CN114204407A - 激光器管芯的封装结构及封装方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光器管芯的封装结构以及封装方法，所述激光器管芯的封装结构包括激光器管芯、第一散热体和第二散热体，所述第二散热体具有一接触部，所述接触部的表面依次蒸镀有铟层和金层；所述激光器管芯的一侧面经过渡热沉与所述第一散热体固定连接，其另一侧面与所述接触部蒸镀有铟层和金层的表面形成热接触。本发明的激光器管芯的封装结构，其能够增强激光器管芯的散热能力，确保激光器管芯具有高输出功率和具有高的可靠性。
Description
技术领域
本发明是关于半导体封装技术领域，特别是关于一种激光器管芯的封装结构及封装方法。
背景技术
氮化镓(GaN)及其系列材料(包括氮化铝、铝镓氮、铟镓氮、氮化铟)以其禁带宽度大、光谱范围宽、耐高温性好，在光电子学和微电子学领域内有巨大的应用价值。GaN基激光器是一种非常重要的GaN基光电子器件，由于其发射的光波包含从紫光、蓝光、一直到绿光波段，GaN基激光器在投影显示、水下通信、生物化学试剂的感应和激活以及医疗方面具有重要的应用价值。多数应用场景下，高功率的GaN基激光器更加具有优势，而由于GaN基激光器电光转换效率偏低，激光器工作过程会产生大量热量而使激光器结温升高，激光器输出光功率降低，可靠性也变差。现有的氮化镓基激光器一般采用TO正装或倒装的封装方式，TO正装的热阻大，激光器很难输出高功率；TO倒装情况下，由于氮化镓基激光器p型层厚度一般小于1μm，为了避免倒装时短路，需要经常在激光器管芯两侧刻蚀深槽并蒸镀绝缘材料，工艺难度大，而且只能单面散热，热阻一般都较大，通常在13K/W左右，不但激光器输出光功率偏低，而且由于工作时结温偏高，激光器的可靠性也较差。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种激光器管芯的封装结构，其能够增强激光器管芯的散热能力，确保激光器管芯具有高输出功率和具有高的可靠性。
为实现上述目的，本发明的实施例提供了一种激光器管芯的封装结构，包括：激光器管芯、第一散热体和第二散热体，所述第二散热体具有一接触部，所述接触部的表面依次蒸镀有铟层和金层；所述激光器管芯的一侧面经过渡热沉与所述第一散热体固定连接，其另一侧面与所述接触部蒸镀有铟层和金层的表面形成热接触。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述第二散热体还具有一承载部，所述接触部形成于所述承载部一端，所述铟层和金层蒸镀于所述接触部相对于所述承载部的内侧表面。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述激光器管芯经所述过渡热沉与所述第一散热体固定连接后形成一整体，所述整体配置于所述承载部上，且所述激光器管芯的另一侧面与所述接触部的内侧表面形成热接触。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述第一散热体上贯穿开设有中心孔，所述承载部上开设有两端呈半圆形的长条通孔，所述长条通孔至所述接触部蒸镀有铟层和金层的表面的距离比所述中心孔至所述第一散热体边缘的距离小0.1mm-0.3mm。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述过渡热沉与所述激光器管芯和所述第一散热体之间分别通过焊料焊接，其中，所述过渡热沉与所述激光器管芯之间的焊料，其宽度比所述激光器管芯的宽度小10μm-50μm。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述焊料至少选自金-锡、铜-锌、银-铜、锡-银-铜、金-镉和钎锡银中的任意一种。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述过渡热沉至少选自AlN陶瓷、石墨烯、碳纳米管、AlN-Cu-AlN混合热沉、金刚石、BN和SiC中的任意一种。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述第一散热体与所述第二散热体均包括镀金铜散热体。
