KR102192828B1 - 레이저 솔더링 본딩 기술을 이용한 고출력 레이저 다이오드 모듈 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 목적은 고출력 CW 또는 QCW 레이저 다이오드 모듈의 제작 시 레이저 빔을 이용한 솔더링 본딩 공정을 적용함으로써 CuW 서브마운트와 세라믹 서브마운트의 솔더 패턴과 정렬을 일치시키는 작업 효율을 향상시키고, 본딩을 수행함으로써 고출력 CW 또는 QCW 레이저 다이오드 모듈 제작 시 발생하는 열적 스트레스를 감소시키고자 하는 것이다.
본 발명에 따르면, 레이저 빔 솔더링 방법을 적용하여 고출력 QCW 레이저 다이오드 모듈을 제작하여 전기-광학적 특성을 확보할 수 있었다.
Description
본 발명은 제모기기, 핵융합 분야, 레이저 거리 측정기, 표적 지시기, 비접촉 지표면 탐지기, 다기능 관측경 등에 이용되는 고출력 반도체 레이저 다이오드 모듈 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
좀 더 상세하게는, 본 발명은 CW(Continuos Wave) 또는 QCW(Quasi Continuous Wave) 레이저 다이오드 모듈 제작과정에서 적용한 기술로서 기존의 오븐 솔더링 기술을 통해 레이저 다이오드 바와 서브마운트를 본딩시켜 제작하는 고출력 반도체 레이저 다이오드 어셈블리 대신 레이저 솔더링 본딩 기술을 이용하여 레이저 다이오드 바를 세라믹 서브마운트와 결합 시키는 방법이다. "레이저 솔더링 본딩 기술을 통해 반도체 레이저 다이오드 바와 세라믹 서브마운트를 본딩시키는 방법"에 관한 것이다.
최근에는 제모기기와 레이저 거리 측정기의 광원으로 레이저 다이오드가 널리 사용되고 있다. 특히, 실내뿐만 아니라 실외에서 사용되는 군사용 장비에서 제한 요소를 줄이기 위해 별도의 냉각수가 필요하지 않은 열 전도를 통한 냉각 방식의 고출력 레이저 다이오드 모듈을 요구하고 있다.
군사용 장비에서 고출력 레이저 다이오드 모듈의 사용을 제한하고 있는 요인 중 하나는 온도이다. 실외에서 사용되는 경우를 대비하여 열 전도를 통해 냉각을 시켜야 하는 레이저 다이오드 모듈은 세라믹 서브마운트와 레이저 다이오드 바와 직접적으로 접촉되어 있는 서브마운트를 일치시켜 본딩해야 한다. 레이저 다이오드 바와 직접적으로 접촉되어 있는 서브마운트와 세라믹 서브마운트의 정렬이 틀어지면 해열 효율을 저하시키고, 구동 전류 및 전압을 상승시킨다. 도 1과 같이 기존의 열원을 이용한 오븐 솔더링 방식은 가장 보편적인 방식이나 광범위하게 작용하는 열에 의해 레이저 다이오드의 성능과 신뢰성 저하의 원인으로 작용한다. 또한, 한 종류의 솔더 (Indium, AuSn, InSn 등)를 사용하여 동시에 본딩이 불가능한 조립공정의 경우, 여러 번에 걸쳐 본딩을 해야하지만 이럴 경우 앞서 본딩한 솔더가 두 번째 솔더를 녹이기 위해 열이 공급될 때 다시 녹으면서 정렬 상태가 틀어지는 문제가 발생되며 레이저 모듈 신뢰성에 영향을 줄수 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 국소적인 영역에만 레이저로 열을 가해 필요한 부분만 본딩을 하고 그 외 부분에는 영향을 주지 않는 효과적인 본딩 방식을 적용함으로써, 레이저 다이오드가 본딩되면서 받을 수 있는 정렬 틀어짐 및 열적 영향을 최소화 할 수 있다.
미국특허09054482호는 AuSn을 이용한 고온 용접과 In을 이용한 저온 용접을 순차로 적용하는 방식을 제안하지만 구제적인 용접 방법을 기재하지는 않는다.
본 발명의 목적은 수백 W 이상의 고출력 CW 또는 QCW 레이저 다이오드 모듈을 위해 레이저 다이오드 바와 직접적으로 접촉되어 있는 서브마운트와 세라믹 서브마운트(Ceramic submount)간의 본딩을 레이저 솔더링 기술을 적용하여 국소적인 영역에만 레이저로 열을 가해 필요한 부분만 본딩을 하고 그 외 부분에는 영향을 주지 않는 효과적인 본딩 방식을 적용한 레이저 다이오드 모듈 제작을 구현하고자 하는 것이다.
