CN1371780A - 激光焊接器件与光学微型台架 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及激光焊接器件与光学微型台架的微电子基片。当今许多光学器件都应用一种叫作光学微型台架的微电子基片。传统的装置应用多种技术将各种元件连接固定在一起,或固定到半导体微型台架上。这些技术要求基片表面镀膜或使用分离粘结材料,如焊锡,玻璃或粘结剂。本发明应用了一种激光焊接技术将半导体,如硅,硅,铟磷化物和镓砷化物等材料构成的结构器件固定到由相同材料构成的微型台架上。这种激光的波长在焊接过程中不会损伤到其他元件。这样就不需要使用到分离粘结材料,也就省去了以前技术中的粘结过程。

Description

激光焊接器件与光学微型台架
技术领域
该发明技术解决的问题是如何将结构器件固定到基片上，尤其是应用半导体材料激光焊接，例如将硅，铟磷化物和镓砷化物等材料构成的结构器件固定到运用于光纤行业的基片上。
背景技术
许多新的光纤装置都是半导体基片，通常称为光学微型台架。光学器件，如透镜，放大镜和光开关都是安装在光学微型台架上，而光纤尾部固定在光学微型台架上，与器件形成光学对调。应用光学微型台架时要注意两个问题：光纤对调和器件的密封焊接。当今已有许多不同的技术涉及到这两个问题。
光纤对调技术分为两类，消极对调和积极对调。前者通常利用的是微型台架上的蚀刻槽(公差相当小)。同样，也可以利用分离结构器件，它是应用各种可视和结构栓固定在微型台架上的一种器件。发表于2000年9月12日，美国专利号为6,118,917的发明专利论述的就是如何应用对调平台(包括相应的突出和凹陷部位)使分离结构器件对调。应用光学粘结剂或焊接金属板(以前的技术是沉积在对应的表面上)将结构器件固定到微型台架上。
积极对调技术是将光纤向光学器件移动，直到可以测量到一定的光耦合量。这样，光纤就固定在微型台架上。发表于1987年10月27日，美国专利号为4,702,547的发明专利论述的就是如何将金属片和涂上不同材料的衬垫固定在一起。发表于1993年5月11日，美国专利号为5,210,811的发明专利论述的就是在光纤和激光对调后，如何将金属对调片激光焊接到光纤外围的金属线上。发表于1994年6月7日，美国专利号为5,319,729的发明专利论述的是一种对调技术，它将硅光线直接焊接到硅板上。该技术要应用到CO2激光来加热硅板，使其温度达到2000℃，这也使得所有会受激光影响的器件变形。
同样，对于密封焊接，可以用到各种技术将外壳焊接到光学器件的表面上。以前的相关技术中大多数都是使用粘结剂，如焊锡，胶，低熔点的玻璃将不同材料的结构器件固定，如发表于2000年6月3日，美国专利号为6,074,104的发明就是这种技术。另外，还要用到特别的鍍膜或板使各种器件粘结在一起。正如发表于1983年8月30日，美国专利号为6,074,104的发明揭示的一样，要用到一个分离壳体来安装基片。在这种情况下，需要一个分离板将基片安装到壳体上。
美国专利号为5,995,688的发明也是一种将结构器件固定到微型台架上的技术。它是靠焊锡将结构器件固定到微型台架上，就是把结构器件上和微型台架上各自预先要粘结的部位粘结到一起。
从上面的几个例子看出，利用以前的对调和密封焊接技术将各种器件粘结在一起需要花费不少的劳动力，因为需要特别的金属鍍膜或板，还需要某种分离粘结剂。
目前的这项发明克服了以前技术中存在的缺点，它可以将硅，铟磷化物和镓砷化物等材料的结构器件固定到相似材料的基片上，不需要用到任何分离粘结剂，也不需要应用激光波长和高温(高温会损伤到其他器件)。
这项发明还能够将一个光学器件密封焊接到半导体微型台架上，它是通过直接连接一个半导体盖子到微型台架上，这样就密封焊接了光学器件。
发明内容该发明技术是将第一个半导体器件固定到第二个半导体器件上的方法，包括以下几个步骤：a)    准备好第一个半导体器件，如微型台架，主要用来支撑光学器件。b)    准备好第二个半导体结构器件，主要用来固定到微型台架上。c)    将第一个半导体器件靠近第二个光学器件，确定二者连接到一起的固定部位。d)    将一有足够强度的光束引向两个器件的连接部位，以连接第一及第二个半导体器件的连接部份。
附图说明
该发明将参照以下图纸得到进一步讨论：
图1到图3是激光焊接示意图，激光参数见表1；
图4说明的是在空气中焊接和在惰性气体(氩)中焊接的不同焊接效果；
图5和图6说明的是是该发明中的消极对调技术；
图7是利用该发明中的积极对调技术的装置的平面图；
图8是利用该发明中的密封焊接技术的装置的侧面图；
图9是图8所示装置的平面图.
