CN111162448A - 一种具有图形化结构的半导体激光器热沉及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种具有图形化结构的半导体激光器热沉及其制造方法，通过在基体上下表面预先制备了立体图形结构阵列，大幅增加了基体材料的表面积和表面化学键能，提高了与基体材料接触的功能层、过渡金属层I及过渡金属层II的粘附性的粘附性，通过在立体图形结构阵列上制造功能层，有效的结合基体材料和功能层材料热导率或热膨胀系数各自特点，调节符合材料整体的热导率或热膨胀系数，保证与半导体激光器材料本身热失配小的前提下降低热沉材料的热阻，提高散热性能，保证了激光器光电性能和可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及激光器封装技术领域，具体涉及一种具有图形化结构的半导体激光器热沉及其制造方法。
背景技术
半导体激光器芯片广泛应用于通讯、加工、医学、科研、传感等领域，具有体积小、效率高、重量轻、寿命长、工艺兼容性好等诸多优点，近年来发展尤为迅速，极大地促进了信息、测量、医疗、娱乐等相关产业的发展。半导体激光器本身器件特性和各类应用需求的特殊性，几乎所有半导体激光器(或巴条)都必须经过贴片封装工艺方能投入下游应用端生产。由于半导体激光器属于典型的电光转换芯片，随着半导体激光器输出功率的不断提高，受制于电光转换效率的影响，除转化为有效光功率输出的部分外，最少存在30％以上的电功率转换成了无效的废热功率，而此类废热将反过来直接影响半导体激光器的输出功率、光学特性以及可靠性等各项参数。因此半导体激光器芯片应用中实际性能与其工作温度和废热控制有着密切的相关性，散热问题成为直接影响半导体激光器，特别是大功率半导体激光器性能的关键因素。
目前最常用的散热方法是采用热沉材料将半导体激光器工作时产生的废热传导出去，从而降低器件的正常工作温度，保证器件的输出性能和可靠性。由于半导体激光器在应用中的重点要求集中于高功率输出、高光束质量、高可靠性和较低的使用成本等方面，相应的热沉材料开发对应聚焦在高热导率、匹配的热膨胀系数和尽可能低的成本三方面。热沉的高热导率可以将激光器工作时产生的热量及时散出，匹配的热膨胀系数则保证良好的光学特性及避免芯片或热沉本身因热应力失配出现损坏，尽可能低的成本最终保证其在激光器封装中能够得到更快更广的应用。
从以上角度出发，现今作为半导体激光器热沉材料的主要是钨铜(CuW)、氮化铝(AlN)和氧化铍(BeO)。如公开号为CN 103413791 A的发明专利，采用AlN或BeO基板制备热沉，最大的优势为具有与现有GaAs类半导体激光器芯片接近的热膨胀系数(～6.7′10-6/K)，但是材料的热导率(170～270W m-1 K-1)均不高且部分材料(BeO)本身或制备过程中存在剧毒物质，已经无法满足大功率半导体激光器散热的迫切需求，限制了半导体激光器在高端领域的应用。此外，因为半导体激光器封装中焊接工艺要求热沉表面必需制备多层金属合金(包含焊料)，金属合金与热沉基材之间的粘附性受金属材料本身性质及具体工艺影响显著，极易出现因工艺波动或热失配等界面原因引发的金属脱落问题。该专利技术方案采用离子注入、溅射技术和化学镀或电镀工艺试图解决表面金属牢固性问题，但仍存在离子注入工艺过程复杂且大尺寸热沉生产均匀性难以保证，溅射工艺成本显著高于电子束蒸发等传统工艺，化学镀或电镀制备的材料致密性差和纯度偏低等问题。
另外，如发明专利CN 103887703 B采用的技术方案中，采用高热导率的石墨烯层作为热沉表层以提高激光器散热能力的方案，理论上石墨烯沿平面(平行于热沉表面)热导率非常高，但技术方案中由于石墨烯层只有一个或几个原子层，厚度仅有几十纳米，相较于基材本身数百微米的量级，对于垂直于热沉表面的热导率几乎没有作用。此外，方案中表层石墨烯采用化学气相沉积后、溶解再转移的方法制备工艺复杂，成本偏高。再者，石墨烯本身为石墨的一个单原子层，也就是一层sp2键合的碳原子排列成六角形或蜂窝状晶格，因此该层石墨原子层内原子间强度较高，但作为中间层时，与上下两层材料结合时仍为分子间作用力，结合力较弱(类似石墨层间作用力)，因此该石墨烯层及其上层材料不易与基体材料牢固结合，意外剥落的较大可能性。
