CN103843211B - 在基板上组装vcsel芯片的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种在基板（2）上组装VCSEL芯片（1）的方法。在将连接到基板（2）的VCSEL芯片（1）的连接侧上沉积去润湿层（13）。在将连接到VCSEL芯片（1）的基板（2）的连接侧上沉积另外的去润湿层（13）。采用图案化的设计沉积该去润湿层（13）或者在沉积之后图案化该去润湿层（13）以限定基板（2）和VCSEL芯片（1）上的连接区域（21）。将焊料（15）应用到两个连接侧中的至少一个的连接区域（21）。将VCSEL芯片（1）放置在基板（2）上并将其焊接到基板（2）以电学地和机械地连接VCSEL芯片（1）和基板（2）。通过所提出的方法，实现了VCSEL芯片（1）在基板（2）上的高对准精度，而无需耗时的措施。

Description

在基板上组装VCSEL芯片的方法
技术领域
本发明涉及一种在基板上组装VCSEL芯片（VCSEL：垂直腔面发射激光器）、特别是含有激光发射器的二维阵列的VCSEL芯片的方法，其中芯片与基板之间的连接通过焊接实现。
背景技术
VCSEL IR功率阵列通过阵列的适当布置提供定制的照明图案来允许工件的定制加热。在具体应用中，例如，当试图通过投射放大的近场图像的叠加来创建非常均匀的照明时，需要VCSEL芯片的发射窗相对彼此的非常精确的对准（<5-10）。已知，当在基板上组装VSEL芯片时可以通过执行主动的光学对准来实现所述高对准精度。在这种主动的光学对准中，激活激光器，并且在芯片的操作和放置期间，由相机监视发射。这是一种昂贵且耗时的方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种在基板上组装VCSEL芯片的方法，其在没有任何耗时的措施的情况下提供了芯片的高对准精度。
通过一种在基板上组装VCSEL芯片的方法实现该目的。该方法包括以下步骤：
-通过在台面的顶上提供电学p接触来形成p型台面，
-通过用至少重叠在台面的p-n结之上的电绝缘钝化层覆盖台面来形成n型台面，
-在VCSEL芯片的连接侧上沉积去润湿层，
-在基板的连接侧上沉积另外的去润湿层，
采用图案化的设计沉积所述去润湿层或者在沉积之后图案化所述去润湿层以限定基板和VCSEL芯片上的对应的连接区域，其中连接区域为焊料提供润湿表面，
-将焊料应用到两个连接侧中的至少一个的连接区域，
-将VCSEL芯片放置在基板上，并且在无需相对于基板固定VCSEL芯片的情况下，将VCSEL芯片焊接到基板以允许VCSEL芯片在基板上通过熔化的焊料的表面张力的移动，其中VCSEL芯片包括底部发射器VCSEL阵列，其以它的台面侧焊接到基板
-其中，在去润湿层在VCSEL芯片的连接侧上的沉积之前，沉积第一金属层，其被电连接到VCSEL的n接触并且重叠n型台面，所述n接触形成VCSEL的p型台面之间的传导网络以用于电连接VCSEL并且在p型台面之上均等地分布电流，
-其中，与第一金属层同时地沉积第二金属层以重叠p型台面和p接触，第一金属层和第二金属层使VCSEL芯片在机械上稳定，使得到n接触的电连接与p接触在相同高度处。
本发明还涉及根据所提出的方法安装的VCSEL阵列器件。该方法和器件的有利实施例能够从随后的描述和优选实施例的部分推断。
在所提出的方法中，在将连接到基板的VCSEL芯片的连接侧上沉积用于熔化的焊料的第一去润湿层。在将连接到VCSEL芯片的基板的连接侧上沉积用于熔化的焊料的第二去润湿层。以图案化的设计沉积该去润湿层，或者在沉积之后通过局部移除该层的材料或通过局部地应用不同的材料来图案化该去润湿层，以在基板和被机械连接的VCSEL芯片上限定润湿连接区域。将焊料应用到所述两个连接侧中的至少一个的连接区域。VCSEL芯片被放置在基板上并且在连接区域处焊接到基板以机械地且在大多数情况下还电学地将VCSEL芯片与基板连接。在焊接期间，基板和VCSEL芯片并非机械地固定到彼此，以便通过熔化的焊料的表面张力允许VCSEL芯片在基板上的移动。
