CN104584343A - 制造激光二极管基座的激光烧蚀工艺和激光二极管单元 - Google Patents

Abstract

一种制造激光二极管基座的方法包括提供底座的步骤，底座配置有陶瓷载体和在衬底上沉积的金属层。该方法还包括使用脉冲激光器，脉冲激光器操作为产生多个脉冲，所述多个脉冲在金属层表面上以预定的图案选择性排列，从而将金属层的所需区域烧蚀至所需深度。随后，将底座分割为多个基座，每一个基座均支撑激光二极管。金属层包括在陶瓷上沉积的并且厚度足以有效地促进散热的银子层。

Description

制造激光二极管基座的激光烧蚀工艺和激光二极管单元

相关申请的交叉引用

本申请是2011年6月17日递交的PCT/US2011/104901的部分继续申请并且要求其部分优先权，将其全部合并在此作为参考。

技术领域

本发明涉及大规模生产激光二极管单元的方法，每一个激光二极管单元均包括平面基座和安装在平面基座上的激光二极管，所述方法使用大功率脉冲激光器，该大功率脉冲激光器可操作来以时间和成本有效的方式来烧蚀基座的金属化层的所需表面区域，而不会形成毛刺。

背景技术

大功率半导体激光器在各种领域具有广泛的应用，包括军事和工业领域。在半导体器件制造中实现的快速进步部分地可以归因于平面技术，根据平面技术，使用由光致抗蚀剂制成的掩模将单片衬底分割为多个半导体器件。

大功率激光二极管的进步通常可以归因于二极管激光器性能的改进以及全部基于平面技术的封装架构的优化。大功率激光器的主要特征(例如最大有用输出功率、波长、寿命)不但受到二极管或半导体结构本身的限制，而且强烈地受到包括热沉或基座的结构和制造方法在内的封装的质量影响。众所周知，封装工艺对大功率二极管激光器的生产成本贡献较大，大约大于50％。因此，激光二极管封装必须是节约成本的。包括底座制造在内的封装技术当前无疑是非常活跃的研究和开发领域。

众所周知，激光二极管的操作特性和寿命强烈地受到结温的影响。在大电流情况下操作的边发射激光二极管要求将散热器放置于器件有源区和金属载体封装之间。当高密度设置时，散热变得更加严格。为了使这一问题的严重性最小化，典型地将具有高导热性的薄膜金属用于热沉。必须仔细地选择材料并且进行组合以便提供所需的拓扑形状，并且必须仔细地设计金属的组合。因此，连同节约成本的封装技术，当功率密度增加时，高可靠性基座应该配置为确保对于温度变化敏感的有源器件的稳定性。

参考图1，制造基座的典型工艺包括形成底座10。底座可以配置有衬底载体12，衬底载体通常由导热陶瓷材料制成，例如氧化铍(BeO)或氮化铝(AlN)。另外，将金属子层14涂镀到衬底12上，并且将顶部金属子层18沉积到金属子层14上。金属子层组合起来配置为朝着载体12散热并且提供扩散阻挡。等距间隔开的焊接条16施加至顶部金属层18并且典型地由金/锡合金(“AuSn”)制成，焊接条16将结构10耦接至如下所述在将底座10分割为多个基座25之后提供的激光二极管。然后对结构10进行处理以在相反极性的电接触部之间提供多个绝缘槽20。随后，沿切割线22将底座10切割成多个均匀的基座25。最后，将激光二极管焊接至相应的基座。

在通过切割锯片将底座10切割成基座之前，应沿切割线22并且沿相应区域A和B中的隔离槽20去除金属层14。否则，在锯片(未示出)将结构10切割成基座25的同时可能形成多个毛刺，这是不可接受的，因为毛刺可能影响一个或多个激光二极管或芯片24的所需定位。