具体实施方式
下面以硅为例说明所有半导体材料的基本原理特性。
硅是一种易碎的晶体材料，延展性几乎为0。而且，对于典型金属，熔化状态下的强度比固体状态下的强度低5-10％(温度相同的情况下)。但是，硅却相反，液状硅的强度比固状硅的强度高8％。这样的性质使得硅内部产生与其他金属元素不同的裂纹。一般来说，如果液状金属在逐渐冷却收缩的过程中，熔液没能完全回到熔化中心，固化后的金属就会产生裂纹和孔隙。如果控制冷却率的外部参数发生，这种现象在某种程度上可以得到控制。因此焊接金属的表面因为有了压力就会产生拉力而延伸。
通常高功率短脉冲的激光容易穿透硅材料，而低功率长脉冲的激光会使材料产生严重的孔隙和裂纹。波长为9000到11000nm的CO2激光常被用来焊接材料，比如焊接硅石。然而，虽然波长大于1200nm的光源穿过硅材料时，穿透效果相当好，但仍有部分波长会被吸收，这就需要高功率的光源以得到所需要的硅熔化状态。因此，最好选择紫外光(150nm)到5000nm的激光作为光源，这也包括一些常见的激光，如脉冲铜气体激光(CVL)(511nm和589nm)，双频率钕钇铝深红色激光(Nd：YAG)(532nm)和持续波(CW)和脉冲Nd：YAG激光(1064nm)。其他半导体材料(如InP和GaAs)的光学平台会有些不同而且需要不同的激光。虽然任何光束都会产生可用的功率，但激光是最好的选择。
使用长脉冲(0.1ms to 20ms Nd：YAG激光(1064nm)，具有5到20MW/cm2.高峰功率强度的激光穿透硅材料就会得到很好的穿透效果。而且，如果激光的脉冲持续时间在8到16ms之间，高峰功率在100和500W之间，脉冲能量在1和4J之间，脉冲重复频率达到3至16pps，平均功率有4.8到32W，穿透效果更好。下面的表列出的是图1至图3中的1064 Nd：YAG激光穿透硅材料的激光参数。表1：图1至图3激光焊接示意图的激光参数
 轨迹  脉冲持续时间(ms)  高峰功率(W)  脉冲能量(J)  脉冲重复频率(pps)  平均功率(W)
 1  .5  3000  1.5  1  1.5
 2  1  1500  1.5  1  1.5
 3  2  750  1.5  1  1.5
 4  4  300  1.2  1  1.2
 5  4  300  1.2  2  2.4
 6  8  150  1.2  2  2.4
 7  8  150  1.2  3  4.8
 8  8  150  1.2  8  9.6
 9  8  300  2.4  8  19.2
 10  8  500  4  8  32
 11  10  200  2  8  16
 12  10  100  1  16  16
 13  10  100  1  16  16
 14  16  150  2.4  6  14
 15  16  100  1.6  6  9.4
 16  8  200  1.6  6  9.6
 17  4  400  1.6  6  9.6
 18  4  200  0.8  6  4.8
 19  4  100  0.4  12  4.8
 20  4  50  0.2  24  4.8
 21  4  30  0.12  50  6
从表中的数据可以看出，轨迹1到4的激光脉冲能量相同，但高峰功率从3kW降到1.5kW再降到750W和300W.高峰功率轨迹显示的是一种性质不稳定的排出材料。这种材料是棕色的，因此含有某种硅元素。在低峰功率处，是一种流动材料而不是排出材料。点和轨迹旁还有一道白边距。这在图2中可以明显看到，可能是硅氧化物。对于轨迹5，脉冲重复频率变成2倍：2pps，轨迹7是4pps，轨迹8是8pps。这些轨迹说明了熔化是由单脉冲和连续的熔化引起的。图1右下角和图2左上角都是可见裂纹，都是由于熔化10熔去了许多材料造成的。在低功率熔化处，尤其是nos.12 & 13，硅的表层似乎被“撕去”.。
为避免半导体材料被氧化，建议焊接在周围都是惰性气体的条件下进行，如氩气，氮气，氦气，氙气和氪气。可以在固定部位充入这些惰性气体或把器件放入充满惰性气体的密封箱中。图4说明的就是材料在空气中熔化和在氩气中熔化的区别。空气中的熔化会使得表面产生裂纹，而氩气中的熔化使得表面光洁度很好。
实验表明：当将样品的两个抛光面焊接在一起时，如果焊接距离小于10μm，容易在焊接处的底部(中央)形成裂纹。其他的10个样品也是同样结果。相反，如果焊接距离大于10μm，使用的是虽同样的激光参数，但不会产生裂纹。
