CN112350144B - 一种高功率vcsel阵列芯片倒装焊封装结构及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高功率VCSEL阵列芯片倒装焊封装结构及制备方法，包括：底发射二维周期性VCSEL阵列芯片、热沉和多层单晶反射膜层；底发射二维周期性VCSEL阵列芯片包括衬底层和设于衬底层底部的二维周期性VCSEL发光单元；VCSEL发光单元的底部通过焊料层与热沉相连，衬底层的顶部设有多层单晶反射膜层；其中，热沉的热膨胀系数与衬底层的热膨胀系数相当，单晶反射膜层具有与衬底层相同的晶格结构。本发明热沉的热膨胀系数与VCSEL阵列芯片的衬底层的热膨胀系数相当，其可减小芯片内部热应力，抑制芯片受热发生形变；在衬底层顶部制备与衬底层晶格相匹配的多层单晶膜层，提高单晶反射层间以及与衬底层之间的粘附力。
Description
技术领域
本发明涉及半导体激光芯片技术领域，具体涉及一种高功率VCSEL阵列芯片倒装焊封装结构及制备方法。
背景技术
与边发射半导体激光器相比，垂直腔面发射激光器(VCSEL)具有体积小、光斑为圆形、阈值电流低、单纵模输出、耦合效率高、易实现二维列阵集成等优越性能，高功率VCSEL广泛应用于激光打印、激光医疗、芯片光刻、焊接加工等领域。
VCSEL阵列芯片改善了半导体激光器光束质量差的问题，但是由于传统的正装VCSEL阵列芯片封装工艺的发光单元位于衬底层的顶部，无法与热沉直接接触，散热效果差，导致工作效率不稳定，从而限制了高功率VCSEL阵列的发展及应用。
发明内容
为解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种高功率VCSEL阵列芯片倒装焊封装结构及制备方法。
本发明公开了一种高功率VCSEL阵列芯片倒装焊封装结构，包括：底发射二维周期性VCSEL阵列芯片、热沉和多层单晶反射膜层；
所述底发射二维周期性VCSEL阵列芯片包括衬底层和设于所述衬底层底部的二维周期性VCSEL发光单元；所述VCSEL发光单元的底部通过焊料层与所述热沉相连，所述衬底层的顶部设有多层所述单晶反射膜层；其中，
所述热沉的热膨胀系数与所述衬底层的热膨胀系数相当，所述单晶反射膜层具有与所述衬底层相同的晶格结构。
作为本发明的进一步改进，所述衬底层包括GaAs衬底、GaN衬底和InP衬底中的一种，所述VCSEL发光单元包括二维四方型排布阵列、二维斜角型排布阵列和二维六边形排布阵列中的一种。
作为本发明的进一步改进，所述热沉的制备方法为：
用3D打印技术烧结Cu与热膨胀系数低于衬底的材料的混合粉末，得到热膨胀系数与衬底层的热膨胀系数相当的合金热沉。
作为本发明的进一步改进，热膨胀系数低于衬底的材料包括Mo、W、金刚石中的一种。
作为本发明的进一步改进，所述焊料层的焊料包括Au-Sn合金焊料、锡铅合金焊料和共晶焊锡焊料中的一种。
作为本发明的进一步改进，所述单晶反射膜层的制备方法为：
通过MOCVD或MBE技术交替淀积不同材料的膜层，得到多层单晶反射膜层。
作为本发明的进一步改进，所述膜层的材料包括GaAs，AlAs，AlGaAs中的一种。
本发明还公开了一种高功率VCSEL阵列芯片倒装焊封装结构的制备方法，包括：
选择底发射二维周期性VCSEL阵列芯片；其中，所述底发射二维周期性VCSEL阵列芯片包括衬底层和设于所述衬底层底部的二维周期性VCSEL发光单元；
将VCSEL发光单元的底部通过焊料固定在热沉上；其中，所述热沉的热膨胀系数与所述衬底层的热膨胀系数相当；
在所述衬底层的顶部设有多层所述单晶反射膜层；其中，所述单晶反射膜层具有与所述衬底层相同的晶格结构。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明热沉的热膨胀系数与VCSEL阵列芯片的衬底层的热膨胀系数相当，其可减小芯片内部热应力，抑制芯片受热发生形变；在衬底层顶部制备与衬底层晶格相匹配的多层单晶膜层，提高单晶反射层间以及与衬底层之间的粘附力。
本发明提供的基于MBE或MOCVD技术的单晶反射膜层制备工艺，可在衬底基片上生长高质量的单晶薄膜，并且能够精确控制反射膜层的厚度、结构与成分，实现单晶反射膜层的晶格与GaAs衬底相匹配。