发明内容
本发明为了克服以上技术的不足，提供了一种提高界面牢固的同时兼顾沉材料热导率提升和热膨胀系数调配，满足大功率半导体激光器对热沉材料的整体应用需求的具有图形化结构的半导体激光器热沉。
本发明克服其技术问题所采用的技术方案是：
一种具有图形化结构的半导体激光器热沉，包括：
基体，其上下两端面分别沿平面方向排布有若干立体图形结构，形成立体图形结构阵列；
过渡金属层I，设置于基体下方，过渡金属层I覆盖于基体下方的立体图形结构阵列下端；
过渡金属层II，设置于基体上方，过渡金属层II覆盖于基体上方的立体图形结构阵列上端，所述过渡金属层II上设置有隔离槽，隔离槽将过渡金属层II分割成两个相互独立的区域；
焊料层，设置于过渡金属层II上方的一独立区域中和/或设置于过渡金属层I上。
优选的，上述立体图形的形状为圆柱或锥体或方台或棱台或不规则立体图形，立体图形的结构为凸起或凹陷或凹凸交错。
优选的，还包括功能层，所述功能层设置于基体上方和/或下方，功能层覆盖基体上方和/或基体下方的立体图形结构阵列。
优选的，上述立体图形结构外径为10nm-500μm。
优选的，上述过渡金属层I采用NiAu或NiPtAu或TiAu或TiPtAu材料，过渡金属层I的厚度为1μm-100μm，所述过渡金属层II采用NiAu或NiPtAu或TiAu或TiPtAu材料，所述过渡金属层II的厚度为1μm-100μm。
优选的，上述焊料层采用In或AnSn或PbSn或含有Au、Ag的粘合剂。
优选的，上述功能层采用无氧铜或AlN或SiC或金刚石材料或碳纳米材料，功能层厚度为20nm-1mm。
优选的，上述隔离槽为L形或I形结构。
一种半导体激光器热沉的制造方法，包括如下步骤：
a)将基体材料晶圆清洗后通过光刻胶匀胶、光刻、显影步骤制造基体上下两端面所需制备的立体图形结构的预制表面掩膜图形；
b)通过化学腐蚀法在基体上下两端面制备立体图形结构或通过沉积氧化硅或氮化硅后经化学物理腐刻法制作掩蔽膜，经干法刻蚀或激光刻蚀制备立体图形结构，制备完成后去除光刻胶或掩蔽膜；
c)基体材料上端和/或下端通过蒸发法或化学气相沉积法或化学镀或电镀方法制备功能层；
d)在基体材料上下两端面通过光刻、蒸发、化学镀或电镀、腐蚀或剥离方法制备过渡金属层I及过渡金属层II；
e)通过锯片机或多线切割机或激光切割机进行划切分离。
本发明的有益效果是：在基体上下表面预先制备了立体图形结构阵列，大幅增加了基体材料的表面积和表面化学键能，提高了与基体材料接触的功能层、过渡金属层I及过渡金属层II的粘附性的粘附性，通过在立体图形结构阵列上制造功能层，有效的结合基体材料和功能层材料热导率或热膨胀系数各自特点，调节符合材料整体的热导率或热膨胀系数，保证与半导体激光器材料本身热失配小的前提下降低热沉材料的热阻，提高散热性能，保证了激光器光电性能和可靠性。
附图说明
图1为本发明的实施例1的半导体激光器热沉的结构示意图；
图2为本发明的实施例2的半导体激光器热沉的结构示意图；
图中，100.半导体激光器 101.In焊料层 102.TiAu过渡金属层 103.金刚石功能层104.AlN基体 105.NiAu过渡金属层 106.金属导线 107.隔离槽 108.圆柱阵列 200.半导体激光器 201.AnSn焊料层 202.TiPtAu过渡金属层 203.无氧铜功能层 204.SiC基体205.NiPtAu过渡金属层 206.金属导线 207.隔离槽 208.图形阵列。
具体实施方式
下面结合附图1、附图2对本发明做进一步说明。
一种具有图形化结构的半导体激光器热沉，包括：基体，其上下两端面分别沿平面方向排布有若干立体图形结构，形成立体图形结构阵列；过渡金属层I，设置于基体下方，过渡金属层I覆盖于基体下方的立体图形结构阵列下端；过渡金属层II，设置于基体上方，过渡金属层II覆盖于基体上方的立体图形结构阵列上端，所述过渡金属层II上设置有隔离槽，隔离槽将过渡金属层II分割成两个相互独立的区域；焊料层，设置于过渡金属层II上方的一独立区域中和/或设置于过渡金属层I上。在基体上下表面预先制备了立体图形结构阵列，大幅增加了基体材料的表面积和表面化学键能，提高了与基体材料接触的过渡金属层I或过渡金属层II的粘附性，提高整体热导率并调节符合材料整体的热膨胀系数，保证与半导体激光器材料本身热失配小的前提下降低热沉材料的热阻，提高散热性能，保证了激光器光电性能和可靠性。
