CN106558831B

CN106558831B - 一种用于半导体激光器的金属键合方法及其半导体激光器

Info

Publication number: CN106558831B
Application number: CN201510635099.7A
Authority: CN
Inventors: 刘兴胜; 王警卫; 邢卓; 侯栋; 李小宁; 沈泽南
Original assignee: Focuslight Technologies Inc
Current assignee: Focuslight Technologies Inc
Priority date: 2015-09-30
Filing date: 2015-09-30
Publication date: 2023-04-07
Anticipated expiration: 2035-09-30
Also published as: WO2017054719A1; CN106558831A

Abstract

本发明公开一种用于半导体激光器的金属键合方法及其半导体激光器，使用本发明的半导体激光器用金属键合法方法制备的半导体激光器可靠性高，缺陷少，通过施加热加压保压使得半导体激光器芯片上的金属键合媒介层与散热器表面的关键层形成合金相结构，达到半导体激光器芯片和散热器结合紧密的目的，降低了空洞等缺陷，在进行金属键合时，需求温度低于关键层材料熔点以下，可以降低由于散热器与半导体激光器芯片热膨胀系数不匹配导致的较大热应力。

Description

一种用于半导体激光器的金属键合方法及其半导体激光器

技术领域

本发明属于半导体激光器封装领域，涉及一种新型金属键合方法，以及利用该方法制备的半导体激光器。

背景技术

目前的半导体激光器大多数是采用焊料键合的封装技术制备出来的，也就是通过焊料在高温下熔化使得激光器芯片和起散热作用的散热器或制冷器结合在一起，封装成可以工作的器件。目前采用焊料键合的封装技术存在以下不足：

对于采用焊料键合方式封装的半导体激光器，芯片金属层和散热器或制冷器之间由于增加了焊料层，因此增加了形成热空洞的几率，最终增加了激光器失效的风险，并影响到激光器的可靠性和长期寿命。

对于采用焊料键合方式封装的半导体激光器，其制备工艺由于多了焊料层，工艺控制较为复杂，也会出现由于焊料问题引起的良率问题，使得其成本较高。

发明内容

本发明的目的在于克服上述背景技术的缺点，提供一种用于半导体激光器的金属键合方法及其半导体激光器。

本发明的目的是通过以下技术方案解决的：

一种用于半导体激光器的金属键合方法及其半导体激光器，包括以下步骤：

（1）对半导体激光器芯片与散热器进行表面预处理，使半导体激光器芯片表面、散热器表面平整、无污染，散热器表面粗糙度＜0.3μm；

（2）在散热器表面镀第一金属键合媒介层，第一金属键合媒介层依次为镍（Ni）、金（Au）、钛（Ti）、铂（Pt）和金（Au），在半导体激光器芯片表面镀第二金属键合媒介层，第二金属键合媒介层依次为钛（Ti）、铂（Pt）、金（Au），在散热器表面的第一金属键合媒介层外表面设置关键层，所述关键层的材料为铟（ In）、金镉合金（AuGe）、金锡合金（AuSn）、锡银铜合金（SnAgCu）或铟锡合金（InSn）等；

（3）将半导体激光器芯片置于散热器上，并将半导体激光器芯片的正极面（P面）与散热器的关键层表面相贴合；在真空条件下对半导体激光器芯片、散热器进行加热，最终温度值控制在关键层材料熔点值的80%-90%，并对半导体激光器芯片和散热器进行加压，压力控制在0.03-0.1 MPa/m²，在最终温度保温并保压0.5-4小时；

（4）在半导体激光器芯片的负极面（ N面）设置负电极链接片。

上述步骤二中，所述散热器表面镀第一金属键合媒介层，所述的镍（Ni）的厚度为1.0～3.0μm，钛的厚度为0.1-0.3μm，铂的厚度为0.05-0.2μm，金的厚度为0.1-0.3μm；所述的关键层材料厚度为3-5μm。

上述步骤三中，所述真空条件，真空度为10^-2-10^-4Pa，加热的方式是逐步升温至最终温度，升温速度为0.3℃/s-1℃/s，最终温度值为关键层材料熔点温度值的80%-90%，在最终温度保温保压。