本发明提供的合金热沉制备工艺采用3D打印技术，以极高的瞬间能量和超快的加热、冷却速度对Cu及掺杂材料的合金粉末进行熔覆烧结，与传统烧结法相比具有更高的材料利用率和生产效率，降低成本、节约时间，从而满足工业生产的需求。
附图说明
图1为本发明一种高功率VCSEL阵列芯片封装技术的结构示意图；
图2为本发明一种实施例公开的单晶反膜层的结构及制备流程图；
图3(a)为本发明一种实施例公开的二维四方型VCSEL阵列的结构图；
图3(b)为本发明一种实施例公开的二维斜角型VCSEL阵列的结构图；
图3(c)为本发明一种实施例公开的二维六边形VCSEL阵列的结构图；
图4为本发明一种实施例公开的合金热沉的结构及制备流程图。
图中：
1、热沉；2、焊料层；3、VCSEL发光单元；4、衬底层；5、第一单晶反射膜层；6、第二单晶反射膜层；7、衬底膜层。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
下面结合附图对本发明做进一步的详细描述：
如图1所示，本发明公开了一种高功率VCSEL阵列芯片倒装焊封装结构，包括：底发射二维周期性VCSEL阵列芯片，热沉1和多层单晶反射膜层5、6；
本发明的底发射二维周期性VCSEL阵列芯片包括衬底层4和设于衬底层底部的二维周期性VCSEL发光单元3，进一步，如图3(a)～3(c)所示，底发射二维周期性VCSEL阵列芯片中的VCSEL发光单元包括二维四方型排布阵列、如图3(a)所示，二维斜角型排布阵列、如图3(b)所示，和二维六边形排布阵列、如图3(c)所示，中的一种。本发明的衬底层4厚度应满足特定的Talbot距离，即衬底层特定厚度为：与阵列发光单元间距和激光波长相关的n倍Talbot距离或分数Talbot距离。
本发明在VCSEL发光单元3的底部通过焊料层2与热沉1相连，热沉1的热膨胀系数与衬底层4的热膨胀系数相当。其中，热沉的制备方法为：用3D打印技术烧结Cu与热膨胀系数低于衬底的材料的混合粉末，得到热膨胀系数与衬底层的热膨胀系数相当的合金热沉1；膨胀系数低于衬底的材料包括Mo、W、金刚石等中的一种。焊料层2的焊料包括Au-Sn合金焊料、锡铅合金焊料和共晶焊锡焊料中的一种，优选通过添加Au-Sn焊料将3D打印合金热沉与VCSEL阵列芯片焊接在一起，Au-Sn合金焊料良好的导热性、高的抗腐蚀性，符合高导热、高可靠封装的要求。
具体的，如图4所示，热沉的制备方法包括：
将一定比例的金刚石-Cu粉末或者Cu-Mo粉末作为熔覆使用的合金粉末，将该合金粉末浸泡在酒精中进行超声清洗，以去除表面的氧化物等杂质和油污，然后置于干燥箱中烘干。以高纯度的氩气作为保护气和送粉气，保持恒定的送粉速率，用高功率半导体激光器进行熔覆烧结。最后通过退火处理、研磨抛光等工艺得到所需的合金热沉成品。
同时，除3D打印技术外，还可以采用液相烧结法、熔掺法、化学镀预处理+液相烧结法等制备工艺。
本发明在衬底层4的顶部设有多层单晶反射膜层，即依次设有第一单晶反射膜层5和第二单晶反射膜层6，第一单晶反射膜层5和第二单晶反射膜层6具有与衬底层4相同的晶格结构，且优选第一单晶反射膜层5和第二单晶反射膜层6为不同的材料。其中，本发明单晶反射膜层的制备方法为：通过MOCVD或MBE技术交替淀积不同材料的膜层，得到多层单晶反射膜层；膜层的材料包括GaAs，AlAs，AlGaAs等与VCSEL衬底晶格常数几乎相等的材料中的一种，反射膜层的反射率为50％-99％。
具体的，如图2所示，本发明提供了一种基于MBE或MOCVD技术的单晶反射膜层制备工艺，在衬底层4或衬底膜层7上单晶生长反射膜层，具体的制备方法为：
采用MBE技术在GaAs衬底、GaN衬底或InP衬底上进行AlGaAs单晶反射膜层外延生长。首先对衬底顶部进行打磨、抛光、清洗等工艺，然后将其放入700℃左右的真空环境下，背景真空为10-10～10-11托，将装有AlGaAs组分的炉子加热产生的蒸气，经小孔准直后形成的分子束或原子束，直接喷射到单晶衬底顶部，同时控制分子束对衬底扫描，分子或原子按衬底晶格排布生长在衬底上形成单晶反射膜层；然后用相似的制备流程生长第二层GaAs反射膜和第三层AlGaAs单晶反射膜，其中制备第二层GaAs反射膜时，外延生长的温度要控制在600℃左右。