优选的，上述立体图形的形状为圆柱或锥体或方台或棱台或不规则立体图形，立体图形的结构为凸起或凹陷或凹凸交错。
优选的，还包括功能层，所述功能层设置于基体上方和/或下方，功能层覆盖基体上方和/或基体下方的立体图形结构阵列。通过在立体图形结构阵列上制造功能层，有效的结合基体材料和功能层材料热导率或热膨胀系数各自优点，提高整体热导率并调节符合材料整体的热膨胀系数。
优选的，上述立体图形结构外径为10nm-500μm。
优选的，上述过渡金属层I采用NiAu或NiPtAu或TiAu或TiPtAu材料，过渡金属层I的厚度为1μm-100μm，所述过渡金属层II采用NiAu或NiPtAu或TiAu或TiPtAu材料，所述过渡金属层II的厚度为1μm-100μm。
优选的，上述焊料层采用In或AnSn或PbSn或含有Au、Ag的粘合剂。
优选的，上述功能层采用无氧铜或AlN或SiC或金刚石材料或碳纳米材料，功能层厚度为20nm-1mm。
优选的，上述隔离槽为L形或I形结构。
本发明还涉及一种半导体激光器热沉的制造方法，包括如下步骤：
a)将基体材料晶圆清洗后通过光刻胶匀胶、光刻、显影步骤制造基体上下两端面所需制备的立体图形结构的预制表面掩膜图形；
b)通过化学腐蚀法在基体上下两端面制备立体图形结构或通过沉积氧化硅或氮化硅后经化学物理腐刻法制作掩蔽膜，经干法刻蚀或激光刻蚀制备立体图形结构，制备完成后去除光刻胶或掩蔽膜；
c)基体材料上端和/或下端通过蒸发法或化学气相沉积法或化学镀或电镀方法制备功能层；
d)在基体材料上下两端面通过光刻、蒸发、化学镀或电镀、腐蚀或剥离方法制备过渡金属层I及过渡金属层II；
e)通过锯片机或多线切割机或激光切割机进行划切分离，并保证用于半导体激光器贴片定位的侧面光洁平整且与热沉表面近似垂直。。
上述步骤通过光刻、蒸发等成熟的半导体工艺技术实现规模化量产，可有效提高产品合格率，降低单位成本，易于产品质量控制并迅速产业化。
下面通过两个具体的实施例对本发明作进一步说明：
实施例1：
如附图1所示的一种具有图形化结构的半导体激光器热沉，包括：AlN基体104，其上下两端面分别沿平面方向排布有若干纳米级圆柱形凸起的立体图形结构，形成圆柱阵列108；由NiAu材料制成的NiAu过渡金属层105，设置于AlN基体104下方，NiAu过渡金属层105覆盖于AlN基体104下方的圆柱阵列108下端；由高导热金刚石材料制成的金刚石功能层103，设置于AlN基体104上方，金刚石功能层103覆盖于AlN基体104上方的圆柱阵列108上端；由TiAu材料制成的TiAu过渡金属层102，设置于金刚石功能层103上方，所述TiAu过渡金属层102上设置有L形的隔离槽107，隔离槽107将TiAu过渡金属层102分割成两个相互独立的区域；半导体激光器100，其一侧电极通过In焊料层101焊接于TiAu过渡金属层102的一独立区域上，其另一侧电极通过金属导线106与TiAu过渡金属层102的另一独立区域相连接。
TiAu过渡金属层102厚度为100nm-2μm，AlN基体104厚度为50μm-1mm，圆柱阵列108的圆柱体的直径介于10nm-500nm，高度介于10nm-500nm。金刚石功能层103为多晶材料，厚度为1μm-100μm，NiAu过渡金属层105厚度为100nm-2μm。
本实施例通过采用AlN作为基体材料，保证了与GaAs半导体激光器匹配的热膨胀系数；并通过表面纳米级圆柱阵列108，实现了与表面沉积的高导热金刚石功能层103以及NiAu过渡金属层105之间的牢固结合，高导热金刚石层103则实现了提升复合热沉整体热导率的作用。
实施例2：
