CN105191027B - 用于冷却结构的安装层 - Google Patents

Abstract

本发明描述了一种用于安装至少两个发光半导体器件的安装层（200）。安装层（200）包括用于将安装层（200）与冷却结构（100）对准的拐角突出部（205）和边缘突出部（210）。安装层（200）进一步包括限定用于安装发光半导体器件的安装区域（270）的对准孔（215）。安装层（200）使得能够例如借助于一个直接接合工艺制造具有安装区域（270）的μ通道冷却器。因此可以减小容差。本发明进一步描述了包括这样的安装层（200）的比如μ通道冷却器的一种冷却结构（100）和包括这样的冷却结构（100）的一种发光结构。此外，描述了制造这样的安装层（200）、冷却结构（100）和发光结构的方法。

Description

用于冷却结构的安装层

技术领域

本发明涉及一种用于安装发光半导体器件的安装层、包括该安装层的冷却结构以及包括该冷却结构和至少两个发光半导体器件的发光结构。本发明进一步涉及制造该安装层、冷却结构和发光结构的方法。

背景技术

在典型的高功率垂直腔面发射激光器（VCSEL）阵列组件中，将若干如例如包括一定数目的VCSEL阵列芯片的子安装座的发光半导体器件一起安装在与例如μ通道冷却器相同的冷却结构的安装区域上。作为对组装或安装工艺的准备，在这些μ通道冷却器的顶表面中切割沟槽以产生如图4中所示的安装区域的（通常矩形）结构。这常常是在制造μ通道冷却器之后在单独的激光结构化步骤中完成的。顶表面中的结构主要充当阻焊物；以该方式，实现了子安装座在冷却器表面上的限定定位。这进而帮助避免子安装座之间的电接触和短路并且允许来自冷却器的激光辐射发射区域的更好限定。冷却器表面中的沟槽的另一个目的是提供在子安装座的焊接期间用于过多焊料的储集器。

所描述的制造安装区域以及因此制造冷却结构的方法是耗时、昂贵的且可能引入对于要求精确控制定位的应用而言可能是不可接受的关于子安装座的定位的附加容差。

发明内容

因此本发明的一个目的是提供用于以高定位精度安装至少两个发光半导体器件的容易制造的安装层、对应的冷却结构以及发光结构的容易性。另一目的是提供制造这样的安装层、冷却结构和发光结构的对应方法。

根据第一方面，提供了一种用于安装至少两个发光半导体器件的安装层，所述安装层包括用于将安装层与冷却结构对准的拐角突出部和边缘突出部，安装层进一步包括限定用于安装发光半导体器件的安装区域的对准孔。安装区域的数目可以适配于应用以使得可以借助于对准孔限定两个、三个、四个或众多安装区域。安装层可以由适合于直接接合到冷却结构的材料组成，后者可以具有以下优点：可以借助于还用于组装接合结构的直接接合技术将安装层附接到冷却体。直接接合在这方面意指不需要附加或中间层以便接合各层。可以在这样的直接接合工艺中使用拐角和边缘突出部来将安装层与冷却体对准。对准孔可以通过限定发光半导体器件与安装层之间的接触区域而使得能够实现发光半导体器件的良好定位。如用来将发光半导体器件粘贴到安装区域的粘结剂或焊料的材料可以向发光半导体器件施加力以使得发光半导体器件几乎完美地与对准孔所限定的安装区域对准。可以仅仅借助于安装层的结构化工艺的制作容差来确定容差，所述安装层的结构化工艺还可以用于结构化冷却体的层。因此，可以不需要附加的激光结构化以便提供诸如VCSEL阵列或LED之类的激光器件的安装区域。后者可以具有以下附加优点：不存在借助于用于结构化冷却体表面的不同技术而增加的附加容差。