常见的熔化深度(有足够的力度)对于每100μm半径点大小就有100-150μm，换算出的速度就是从0.1mm/s到1mm/s。图5和图6说明的是消极对调系统的一种形式，其中光纤1与安装在半导体(锶，InP，GaN，SiC和GaAs)基片3上的光学器件平行。第一步，用凹槽4固定基片3上的光纤1。凹槽4可以在基片3上直接蚀刻出也可以在安装在基片3中的分离光纤固定器6上。然后将光学器件，如透镜，激光，光电探测器，双色滤波器，波导，光开关，偏振器，波片或偏振旋转仪等安装在结构器件2(和基片的材料相同，如硅，InP或GaAs)上。接着将结构器件2安装到基片3上的预定部位，与凹槽4平行。固定的部位就是结构器件2和基片3交叉连接点。这样，一束光，如激光，就会在固定部位产生连接点11，这一连接点将结构器件2固定到基片3上。连接点11最好是固体焊接，但其他形式的焊接，如烧接也可以，只要能将器件固定在一起就可以。最后，用安装夹7将光纤1固定到凹槽4上。安装夹7可以随意装上，不过最佳的是使弹簧针从凹槽4周边延伸出去。这样，可以微微调整光纤的位置。然而，如果光纤尾部12与光学器件完全对调平行后，光纤1就可以用任何方法(包括焊接，粘结等)固定到安装夹7上。
光纤固定器6也可以采用本发明的焊接技术安装到基片3上，这样产生了焊缝13，它可以是延续的或一系列间断的焊缝。因此，可以使用激光焊接技术将所有器件连接在一起，而不需要使用特别的鍍膜或粘结剂。
另外，焊接过程可以分为2或3个步骤，每一步包括将光束引向固定部位的某处，并微微调整结构器件2的位置直到光学器件和光纤1完全对调平行。
图7说明的是一种使用积极对调系统的装置。其中，光纤1与光学器件2对调平行，光学器件2以可移动的平台16的形式安装在基片3上。基片3包括安装光纤1的凹槽18和将光纤1固定在凹槽18的安装夹。采用深度电抗离子蚀刻(DRIE)技术在基片3上蚀刻出平台16，从而也产生了周围的凹槽21。平台16由弹簧部位22和安装部位23组成。弹簧部位22是一种挡板弹簧，一端24从凹槽21的周围延伸出去。安装部位23包括与凹槽18(接收光纤1)平行的凹槽26和将光纤1固定在凹槽26上的安装夹27。安装部位23上有一小孔28，这使得它可以和促动装置啮合。平台16受到促动后，光纤1的尾部11也相对于光纤装置2移动直到两束光耦合。当光耦合达到预定程度时，一激光光束就会被引向连接固定点上，这样就产生了焊缝29。其中，两个焊接在一起的表面并不是相邻。因此，焊缝29跨过平台16和基片3之间的凹槽21。平台16焊接到基片3后，挡板弹簧22的末端有切口24，因此产生压力。其中，基片3和平台16可能含有集成电路。
图8和图9说明的是如何应用本发明的焊接技术将光学器件2密封焊接到基片3上。其中的结构器件是半导体(锶，InP，GaN，SiC或GaAs)盖31(安装在光学器件2的顶部)。连接固定部位就在盖31的周围，也就是盖31和基片相接的地方。光学器件2是一种光电二级管，以盖31为光窗，也就是波长是1300和1500nm之间的光可以穿透这个半导体盖。也可以将一透镜和盖31连接在一起来引导光的方向。因为应用了光学器件2，基片3可能含有集成电路。各种电导和光波导可以通过基片3和盖31上的密封金属材料连接到集成电路上。为密封焊接器件2，前面提到的激光类型就在盖31周围产生了半导体和半导体之间的连接点32，这一连接点自身可能引起电路传导。

Claims (13)

1.将第一个半导体器件连接到第二个半导体器件上的方法包括以下步骤：
a)准备第一个和第二个半导体器件；
b)将第一个半导体器件靠近第二个光学器件，确定二者连接到一起的固定部位；
c)将一有足够强度的光束引向该固定部位，以连接第一及第二个半导体器件的连接部位。
2.权利要求1中的第一及第二半导体器件是由硅，InP，GaAs等半导体元素中的一种或数种组成。
3.权利要求1中的第一个半导体器件是一个半导体微型台架，第二个半导体器件安装在这个微型台架上。
4.权利要求3中的第二个半导体器件是一种有外表面的盖子，用来密封光学器件到该微型台架上，并且固定部位延伸到盖子的外表面和微型台架相接处。
5.权利要求3中的第二个半导体器件是从第一个器件蚀刻出的一个支臂，连接固定部位包括这个支臂的边缘，微型台架的边缘和分离支臂与微型台架的一个凹槽。
6.权利要求3中的第二个半导体器件支撑一个光学元件；固定部位包括第二个半导体器件的一个边缘和微型台架的一个表面。
7.权利要求1中的光束是激光光束。
8.权利要求7中的激光光束的峰功率密度为5到20MW/cm2。
9.权利要求7中的激光光束的基波长为150nm到5000nm。
10.权利要求7中的激光光束的波长为1064nm，并来自一个长脉冲的Nd：YAG激光。
11.权利要求1到10中的任一方法还包括在步骤c)的进行过程中往固定部位上充入惰性气体。
12.权利要求1到10的任一方法中，步骤c)将第一个半导体器件焊接或烧接在第二个半导体器件上以形成一个连接点。
13.权利要求1到10的任一方法中，步骤c)包括：
先仅连接整个固定部位的一部分，
调整第二个半导体器件的位置，
连接固定部位的其他部分。
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