以及用于接收从所述半导体芯片发出的光的光纤；

(d)将所述子支架安装区域安装在所述平台上；将所述半导体芯片安装在所述子支架上，所述子支架用于支撑所述半导体芯片，并将所述半导体芯片热耦合到所述平台；将所述光纤安装到所述光纤安装表面；将所述光纤支架安装到所述子支架；和将所述光纤光耦合到所述半导体芯片；以及

(e)在所述导热衬垫上安装所述平台安装区域，以使所述平台安装区域小于所述平台的所述底表面的总区域，从而降低所述半导体芯片和所述光纤之间的光耦合相对于所述热电冷却器的变形的灵敏度。

13.根据权利要求12所述的方法，其中所述步骤(d)包括

将所述光纤固定到所述光纤子支架，以使所述活性层的平面垂直于所述光纤安装表面。

14.根据权利要求12所述的方法，其中所述步骤(d)包括在所述平台安装区域上直接设置所述子支架安装区域。

15.根据权利要求12所述的方法，其中在所述步骤(b)中，所述导热衬垫具有200W/m·K和400W/m·K之间的热导率。