安装层的材料可以适合于焊料接合和/或包括如例如Au涂层的涂层以使得能够实现发光半导体器件的焊料接合。尤其是焊料可以非常适于在接合工艺期间对准发光半导体器件。

安装层的材料可以有利地具有10W/(m*K)以上的高热导率。高热导率确实具有以下优点：热量可以更快地从发光半导体器件传递到冷却结构。尤其是取决于材料的纯度，铜可以适于具有200W/(m*K)以上的热导率。例如软铜非常适于直接接合并且当前也用于比如借助于直接接合而组装的μ通道冷却器之类的冷却体。不管怎样，材料的热导率在薄安装层的情况下可以不太重要以使得可以使用比如不锈钢或硅的材料。安装层的厚度可以介于50μm和600μm之间而变化，但是60μm到300μm范围内、或70μm到200μm范围内或者甚至介于90μm和125μm之间的厚度可以是甚至更有利的。

安装层可以进一步包括以减少相邻安装区域之间过多焊料溢漏的方式布置的壁垒焊料储集器。过多焊料可以影响定位工艺的精度（发光半导体器件的悬浮）以使得过多焊料不应当从一个安装区域流到相邻的安装区域。壁垒焊料储集器是安装层中的孔，其在将安装层接合到冷却体之后提供凹入部。布置在安装区域的边缘和/或拐角处的与至少一个相邻安装区域相接触的壁垒焊料储集器因此可以吸收这样的过多焊料。如果液体粘结剂被用来将发光半导体器件粘贴到安装区域，则可以使用相同的效果。安装层中的孔所提供的这样的凹入部还可以用来在安装区域的区域内提供一个或多个焊料储集器。可以借助于可以例如定位在安装区域中心处的焊料储集器来吸收过多焊料（或粘结剂）。还可能的是例如在矩形安装区域的拐角处提供四个焊料储集器。可能重要的是适配对准孔、壁垒焊料储集器和焊料储集器的尺寸以使得不损害安装层的结构完整性。

根据另一方面，可以提供一种包括比如μ通道冷却器的冷却体的冷却结构，其被接合到安装层。安装层可以被直接接合或焊到冷却体。

此外可以提供一种发光结构。发光结构包括具有安装层的冷却结构和至少两个发光半导体器件。发光半导体器件可以是比如焊接到安装区域的VCSEL或VCSEL阵列或LED的半导体激光器。具有安装层的该冷却结构在与需要良好冷却和与半导体激光器的极佳对准的半导体相结合使用的情况下可以尤其是有用的。

根据另一方面，提供了一种制造用于安装发光半导体器件的安装层的方法。该方法包括以下步骤：

- 提供材料片，

- 在材料片中提供拐角突出部和边缘突出部，以用于将安装层与冷却结构对准，以及

- 在材料片中提供限定安装区域的对准孔，以用于安装发光半导体器件。

用于安装层的材料优选地适合于直接接合工艺。另外，可以在材料片中提供壁垒焊料储集器。壁垒焊料储集器布置成使得减少相邻安装区域之间过多焊料溢漏。可替换地或附加地，可以将壁垒储集器布置在安装区域的区域中。可以借助激光加工或刻蚀提供拐角突出部、边缘突出部、对准孔、壁垒焊料储集器和焊料储集器。

根据另一方面，提供了一种制造冷却结构的方法。该方法包括步骤：

- 提供冷却体，以及

- 将如前面描述的安装层接合到冷却体。

冷却体可以是在单独的制造工艺中制造的单独结构。一个示例可以是具有通过钻孔等等加工的冷却通道的铜块。可替换地，可以提供两个铜块并且可以借助于在每个块的一个表面中进行激光加工或刻蚀并且将经加工的表面彼此接合而提供冷却通道。可以将安装层例如焊到冷却体。在一个替换方法中，构成冷却体的数个适于直接接合的层（比如铜层）可以堆叠在彼此之上。由相同铜材料组成的安装层可以借助于冷却体侧边上的拐角和边缘突出部而与堆叠体对准，发光结构应当定位于该冷却体上。最后，冷却体的所有层与安装层可以借助于直接接合在一个工艺步骤中彼此接合。这样的直接接合工艺的一个示例是借助于加热各层的热接合，其经由熔合和/或扩散工艺直接接合邻近层。可以例如借助于使层堆叠体退火而在真空条件下直接接合Cu层。退火或接合温度可以取决于Cu层的表面活化，所述表面活化可以例如借助于40-100eV的低能量Ar离子束或者经由氧化来完成。通过借助于离子束制备各层的表面，甚至室温接合也可以是可能的。