上述步骤三中，所述的加热的方式是对半导体激光器芯片及散热器同时进行加热。

所述的半导体激光器芯片为单发光单元半导体激光器芯片或者多发光单元半导体激光器芯片，所述的半导体激光器芯片个数为1个或者多个，所述的半导体激光器芯片的电联接方式为串联或者并联的电联接方式。

使用本发明的金属键合方法制备的半导体激光器结构，包括半导体激光器芯片和散热器，还包括第一金属键合媒介层、第二金属键合媒介层及关键层，所述的第一金属键合媒介层设置在散热器表面，第一金属键合媒介层依次为镍（Ni）、金（Au）、钛（Ti）、铂（Pt）和金（Au），所述的第二金属键合媒介层设置在半导体激光器芯片表面，第二金属键合媒介层依次为钛（Ti）、铂（Pt）、金（Au），所述的关键层设置在散热器的第一金属媒介层表面，所述的半导体激光器芯片和散热器通过关键层原子互扩散键合为整体，且半导体激光器芯片的正极面（P面）与散热器的关键层表面相贴合，所述的半导体激光器芯片的负极面（N面）设置有负电极连接片。

上述使用本发明的金属键合方法制备的半导体激光器中，第一金属键合媒介层，镍的厚度为1.0-3.0μm，钛的厚度为0.1-0.3μm，铂的厚度为0.05-0.2μm，金的厚度为0.1-0.3μm；所述的关键层材料为铟（ In）、金镉合金（AuGe）、金锡合金（AuSn）、锡银铜合金（SnAgCu）或铟锡合金（InSn）等，所述的关键层材料厚度为3-5μm。

上述使用本发明的金属键合方法制备的半导体激光器中，所述的半导体激光器芯片为单发光单元半导体激光器芯片或者多发光单元半导体激光器芯片。

所述的半导体激光器芯片的负极面（N面）设置负电极连接片，可以是通过金线键合的方式也可以是直接设置金属片作为负极连接片。

本发明的原理如下：

半导体激光器芯片与散热器材料之间设置关键层，在一定的温度（关键层熔点的80%～90%)和一定的压力下，两个平整表面紧密贴合。在芯片与关键层界面处原子在适当热与压力作用下保压一定时间，金属层原子发生相互扩散，进而实现半导体激光器芯片与散热器的键合。此方法的键合质量高、强度大，热和压力促进金属层原子发生相互扩散，同时破坏界面上的氧化层，使金属与金属接触面间达到原子的引力范围，从而使原子间产生吸引力，达到键合的目的。在一定的热和压力下，芯片的金属结构层原子与散热器的金属结构层原子互相扩散，结合成一体化的金属结构层，一方面结合力更好，一方面，基本保持了芯片和散热器的外形结构，如不变形，可以使半导体激光器巴条获得接近零的近场非线性（smile）值。关键层原子互扩散速率取决于温度、压力和时间，最高温度受器件热预算的限制。半导体激光器芯片的受力面积应与芯片与散热器重叠面积一致，避免受力不均匀。

本发明有如下优点：

使用本发明的半导体激光器用金属键合法方法制备的半导体激光器可靠性高，缺陷少，通过加热加压保压使得半导体激光器芯片上的金属键合媒介层与散热器表面的关键层形成合金相结构，达到半导体激光器芯片和散热器结合紧密的目的，降低了空洞等缺陷，在进行金属键合时，需求温度较低于关键层材料熔点以下，可以降低由于散热器与半导体激光器芯片热膨胀系数不匹配导致的较大热应力。

附图说明

图1为本发明实施例结构拆解示意图。

图2为本发明实施例结构示意图。

附图标号说明：1为半导体激光器芯片；2为散热器；3为第一金属键合媒介层；4为第二金属键合媒介层；5为关键层。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1为本发明实施例结构拆解示意图，图2为本发明实施例结构示意图。