金属层14和18的去除通过光刻来实现，并且包括使用由光敏材料或光致抗蚀剂制成的光掩模。将掩模施加至表面并且进行处理，使得在金属层的表面上形成光致抗蚀剂图像。为了将这种图像转移到这一层，典型地使用两种传统的刻蚀方法：湿法刻蚀和离子铣削。湿法刻蚀是迅速的，并且因此是节约成本的。然而在这一工艺期间，因为多个金属子层在不同的温度下熔化，导致了切割边缘不是平坦的，这最终导致激光二极管24的倾斜定位，其中一条边，例如发光边，在比相对的二极管端所在的平面高的平面中延伸。倾斜定位可能严重地影响二极管的操作。另一个不希望的结果是形成底切。底切进而不利地影响进一步的对准操作。离子干法刻蚀可以提供锐利的平坦竖直边缘。然而，这种技术是缓慢的。例如，刻蚀15-30微米的金属层典型地需要约三十(30)小时。在大规模生产中，这种较长的工艺是无法接受的昂贵。

在两种技术中，当将光致抗蚀剂涂覆到相对多孔的金属表面时，光致抗蚀剂污损了表面。表面的清洁可能不会完全成功。如果表面不能完全去除光致抗蚀剂，后续的技术工序可能不会有效。例如，焊接材料可能与光致抗蚀剂相互作用，这不利地影响衬底和激光二极管之间的耦合。

对于上述技术共同的是应该注意：一旦金属去除工艺开始，就非常难以控制其参数。例如，为了随后将单片平面底座切割为多个基座而去除金属材料并非总是要求去除所有的金属子层。相反，形成隔离槽要求完全去除金属层。在光刻工艺期间无法操控与这两种技术相关联的参数当然会导致与激光二极管的生产相关联的相对较高成本。

因此，需要一种制造激光二极管基座的改进方法。

还需要一种节约成本并且注重质量的方法，用于从用作激光二极管底座的多层结构的表面去除金属。

发明内容

所公开的方法基于脉冲激光器的使用，脉冲激光器操作为照射待处理的底座表面，以便去除所需表面区域内的金属层。换句话说，与以上公开的光刻技术不同，本公开教导了通过激光器烧蚀基座的表面。激光烧蚀允许基座制造工艺有效并且节约成本。

优选而非必要，激光器配置为照射金属表面的脉冲亚毫微秒光纤激光器。在切割线和隔离槽的区域中执行金属的照射。由激光烧蚀产生的边缘是干净、锐利且平坦的。

根据本发明的一个方面，激光器操作为发射激光束，激光束具有如下特征：所需的脉冲重复速率、脉冲持续时间、峰值功率和波长。选择束特征，使得烧蚀的金属不会融化，而是汽化。否则，金属滴可能在烧蚀区域周围的表面上形成凸块，这将危及激光二极管的所需平坦位置和/或产生电气短路的可能性。

要照射的材料的厚度可以依赖于任务而改变。例如，照射用于隔离槽的金属材料所要求的激光参数可能不同于沿切割线去除金属材料所需要的参数。另外，操作激光器参数常常偏离所需参数或所选择的参数。因此，本公开的另一方面涉及对激光二极管单元制造时使用的激光器的参数进行控制。

附图说明

下面结合附图详细地讨论所公开的工艺和装配激光二极管单元的以上和其他特征和优势，附图中：

图1是用于装配激光二极管单元的典型热沉的透视图。

图2是根据本公开配置的基座的透视图。

图3示出了图2的基座表面上的烧蚀图案。

图4是表面区域根据所公开方法烧蚀的激光二极管单元的前视图。

图5是根据所公开方法制造的所公开激光二极管单元的透视图。

图6是示出了烧蚀深度随脉冲重复速率变化的计算机绘制曲线。

图7是示出了烧蚀深度随线速度变化的计算机绘制曲线，其中脉冲激光器以线速度扫描待处理的表面(也称作线性扫描速度)。

图8是示出了烧蚀深度随间距变化的计算机绘制曲线，间距即相邻的平行激光路径之间的距离。

图9是示出了烧蚀深度随脉冲持续时间变化的计算机绘制曲线。

图10是示意性地示出了所公开方法的图。

具体实施方式

现在详细参考所公开的结构。附图并非是精确绘制的，并且没有示出半导体工业的普通技术人员公知的附加层。词语“耦合”和类似术语不必表示直接连接，而是也包括通过中间元件的连接。

