CN117154530B - 大功率vcsel激光器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种大功率VCSEL激光器及其制作方法，属于激光器件封装技术领域。其中，激光器包括：支撑基板，具有相对设置的第一表面与第二表面；第一线路层，设置于第一表面上；第二线路层，设置于第二表面上；导通柱，穿设于支撑基板上，且导通柱的两端分别与第一线路层以及第二线路层电连接；VCSEL芯片，设置于第一线路层上；其中，第一线路层与第二线路层的材质为铜碳复合材料。本发明将铜碳复合材料形成第一线路层与第二线路层的支架结构，该支架结构与VCSEL芯片、支撑基板的线热膨胀系数相匹配，以使得在将扩散器连接于激光器上时，VCSEL芯片顶部的扩散器不易断裂。
Description
技术领域
本发明属于激光器件封装技术领域，具体涉及一种大功率VCSEL激光器及其制作方法。
背景技术
垂直腔面发射激光器（Vertical Cavity Surface-emitting Lasers, VCSEL）由于具有光束质量好、单纵模、低阈值、易于实现片上测试、生产成本低等特点，已在数据传输、传感、光互连、激光打印、光信号处理等领域得到了日益广泛的应用。其中，应用于汽车领域的1 mm2垂直腔面发射激光器芯片顶部的扩散器，无法满足汽车TS16949:2009规范的标准，该标准测试温度从-40℃上升到150℃，然后再从150℃上升到260℃为一个循环，在100次循环中，容易出现VCSEL芯片顶部的扩散器断裂问题。
针对VCSEL芯片顶部的扩散器断裂问题，目前采用通过更换基底支撑材料从而使得芯片与铜焊盘支架结构、铜焊盘支架结构与基底支撑材料之间产生更小的应变，进而减少芯片顶部扩散器的形变，一定程度上可降低扩散器断裂问题。然而此方法操作繁琐，且铜焊盘的受热膨胀系数（1.8 × 10-5）远大于其上部的VCSEL芯片（5.7 × 10-6）和下部的基底支撑材料的热膨胀系数（4.5 × 10-6），其抗冷热冲击性能较差，在-40℃上升到150℃、且从150℃上升到260℃的循环冷热冲击下，铜会有大量残余应力产生，以至于在应变过程中1mm2VCSEL芯片顶部的扩散器仍存在断裂风险，无法满足TS16949:2009规范的测试需求。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种大功率VCSEL激光器及其制作方法。
本发明的一方面，提出一种大功率VCSEL激光器，包括：
支撑基板，具有相对设置的第一表面与第二表面；
第一线路层，设置于所述第一表面上；
第二线路层，设置于所述第二表面上；
VCSEL芯片，设置于所述第一线路层上；其中，
所述第一线路层与所述第二线路层均采用铜碳复合材料。
可选地，所述铜碳复合材料包括铜与碳材料；其中，
所述碳材料为石墨、石墨烯、石墨烯纳米管、石墨炔、多壁碳纳米管、C60、活性炭、碳纤维、炭黑、玻璃碳、多孔炭材料、碳纳米球中的任一者。
可选地，所述支撑基板上设置有贯穿其厚度的导通柱，所述导通柱的两端分别与所述第一线路层、所述第二线路层电连接。
可选地，所述第一线路层与所述第二线路层的厚度范围为100-200μm。
可选地，所述支撑基板上还设置有至少一个应力释放孔。
可选地，所述支撑基板上还设置有机器识别标记和/或切割标记。
本发明的另一方面，提出一种制作前文记载的所述大功率VCSEL激光器的方法，所述方法包括：
在支撑基板上形成金属层；
对所述金属层图形化，以在所述支撑基板的第一表面、第二表面上分别形成第一特征图案、第二特征图案；
电镀或电沉积所述第一特征图案和所述第二特征图案，分别形成第一线路层与第二线路层；
将VCSEL芯片连接于所述第一线路层上。
可选地，所述电镀或电沉积所述第一特征图案和第二特征图案，分别形成第一线路层与第二线路层，包括：
以碳材料-添加剂-含铜溶液为电镀液，带有第一特征图案和所述第二特征图案的支撑基板作为阴极，铜棒或铜片作为阳极，通过电化学沉积在支撑基板的第一表面、第二表面上分别形成第一线路层、第二线路层。
可选地，所述含铜溶液为硫酸铜溶液、氯化铜溶液、硝酸铜溶液中任一者。
可选地，所述添加剂为硫酸、盐酸、硝酸、氯化钠、氯化钾、润湿剂、光亮剂、整平剂中的至少一者。
