CN108258577B - 一种用于提升激光器芯片可靠性及耦合效率的倒装封装 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于提升激光器芯片可靠性及耦合效率的倒装封装。所述倒装封装包括倒装热沉、与倒装热沉共晶融合的芯片，所述芯片正面向下，以朝向所述倒装热沉。本发明提供的倒装封装，在封装过程中将芯片正面朝下共晶封装，使芯片的有源层与热沉距离更近，从而提升芯片的散热能力及对芯片的出光起到一个反射聚光作用，以减小芯片的远场角，提升耦合效率。

Description

一种用于提升激光器芯片可靠性及耦合效率的倒装封装
技术领域
本发明涉及光通讯领域光器件原器件封装工艺，尤其涉及对TO-56封装工艺中的共晶、打线参数的调整及成品测试的评估，具体涉及一种用于提升激光器芯片可靠性及耦合效率的倒装封装。
背景技术
半导体激光器是成熟较早、进展较快的一类激光器，由于它的波长范围宽，制作简单、成本低、易于大量生产，并且由于体积小、重量轻、寿命长，因此，品种发展快，应用范围广，已超过300种，半导体激光器的最主要应用领域是Gb局域网，850nm波长的半导体激光器适用于）1Gb局域网，1300nm -1550nm波长的半导体激光器适用于1OGb局域网系统。半导体激光器的应用范围覆盖了整个光电子学领域，其自问世以来就得到了世界各国的广泛关注与研究，成为世界上发展最快、应用最广泛、最早走出实验室实现商用化且产值最大的一类激光器，成为了当今光电子科学的核心技术。
在半导体激光器的制作过程中，其半导体激光器封装技术虽然大都是在分立器件封装技术基础上发展与演变而来的，但却有很大的特殊性。一般情况下，分立器件的管芯被密封在封装体内，封装的作用主要是保护管芯和完成电气互连。而半导体激光器封装则是完成输出电信号，保护管芯正常工作，输出可见光的功能，既有电参数，又有光参数的设计及技术要求，无法简单地将分立器件的封装用于半导体激光器。
目前的TO-56封装为其中一种主要封装工艺，其封装主流为芯片正面朝上与热沉共晶融合，该方式的封装工艺入手较快，难度不会太高，但是会有以下缺点：
1、封装后的芯片在高温性能上相对倒装封装的芯片稳定性较差，芯片的可靠性也不及倒装封装的芯片，在短期快速老化及长时间的寿命老化中可以发现其明显的差异；
2、无法充分利用芯片的出光功率，耦合效率相对较低，一定程度上达不到降低生产成本的要求；
针对以上两个缺点本发明在热沉上做出结构调整，并改进相应封装工艺，使倒装工艺得以实现，并在后续的测试中验证了以上期望的结果。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于提升激光器芯片可靠性及耦合效率的倒装封装，在封装过程中将芯片正面朝下共晶封装，使芯片的有源层与热沉距离更近，从而提升芯片的散热能力及对芯片的出光起到一个反射聚光作用，以减小芯片的远场角，提升耦合效率。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种用于提升激光器芯片可靠性及耦合效率的倒装封装，包括倒装热沉、与倒装热沉共晶融合的芯片，所述芯片正面向下，以朝向所述倒装热沉。
在本发明一实施例中，所述倒装热沉满足以下条件：
（1）倒装热沉的厚度比传统热沉厚度厚100um左右；
（2）倒装热沉共晶融合的AuSn焊料面小于芯片腔长，且比传统热沉共晶融合的AuSn焊料面薄；
（3）倒装热沉的AuSn焊料面中间预留50um左右的隔断区，对应芯片脊波导共晶融合处；