图2示意性地示出了所公开的烧蚀工艺，其使用激光器52，激光器52优选地但并非必要地具有在毫微秒-亚毫微秒范围内操作的脉冲光纤激光器结构。激光器52可操作为发射脉冲输出，通过输送光纤56将脉冲输出输送至激光头54。激光器52的结构可以从固态、半导体、气体和染料激光器中选择，但是优选地是以范围在几百纳米和约2微米之间的波长操作的光纤激光器。激光头54和底座50相对于彼此可沿预定路径位移，以便照射底座的所需区域内的金属层，所需区域包括隔离槽58和切割线44。

所公开的激光照射工艺的效率取决于所选择的多种参数，以便在可能的最短时间内将金属层烧蚀至所需深度Dd，而不会在与烧蚀区域相邻的表面上堆积金属滴。取决于金属和激光参数，可以形成或不形成这种堆积(本领域普通技术人员已知这是毛刺)。如果形成毛刺，则毛刺32与发射边平行和垂直延伸，并且可能以多种不同方式不利地影响激光二极管单元的所需操作。毛刺32可以形成为具有超出底座50的表面一定距离的高度hb，所安装的激光二极管的边在所述表面处发光，毛刺可能干扰激光束的传播，并且损坏底座50的平坦性。

激光器参数例如包括脉冲持续时间、脉冲重复速率、峰值功率和波长。下文中称作工艺参数的其他参数同样重要，并且可以包括：为照射所需深度的金属层从而激光头56应该完成的激光扫过次数；和图案间隔，即，将待激光处理的区域的相对侧相桥接的路径中相邻段之间的距离。

简要地参照图3，激光头30的示例单次线性扫描限定在点S和F之间，并且覆盖将要烧蚀的整个方形区域。图案间隔Ds是路径的相邻平行线性段之间的距离。然而应该注意，路径30可以具有本领域普通技术人员已知的多种图案。如下所述，激光器和工艺参数的适当选择允许以节约时间和成本的方式大规模生产高质量的激光二极管单元。根据底座50的几何形状和金属的组合，调整所需参数。

回到图2，底座50包括由BeO或AlN制成的陶瓷载体42。多层金属序列例如包括载体42上相对较厚的银(Ag)子层26。银子层26相对于激光二极管底座制造中广泛使用的金具有若干优势。与金相比，银具有较高的导热性和较低的电阻率。因此，激光二极管使用时产生的热有效地通过Ag子层26散出。另外，Ag层的厚度确定为向基座提供实质上与进一步焊接至金属层的激光二极管的热膨胀系数相匹配的累积热膨胀系数。

除了参考图2之外还参考图4，底座50还具有施加至与相应区域相邻的金属层顶部的多个间隔开的焊接层34，每个区域由相应的虚线示出并且限定了在烧蚀之后形成的隔离槽58。此时，底座50的金属层26已就绪，可由激光束处理，激光束照射与各隔离槽58相对应的区域，并且在之前或之后照射载体42中的切割线44上面的金属表面区域。有利地，对沿切割区域(与底座50的纵轴A-A平行延伸)的金属子层进行照射，以便形成较窄的区域46。调节区域46的尺寸，使得在切穿底座42期间防止切割锯片和金属材料之间的偶然接触。可以沿与轴A-A垂直延伸的切割线形成同样的结构。

图5示出了根据所公开的方法制造的单独激光二极管单元40，包括如上所述的底座50以及例如通过其P侧而焊接至基座的激光二极管或芯片56。隔离槽58分离不同极性的接触部“+”和“-”38，接触部通过电引线28耦接至芯片56。由于激光烧蚀而形成的边缘是锐利的，支撑芯片56的表面是平坦的，并且即使可能存在一些毛刺的残余物，它们的高度小于参考值，参考值例如可以是激光二极管56相对于焊接条34表面的高度hld，其范围可以是从约1μm至约3μm。激光器单元40的总厚度在约50μm和约5mm之间改变。这种银子层26的厚度可以高达约200μm。