根据另一方面，提供了一种制造发光结构的方法。该方法包括以下步骤：

- 提供如前面描述的冷却结构，以及

- 在安装区域上附接至少两个发光半导体器件。

可以将至少两个发光半导体器件焊接或胶合到安装层的安装区域。该方法可以具有以下优点：比如LED或者尤其是如VCSEL的半导体激光器的发光结构可以以容易的方式进行精确地布置。因此可以简化包括众多激光器的激光系统的制作并且可以改进包括例如VCSEL阵列的激光芯片的对准。

应当理解的是，根据本公开实施例的安装层和根据本公开实施例的方法具有类似和/或相同的技术特征。

应当理解的是，本发明的优选实施例还可以是多个实施例的任何组合。

下面限定另外的有利实施例。

附图说明

本发明的这些和其他方面根据下文描述的实施例将是清楚明白的，并且将参考下文描述的实施例进行阐明。

现在将通过示例的方式参考附图基于实施例描述本发明。

在图中：

图1示出了μ通道冷却器的层结构。

图2示出了μ通道冷却器的倾斜顶视图。

图3示出了μ通道冷却器的倾斜底视图。

图4示出了μ通道冷却器的表面在结构化之后的顶视图。

图5示出了根据本发明的安装层的第一实施例。

图6示出了根据本发明的安装层的第二实施例。

图7示出了根据本发明的安装层的第三实施例。

图8示出了制造安装层的方法的主要简图。

图9示出了制造比如μ通道冷却器的冷却结构的方法的主要简图。

图10示出了制造发光结构的方法的主要简图。

在图中，相同数字自始至终指代相同对象。图中的对象不一定按比例绘制。

具体实施方式

现在将借助于图描述本发明的各种实施例。

图1示出了μ通道冷却器的层结构。μ通道冷却器是通过工艺制得的，在该工艺期间数个薄铜片（通常50μm到600μm厚）在高温下直接接合在一起。这些铜片中的每一个可以单独进行结构化，例如以便产生用于热量传递的μ通道或者产生用于供水或固定冷却器的较大的孔。层结构在这种情况下包括顶层105、第一冷却层110、第二冷却层115、第一分离层120、歧管（manifold）层125、第二分离层130、第一螺栓层135、螺母层140、第二螺栓层145和底层150。这些层在真空腔室中进行直接接合之后形成μ通道冷却器的冷却体。μ通道冷却器的冷却体的倾斜顶视图在图2中示出，其中由经堆叠和接合的铜层构成顶层105和侧壁160。在图3中，示出了μ通道冷却器的冷却体的倾斜底视图。在冷却体的底层150中提供冷却剂供应孔155。

图4示出了在结构化顶层105之后μ通道冷却器的顶表面的顶视图。冷却器应当承载2行7个子安装座，每个由小的沟槽（大约100μm宽）分离。在当前的工艺中，将经由激光结构化（下到大约100μm的深度）移除暗区域，剩下子安装座将被定位于的浅“岛”安装区域170。在组装μ通道冷却器本身的冷却体之后对冷却器表面的附加的激光结构化步骤具有若干缺点。首先，当然，其更为昂贵和耗时。此外，对于其中子安装座定位的精确控制是必要的应用而言，结构化步骤可以引入附加容差。通常，μ通道冷却器提供一些装置以使得能够实现精密定位（例如，底部处的对准引脚）。激光结构化步骤必须建立在这些对准构件的精度之上来产生所要求的用于子安装座的定位结构，而同时将其自身的容差增加到总容差链。