（4）倒装热沉镀金面光滑平整，以增加镜面反射，使芯片远场角变小，增加耦合效率。
在本发明一实施例中，该倒装封装的倒装工艺实现步骤如下：
步骤S1、将正面朝上的芯片通过倒膜工艺倒贴在蓝膜上；
步骤S2、共晶拾取芯片时，将常规的顶针在芯片中心区域顶起变更为顶针固定偏移40um左右顶起，避开出光脊，以免损坏脊条；
步骤S3、在同轴封装的时候，考虑到正装封装与倒装封装的区别，在倒装热沉厚度上做尺寸补偿，即倒装热沉设计厚度由原来的厚度再加上100um左右，将共晶拾取后的芯片与倒装热沉共晶融合。
在本发明一实施例中，所述步骤S1具体实现过程为：将芯片放置在UV膜上与另一有粘性蓝膜一起贴合芯片，再将芯片背面的UV膜经过UV灯烘烤照射后，使背面失去粘性，并撕掉UV膜，使得芯片倒装贴在蓝膜上。
在本发明一实施例中，所述步骤S2具体实现过程为：倒装的芯片在共晶拾取时，通过图像识别锁定中心，并使其底下的顶针故意偏移中心40um左右。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明在封装过程中将芯片正面朝下共晶封装，使芯片的有源层与热沉距离更近，从而提升芯片的散热能力及对芯片的出光起到一个反射聚光作用，以减小芯片的远场角，提升耦合效率。
附图说明
图1芯片正放倒膜成倒放示意图。
图2吸取芯片时，采用偏移顶芯片拾取示意图。
图3倒装热沉示意图。
图4共晶融合后示意图。
图5打线后示意图。
图6可靠性评估数据。
图7远场角测量图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
本发明的一种用于提升激光器芯片可靠性及耦合效率的倒装封装，包括倒装热沉、与倒装热沉共晶融合的芯片，所述芯片正面向下，以朝向所述倒装热沉。
在本发明一实施例中，所述倒装热沉满足以下条件：
（1）倒装热沉的厚度比传统热沉厚度厚100um左右；
（2）倒装热沉共晶融合的AuSn焊料面小于芯片腔长，且比传统热沉共晶融合的AuSn焊料面薄；
（3）倒装热沉的AuSn焊料面中间预留50um左右的隔断区，对应芯片脊波导共晶融合处；
（4）倒装热沉镀金面光滑平整，以增加镜面反射，使芯片远场角变小，增加耦合效率。
在本发明一实施例中，该倒装封装的倒装工艺实现步骤如下：
步骤S1、将正面朝上的芯片通过倒膜工艺倒贴在蓝膜上；
步骤S2、共晶拾取芯片时，将常规的顶针在芯片中心区域顶起变更为顶针固定偏移40um左右顶起，避开出光脊，以免损坏脊条；
步骤S3、在同轴封装的时候，考虑到正装封装与倒装封装的区别，在倒装热沉厚度上做尺寸补偿，即倒装热沉设计厚度由原来的厚度再加上100um左右，将共晶拾取后的芯片与倒装热沉共晶融合。
在本发明一实施例中，所述步骤S1具体实现过程为：将芯片放置在UV膜上与另一有粘性蓝膜一起贴合芯片，再将芯片背面的UV膜经过UV灯烘烤照射后，使背面失去粘性，并撕掉UV膜，使得芯片倒装贴在蓝膜上。
在本发明一实施例中，所述步骤S2具体实现过程为：倒装的芯片在共晶拾取时，通过图像识别锁定中心，并使其底下的顶针故意偏移中心40um左右。
以下为本发明的具体实现过程。
本发明的一种用于提升激光器芯片可靠性及耦合效率的倒装封装，其特征在于通过设计合适的倒装热沉，使芯片可以倒装封装，以提升芯片散热及耦合效率的效果。
倒装热沉必须满足的条件：
（1）其倒装热沉的厚度需要比传统倒装热沉厚度厚100um左右，以匹配同轴封装的要求；
（2）倒装热沉共晶融合的AuSn焊料面需要比芯片腔长小，且需要比传统热沉更薄，以解决倒装后芯片出光面被AuSn焊料遮挡或沾污的问题；