本发明提出一种大功率VCSEL激光器及其制作方法，大功率激光器包括：支撑基板，具有相对设置的第一表面与第二表面；第一线路层，设置于所述第一表面上；第二线路层，设置于所述第二表面上；导通柱，穿设于所述支撑基板上，且所述导通柱的两端分别与所述第一线路层以及所述第二线路层电连接；VCSEL芯片，设置于所述第一线路层上；其中，所述第一线路层与所述第二线路层的材质为铜碳复合材料。本发明利用铜碳复合材料形成第一线路层与第二线路层的支架结构，该支架结构与VCSEL芯片、支撑基板的线热膨胀系数相匹配，以使得在将扩散器连接于激光器上时，VCSEL芯片顶部的扩散器不易断裂。
附图说明
图1为本发明一实施例的大功率VCSEL激光器的立体结构图；
图2为本发明另一实施例的大功率VCSEL激光器的侧视图；
图3为本发明另一实施例的第一线路层的示意图；
图4为本发明另一实施例的第二线路层的示意图；
图5为本发明另一实施例的大功率VCSEL激光器的制作方法流程框图；
图6为本发明实施例1中10mA/cm2电流密度下的石墨烯的铜碳复合材料表面形貌；
图7为本发明实施例1中20mA/cm2电流密度下的石墨烯的铜碳复合材料表面形貌；
图8为本发明实施例1中30mA/cm2电流密度下的石墨烯的铜碳复合材料表面形貌。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。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。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护范围。
除非另外具体说明，本发明中使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“包括”或者“包含”等既不限定所提及的形状、数字、步骤、动作、操作、构件和/或它们的组，也不排除出现或加入一个或多个其他不同的形状、数字、步骤、动作、操作、构件和/或它们的组。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示技术特征的数量与顺序。
在本发明的一些描述中，除非另有明确的规定和限定，术语 “连接”、“相连”或者“固定”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是通过中间媒体间接连接，可以是两个元件内部的连通或者两个元件的互相作用关系。以及，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”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，仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
如图1和图2所示，本发明的一方面，提出一种大功率VCSEL激光器100，包括：支撑基板110、第一线路层120、第二线路层130、VCSEL芯片140；其中，支撑基板110具有相对设置的第一表面与第二表面，第一线路层120设置于支撑基板110的第一表面；第二线路层130设置于支撑基板110的第二表面，VCSEL芯片140，设置于第一线路层120上；其中，第一线路层120与第二线路层130均采用铜碳复合材料。
在本实施方式中，通过在现有的铜焊盘支架结构中添加热膨胀系数为负数的碳材料，形成包括有第一线路层与第二线路层的支架结构，该支架结构与VCSEL芯片和支撑基板的线热膨胀系数相匹配，且铜碳复合材料具有更好的抗冷热冲击性能，满足大功率激光器（例如，1mm2VCSEL激光器）产生更高的能量要求，在将扩散器连接于激光器上时，可防止扩散器出现变形，有效解决在循环冷热冲击下扩散器发生断裂的问题；同时，采用该铜碳复合材料形成线路层的载流性和导电性要优于铜焊盘线路层。
需要说明的是，铜碳复合材料的线热膨胀系数为5.0 × 10-6，VCSEL芯片的材质为砷化镓，其线热膨胀系数为5.7 × 10-6，支撑基板的材质为氮化铝，其线热膨胀系数为4.5× 10-6，由此，由第一线路层和第二线路层组成的支架结构与VCSEL芯片、支撑基板的线热膨胀系数相匹配。