在该上下文中的术语基板涉及VCSEL芯片要安装到的并且可选地还电连接到的任何底座部件。在典型的示例中，基板是然后与热沉接触以将VCSEL芯片生成的热量传输到热沉的热量传导板。VCSEL芯片可以由单个VCSEL、VCSEL的一维阵列或VCSEL的小型二维阵列、特别是尺寸为0.5×0.5mm2与5×5 mm2之间的阵列组成。去润湿层是具有不被用于将VCSEL芯片连接到基板的焊料润湿的表面的材料层。与此相反，接触区域由具有润湿用于连接的焊料的表面的材料所形成。可以已经以图案化的设计沉积该去润湿层，例如通过使用合适的光刻技术。在这种情况下，去润湿层所应用到的层或衬底必须已经为所使用的焊料提供了润湿特性。在该上下文中的术语图案化意指在去润湿层中形成到下面的衬底或层的通口，该通口限定接触区域。另一种可能性是通过在沉积后局部移除材料或通过将另一材料局部地应用到去润湿层来图案化所沉积的去润湿层，其中其它材料为熔化的焊料提供润湿特性。因此，通过这种另外的材料，在去润湿层上形成焊料垫，其用于稍后的焊接过程。对于本领域技术人员而言显而易见的是，接触区域中的材料必须被选择成允许与所应用的焊料材料的焊料连接。
采用上述方法，在焊接期间，通过熔化的焊料的表面张力而在基板上发生VCSEL芯片的自对准。通过以高精度限定连接区域（其在图案化去润湿层时通过已知的光刻技术是可能的），在通过所述自对准的焊接期间，还可以在基板上的VCSEL芯片的对准中实现高精度。在VCSEL侧以及基板侧二者上，通过具有润湿特性的连接区域和当焊料处于液相时抗润湿的其间区域创建自对准。可以在基板或VCSEL芯片上应用焊料。然后熔化的焊料的表面张力试图使表面（即，自由能）最小化，并因此将单个VCSEL芯片拖到由连接区域限定的它们的适当位置。
因此，所提出的方法允许VCSEL芯片在基板上的具有高精度的对准，该精度仅受限于限定连接区域（即，用于图案化去润湿层）的精度。该方法不需要任何昂贵且耗时的主动对准。
在去润湿层的图案化之后，可以将焊料应用到基板的连接区域和/或VCSEL芯片的连接区域。优选地，以焊料凸块的形式将焊料预应用到连接区域。然后将VCSEL芯片放置在基板上，并且在合适的热炉中加热带有VCSEL芯片的基板以便熔化焊料并执行焊接过程。
优选地从形成稳定表面氧化物的Ti、TiW和Ni的群组中选择用于形成去润湿层的材料。通过将这些材料的沉积层暴露于环境中而发生氧化。还可以通过例如氧等离子体处理或类似的措施加速氧化。稳定意味着在焊接期间，所形成的提供去润湿特性的表面氧化物不会减少。采用Ti的去润湿层来实现最佳的去润湿特性。针对用于将VCSEL芯片安装在基板上的焊料的优选材料为AuSn、AgSn或铟。这些材料是焊料的基本成分，其还可以具有少量其它金属的添加物（例如AgSn中的Cu）以影响熔点或可靠性。
焊接具有底部发射器VCSEL的VCSEL芯片来使得所述VCSEL的顶侧（即在此处形成台面的一侧）连接到基板。优选地，每个芯片包括对于VCSEL所生成的激光辐射而言透明的n型衬底，其上形成VCSEL的台面，其至少包含p-n结和n-与p-DBR镜。特别是如果n型材料不可用时，n型衬底也可由玻璃衬底或玻璃层或另一类型的透明衬底或层所替代，其对于特定激光辐射的波长而言是透明的。在本专利申请中，即使台面还含有n型材料，也针对具有电学p接触的台面使用术语p型台面。通过在去润湿层的沉积之前沉积金属层，该金属层形成VCSEL的n接触，可以在VCSEL的p型台面之间形成传导网络以用于在所有p台面之上均等地分布电流。通过采用电绝缘钝化层覆盖台面来形成所谓的n型台面，所述电绝缘钝化层至少需要重叠于在蚀刻台面之后暴露的p-n结之上。由重叠n接触层和该台面二者的单独的金属层形成到n接触的电连接。与p接触在相同高度处的到n接触的连接允许在衬底侧上没有任何布线的情况下以串联或并联方式电连接VCSEL芯片。通过这样的采用所提出的方法形成的VCSEL阵列器件，可以将微透镜阵列非常接近于VCSEL芯片的发射表面地放置或附着到VCSEL芯片的发射表面。这允许例如像在本描述的导言部分中已提及的那些之类的一些应用所需要的放大的近场图像的叠加。