本发明的实施例提供了一种激光器管芯的封装结构，包括：激光器管芯、第一散热体和第二散热体，所述第二散热体具有一接触部；所述激光器管芯的两极分别经过渡热沉与所述第一散热体和所述接触部固定连接，其中，与所述接触部相焊接的所述过渡热沉，其与所述激光器管芯相接触的表面依次蒸镀有铟层和金层。
本发明的实施例还提供了一种激光器管芯的封装方法，该方法包括如下步骤：
(1)将激光器管芯p极放置在双面设置有焊料的过渡热沉一侧表面，使该表面的焊料所在区域与激光器管芯的中央部位重合，并将二者放置于第一散热体上，加热至焊料融化并降温，以使激光器管芯、过渡热沉和第一散热体牢固焊接形成一整体；
(2)用金线将激光器管芯p极与电极焊盘连结；
(3)制作第二散热体，第二散热体包括承载部和接触部，接触部凸设形成于承载部的一端；
(4)将第二散热体的接触部内侧表面依次蒸镀金属铟和金，或贴一片单面焊料的过渡热沉，过渡热沉的另一面先后蒸镀金属铟、金；
(5)将已焊为整体的激光器管芯、过渡热沉和第一散热体放置在第二散热体的承载体上，并使激光器管芯的n极与第二散热体接触部上镀有铟、金的一面相接触；
(6)将上述整体固定于散热夹具上，完成封装。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述过渡热沉与激光器管芯p极相接触的一面上，焊料在未溶化前的宽度小于激光器管芯的宽度。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述焊料至少选自金-锡、铜-锌、银-铜、锡-银-铜、金-镉和钎锡银中的任意一种。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述过渡热沉至少选自AlN陶瓷、石墨烯、碳纳米管、AlN-Cu-AlN混合热沉、金刚石、BN和SiC中的任意一种。
与现有技术相比，本发明实施方式的激光器管芯的封装结构，其能够增强激光器管芯的散热能力，确保激光器管芯具有高输出功率和具有高的可靠性。
本发明实施方式的激光器管芯的封装结构，在普通封装用的第一散热体(镀金铜块)下面放置具有一端凸起接触部的第二散热体(镀金铜过渡散热体)，并使第二散热体(镀金铜过渡散热体)的接触部侧壁与激光器管芯的n电极金属接触(接触部侧壁表面先后蒸镀金属铟和金)，增加了激光器管芯的另一散热通道，降低了激光器管芯的热阻，实现了p和n两面同时散热，具有更好的导热能力。
本发明实施方式的激光器管芯的封装结构，其氮化铝过渡热沉与激光器管芯相接触一侧的焊料(金锡焊料)的宽度小于激光器管芯的宽度，无需经过在激光器管芯刻蚀深槽这类复杂工艺来解决倒装时短路问题，简化了激光器管芯的工艺步骤，节约了工艺成本。
本发明实施方式的激光器管芯的封装方法，具有便于封装的优点，首先是将激光器管芯通过双面金锡的氮化铝过渡热沉倒装在镀有金的铜长方体(第一散热体)上，这一步利用贴片机就可顺利完成，其次是将已贴好激光器管芯的铜长方体用螺丝装配到第二散热体(镀金铜过渡散热体)上，最后固定在散热夹具上即完成封装。
附图说明
图1是本发明一实施方式的激光器管芯的封装结构的立体示意图；
图2是本发明一实施方式的激光器管芯的封装结构的立体示意图(省去散热夹具和第二散热体)；
图3是本发明一实施方式的激光器管芯的封装结构中激光器管芯的结构示意图；
图4是本发明一实施方式的激光器管芯的封装结构中第二散热体立体结构图。