상기 목적에 따라 본 발명은, 카메라를 통해 레이저 다이오드 어셈블리와 세라믹 서브마운트를 1차적으로 정렬시킨 다음, 레이저 다이오드 어셈블리와 서브 마운트의 접경면에 레이저 빔을 조사하여 본딩하는 방법을 제공한다.
본 발명의 레이저 솔더링은 도 2와 같이 1470nm의 파장과 55W 파워를 갖는 레이저 빔을 세라믹 서브마운트를 향해 발진시켜 세라믹 서브마운트와 레이저 다이오드 어셈블리 간의 접촉 부위에 열을 발생시켜 세라믹 서브마운트와 레이저 다이오드 어셈블리를 본딩시킨다.
즉, 본 발명은 레이저를 이용하여 레이저 다이오드 바의 어셈블리와 세라믹 서브마운트 간의 접촉 부위에 국부적으로 열을 발생시켜 레이저 다이오드 바와 세라믹 서브마운트를 본딩시킨다.
본 발명은,
고출력 CW(Continuos Wave) 또는 QCW(Quasi Continuous Wave) 레이저 다이오드 모듈로서,
하나 이상의 레이저 다이오드 바;
상기 각각의 레이저 다이오드 바의 양 옆에 배열되는 되는 서브마운트; 및
상기 레이저 다이오드 바와 서브마운트의 하단에 배치되는 세라믹 서브마운트;를 포함하고,
상기 서브마운트와 상기 세라믹 서브마운트의 접합부는 레이저 솔더링으로 고정된 것을 특징으로 하는 고출력 레이저 다이오드 모듈을 제공한다.
상기에 있어서, 상기 레이저 다이오드 바는 GaAs 기반의 레이저 다이오드를 포함하고, 레이저 다이오드 바의 양옆에 배열되어 레이저 다이오드 바와 직접 본딩되는 서브마운트는 CuW 재질을 포함하여 레이저 다이오드 바와의 열 팽창 계수의 차이를 줄인 것을 특징으로 하는 고출력 레이저 다이오드 모듈을 제공한다.
상기에 있어서, 세라믹 서브마운트에 사용되는 물질은 투명한 물질인 SiC 재질을 포함하는 것을 특징으로 하는 고출력 레이저 다이오드 모듈을 제공한다.
상기에 있어서, 레이저 솔더링을 위해 세라믹 서브마운트 위에 메탈패드(Metal pad)가 배열되고 메탈패드 위에 솔더가 증착되며, 메탈패드는 Ti/Pt/Au로 구성된 것을 특징으로 하는 고출력 레이저 다이오드 모듈을 제공한다.
상기에 있어서, 레이저 다이오드 바의 전기적 쇼트를 방지하고 세라믹 서브마운트와는 본딩이 가능하도록 세라믹 서브마운트에 증착되는 솔더 패턴은 일정 간격을 두고 배열된 것을 특징으로 하는 고출력 레이저 다이오드 모듈을 제공한다.
상기의 고출력 레이저 다이오드 모듈을 제조하는 방법으로서,
세라믹 서브마운트 위에 메탈패드(Metal pad)를 일정 간격을 두고 배열하고,
상기 메탈패드 위에 솔더를 증착하고,
상기 솔더 위에 레이저 다이오드 바 양옆에 배열되는 서브마운트 저면이 닿도록 배치하고,
레이저 빔을 세라믹 서브마운트를 향해 발진시키며, 레이저의 빔 사이즈를 조정하여 세라믹 서브마운트가 본딩되는 솔더가 있는 부위에만 국부적으로 열을 발생시켜 본딩하는 것을 특징으로 하는 고출력 레이저 다이오드 모듈 제조방법을 제공한다.
상기에 있어서, 레이저 솔더링 본딩에 사용되는 레이저 빔 사이즈는 세라믹 서브마운트에 증착되어 있는 솔더의 면적보다 작은 것을 특징으로 하는 고출력 레이저 다이오드 모듈 제조방법을 제공한다.