采用MOCVD技术在GaAs衬底、GaN衬底或InP衬底上进行AlGaAs单晶反射膜层外延生长。首先对衬底顶部进行打磨、抛光、清洗等工艺，然后用载气携带AlGaAs蒸气进入反应室，在700℃高温下AlGaAs在GaAs衬底表面分解，原子吸附在衬底表面发生物理化学反应产生AlGaAs分子，在衬底表面成核，不断生长成岛，合并后形成单晶反射膜层。然后用相似的制备流程生长第二层GaAs反射膜和第三层AlGaAs单晶反射膜，其中制备第二层GaAs反射膜时，外延生长的温度要控制在600℃左右。
基于上述结构，本发明还提供一种高功率VCSEL阵列芯片倒装焊封装结构的制备方法，包括：
选择底发射二维周期性VCSEL阵列芯片；其中，底发射二维周期性VCSEL阵列芯片包括衬底层和设于衬底层底部的二维周期性VCSEL发光单元；
将VCSEL发光单元的底部通过焊料固定在热沉上；其中，热沉的热膨胀系数与衬底层的热膨胀系数相当；
在衬底层的顶部设有多层单晶反射膜层；其中，单晶反射膜层具有与衬底层相同的晶格结构。
本发明的优点为：
本发明热沉的热膨胀系数与VCSEL阵列芯片的衬底层的热膨胀系数相当，其可减小芯片内部热应力，抑制芯片受热发生形变；在衬底层顶部制备与衬底层晶格相匹配的多层单晶膜层，提高单晶反射层间以及与衬底层之间的粘附力；
本发明提供的基于MBE或MOCVD技术的单晶反射膜层制备工艺，可在衬底基片上生长高质量的单晶薄膜，并且能够精确控制反射膜层的厚度、结构与成分，实现单晶反射膜层的晶格与GaAs衬底相匹配；
本发明提供的合金热沉制备工艺采用3D打印技术，以极高的瞬间能量和超快的加热、冷却速度对Cu及掺杂材料的合金粉末进行熔覆烧结，与传统烧结法相比具有更高的材料利用率和生产效率，降低成本、节约时间，从而满足工业生产的需求。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种高功率VCSEL阵列芯片倒装焊封装结构，其特征在于，包括：底发射二维周期性VCSEL阵列芯片、热沉和多层单晶反射膜层；
所述底发射二维周期性VCSEL阵列芯片包括衬底层和设于所述衬底层底部的二维周期性VCSEL发光单元；所述VCSEL发光单元的底部通过焊料层与所述热沉相连，所述衬底层的顶部设有多层单晶反射膜层，所述多层所述单晶反射膜层包括第一单晶反射膜层和第二单晶反射膜层，所述第一单晶反射膜层和所述第二单晶反射膜层具有与所述衬底层相同的晶格结构，通过MOCVD或MBE技术交替淀积不同材料的膜层，得到所述多层单晶反射膜层；
其中，所述衬底层厚度为与所述二维周期性VCSEL发光单元和激光波长相关的n倍Talbot距离或分数Talbot距离。
2.如权利要求1所述的高功率VCSEL阵列芯片倒装焊封装结构，其特征在于，所述衬底层包括GaAs衬底、GaN衬底和InP衬底中的一种，所述VCSEL发光单元包括二维四方型排布阵列、二维斜角型排布阵列和二维六边形排布阵列中的一种。
3.如权利要求1所述的高功率VCSEL阵列芯片倒装焊封装结构，其特征在于，所述焊料层的焊料包括Au-Sn合金焊料、锡铅合金焊料和共晶焊锡焊料中的一种。
4.如权利要求1所述的高功率VCSEL阵列芯片倒装焊封装结构，其特征在于，所述单晶反射膜层的材料包括GaAs，AlAs，AlGaAs中的一种。
5.一种如权利要求1～4中任一项所述的高功率VCSEL阵列芯片倒装焊封装结构的制备方法，其特征在于，包括：
选择底发射二维周期性VCSEL阵列芯片；其中，所述底发射二维周期性VCSEL阵列芯片包括衬底层和设于所述衬底层底部的二维周期性VCSEL发光单元；
将VCSEL发光单元的底部通过焊料固定在热沉上；
在所述衬底层的顶部设有多层所述单晶反射膜层；其中，所述单晶反射膜层具有与所述衬底层相同的晶格结构。
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2020
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