重叠p型台面和p接触的另一金属层被应用。可以在与做出到n接触的连接的层的形成相同的步骤中应用该层。该金属层使台面在机械上稳定。由于该金属层还覆盖所述p型台面的侧面，因此通过形成高度热传导材料（优选Au或Cu）的金属层，可以改善到基板的热量传导。这对于VCSEL功率阵列的最大效率和输出功率十分重要，其中VCSEL芯片到热沉的热传导需要被最小化。通过使用具有高热传导率的合适材料的基板，例如具有150W/mK或以上的热传导率的硅、AlN或金刚石，实现了到下面的热沉的非常低的热阻，这导致整个VCSEL阵列器件的最大效率。
根据所提出的方法组装的VCSEL阵列器件因此包括并排设置在基板上的若干VCSEL芯片，所述基板可以附着到热沉。VCSEL芯片和基板通过形成在所述VCSEL芯片与所述基板的连接侧上的连接区域之间的焊料连接而连接。VCSEL芯片与基板的连接侧是彼此面对的侧。连接区域由形成在每个连接侧上的去润湿层包围。该器件还可以包括如结合所提出的方法描述的另外的层。
通过参考下文描述的（一个或多个）实施例，阐述本发明的这些以及其它方面并使其显而易见。
附图说明
通过示例的方式结合附图在下文中更详细地描述所提出的方法和对应的VCSEL阵列器件。附图示出：
图1 根据所提出的方法安装的自对准的底部发射器VCSEL阵列器件；
图2 根据所提出的方法准备用于安装的自对准的底部发射器VCSEL芯片的层结构的示例；以及
图3 根据所提出的方法准备用于VCSEL芯片的安装的基板的层结构的示例。
具体实施方式
图1示出了一种装置，在将底部发射器VCSEL芯片1焊接到基板2的期间通过该装置实现自对准，使得一个基板2上的所有芯片的 VCSEL的发射窗以相对于彼此的所期望的确切方式设置。每个芯片1包括若干VCSEL的VCSEL阵列，其中的三个及其p型台面4示出在图1中。该图示出了一个完整的VCSEL芯片1和在右手侧处的第二芯片的仅一小部分的横截面。VCSEL芯片1包括n型衬底5，其上以已知的方式形成p型台面4。VCSEL通过衬底侧处的n接触6和台面4的顶上的p接触7连接。n接触6是具有到衬底5的n型GaAs材料或在台面蚀刻已停止在n型DBR镜层中的情况下到这些镜（图中未示出）的低欧姆接触（低肖特基势垒）的金属层。在与p型台面4相对的衬底5的底部发射侧上，应用附加的金属化物9以用于最小化电阻，并且在器件例如用在腔体中的情况下潜在地充当反射器，以保存尚未被工件吸收的照明功率。在该金属化物9中形成发射窗以允许所生成的激光辐射的发射。这些窗可以包含减反射（AR）涂层8以避免激光辐射的内反射。在图1中，VCSEL的台面侧被向下导向基板2。
在图1的示例中，金属图案化使得VCSEL芯片1串联电连接而无需键合引线。通过位于绝缘层11的顶上并接触n接触6的电镀金属层10实现到n型材料的连接。这在芯片1的右手侧上的n型台面28处示出，其不是有源VCSEL发射器，而仅表示用于支撑基板2上的芯片并串联电连接邻近的芯片1的支撑结构。n接触层6形成p型台面4之间的网络以减少电阻，并且促进所有的p台面之上的均等电流分布。
通过VCSEL台面4上的p接触7（金属垫）实现p接触。在该示例中，另外的电镀金属层12覆盖p型台面4和p接触7。其与用于n连接的金属化物（金属层10）同时创建，使得两个金属层等高。这可以在具有三个p型台面4的图1的左手侧上看到。金属层10和12使台面在机械上稳定。在没有这些的情况下，由于不同的热膨胀系数，基板与GaAs材料之间的热失配应力可能导致外部台面断裂。
优选地由具有非常高的热传导和电传导的Au或Cu制成的这些金属层10、12还将通过增加能够释放热量的GaAs表面来服务于最大化到基板2的热量传导。金属层12可以由Au形成，其厚度为0.1到3之间，并且以去润湿层13结束。用于该去润湿层13的材料的示例为Ti、TiW或Ni，其形成防止焊料润湿这些层的稳定的表面氧化物。这样的层的厚度范围可以在50nm和1之间。
为了允许焊料接触，在台面的顶上创建润湿焊料垫14。这不得不以高精度完成，该精度不得不优于发射窗之间的所需对准精度。针对这样的焊料垫的示例为金属层12和去润湿层13的叠层顶上的Ti/Pd/Au的叠层或Pd/Au的堆叠。在焊接期间，顶上的Au层溶解在焊料中，使得下面的层暴露于焊料。由于该层可以去润湿焊料，Pd充当焊料与去润湿层之间的阻挡。在本示例中，这些VCSEL芯片1通过5的预应用的AuSn焊料15焊接在基板2上。
