CN114268017A - 激光器结构元件和用于制造激光器结构元件的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种激光器结构元件，所述激光器结构元件具有空腔衬底(10)、具有盖件衬底(20)并且具有激光器(50)，所述空腔衬底在第一侧上具有空腔(15)和至少一个印制导线(40)，所述盖件衬底在内侧上借助连接器件与所述空腔衬底在所述空腔衬底的第一侧上连接并且封闭所述空腔，所述激光器布置在所述空腔中，其中，所述激光器与所述印制导线导电地连接并且紧固在所述印制导线上。本发明还涉及一种用于制造激光器结构元件的方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种激光器结构元件和一种用于制造激光器结构元件的方法
背景技术
对于增强现现实眼镜等新型投影应用需要光源，所述光源具有特别小的结构尺寸并且能够实现非常紧凑的、成本有利的和灵活的构造方案。例如，这能够是激光二极管。但是，必须保护这种激光器结构元件免受环境影响、尤其是氧气影响。通常，激光器构造在TO金属壳体中，然而，TO金属壳体非常大。借助半导体工业中的经微机械加工的晶圆实现的气密地(hermetisch)密封的封装能够实现进一步的小型化。
由US2015003482A、DE 10 2015 108 117 A1、DE 10 2015 208 704 A1已知具有微机械封装的激光器结构元件。
发明内容
本发明的任务在于提供一种具有简单的、密封的封装的稳健的激光器结构元件。
本发明的优点
核心
本发明涉及一种激光器结构元件，所述激光器结构元件具有空腔衬底(10)、具有盖件衬底(20)并且具有激光器(50)，所述空腔衬底在第一侧上具有空腔
(15)和至少一个印制导线(Leiterbahn)(40)，所述盖件衬底在内侧上借助连接器件与所述空腔衬底在所述空腔衬底的第一侧上连接并且封闭所述空腔，所述激光器布置在所述空腔中，其中，所述激光器与所述印制导线导电地连接并且紧固在所述印制导线上。
有利地，该布置将激光器的紧固与激光器的电接通结合。有利地，该布置不需要键合线并且因此能够实现特别稳健且紧凑的结构形式。有利地，空腔衬底和盖件衬底能够直接地、即无间隔保持件(Abstandshalter)地键合在一起。由此，只需要一个密封的键合连接。
激光器结构元件的一种有利的构型方案包括气密的封装、印制导线、激光器和透明的盖件衬底，该气密的封装由空腔衬底组成，该空腔衬底具有构造在其中的空腔，其中，侧壁中的至少一个侧壁倾斜地构造，所述印制导线从衬底的外表面通过倾斜的侧壁引导到空腔的底部上，所述激光器与所述印制导线电连接，所述透明的盖件衬底与空腔衬底的外表面通过键合连接气密地密封地连接。
盖件衬底能够在腔区域之外具有导通孔(Durchkontakt)，所述导通孔与通到腔(Kaverne)中的印制导线导电地连接。
替代地，空腔衬底能够在盖件衬底之外的无重叠的区域中具有引线键合焊盘。
盖件衬底能够具有光阑(optische Apertur)或者压印透镜等光学元件。
激光器能够由陶瓷衬底上的激光器芯片组成，其中，陶瓷衬底(例如由氮化铝制成)例如通过导通孔和焊接连接与腔中的印制导线连接。
激光器芯片能够涉及边缘发射激光器或者垂直发射的激光器。
替代单个激光器地，在空腔中能够放置有多个激光器，所述多个激光器还具有不同的发射波长。
腔壁中的一个腔壁能够具有优选倾斜的、用于使光偏转的镜面，或者尤其在与边缘发射激光器芯片结合的情况下能够具有透明的逸出窗口。