图5是本发明一实施方式的激光器管芯的封装方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。
如图1和图2所示，本发明一实施方式提供了一种激光器管芯的封装结构，包括激光器管芯10、第一散热体20、第二散热体30以及散热夹具40。激光器管芯10的一极固定焊接于第一散热体20上。激光器管芯10的另一极固定焊接于第二散热体30上，同时第一散热体20与第二散热体30相接触。激光器管芯10、第一散热体20和第二散热体30形成一整体，共同固定于散热夹具40上。
如图3所示，激光器管芯10可以为GaN基激光器管芯，其由下至上依次包括n电极金属层101，n-GaN衬底层102，n-AlGaN下光限制层103，n-InGaN下波导层104，InGaN多量子阱有源区105，p-InGaN上波导层106，p-AlGaN上光限制层107，SiO2绝缘层108以及p电极金属层109。其中，p-AlGaN上光限制层107上刻有脊形台阶结构B，脊形台阶结构B长度方向沿GaN<11-20>方向，然后蒸镀二氧化硅绝缘膜，形成SiO2绝缘层108。在脊形台阶结构B区域光刻出p电极窗口，蒸镀p金属电极，形成p电极金属层109。激光器管芯10的宽度为[150-500μm]。
第一散热体20被构造成正方体结构，其中部贯穿开设有中心孔21，中心孔21用于承载锁紧螺钉。
如图4所示，第二散热体30包括承载部31以及接触部32，接触部32形成于承载部31的一端，以使第二散热体30大致呈现L形结构。接触部32的内表面依次蒸镀有铟层和金层；或者，接触部32的内表面焊接有过度热沉，该过渡热沉的另一侧表面依次蒸镀有铟层和金层。第二散热体30的承载部31上开设有两端呈半圆形的长条通孔311，可与中心孔21对应配合锁紧螺钉，将第一散热体20和第二散热体30一同固定于散热夹具40上。长条通孔311至接触部31的表面的距离比中心孔21至第一散热体20边缘的距离小[0.1-0.3mm]。
激光器管芯10的一侧面(一极)经设有双面焊料的过渡热沉50与第一散热体20固定连接，其另一侧面(另一极)与接触部32蒸镀有铟层和金层的表面，或者与接触部32上的焊料蒸镀有铟层和金层的一侧形成热接触。其中，过渡热沉50与激光器管芯10之间的焊料，其宽度比激光器管芯10的宽度小[10-50μm]。
在一具体实施例中，激光器管芯10经过渡热沉50与第一散热体20固定连接后形成一整体，整体配置于承载部31上，且激光器管芯10的另一侧面与接触部31的内侧表面或接触部31上的焊料的另一侧形成热接触。其中，焊料至少选自金-锡、铜-锌、银-铜、锡-银-铜、金-镉和钎锡银中的任意一种。过渡热沉50至少选自AlN陶瓷、石墨烯、碳纳米管、AlN-Cu-AlN混合热沉、金刚石、BN和SiC中的任意一种。第一散热体20与第二散热体30均包括镀金铜散热体。
参考图5所示，本发明的实施例还提供了一种激光器管芯的封装方法，该方法包括如下步骤：
(1)将激光器管芯10p极放置在双面设置有焊料的过渡热沉50一侧表面，使该表面的焊料所在区域与激光器管芯10的中央部位重合，并将二者放置于第一散热体20上，加热至焊料融化并降温，以使激光器管芯10、过渡热沉50和第一散热体20牢固焊接形成一整体；
(2)用金线将激光器管芯p极与电极焊盘60连结；
(3)制作第二散热体30，第二散热体30包括承载部31和接触部32，接触部32凸设形成于承载部31的一端；
(4)将第二散热体30的接触部32内侧表面依次蒸镀金属铟和金，或贴一片单面焊料的过渡热沉，过渡热沉的另一面先后蒸镀金属铟、金；
(5)将已焊为整体的激光器管芯10、过渡热沉50和第一散热体20放置在第二散热体30的承载体31上，并使激光器管芯10的n极与第二散热体30接触部32上镀有铟、金的一面相接触；
(6)将上述整体固定于散热夹具40上，完成封装。