进一步需要说明的是，上述碳材料包括但不限于石墨、石墨烯、石墨烯纳米管、石墨炔、多壁碳纳米管、C60、活性炭、碳纤维、炭黑、玻璃碳、多孔炭材料、碳纳米球，可以根据实际需要进行选择，对此不作具体限定。
更进一步地，在本实施方式中，结合图1和图2所示，第一线路层120与第二线路层130形成支架结构，用于支撑VCSEL芯片140，在VCSEL芯片140的上方连接扩散器200，这样，VCSEL芯片140发出的光经过扩散器200后射出。
需要说明的是，在本实施方式中，上述第一线路层与第二线路层的厚度范围为100-200μm，该厚度可根据需要承受的力来设计，VCSEL芯片为1mm2VCSEL芯片，以形成大功率激光器。
更进一步地，如图1至图3所示，在本实施方式中，第一线路层120包括有两个间隔设置的第一焊盘，VCSEL芯片140跨接在两个第一焊盘上方，VCSEL芯片140的正极引脚与其中一个第一焊盘，VCSEL芯片140的负极引脚与另外一个第一焊盘连接，两个第一焊盘能够为VCSEL芯片140供电。
需要说明的是，上述两个第一焊盘与VCSEL芯片之间可以通过胶粘的方式连接，例如，VCSEL芯片与第一焊盘之间通过导电胶连接(包括但不限于银胶)。
进一步需要说明的是，上述两个第一焊盘的厚度及尺寸相同，例如，长方形形状，然而，本实施方式并不限于此，例如，两个第一焊盘还可以具有大小和厚度相同的正方形形状，当然，还可以为其他形状。
更进一步地，如图1、图2和图4所示，在本实施方式中，第二线路层130包括有三个间隔设置的第二焊盘。
需要说明的是，上述三个第二焊盘的厚度及尺寸可以相同，也可以不同，例如，中间的第二焊盘宽度大于两侧的两个第二焊盘，这样，中间第二焊盘两侧与两个第一焊盘的其中一侧相重叠，两侧的两个第二焊盘与两个第一焊盘的另外一侧相重叠，以通过导通柱实现电连接。
更进一步地，在本实施方式中，支撑基板上穿设有导通柱，该导通柱的两端分别与第一线路层、第二线路层电连接，以实现上下线路层的导通。
更进一步地，在本实施方式中，支撑基板上还设置有至少一个应力释放孔，通过释放应力使得支撑基板与扩散器等结构的线热膨胀系数相适应，避免扩散器裂开。
需要说明的是，上述应力释放孔应当设置在支撑基板上除第一线路层、第二线路层所覆盖之外的其他区域，例如，设置在焊盘之间的区域，也可以设置在焊盘之外的其他区域等，对此不作具体限定。
更进一步地，在本实施方式中，支撑基板上还设置有机器识别标记和/或切割标记。也就是说，可以在支撑基板上设置有机器识别标记，还可以在支撑基板上设置有切割标记，当然，还可以在支撑基板上同时设置机器识别标记和切割标记，以便于机器识别和切割。
需要说明的是，上述机器识别标记和/或切割标记同样应当设置在支撑基板上除第一线路层、第二线路层所覆盖之外的其他区域，例如，设置在焊盘之间的区域，也可以设置在焊盘之外的其他区域等，对此不作具体限定。
进一步需要说明的是，在本实施方式中，对于支撑基板的材质不作具体限定，例如，支撑基板可以采用绝缘导热型环氧树脂复合材料，当然，也可以采用陶瓷类材料，例如，AlN等，可以根据应用器件具体选择。
仍需要说明的是，在本实施方式中，对于支撑基板的第一表面、第二表面不作具体限定，例如，第一表面为支撑基板的上表面，第一线路层为上线路层，第二表面为支撑基板的下表面，第二线路层为下线路层。
本发明提供的应用于汽车领域的1 mm2垂直腔面发射激光器（VCSEL）芯片顶部的扩散器可以满足汽车TS16949:2009规范的标准，在500小时循环测试中，未发生扩散器断裂问题。
如图5所示，本发明的另一方面，提出一种制作大功率VCSEL激光器的方法S200，包括步骤S210～S240：
S210、在支撑基板上施加金属磁控溅射，形成厚度为1.5-2.0μm的金属层。
S220、对金属层图形化，以在支撑基板的第一表面、第二表面上分别形成第一特征图案、第二特征图案。
具体地，在金属层上贴压干膜，经曝光显影，在支撑基板的第一表面形成第一特征图案，如图3所示，在支撑基板的第二表面形成第二特征图案，如图4所示。
需要说明的是，上述第一特征图案对应于第一线路层中两个第一焊盘的电镀图案，上述第二特征图像对应于第二线路层中三个第二焊盘的电镀图案。
S230、电镀或电沉积第一特征图案和第二特征图案，在支撑基板上分别形成第一线路层与第二线路层。