如附图2所示的一种具有图形化结构的半导体激光器热沉，包括：SiC基体204，其上下两端面分别沿平面方向排布有若干微米级立方体形凸起的立体图形结构，形成图形阵列208；由NiPtAu材料制成的NiPtAu过渡金属层205，设置于SiC基体204下方，NiPtAu过渡金属层205覆盖SiC基体204下方的图形阵列208下端；由无氧铜材料制成的无氧铜功能层203，设置于SiC基体204上方，无氧铜功能层203覆盖于SiC基体204上方的图形阵列208阵列上端；由TiPtAu材料制成的TiPtAu过渡金属层202，设置于无氧铜功能层203上方，所述TiPtAu过渡金属层202上设置有L形的隔离槽207，隔离槽207将TiPtAu过渡金属层202分割成两个相互独立的区域；半导体激光器200，其一侧电极通过AnSn焊料层201焊接于TiPtAu过渡金属层202的一独立区域上，其另一侧电极通过金属导线206与TiPtAu过渡金属层202的另一独立区域相连接。
TiPtAu过渡金属层202厚度为100nm-2μm，半绝缘的SiC基体204厚度为50μm-1mm，图形阵列208的立方体的边长介于1μm-500μm，高度介于1μm-100μm，无氧铜功能层203为单晶材料，厚度为1μm-100μm，NiPtAu过渡金属层205为100nm-2μm。
本实施例通过采用半绝缘SiC作为基体材料，具有高达400W m-1 K-1以上的热导率，保证了封装后的半导体激光器200高效散热的需求；并通过图形阵列208与无氧铜功能层203以及NiPtAu过渡金属层205之间的牢固结合；此外，通过调节图形阵列208的密度、尺寸以及具有较高热膨胀系数的无氧铜功能层203厚度，可实现微调复合热沉材料热膨胀系数的作用，使之与半导体激光器200互相匹配。
Claims (9)
1.一种具有图形化结构的半导体激光器热沉，其特征在于，包括：
基体，其上下两端面分别沿平面方向排布有若干立体图形结构，形成立体图形结构阵列；
过渡金属层I，设置于基体下方，过渡金属层I覆盖于基体下方的立体图形结构阵列下端；
过渡金属层II，设置于基体上方，过渡金属层II覆盖于基体上方的立体图形结构阵列上端，所述过渡金属层II上设置有隔离槽，隔离槽将过渡金属层II分割成两个相互独立的区域；
焊料层，设置于过渡金属层II上方的一独立区域中和/或设置于过渡金属层I上。
2.根据权利要求1所述的具有图形化结构的半导体激光器热沉，其特征在于：所述立体图形的形状为圆柱或锥体或方台或棱台或不规则立体图形，立体图形的结构为凸起或凹陷或凹凸交错。
3.根据权利要求1所述的具有图形化结构的半导体激光器热沉，其特征在于：还包括功能层，所述功能层设置于基体上方和/或下方，功能层覆盖基体上方和/或基体下方的立体图形结构阵列。
4.根据权利要求1所述的具有图形化结构的半导体激光器热沉，其特征在于：所述立体图形结构外径为10nm-500μm。
5.根据权利要求1所述的具有图形化结构的半导体激光器热沉，其特征在于：所述过渡金属层I采用NiAu或NiPtAu或TiAu或TiPtAu材料，过渡金属层I的厚度为1μm-100μm，所述过渡金属层II采用NiAu或NiPtAu或TiAu或TiPtAu材料，所述过渡金属层II的厚度为1μm-100μm。
6.根据权利要求1所述的具有图形化结构的半导体激光器热沉，其特征在于：所述焊料层采用In或AnSn或PbSn或含有Au、Ag的粘合剂。
7.根据权利要求3所述的具有图形化结构的半导体激光器热沉，其特征在于：所述功能层采用无氧铜或AlN或SiC或金刚石材料或碳纳米材料，功能层厚度为20nm-1mm。
8.根据权利要求1所述的具有图形化结构的半导体激光器热沉，其特征在于：所述隔离槽为L形或I形结构。
9.一种如权利要求1所述的半导体激光器热沉的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
a)将基体材料晶圆清洗后通过光刻胶匀胶、光刻、显影步骤制造基体上下两端面所需制备的立体图形结构的预制表面掩膜图形；
b)通过化学腐蚀法在基体上下两端面制备立体图形结构或通过沉积氧化硅或氮化硅后经化学物理腐刻法制作掩蔽膜，经干法刻蚀或激光刻蚀制备立体图形结构，制备完成后去除光刻胶或掩蔽膜；
c)基体材料上端和/或下端通过蒸发法或化学气相沉积法或化学镀或电镀方法制备功能层；
d)在基体材料上下两端面通过光刻、蒸发、化学镀或电镀、腐蚀或剥离方法制备过渡金属层I及过渡金属层II；
e)通过锯片机或多线切割机或激光切割机进行划切分离。
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