本发明的半导体激光器用金属键合方法，包括以下步骤：

（1）对半导体激光器芯片1与散热器2进行表面预处理，使半导体激光器芯片1表面、散热器2表面无污染，散热器表面粗糙度＜0.3μm；

（2）在散热器2表面镀第一金属键合媒介层3，第一金属键合媒介层3依次为镍（Ni）、金（Au）、钛（Ti）、铂（Pt）和金（Au），半导体激光器芯片1表面镀第二金属键合媒介层4，第二金属键合媒介层4依次为钛（Ti）、铂（Pt）、金（Au），在散热器2表面的第一金属键合媒介层3外表面设置关键层5，所述关键层5的材料为铟（ In）、金镉合金（AuGe）、金锡合金（AuSn）、锡银铜合金（SnAgCu）或铟锡合金（InSn）等；

（3）将半导体激光器芯片1置于散热器2上，并将半导体激光器芯片1的正极面（P面）与散热器2的关键层表5面相贴合；在真空条件下对半导体激光器芯片1、散热器2进行加热，最终温度值控制在关键层5材料熔点值的80%-90%，并对半导体激光器芯片1和散热器2进行加压，压力控制在0.03-0.1 MPa/m²，在最终温度保温并保压0.5-4小时；

（4）在半导体激光器芯片1的负极面（N面）设置负电极连接片。

上述步骤二中，所述散热器2表面镀第一金属键合媒介层3，所述的镍（Ni）的厚度为1.0μm或者2.0μm 或者3.0μm，厚度为1.0μm-3.0μm即可；钛（Ti）的厚度为0.1-0.3μm ，可以是0.1μm 、0.15μm、 0.2μm、0.25μm或者0.3μm；铂（Pt）的厚度为0.05μm -0.2μm；金（Au）的厚度为0.1μm -0.3μm；关键层5材料厚度为3-5μm，可以为3μm，3.5μm，4μm或者5μm。

上述步骤三中所述真空条件，真空度为10^-2-10^-4Pa，加热的方式是逐步升温至最终温度，升温速度为0.3℃/s-1℃/s，最终温度值为关键层材料熔点温度值的80%-90%，在最终温度保温保压。即将半导体激光器芯片1和散热器2从室温开始升温加热到关键层5材料熔点温度值的80%-90%，如选择In为关键层5材料，In的熔点为156℃，则在步骤三中逐步加热升温，控制最终温度值在In材料熔点温度值80%-90%，即156摄氏度的80%-90%，即最终温度为124℃-140℃左右，并在此温度下保温保压0.5～4小时。

上述步骤三中，所述的加热的方式是对半导体激光器芯片1及散热器2同时进行加热，即在加热对半导体激光器芯片1和散热器2同时使用接触式加热或者辐射源加热或者其他的方式，使半导体激光器芯片1和散热器2的升温速率一致，使得加热均匀。

所述的半导体激光器芯片1为单发光单元半导体激光器芯片或者多发光单元半导体激光器芯片。

使用本发明的金属键合方法制备的半导体激光器结构如图1和图2所示，包括半导体激光器芯片1和散热器2，还包括第一金属键合媒介层3、第二金属键合媒介层4及关键层5，所述的第一金属键合媒介层3设置在散热器2表面，第一金属键合媒介层3依次为镍（Ni）、金（Au）、钛（Ti）、铂（Pt）和金（Au），所述的第二金属键合媒介层4设置在半导体激光器芯片1表面，第二金属键合媒介层4依次为钛（Ti）、铂（Pt）、金（Au），所述的关键层5设置在散热器2的第一金属媒介层3表面，所述的半导体激光器芯片1和散热器2通过关键层5键合为整体且半导体激光器芯片1的正极面（P面）与散热器2的关键层5表面相贴合，所述的半导体激光器芯片1的负极面（N面）设置有负电极连接片。