有利地，铜锡合金(CuSn)、金锡合金(AuSn)或者反应性多层键合材料系统(例如镍/铝、钛/铝、镍/硅、钽/硅、钛/硅)用作盖件衬底与空腔衬底之间的键合连接。所述键合材料系统能够实现在低于250…300℃的温度下进行键合，这对于激光器的可靠性而言是必要的，激光器在再加工时不耐高温。
本发明还涉及一种用于制造激光器结构元件的方法。
有利地，该方法只需要一个气密的键合连接，并且因此只需要一个键合的方法步骤。借助根据本发明的方法制造的激光器结构元件能够以倒装芯片布置(Flip-ChipAnordnung)的方式进行装配，即以盖件衬底指向装配面的方式进行装配。有利地，该方法能够实现其他方法步骤的集成，例如在空腔中构造镜面或者光学窗口。
附图说明
图1示出第一实施例中的根据本发明的激光器结构元件，其具有穿过盖件衬底的导通孔。
图2示出第二实施例中的根据本发明的激光器结构元件，其具有在空腔衬底上的裸露的外部的接通部。
图3示出用于制造激光器结构元件的方法。
具体实施方式
激光器结构元件
由于激光器结构元件的高的光学功率密度，必须在运行时保护激光器结构元件免受氧气的影响。这通过气密地密封的晶圆级(WL)封装和定义的无氧的键合环境
来实现。对于激光器结构元件的可靠性而言有利的是，能够通过尽可能少的键合连接来构成气密的密封。
图1示出第一实施例中的根据本发明的激光器结构元件，其具有穿过盖件衬底的导通孔。激光器结构元件包括空腔衬底10以及盖件衬底20，该空腔衬底在第一侧上具有空腔15和至少一个印制导线40，该盖件衬底在内侧上借助密封的键合连接130与空腔衬底在该空腔衬底的第一侧上连接并且封闭该空腔。在空腔中布置有激光器50，其中，激光器芯片与印制导线通过布线衬底60(例如氮化铝陶瓷)导电地连接并且紧固在印制导线上。激光器结构元件具有光学射束路径55，该光学射束路径使光能够从结构元件中逸出。
空腔衬底10与构造在其中的空腔一起构成用于激光器芯片的容纳部。空腔的倾斜的侧壁能够实现在第一侧上将印制导线从衬底的外表面引导到空腔的底部(Boden)上。接触面位于底部上，一个或者多个激光器结构元件通过焊点连接或者引线键合连接与所述接触面电接通。为此，布线衬底60布置在印制导线与激光器之间。透明的盖件衬底20气密地向外密封空腔15，该盖件衬底在空腔衬底的第一侧上通过键合连接130与空腔衬底的外表面连接。印制导线40与空腔衬底10之间布置有电绝缘层30。
在该示例中，盖件衬底20在腔区域之外具有导通孔110，所述导通孔与通到腔中的印制导线导电地连接。通过这种方式能够构成外部的接通部，所述外部的接通部凸出到盖件衬底上方。在此，为此布置有焊球120。因此，激光器结构元件能够以颠倒(kopfüber)(“倒装芯片(Flipchip)”)的方式装配，使得该激光器结构元件沿装配方向发射光(“底部发射器(bottom emitter)”)。为此，盖件衬底有利地由具有导通孔110(所谓的玻璃通孔，ThroughGlass Vias)的玻璃晶圆形成。这具有如下优点：引线的RC常数低于在引导穿过空腔衬底时的RC常数，通常将硅用于该空腔衬底。
能够列举为激光器结构元件的另一个优点的是，能够整面地接通空腔衬底的背侧用于散热措施，这最终有利于激光器结构元件的可靠性。
在一种替代的实施方式中，代替焊球120地，能够布置有引线键合(Drahtbond)。
图2示出第二实施例中的根据本发明的激光器结构元件，其具有在空腔衬底上的裸露的外接通部。
替代第一实施例地，空腔衬底在盖件衬底之外的无重叠的区域中具有引线键合焊盘。
在这种实施变型中，优选通过引线键合实现接通，然而同样能够设想借助焊球的颠倒接通
盖件衬底能够具有光阑80、抗反射涂层90或者压印透镜等光学元件。由此能够改进结构元件的射束质量并且能够抑制不期望的、不定向的散射。