图5示出了根据本发明的安装层200的第一实施例。通过使用还被采用来产生μ通道冷却器的冷却体的冷却体内部的热量传递层的μ通道的标准刻蚀技术，产生其厚度与沟槽的当前深度在同一数量级的铜片。该技术允许在所要求范围内的结构尺寸。因为在该技术中，在（A5尺寸的）所谓主卡（mastercard）上同时制造若干μ通道冷却器，结构化片的布局必须小心不导致没有到周围载体的任何连接的孤立铜区。图5示出了这样的结构的一个示例，其将本质上产生具有与图4中所示的相同尺寸的安装区域270。沿着边缘的小的铜突出部（所谓边缘突出部210）提供到邻近片或承载结构（在主卡上）的连接。可以按应用的要求（例如，子安装座的尺寸）调整分离和限定安装区域270的对准孔215的长度和宽度。虚线指示μ通道冷却器的外部边界。当（在直接接合工艺之前）布置铜片的堆叠时，可以通过使用边缘突出部210和拐角突出部205将安装层200正确地与顶层105之上的其他片105-150（以及潜在的对准构件）对准。μ通道冷却器再次通过在一个直接接合工艺中直接接合层105-150和安装层200而形成。

图6示出了根据本发明的安装层的第二实施例。在应当避免过多焊料经由中心连接溢漏到其他岛的情况下，壁垒焊料储集器220可以是有帮助的。通过刻蚀附加的孔（壁垒焊料储集器220）到这些中心区域中（此处：正方形的），一方面连接链路是较小的。此外，壁垒焊料储集器220可以充当可以吸收一定量的过多焊料的储集器。

图7示出了根据本发明的安装层的第三实施例。焊料储集器225还可以被包括在安装区域270本身中。由于使用刻蚀技术而对结构尺寸和结构形状的良好控制的原因，可构想范围广泛的可能的焊料储集器类型。这些焊料储集器225必须以这样的方式设计，使得它们将同时不干扰安装层100并且尤其是安装区域270的良好的子安装座定位能力。

图8示出了制造安装层的方法的主要简图。在步骤300中，提供适于安装发光半导体器件（比如LED或者如VCSEL或具有VCSEL阵列的芯片的半导体激光器）的材料片。在步骤310中，借助于刻蚀或激光加工在材料片中提供用于将安装层200与冷却结构100对准的拐角突出部205和边缘突出部210。在步骤320中，借助于刻蚀或激光加工在材料片中提供限定用于安装发光半导体器件的安装区域270的对准孔215。材料片可以是具有高热导率和介于50μm和300μm之间的厚度的铜片。在后续、并行或先前加工步骤中，可以借助于刻蚀或激光加工在材料片中提供壁垒焊料储集器220。壁垒焊料储集器220被布置使得减少相邻安装区域270之间过多焊料溢漏。最后，可以借助于刻蚀或激光加工在安装区域270的区域中提供焊料储集器225。所描述的工艺步骤的顺序不是强制的并且可以适配于制作或制造工艺的需要。

图9示出了制造比如μ通道冷却器的冷却结构的方法的主要简图。在步骤400中，可以提供冷却体。可以借助于钻孔而提供冷却体，例如铜块。可替换地，可以借助于直接接合在真空腔室中将铜片或层彼此接合。在步骤410中，将包括至少拐角突出部205、边缘突出部210和对准孔215的安装层接合到冷却体。接合步骤可以在组装冷却体之后发生。可替换地，在一个直接接合工艺中在真空腔室中将形成冷却体和安装层200的例如铜的片彼此接合。直接接合工艺可以具有以下优点：可以以容易的方式以高精确性制作包括安装区域的冷却结构。

图10示出了制造发光结构的方法的主要简图。在步骤500中，提供包括冷却体和安装层200的冷却结构100。在步骤510中，将比如LED或VCSEL的至少两个发光半导体器件附接到安装层200的安装区域270。发光半导体器件可以借助于胶合或焊接进行附接。胶水或焊料的表面张力可以将发光半导体器件与安装层200的安装区域270对准，从而使得能够实现高精确性发光结构。