上述使用本发明的金属键合方法制备的半导体激光器中，所述的半导体激光器芯片1为单发光单元半导体激光器芯片或者多发光单元半导体激光器芯片。

所述的半导体激光器芯片1的负极面（N面）设置负电极连接片，可以是通过金线键合的方式也可以是直接设置金属片作为负极连接片。

Claims

1.一种用于半导体激光器的金属键合方法，其特征在于:包括以下步骤：

（1）对半导体激光器芯片与散热器进行表面预处理，使半导体激光器芯片、散热器表面平整、无污染，散热器表面粗糙度＜0.3μm；

（2）在散热器表面镀第一金属键合媒介层，第一金属键合媒介层依次为镍、金、钛、铂和金，半导体激光器芯片表面镀第二金属键合媒介层，第二金属键合媒介层依次为钛、铂、金，在散热器表面的第一金属键合媒介层外表面设置关键层，所述关键层的材料为铟、金镉合金、金锡合金、锡银铜合金或铟锡合金；

（3）将半导体激光器芯片置于散热器上，并将半导体激光器芯片的正极面与散热器表面相接触，在真空条件下，对半导体激光器芯片、散热器进行加热，最终温度值控制在关键层材料熔点值的80%-90%，并对半导体激光器芯片和散热器施加压力，该压力控制在0.03-0.1 MPa/m²，保压0.5-4小时；

（4）在半导体激光器芯片的负极面设置负电极连接片。

2.根据权利要求1所述的一种用于半导体激光器的金属键合方法，其特征在于：所述的步骤二中，在散热器表面镀第一金属键合媒介层，镍的厚度为1.0-3.0μm，钛的厚度为0.1-0.3μm，铂的厚度为0.05-0.2μm，金的厚度为0.1-0.3μm；所述的关键层材料厚度为3-5μm。

3.根据权利要求1所述的一种用于半导体激光器的金属键合方法，其特征在于：所述的步骤三中，所述的真空条件，真空度为10^-2-10^-4Pa，加热的方式是逐步升温至最终温度，升温速度为0.3℃/s-1℃/s，在最终温度进行保压。

4.根据权利要求1所述的一种用于半导体激光器的金属键合方法，其特征在于：所述的步骤三，加热的方式是对半导体激光器芯片及散热器同时进行加热。

5.根据权利要求1所述的一种用于半导体激光器的金属键合方法，其特征在于：所述的半导体激光器芯片为单发光单元半导体激光器芯片或者多发光单元半导体激光器芯片，所述的半导体激光器芯片个数为1个或者多个，所述的半导体激光器芯片的电联接方式为串联或者并联的电联接方式。

6.一种应用权利要求1所制备的半导体激光器，其特征在于：包括半导体激光器芯片和散热器，还包括第一金属键合媒介层、第二金属键合媒介层及关键层，所述的第一金属键合媒介层设置在散热器表面，第一金属键合媒介层依次为镍、金、钛、铂和金，所述的第二金属键合媒介层设置在半导体激光器芯片表面，第二金属键合媒介层依次为钛、铂、金，所述的关键层设置在散热器的第一金属媒介层表面，所述的半导体激光器芯片和散热器通过关键层键合为整体，且半导体激光器芯片的正极面与散热器的关键层表面相贴合，所述的半导体激光器芯片的负极面设置有负电极连接片。

7.根据权利要求6所述的半导体激光器，其特征在于：所述的第一金属键合媒介层，镍的厚度为1.0-3.0μm，钛的厚度为0.1-0.3μm，铂的厚度为0.05-0.2μm，金的厚度为0.1-0.3μm；所述的关键层材料为铟、金镉合金、金锡合金、锡银铜合金或铟锡合金，所述的关键层材料厚度为3-5μm。

8.根据权利要求6所述的半导体激光器，其特征在于：所述的半导体激光器芯片为单发光单元半导体激光器芯片或者多发光单元半导体激光器芯片，所述的半导体激光器芯片个数为1个或者多个，所述的半导体激光器芯片的电联接方式为串联或者并联的电联接方式。

9.根据权利要求6所述的半导体激光器，其特征在于：所述的半导体激光器芯片的负极面设置负电极连接片，设置电极连接片的方式是通过金线键合的方式设置或者直接设置金属片作为负电极连接片。