具体地，在电沉积之前，需要先对金属层预处理，例如，将支撑基板在丙酮中超声波清洗，并在一定温度与浓度的硫酸条件下超声清洗，并用去离子水冲洗，去除其表面氧化层。之后，将带有第一特征图案、第二特征图案的支撑基板作为阴极，铜棒作为阳极，碳材料-添加剂-含铜溶液作为电镀液，通过电镀在支撑基板的第一表面、第二表面上分别形成第一线路层、第二线路层。
应当理解的是，在支撑基板的第一表面、第二表面形成第一线路层、第二线路层时，还在支撑基板上同步形成有导通柱，也就是说，上述第一特征图案包括有第一线路层与导通柱的电镀图案，第二特征图案包括有第二线路层与导通柱的电镀图案。
需要说明的是，在对支撑基板磁控溅射形成金属层之前，应当在支撑基板上形成有贯穿其厚度的导通孔，之后，通过磁控溅射在支撑基板的第一表面、第二表面以及导通孔内壁上均形成有金属层，对金属层图形化后形成第一特征图案与第二特征图案，通过电镀使铜碳复合材料填充于支撑基板上的导通孔，形成导通柱，通过该导通柱将第一线路层与第二线路层导通，之后，移除不在第一特征图案和第二特征图案的磁控溅射金属。
在一些优选实施例中，电镀液中的碳材料包括但不限于石墨、石墨烯、石墨烯纳米管、石墨炔、多壁碳纳米管、C60、活性炭、碳纤维、炭黑、玻璃碳、多孔炭材料、碳纳米球，可以根据实际需要进行选择，对此不作具体限定。
在另一些优选实施例中，电镀液中的含铜电镀液包括但不限于硫酸铜溶液、氯化铜溶液、硝酸铜溶液。
在另一些优选实施例中，电镀液中的添加剂包括但不限于硫酸、盐酸、硝酸、氯化钠、氯化钾、润湿剂、光亮剂、整平剂，可以根据碳材料进行选择。
作为进一步地优选方案，润湿剂可以为聚乙二醇，聚丙二醇，十二醇硫酸醋钠，2-乙基已醇硫酸醋钠，2-乙基已醇硫酸醋钠，磷酸双酯钠盐中的任一者或多者。
作为进一步地优选方案，光亮剂为十六烷基三甲基甜菜碱，聚二硫二丙烷磺酸，3-巯基丙烷磺酸钠，聚氧乙烯十二醇醚，丙烯磺酸钠中的任一者或多者。
作为进一步地优选方案，整平剂为烟鲁绿，聚丙烯酸，聚乙烯吡咯烷酮，聚苯乙烯，聚乙烯醇，二嗪黑中的任一者或多者。
S240、将VCSEL芯片连接于第一线路层上。
需要说明的是，在本实施方式中，VCSEL芯片可通过胶粘的方式连接在第一线路层上，例如，采用导电胶将VCSEL芯片粘贴于第一线路层上，封装形成激光器。
进一步地，将扩散器安装在封装后的激光器上，例如，采用胶粘的方式将扩散器连接于VCSEL芯片上。
在本实施方式中，通过在电镀液中添加具有负热膨胀系数的碳材料，采用电镀或电沉积的方法在支撑基板上制作有第一线路层和第二线路层，实现所制备的支架结构具有与上部的1mm2VCSEL芯片和下部的支撑基板材料相匹配的线热膨胀系数与弹性模量，以解决现有铜焊盘支架结构材料的线热膨胀系数（1.8 × 10-5）远远大于上部的1mm2VCSEL芯片（5.7 × 10-6）和下部的支撑材料（4.5 × 10-6），在应变过程中1mm2VCSEL芯片顶部的扩散器断裂的问题。
下面将结合具体实施例进一步说明激光器中线路层形成方法及性能：
实施例 1
本示例以铜-石墨烯体系为例说明在支撑基板上形成线路层的方法，包括：
S1、对金属层预处理：在丙酮中超声波清洗，在一定温度浓度的硫酸超声清洗，阳极的选择是铜网电极，采用直流电源直流静电流沉积，磁力搅拌速度为300转/分，电流密度为12C/cm2，除去金属层的表面氧化层，用去离子水冲洗。
S2、以带特征图案的支撑基板为阴极，铜棒为阳极，以CuSO4-5H2O/氧化石墨烯溶液作为电镀液，反应温度控制在15℃至35℃，进行电化学沉积过程，将电沉积悬浮液用去离子水离心洗涤，干燥，所得到粉末在还原性气氛下还原。在支撑基板上按照形成的特征图案制备厚度为100-200μm的片剂，进一步将封装材料在惰性气体中烧结，即得到第一线路层与第二线路层的支架结构。
进一步地，如图6所示，给出了在10mA/cm2电流密度下以石墨烯为碳材料形成的铜碳复合材料表面形貌，出现突出的碳材料。
更进一步地，如图7所示，给出了在20mA/cm2电流密度下以石墨烯为碳材料形成的铜碳复合材料表面形貌，出现片状的碳材料。
更进一步地，如图8所示，给出了在30mA/cm2电流密度下以石墨烯为碳材料形成的铜碳复合材料表面形貌，出现片状的碳材料相连接。