在基板侧上的焊接过程之前，在传导金属层16的顶上应用去润湿层（13），所述传导金属层16例如是3厚的Au或Cu传导层。在该层的顶上沉积薄Ti层以形成去润湿层13。在该去润湿层13的顶上形成Ti/Pt/AuSn焊料的垫。在焊料15下方的Ti/Pt层充当阻挡以防止AuSn焊料与Au层16的扩散，因为这会造成脆性合金。
在图1中示出了所形成的器件的一部分，其中经由焊料27将基板2附加地应用到热沉3。典型地该焊料27具有比用于焊接VCSEL的焊料15更低的熔点。基板2优选地由像AlN之类的高度热传导材料形成，并且充当放热器。
在可替换的实施例中，AgSn凸块19被用于焊接。AgSn的优点是较低的熔化温度，其导致来自AlN基板2与VCSEL芯片1的GaAs之间的热膨胀系数的差异的降低的热失配应力。Cu焊料垫17用在与TiW去润湿层18的连接中。厚度为5、10和20的AgSn凸块19已经成功地被使用。因为热阻被最小化，所以焊料凸块19的5高度是优选的。
图2示出了在左手侧上的芯片1的VCSEL之一和在右手侧上的n型台面28。n型台面28可以被形成为在垂直于纸面的方向上延伸的条块，但是也可以是任何其它形状。该图示出了凸块形成之后的层结构。在p型台面4的顶上，TiW去润湿层18示出在p接触垫7上。在该去润湿层上形成Cu焊料垫17，其上沉积SnAg凸块19。在右手侧上，示出n接触6、绝缘层11、连接到n接触6的金属层10以及去润湿层18（也参见图1）。在该示例中，已经应用了附加的电镀Au层20以便强化结构。该附加层也可省略。以与左手侧上相同的方式，在去润湿层18上形成Cu焊料垫17，并且将SnAg凸块19应用到该焊料垫17。
基板侧如图3所示。该图示出了在底部的横截面视图和在顶部的顶视图。在基板的顶视图中，能够识别出连接区域21。这些连接区域21通过在Ti的去润湿层23中的到下面的（润湿）Ti/Pt叠层24的通口形成，其中Pt层的优选厚度至少为0.2以防止焊料扩散到下方的厚Au层。AlN的基板2的层结构可在该图的下部中看到。在该基板2的背侧形成Ti/Pt/Au的叠层26，在将基板焊接在例如Cu热沉上时，其服务用于更好的润湿条件。这样的层还可以被应用到图1的示例中的基板。在基板的顶上应用Ti/Pd/Au的叠层25。Au层部分具有优选的3厚度，以得到足够低的薄层电阻。在该层25的顶上应用润湿层24，其部分形成上述的连接区域21。在该润湿层的顶上以图案化的结构应用Ti的去润湿层23以便提供到润湿层的开口来形成连接区域21。直接应用到基板2的层25的Au表面在来自基板顶部的一个明确限定的区域中也是可见的。该区域充当用于引线键合的垫，但是还形成可视标记22以用于放置VCSEL芯片并且用于VCSEL阵列器件的稍后处置。
尽管已经在附图和前面的描述中详细说明和描述了本发明，但是这样的说明和描述应被视为是说明性的或示例性的而非限制性的；本发明不限于所公开的实施例。
例如，在如下实施例中操作本发明也是可能的，其中基板提供另外的层或电子部件，或者其中VCSEL芯片具有不同的设计。根据所提出的方法形成的层不仅可以是单层的，而且可以是叠层的，例如在用于n接触和p接触的层的情况下。本领域技术人员通过研究附图、本公开内容和所附权利要求在实践所要求保护的发明时能够理解并做出对所公开的实施例的其他变形。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。在相互不同的从属权利要求中记载特定措施这一仅有事实并不指示不能够使用这些措施的组合来获益。特别地，该方法的所有从属权利要求可以自由组合。权利要求中的任何参考标记不应被解释为限制范围。
参考标记列表
1 VCSEL芯片
2 基板
3 热沉
4 p型台面
5 n型衬底
6 n接触
7 p接触
8 AR涂层
9 金属化物
10 金属层（n）
11 绝缘层
12 金属层（p）
13 去润湿层
14 焊料垫
15 焊料
16 传导层
17 Cu焊料垫
18 TiW去润湿层
19 SnAg凸块
20 电镀Au层