其中，过渡热沉与激光器管芯p极相接触的一面上，焊料在未溶化前的宽度小于激光器管芯的宽度。焊料至少选自金-锡、铜-锌、银-铜、锡-银-铜、金-镉和钎锡银中的任意一种。过渡热沉50至少选自AlN陶瓷、石墨烯、碳纳米管、AlN-Cu-AlN混合热沉、金刚石、BN和SiC中的任意一种。第一散热体20与第二散热体30均包括镀金铜散热体。
实施例1：
为了进一步说明本发明的激光器封装结构和封装方法的效果，本实施例以工作波长为450nm的GaN基激光器的制备及封装为例进行详细阐述。
利用MOCVD方法或MBE或者其他生长GaN材料的设备在氮化镓衬底上生长出激光器器件结构。用反应离子刻蚀方法步刻出对称的脊形台阶结构B，脊形长条沿氮化镓的<11-20>方向，脊形宽度为45μm，脊形高度为0.45μm。蒸镀二氧化硅绝缘层108，在脊形区域开出窗口，窗口宽度为40μm，蒸镀欧姆接触电极金属镍20nm/金30nm并退火实现欧姆接触，蒸镀p电极金属钛50nm，金200nm。将衬底减薄至90μm，蒸镀n电极金属，钛20nm、铝30nm、钛30nm、金200nm。沿氮化镓的<11-20>面解理成腔长为1200μm的激光器巴条。在激光器巴条的前腔面蒸镀1对TiO2/SiO2反射膜，后腔面蒸镀5对TiO2/SiO2反射膜。将激光器巴条裂为激光器管芯10，管芯长度为1200μm，宽度为300μm，厚度为90μm。
用贴片机的吸嘴将上表面金锡焊料宽度为260μm的双面金锡氮化铝过渡热沉放置在6.9mm*6.4mm*2.4mm的镀金铜块热沉(第一散热体)的上表面的中线位置，其前端离边缘控制在100μm左右，再用吸嘴将激光器管芯p极面朝下，出光面朝前且使激光器管芯10探出氮化铝过渡热沉50边缘10μm放置，过渡热沉50与激光器管芯10以中心轴线重合放置，保证激光器管芯10两侧的每个边缘均在金锡焊料边缘外10μm以上，吸嘴压力设置为0.2N，加热至350℃，保温15s，再降温至60℃，取下。
将镀金铜过渡散热体(第二散热体30)的接触部内表面A面蒸镀6μm的铟，然后再蒸镀100nm的金。将已贴好激光器管芯10的镀金铜块(第一散热体20)，放置到镀金铜过渡散热体(第二散热体30)之上，有激光器管芯10的一面与镀金铜过渡散热体(第二散热体30)的A面靠近，且激光器管芯10的出光面朝上，用弹性较好的金属片向A面方向顶紧镀金铜块(第一散热体20)，使氮化镓基激光器管芯10的n电极金属和镀金铜过渡散热体(第二散热体30)蒸镀铟和金的内侧壁表面紧密接触，并用螺丝将二者一起固定在散热夹具40上，完成激光器管芯10的封装。
实验结果显示，该封装结构的脊形宽度为45微米的氮化镓蓝光激光器的热阻仅为5.7/W，通6.0A电流时的激光器的光功率达到7.5W，这组数据表明了，这种封装结构的激光器，其散热能力更佳。
与现有技术相比，本发明实施方式的激光器管芯的封装结构，其能够增强激光器管芯的散热能力，确保激光器管芯具有高输出功率和具有高的可靠性。
本发明实施方式的激光器管芯的封装结构，在普通封装用的第一散热体(镀金铜块)下面放置具有一端凸起接触部的第二散热体(镀金铜过渡散热体)，并使第二散热体(镀金铜过渡散热体)的接触部侧壁与激光器管芯的n电极金属接触(接触部侧壁表面先后蒸镀金属铟和金)，增加了激光器管芯的另一散热通道，降低了激光器管芯的热阻，实现了p和n两面同时散热，具有更好的导热能力。
本发明实施方式的激光器管芯的封装结构，其氮化铝过渡热沉与激光器管芯相接触一侧的焊料(金锡焊料)的宽度小于激光器管芯的宽度，无需经过在激光器管芯刻蚀深槽这类复杂工艺来解决倒装时短路问题，简化了激光器管芯的工艺步骤，节约了工艺成本。
本发明实施方式的激光器管芯的封装方法，具有便于封装的优点，首先是将激光器管芯通过双面金锡的氮化铝过渡热沉倒装在镀有金的铜长方体(第一散热体)上，这一步利用贴片机就可顺利完成，其次是将已贴好激光器管芯的铜长方体用螺丝装配到第二散热体(镀金铜过渡散热体)上，最后固定在散热夹具上即完成封装。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。