综上，随着沉积电流密度从10 mA/cm2增加到30 mA/cm2，共沉积石墨烯的横向尺寸逐渐增大，分布密度逐渐减小，沉积物表面特征逐渐减小。
更进一步地，如表1所示，铜的线热膨胀系数为1.8 × 10-5，支撑基板的材质为AIN，其线热膨胀系数为4.5 × 10-6，VCSEL芯片的材料为砷化镓，其线热膨胀系数为5.7 ×10-6，由此可知，铜的线热膨胀系数远大于VCSEL芯片与支撑基板的线热膨胀系数，其安全载流量为5～8A/mm2。而本实施例线路层采用的铜-石墨烯复合材料线热膨胀系数为5.0 ×10-6，可见，本实施例的线路层与VCSEL芯片以及支撑基板三者的线热膨胀系数匹配；其次，本实施例的线路层采用铜-石墨烯复合材料时，其弹性模量为95MPa，砷化镓的弹性模量为85MPa，即，VCSEL芯片与线路层的弹性模量相匹配；再者，线路层采用铜-石墨烯复合材料的安全载流量为8～10A/mm2，高于铜线路层。
表1 VCSEL芯片、线路层以及支撑基板的各性能
更进一步地，本实施例还按照TS16949:2009规范的标准对封装的激光器进行了测试，测试温度从-40℃上升到150℃，然后再从150℃上升到260℃为一个循环，对封装的激光器进行500小时循环测试，结果显示，扩散器未发生断裂。
本发明提出一种大功率VCSEL激光器及其制作方法，具有以下有益效果：本发明通过将铜碳复合材料形成第一线路层与第二线路层的支架结构，该支架结构与VCSEL芯片、支撑基板的线热膨胀系数相匹配，解决了VCSEL芯片顶部的扩散器易断裂的问题；其次，本发明通过合理设计电镀液，采用电镀或电沉积的方法在支撑基板上形成第一线路层与第二线路层，制作方法简单。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种大功率VCSEL激光器，其特征在于，包括：
支撑基板，具有相对设置的第一表面与第二表面；
第一线路层，设置于所述第一表面上；
第二线路层，设置于所述第二表面上；
VCSEL芯片，设置于所述第一线路层上，且所述VCSEL芯片顶部用于设置扩散器；其中，
所述第一线路层与所述第二线路层均采用铜碳复合材料；
所述支撑基板上穿设有导通柱，所述导通柱的两端分别与所述第一线路层、所述第二线路层电连接。
2.根据权利要求1所述的大功率VCSEL激光器，其特征在于，所述铜碳复合材料包括铜与碳材料；其中，
所述碳材料为石墨、石墨烯、石墨烯纳米管、石墨炔、多壁碳纳米管、C60、活性炭、碳纤维、炭黑、玻璃碳、多孔炭材料、碳纳米球中的任一者。
3.根据权利要求1所述的大功率VCSEL激光器，其特征在于，所述第一线路层与所述第二线路层的厚度范围为100-200μm。
4.根据权利要求1所述的大功率VCSEL激光器，其特征在于，所述支撑基板上还设置有至少一个应力释放孔。
5.根据权利要求1所述的大功率VCSEL激光器，其特征在于，所述支撑基板上还设置有机器识别标记和/或切割标记。
6.一种制作如权利要求1至5任一项所述的大功率VCSEL激光器的方法，其特征在于，所述方法包括：
在支撑基板上形成金属层；
对所述金属层图形化，以在所述支撑基板的第一表面、第二表面上分别形成第一特征图案、第二特征图案；
电镀或电沉积所述第一特征图案和所述第二特征图案，分别形成第一线路层与第二线路层；
将VCSEL芯片连接于所述第一线路层上。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述电镀或电沉积所述第一特征图案和所述第二特征图案，分别形成第一线路层与第二线路层，包括：
以碳材料-添加剂-含铜溶液为电镀液，带有第一特征图案和第二特征图案的支撑基板作为阴极，铜棒或铜片作为阳极，通过电化学沉积在支撑基板的第一表面、第二表面上分别形成第一线路层、第二线路层。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述含铜溶液为硫酸铜溶液、氯化铜溶液、硝酸铜溶液中的任一者。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述添加剂为硫酸、盐酸、硝酸、氯化钠、氯化钾、润湿剂、光亮剂、整平剂中的至少一者。
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