21 连接区域
22 可视标记
23 去润湿层
24 Ti/Pt层
25 Ti/Pd/Au层
26 Ti/Pt/Au层
27 焊料
28 n型台面

Claims (8)

1.一种在基板（2）上组装VCSEL芯片（1）的方法，包括以下步骤：
-通过在台面的顶上提供电学p接触（7）来形成p型台面（4），
-通过用至少重叠在台面的p-n结之上的电绝缘钝化层（11）覆盖台面来形成n型台面（28），
-在VCSEL芯片（1）的连接侧上沉积去润湿层（13），
-在基板（2）的连接侧上沉积另外的去润湿层（13），
采用图案化的设计沉积所述去润湿层（13）或者在沉积之后图案化所述去润湿层（13）以限定基板（2）和VCSEL芯片（1）上的对应的连接区域（21、14），其中连接区域（21、14）为焊料（15）提供润湿表面，
-将焊料（15）应用到两个连接侧中的至少一个的连接区域（21、14），
-将VCSEL芯片（1）放置在基板（2）上，并且在无需相对于基板（2）固定VCSEL芯片（1）的情况下，将VCSEL芯片（1）焊接到基板（2）以允许VCSEL芯片（1）在基板（2）上通过熔化的焊料（15）的表面张力的移动，其中VCSEL芯片（1）包括底部发射器VCSEL阵列，其以它的台面侧焊接到基板（2）
-其中，在去润湿层（13）在VCSEL芯片（1）的连接侧上的沉积之前，沉积第一金属层（10），其被电连接到VCSEL的n接触（6）并且重叠n型台面（28），所述n接触形成VCSEL的p型台面（4）之间的传导网络以用于电连接VCSEL并且在p型台面（4）之上均等地分布电流，
-其中，与第一金属层（10）同时地沉积第二金属层（12）以重叠p型台面（4）和p接触（7），第一金属层（10）和第二金属层（12）使VCSEL芯片（1）在机械上稳定，使得到n接触（6）的电连接与p接触（7）在相同高度处。
2.根据权利要求1所述的方法，
其中将焊料（15）作为固体层预应用到两个连接侧中的至少一个的连接区域（21、14）。
3.根据权利要求1所述的方法，
其中在基板（2）上沉积去润湿层（13）之前，在基板（2）的连接侧上沉积导电层（16、25）。
4.根据权利要求1所述的方法，
其中通过沉积形成稳定的表面氧化物的Ti、TiW或Ni形成去润湿层（13）。
5.根据权利要求1所述的方法，
其中通过局部移除去润湿层（13）或者通过局部沉积形成在连接区域（21、14）处的润湿层的材料来执行去润湿层（13）的图案化。
6.根据权利要求1所述的方法，
其中AuSn、AgSn或铟被用作焊料（15）的成分，以用于将VCSEL芯片（1）与基板（2）连接。
7.一种VCSEL阵列器件，包括在基板（2）上并排设置的若干VCSEL芯片（1），VCSEL芯片（1）与基板（2）通过形成在VCSEL芯片（1）和基板（2）的连接侧上的连接区域（21、14）之间的焊料连接而连接，
其中连接区域（21、14）被形成在VCSEL芯片（1）和基板（2）的连接侧上的去润湿层（13）包围，
其中VCSEL芯片（1）包括底部发射器VCSEL阵列，其以它的台面侧焊接到基板（2），
其中，VCSEL芯片（1）包括p型台面（4），其在台面的顶上具有电学p接触（7）,
其中，VCSEL芯片（1）包括覆盖有至少重叠在台面的p-n结之上的电绝缘钝化层（11）的n型台面（28），
其中，VCSEL芯片（1）包括在VCSEL芯片（1）的连接侧上的去润湿层（13）下方的电连接到VCSEL的n接触（6）并且重叠n型台面（28）的第一金属层（10），所述n接触形成VCSEL的p型台面（4）之间的传导网络以用于电连接VCSEL并且在p型台面（4）之上均等地分布电流，
其中，VCSEL芯片（1）包括在去润湿层（13）下方的重叠p型台面（4）和p接触（7）的第二金属层（12），第一金属层（10）和第二金属层（12）使VCSEL芯片（1）在机械上稳定，使得到n接触（6）的电连接与p接触（7）在相同高度处。
8.根据权利要求7所述的器件，
其中基板（2）安装在热沉（3）上。
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