Claims (10)
1.一种激光器管芯的封装结构，其特征在于，包括：激光器管芯、第一散热体和第二散热体，所述第二散热体具有一接触部，所述接触部的表面依次蒸镀有铟层和金层；所述激光器管芯的一侧面经过渡热沉与所述第一散热体固定连接，其另一侧面与所述接触部蒸镀有铟层和金层的表面形成热接触。
2.如权利要求1所述的激光器管芯的封装结构，其特征在于，所述第二散热体还具有一承载部，所述接触部形成于所述承载部一端，所述铟层和金层蒸镀于所述接触部相对于所述承载部的内侧表面。
3.如权利要求2所述的激光器管芯的封装结构，其特征在于，所述激光器管芯经所述过渡热沉与所述第一散热体固定连接后形成一整体，所述整体配置于所述承载部上，且所述激光器管芯的另一侧面与所述接触部的内侧表面形成热接触。
4.如权利要求2所述的激光器管芯的封装结构，其特征在于，所述第一散热体上贯穿开设有中心孔，所述承载部上开设有两端呈半圆形的长条通孔，所述长条通孔至所述接触部蒸镀有铟层和金层的表面的距离比所述中心孔至所述第一散热体边缘的距离小0.1mm-0.3mm。
5.如权利要求1所述的激光器管芯的封装结构，其特征在于，所述过渡热沉与所述激光器管芯和所述第一散热体之间分别通过焊料焊接，其中，所述过渡热沉与所述激光器管芯之间的焊料，其宽度比所述激光器管芯的宽度小10μm-50μm。
6.如权利要求5所述的激光器管芯的封装结构，其特征在于，所述焊料至少选自金-锡、铜-锌、银-铜、锡-银-铜、金-镉和钎锡银中的任意一种。
7.如权利要求1所述的激光器管芯的封装结构，其特征在于，所述过渡热沉至少选自AlN陶瓷、石墨烯、碳纳米管、AlN-Cu-AlN混合热沉、金刚石、BN和SiC中的任意一种；和/或，
所述第一散热体与所述第二散热体均包括镀金铜散热体。
8.一种激光器管芯的封装结构，其特征在于，包括：激光器管芯、第一散热体和第二散热体，所述第二散热体具有一接触部；所述激光器管芯的两极分别经过渡热沉与所述第一散热体和所述接触部固定连接，其中，与所述接触部相焊接的所述过渡热沉，其与所述激光器管芯相接触的表面依次蒸镀有铟层和金层。
9.一种激光器管芯的封装方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
(1)将激光器管芯p极放置在双面设置有焊料的过渡热沉一侧表面，使该表面的焊料所在区域与激光器管芯的中央部位重合，并将二者放置于第一散热体上，加热至焊料融化并降温，以使激光器管芯、过渡热沉和第一散热体牢固焊接形成一整体；
(2)用金线将激光器管芯p极与电极焊盘连结；
(3)制作第二散热体，第二散热体包括承载部和接触部，接触部凸设形成于承载部的一端；
(4)将第二散热体的接触部内侧表面依次蒸镀金属铟和金，或贴一片单面焊料的过渡热沉，过渡热沉的另一面先后蒸镀金属铟、金；
(5)将已焊为整体的激光器管芯、过渡热沉和第一散热体放置在第二散热体的承载体上，并使激光器管芯的n极与第二散热体接触部上镀有铟、金的一面相接触；
(6)将上述整体固定于散热夹具上，完成封装。
10.如权利要求9所述的激光器管芯的封装方法，其特征在于，所述过渡热沉与激光器管芯p极相接触的一面上，焊料在未溶化前的宽度小于激光器管芯的宽度。
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| CN102290704A (zh) * | 2011-08-02 | 2011-12-21 | 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 | 半导体激光器to封装结构及方法 |
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