所公开的利用激光器的方法的无可争辩的优势之一是可以控制工艺参数。这在不要求照射深度均匀时尤其方便。显然，隔离槽58应该终止于载体42的平面，以便将相反极性的接触部38彼此隔离。然而，切割线44上的烧蚀金属区域不必一直向下延伸至陶瓷载体42。可以在相距载体42的一定距离停止烧蚀，并且通过切割锯片来切穿剩余金属。因此，在查找表中收集与激光和工艺参数有关的所有数据有助于选择与这些参数的可接受级别相对应的优选值。

参考图6，示出了以1060nm波长操作的镱(“Yb”)光纤激光器的不同脉冲重复速率下烧蚀深度Da随激光扫过次数的变化。假设激光器的线速度(7.3m/sec)、图案间隔(6/1μm)和脉冲持续时间(1ns)固定，在由相应曲线III、IV和V表示的1250kHz、1000kHz和750kHz频率下操作的激光器以最小激光扫过次数15来照射图2的金属层。注意，所示曲线的水平段表示金属照射的完成。较高的频率(具体地，与1750kHz相对应的曲线I)示出了不太令人满意的结果。与曲线VI相对应的500kHz的最低频率要求比与相应曲线III、IV和V相对应的其他频率更多的激光扫过次数来达到所需深度。

图7示出了在与图6相同的脉冲持续时间和间隔的固定值下并且在750kHz的固定重复速率下，在5-20次的激光扫过次数的范围内，激光头的线速度对于烧蚀深度的影响。可以看出，当激光扫过次数接近10次标记时，烧蚀深度线性增加，无论所选择的速度如何。在与相应曲线I、II、II I和IV相对应的3、4、5和6m/s的速度下，烧蚀深度保持实质上不变，这表示在这些速度下，在大约10次激光扫过标记后完成了金属去除。在所选的最高速度8m/s下，随着激光扫过次数增加，深度继续轻微增加。以次高速度7m/s位移的激光头在大约15次激光扫过标记后完全照射了金属。

图8示出了在固定的重复速率和线速度下，烧蚀深度通常随着间隔从12.2μm(曲线I)降至4.9μm(曲线VII)而增加。图11示出了毛刺高度和间隔之间的复杂关系。12.2μm(曲线I)的最大间隔对应于随着激光扫过次数的增加而略微增加的平均毛刺高度。

图9示出了针对不同的脉冲持续时间，烧蚀深度的值随脉冲个数的变化。当脉冲持续时间降低时，烧蚀深度也降低，如与相应的10、5和1ns长的脉冲相对应的曲线I、II和III所示，除了在三次和五次激光扫过次数之间的较小初始范围之外，在该范围中5ns长的脉冲比10ns长的脉冲照射更多的材料。

图10以简化示意图方式示出了所公开的制造激光二极管基座的方法及其配置的概述。如上所述，在查找表中收集和排列多种数据。数据依赖于如上所述的多种参数，并且除此之外还依赖于范围可从约500nm至约10μm的波长以及高达几十微米的基座厚度。当然，激光束功率影响所公开方法的结果，并且在约0.5W和约500W之间的范围内变化。

一旦基座厚度和金属层成分已知，可以容易地控制工艺和激光器参数，包括在毫微秒-亚毫微秒范围内变化的脉冲持续时间(例如飞秒和皮秒子范围)、脉冲重复速率、束输出功率、波长、线速度、基座厚度和激光扫过次数。如果烧蚀深度和/或毛刺高度与在中央处理单元(CPU)中存储的相应所需值不相对应，CPU可以控制任意所示参数，直到深度和毛刺高度两者都与所需预设值相对应为止。例如，如果达到了所需烧蚀深度但是仍然有较高的毛刺，则CPU可以增加激光扫过次数。如果不希望较深的深度，则CPU可以输出信号来减小激光器的输出功率，使得在不影响所需深度的同时处理毛刺。另外，可以通过选择性地利用在相应的不同波长下操作的激光器来控制激光束的波长。