虽然已经在图和前述描述中详细图示和描述了本发明，但是这样的图示和描述应被认为是说明性的或示例性的而非限制性的。

根据阅读本公开，其他修改对于本领域技术人员而言将是清楚明白的。这样的修改可以牵涉本领域已知的和可以替代本文中已经描述的特征使用的或者在本文中已经描述的特征之外还使用的其他特征。

本领域技术人员根据研究图和本公开可以理解和实现所公开的实施例的变型。在本发明的实施例中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一个”或“一”不排除多个元件或步骤。某些措施记载在相互不同的实施例中的仅有事实不指示不能使用这些措施的组合来获利。

参考数字列表：

100 μ通道冷却器

105 顶层

110 第一冷却层

115 第二冷却层

120 第一分离层

125 歧管层

130 第二分离层

135 第一螺栓层

140 螺母层

145 第二螺栓层

150 底层

155 冷却剂供应孔

160 侧壁

170,270 安装区域

200 安装层

205 拐角突出部

210 边缘突出部

215 对准孔

220 壁垒焊料储集器

225 焊料储集器

300 提供材料片的步骤

310 提供拐角突出部和边缘突出部的步骤

320 提供对准孔的步骤

400 提供冷却体的步骤

410 提供安装层的步骤

500 提供冷却结构的步骤

510 附接发光半导体器件的步骤

Claims (15)

1.一种用于安装至少两个发光半导体器件的安装层（200），所述安装层（200）包括材料片，所述安装层（200）进一步包括用于将安装层（200）与冷却结构（100）对准的拐角突出部（205）和边缘突出部（210），所述安装层（200）进一步包括限定用于安装所述发光半导体器件的安装区域（270）的对准孔（215），所述材料片被配置成直接接合或焊到所述冷却结构（100）。

2.根据权利要求1所述的安装层（200），其中所述安装层（200）的材料或者所述安装层（200）顶上的涂层适合于所述发光半导体器件的焊料接合。

3.根据权利要求1或2所述的安装层（200），其中所述安装层的材料由10W/(m*K)以上的热导率表征。

4.根据权利要求1或2所述的安装层（200），其中所述安装层具有介于50μm和600μm之间的厚度。

5.根据权利要求2所述的安装层（200），所述安装层进一步包括布置使得减少相邻安装区域（270）之间过多焊料的溢漏的壁垒焊料储集器（220）。

6.根据权利要求2所述的安装层（200），所述安装层进一步包括布置在所述安装区域（270）的区域中的焊料储集器（225）。

7.一种冷却结构（100），包括：

根据权利要求1或2所述的安装层，和

接合到所述安装层的冷却体。

8.根据权利要求7所述的冷却结构（100），其为μ通道冷却器（100）。

9.一种发光结构，其包括根据权利要求7或8所述的冷却结构（100）和至少两个发光半导体器件。

10.根据权利要求9所述的发光结构，其中所述发光半导体器件是半导体激光器。

11.一种制造用于安装发光半导体器件的安装层（200）的方法，所述方法包括以下步骤：

- 提供材料片，所述材料片被配置成直接接合或焊到冷却结构（100），

- 在所述材料片中提供拐角突出部（205）和边缘突出部（210），以用于将所述安装层（200）与所述冷却结构（100）的冷却体对准，以及

- 在所述材料片中提供限定安装区域（270）的对准孔（215），以用于安装所述发光半导体器件。

12.根据权利要求11所述的方法，包括以下另外的步骤：在所述材料片中提供壁垒焊料储集器（220），所述壁垒焊料储集器（220）布置使得减少相邻安装区域（270）之间过多焊料的溢漏。

13.根据权利要求11或12所述的方法，包括以下另外的步骤：提供布置在所述安装区域（270）的区域中的焊料储集器（225）。

14.一种制造冷却结构（100）的方法，包括以下步骤：

- 提供冷却体，以及

- 将根据权利要求1或2所述的安装层（200）接合到所述冷却体。

15.一种制造发光结构的方法，包括以下步骤：

- 提供根据权利要求7或8所述的冷却结构（100），以及

- 在安装区域（270）上附接至少两个发光半导体器件。