激光器芯片能够构造在(例如由氮化铝陶瓷制成的)布线衬底60上，于是该布线衬底与腔中的印制导线连接，例如通过导通孔和焊接连接。这种方式能够实现在安装到空腔中之前对布线衬底上的激光器进行功能检查，并且保证只有功能性激光器被封装。
激光器芯片能够涉及边缘发射激光器或者垂直发射激光器。替代单个激光器地，在空腔中能够放置有多个激光器，其中，在同一空腔中两种激光器类型——边缘发射EEL(边缘发射激光器，edge emitting laser)和垂直发射VCSEL(垂直空腔表面发射激光器，vertical cavity surface emitting laser)——的组合也是可能的。不同激光器的组合能够实现例如用于彩色投影的紧凑的RGB(IR)激光器结构元件。
腔壁中的一个腔壁具有优选倾斜的镜面70，用以使光偏转。替代地，腔壁能够设置为透明的逸出窗口。这尤其在与边缘发射激光器芯片结合的情况下是有意义的。借助该镜面或逸出窗口能够进行发射方向的选择。
铜锡合金(CuSn)、金锡合金(AuSn)或者反应性多层键合材料系统(例如镍/铝、钛/铝、镍/硅、钽/硅、钛/硅)用作盖件衬底与空腔衬底之间的键合连接130。所述键合材料系统能够实现在低于250…300℃的情况下进行键合，这对于激光器的可靠性而言是必要的，激光器在再加工时不耐高温。
制造方法
图3示出用于制造激光器结构元件的方法。在步骤(A)中，提供空腔衬底和盖件衬底。在该方法的一种构型方案中，单晶硅晶圆被提供作为空腔衬底，玻璃晶圆被提供作为盖件衬底。然后，在晶圆层上执行该制造方法。在步骤(B)中，在第一侧上在空腔衬底中开设空腔。这例如通过蚀刻或者也通过机械钻孔或者也通过激光钻孔来实现。在步骤(C)中，在空腔衬底的第一侧上的表面上构造绝缘层、例如由二氧化硅构成的绝缘层。例如能够沉积电绝缘层或者绝缘层。但是也能够通过尤其是在硅晶圆上通过热氧化来产生电绝缘层或者绝缘层。在步骤(D)中，在绝缘层上构造印制导线、例如由铜、镍或者金制成的印制导线。这尤其能够通过气相喷镀(Aufdampfen)实现。在一个实施例中，如此布置印制导线，使得所述印制导线从空腔的底部上的第一区域延伸直至空腔衬底的第一侧上的、空腔之外的第二区域。在步骤(E)中，例如通过在T<300℃的情况下焊接到印制导线上的方式将激光器装配在空腔中。但是，也可以考虑借助传导黏合剂的粘贴或者其他装配方法，所述其他装配方法一方面将激光器机械地紧固在空腔衬底上、另一方面使激光器与印制导线电接触。在步骤(F)中，将盖件衬底键合到空腔衬底上。这例如通过SLID键合(英语：solid liquidinterdiffusion bonding，固液相互扩散键合)或者通过反应性键合、例如具有集成式反应性多层系统的反应性键合(iRMS键合)来实现。该方法还能够增加其他步骤。如此，例如能够在步骤(B)之后和在步骤(E)之前将镜层施加到腔的壁上。在步骤(A)中能够提供具有安装在盖件衬底中的导通孔的盖件衬底。
在步骤(F)之后在步骤(G)中能够将焊球或者引线键合施加到外部的接通部上，所述外部的接通部与印制导线导电地连接。
在步骤(F)之后且尤其是在步骤(G)之后能够将连接的晶圆例如借助锯切分解为单个的激光器结构元件。
附图标记列表
10 空腔衬底
15 空腔
20 盖件衬底
30 绝缘层
40 印制导线
50 激光器
55 射束路径
60 布线衬底
70 镜面
80 光阑(Blende)
90 抗反射涂层(ARC)
100 连接区域
110 导通孔(via)
120 焊球
130 气密的键合连接
Claims (14)
1.一种激光器结构元件，