已经参考附图描述了本发明的至少一个优选实施例，应该理解的是，本发明不限于这些具体的实施例。在不脱离如上所述的本发明的范围或精神的情况下，本领域普通技术人员可以实现包括不同波长、光纤参数和稀土掺杂剂在内的对种变化、改变和修改。

Claims (19)

1.一种制造激光二极管单元的方法，每一个激光二极管单元包括基座和焊接至基座的激光二极管，所述方法包括：

提供底座，底座包括陶瓷载体和载体上的金属层；

产生多个激光脉冲，所述多个激光脉冲在金属层表面上以预定的图案排列，从而将金属层烧蚀至所需深度；以及

将陶瓷载体切割成多个基座。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括在切割底座之前，在金属层表面上沉积多个间隔开的焊接条。

3.根据权利要求2所述的方法，还包括将多个激光二极管焊接至相应的基座。

4.根据权利要求1所述的方法，其中金属层的烧蚀包括在分别具有不同极性的接触部之间提供隔离槽，并且沿载体中的多条切割线中每一切割线减小金属层的厚度。

5.根据权利要求4所述的方法，其中沿切割线将金属层照射至所需深度，所述所需深度与金属层的整个厚度相对应。

6.根据权利要求4所述的方法，其中沿切割线将金属层照射至所需深度，所述所需深度与金属层的整个厚度的一部分相对应。

7.根据权利要求4所述的方法，其中金属层沿切割线的汽化包括形成金属层厚度减小的区域，每一个所述区域比切割线宽，从而使得每一个基座中金属层从陶瓷载体的边缘向内与陶瓷载体的边缘间隔开。

8.根据权利要求1所述的方法，其中金属层的烧蚀包括控制从以下组中选择的激光束参数，所述组包括脉冲重复速率、脉冲持续时间、束输出功率、线速度、激光扫过次数及其组合，以提供所需深度和毛刺高度。

9.根据权利要求1所述的方法，其中金属层配置有银子层。

10.一种制造多个基座的系统，每一个基座均包括陶瓷载体、载体上的至少包括银子层的金属层以及焊接至金属层的激光二极管，所述系统包括：

脉冲激光器，操作为发射多个光脉冲，所述多个光脉冲在金属层的表面上以预定图案排列；以及

控制器，操作为控制至少一个激光器参数，以便将预定区域内的金属层烧蚀至所需深度。

11.根据权利要求10所述的系统，其中所述预定图案包括限定隔离槽的区域和穿过载体的相应切割线上的金属层的区域。

12.根据权利要求11所述的系统，其中所需深度是均匀的，并且与金属层的整个厚度相对应。

13.根据权利要求1所述的系统，其中限定隔离槽的区域中的所需深度与金属层的整个厚度相对应，而切割线上的区域中的所需深度与金属层的整个厚度或整个厚度的一部分相对应。

14.根据权利要求10所述的系统，其中脉冲激光器具有从光纤激光器、半导体激光器、气体激光器和染料激光器中选择的结构。

15.根据权利要求10所述的系统，其中每一个基座中金属层的相对边缘从陶瓷载体的外围向内与陶瓷载体的外围间隔开。

16.根据权利要求1所述的系统，其中激光器的参数从以下组中选择，所述组包括脉冲重复速率、脉冲持续时间、束输出功率、线速度、激光扫过次数及其组合。

17.根据权利要求16所述的系统，其中脉冲持续时间在毫微秒至亚毫微秒范围内变化。

18.根据权利要求11所述的系统，其中激光二极管的输出功率在0.5W至约500W之间。

19.根据权利要求10所述的系统，其中激光器在约500nm和约10微米之间变化的频率范围内发射脉冲。