（3）倒装热沉的AuSn面中间需要预留50um左右的隔断区，对应芯片脊波导共晶融合处，进一步降低AuSn更容易沿脊波导方向溢流出来的问题。
（4）倒装热沉镀金面需要光滑平整，以增加镜面反射，使芯片远场角变小，增加耦合效率。
倒装热沉设计上要求及特点：
本发明在热沉厚度设计上增加芯片厚度的尺寸补偿到热沉厚度上，即增加100um左右的数值；
本发明设计倒装热沉金锡焊料宽度控制在150-200um，比芯片腔长尺寸小，同时金锡焊料还有纵向50um的隔断区，同时金锡焊料的厚度减小至1.8-2.0um。
热沉表面其余区域的金属镀面要求平整光滑，长宽尺寸分别在600-700um和300-350um。
上述倒装封装的工艺具体如下：
1、芯片放置在UV膜上（图1a）与另一有粘性蓝膜一起贴合芯片，再将芯片背面的UV膜经过UV灯烘烤照射后，使背面失去粘性，再用手将UV膜撕掉，即芯片倒装贴在（图1b）上；
2、倒装的芯片在共晶时，在共晶拾取的时候，通过图像识别锁定中心，并使其底下的顶针故意偏移中心40um左右，如图2所示；
3、拾取后的芯片与倒装热沉（图3，图3a为俯视图，图3b为主视图）共晶融合，变为图4（图4a为俯视图，图4b为主视图）样式；
4、将其送入下道焊线工序，调整识别程序，打完线即为图5所示示意图；
5、将其进行封帽后做可靠性验证，得到图6数据比较结果。数据表明（取可靠性老化较差的批次做正常与倒装封装后老化对比），正常封装失效比例明显高于倒装封装的产品，倒装封装在可靠性上对芯片的可靠性老化起到了良好的提升；
6、将未封帽的倒装芯片进行远场角测试，如图7所示为芯片正常封装与倒装封装的远场角差异图，在耦合测试上，出光功率相当的芯片，正常封装最大耦合功率达到2556uW，而倒装的最大达到2831uW，有较明显提升。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种用于提升激光器芯片可靠性及耦合效率的倒装封装，其特征在于，包括倒装热沉、与倒装热沉共晶融合的芯片，所述芯片正面向下，以朝向所述倒装热沉；
该倒装封装的倒装工艺实现步骤如下：
步骤S1、将正面朝上的芯片通过倒膜工艺倒贴在蓝膜上；
步骤S2、共晶拾取芯片时，将常规的顶针在芯片中心区域顶起变更为顶针固定偏移40um左右顶起，避开出光脊，以免损坏脊条；
步骤S3、在同轴封装的时候，考虑到正装封装与倒装封装的区别，在倒装热沉厚度上做尺寸补偿，即倒装热沉设计厚度由原来的厚度再加上100um左右，将共晶拾取后的芯片与倒装热沉共晶融合。
2.根据权利要求1所述的倒装封装，其特征在于，所述倒装热沉满足以下条件：
（1）倒装热沉的厚度比传统热沉厚度厚100um左右；
（2）倒装热沉共晶融合的AuSn焊料面小于芯片腔长，且比传统热沉共晶融合的AuSn焊料面薄；
（3）倒装热沉的AuSn焊料面中间预留50um左右的隔断区，对应芯片脊波导共晶融合处；
（4）倒装热沉镀金面光滑平整，以增加镜面反射，使芯片远场角变小，增加耦合效率。
3.根据权利要求1所述的倒装封装，其特征在于，所述步骤S1具体实现过程为：将芯片放置在UV膜上与另一有粘性蓝膜一起贴合芯片，再将芯片背面的UV膜经过UV灯烘烤照射后，使背面失去粘性，并撕掉UV膜，使得芯片倒装贴在蓝膜上。
4.根据权利要求1所述的倒装封装，其特征在于，所述步骤S2具体实现过程为：倒装的芯片在共晶拾取时，通过图像识别锁定中心，并使其底下的顶针故意偏移中心40um左右。
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