具有空腔衬底(10)，所述空腔衬底在第一侧上具有空腔(15)和至少一个印制导线(40)，
具有盖件衬底(20)，所述盖件衬底在内侧上借助连接器件与所述空腔衬底在所述空腔衬底的第一侧上连接并且封闭所述空腔，
具有激光器(50)，所述激光器布置在所述空腔中，其中，所述激光器与所述印制导线导电地连接并且紧固在所述印制导线上。
2.根据权利要求1所述的激光器结构元件，其特征在于，所述盖件衬底(20)布置在所述激光器(50)的射束路径(55)中并且设置用于传输来自于所述激光器的光辐射。
3.根据权利要求1或2所述的激光器结构元件，其特征在于，所述激光器(50)借助布线衬底(60)与所述印制导线(40)导电地连接并且紧固在所述印制导线上。
4.根据上述权利要求1至3中任一项所述的激光器结构元件，其特征在于，所述空腔衬底(10)在所述第一侧上具有绝缘层(30)，所述绝缘层至少布置在所述印制导线(40)与所述空腔衬底之间。
5.根据上述权利要求1至4中任一项所述的激光器结构元件，其特征在于，所述空腔(15)的壁在所述空腔衬底(10)的第一侧上如此设置为所述激光器(50)的射束路径(55)中的镜面(70)，使得来自于所述激光器的光辐射能够反射至所述盖件衬底(20)。
6.根据上述权利要求1至5中任一项所述的激光器结构元件，其特征在于，所述盖件衬底(20)在所述内侧上具有涂层，所述涂层构型为用于来自于所述激光器的光辐射的光阑(80)。
7.根据上述权利要求1、3或4中任一项所述的激光器结构元件，其特征在于，所述空腔(15)的壁在所述空腔衬底(10)的第一侧上如此设置为所述激光器的射束路径中的窗口，使得来自于所述激光器(50)的光辐射能够向外穿过所述空腔衬底。
8.根据上述权利要求1至7中任一项所述的激光器结构元件，其特征在于，所述盖件衬底(20)的至少一个表面在所述激光器(50)的射束路径中具有抗反射涂层(90)。
9.根据上述权利要求1至8中任一项所述的激光器结构元件，其特征在于，在所述空腔衬底(10)的第一侧上在所述盖件衬底(20)的旁边构造有至少一个外部的电接通部，所述外部的电接通部与所述印制导线(40)电接通。
10.根据权利要求9所述的激光器结构元件，其特征在于，相比于所述盖件衬底，所述外部的电接通部在所述空腔衬底的第一侧的上突出得更高，并且所述外部的电接通部尤其具有焊球(120)或者引线键合。
11.根据上述权利要求1至8中任一项所述的激光器结构元件，其特征在于，所述盖件衬底(20)具有从所述内侧到相对置的外侧的导通孔(110)，其中，所述导通孔在所述内侧上与所述印制导线(40)电接通，并且在所述外侧上具有外部的电接通部、尤其是焊球(120)或者引线键合。
12.一种用于制造激光器结构元件的方法，所述方法具有步骤：
(A)提供空腔衬底和盖件衬底；
(B)在第一侧上在空腔衬底中开设空腔；
(C)在所述空腔衬底的第一侧上的表面上构造绝缘层；
(D)在所述绝缘层上构造印制导线、尤其是由铜、镍或者金制成的印制导线；
(E)例如通过焊接和电接通在所述印制导线上的方式将所述激光器装配在所述空腔中；
(F)尤其是借助SLID键合或者iRMS键合将所述盖件衬底键合到所述空腔衬底上。
13.根据权利要求12所述的用于制造激光器结构元件的方法，其特征在于，在步骤(B)之后和在步骤(E)之前在所述空腔的侧壁上构造镜面。
14.根据权利要求12所述的用于制造激光器结构元件的方法，其特征在于，在步骤(F)之后在步骤(G)中将焊球或者引线键合施加到外部的接通部上，所述外部的接通部与所述印制导线导电地连接。
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