상기에 있어서, 소정 간격으로 배열된 솔더 패턴을 따라 레이저를 조사하여 본딩을 실시하되, 한 줄의 솔더 패턴 부분의 본딩을 완료한 후 다음 솔더 패턴으로 레이저 빔을 이동시킬 때, 레이저 빔에 의한 레이저 다이오드 바에 손상이 가지 않도록 레이저 빔의 진행경로를 레이저 다이오드 바 밖의 영역으로 연장시켜 다음 줄의 솔더 패턴을 향해 경로를 꺽은 후 다음 줄의 솔더 패턴을 따라 진행시키는 것을 특징으로 하는 고출력 레이저 다이오드 모듈 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 고출력 CW 또는 QCW 레이저 다이오드 모듈의 전기-광학적 특성 수준을 유지시키고 국부적인 솔더링을 통한 소자의 열에 의한 손상을 최소화하고 레이저 다이오드 바를 세라믹 서브 마운트의 솔더 패턴에 정확하게 정렬 및 본딩할 수 있으며 그에 따라 요구하는 성능의 고출력 레이저 다이오드를 제작할 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이 모듈 평가 결과는 종래기술에 의한 것과 대비하여 더 우수한 성능을 보였다.
즉, 805nm±10nm 범위의 파장을 나타내고, 레이저 바 당 100W를 가지는 4개의 레이저 다이오드 바가 사용되었을 때, 상온에서 Pulse(주기 : 50Hz, 펄스폭 : 200usec) 입력 조건하에서 모듈 광출력 400W를 보여 만족할 수 있는 결과를 확보할 수 있었다.
구체적인 사양은 다음과 같다.
전류 (Iop) : 100A 미만 수준 유지
전압 (Vop) : 8.0V 미만 수준 유지
광전효율 (Wall Plug Efficiency = 파워/(전류*전압)) : 56% 이상 수준 유지
온도 변화에 따른 중심 파장 변화량 : 0.3 nm/℃ 이하 수준 유지
도 1은 기존의 핫 플레이트(Hot Plate)를 이용한 레이저 다이오드 바 솔더링 방법을 나타내는 모식도이다.
도 2는 레이저 솔더링 방법을 적용한 레이저 다이오드 모듈 구조를 나타내는 모식도 및 모듈 형상이다.
도 3은 레이저 솔더링을 위한 본딩용 세라믹 서브 마운트 도면이다.
도 4는 본 발명에 따라 고출력 레이저 다이오드 모듈을 제작 레이저 솔더링 본딩 순서도 이다.
도 5는 종래기술과 발명기술이 적용된 고출력 400W QCW 레이저 다이오드 모듈의 전기-광학적 특성이다.
도 2는 레이저 솔더링 방법을 적용한 레이저 다이오드 모듈 구조를 나타내는 모식도 및 모듈 형상이다.
도 3은 레이저 솔더링을 위한 본딩용 세라믹 서브 마운트 도면이다.
도 4는 본 발명에 따라 고출력 레이저 다이오드 모듈을 제작 레이저 솔더링 본딩 순서도 이다.
도 5는 종래기술과 발명기술이 적용된 고출력 400W QCW 레이저 다이오드 모듈의 전기-광학적 특성이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 대해 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시를 위한 레이저 솔더링 방법이 적용된 CW 또는 QCW 레이저 다이오드 모듈의 구조를 나타내는 모식도 및 조립 형상이다.
레이저 다이오드 바와 직접적으로 본딩되는 서브마운트의 경우, 전기 에너지를 전달하는 전극 역할을 해야 하기 때문에 CuW(Copper-Tungsten) 재질을 선정하였다. CuW의 경우, 전기적으로 도체이면서 열 팽창 계수가 7.0으로 GaAs 기반의 레이저 다이오드 바의 열 팽창 계수인 6.8과 가장 근접한 값을 가진다. 레이저 다이오드 바(10)와 CuW 서브마운트(200)를 세라믹 서브마운트(300)에 본딩시키기 위해 CuW 위에 AuSn 솔더(100)를 증착하여 사용한다.
본 발명은, CuW 서브마운트(200)와 레이저 다이오드 바(10)가 교대로 배열되어 레이저 다이오드 바 어셈블리를 이룬 상태에서, CuW 서브마운트(200)와 세라믹 서브마운트(300)가 접하는 부분에 AuSn 솔더(100)를 증착하여 레이저 솔더링으로 AuSn 솔더를 녹여 CuW 서브마운트와 세라믹 서브마운트를 융착하여 모듈을 제조한다. 레이저 다이오드 바는 CuW 서브마운트에 비해 길이가 더 짧아 직접적으로 세라믹 서브마운트에 닿지 않은 상태로 CuW 서브마운트들에 의해 고정된다. 양단부에 배열되는 CuW 서브마운트는 안쪽에 있는 것에 비해 더 폭이 넓게 구성되고, 양단부 외측에 각각 (+)(-) 전극 패드 역할을 하는 CuW 서브마운트가 배치된다.
또한, 본 발명의 레이저 솔더링은 도 2와 같이 1300~1600nm 파장대역의 50 내지 60W 레이저 빔을 이용하며, 바람직하게는, 1470nm의 파장과 55W 파워를 갖는 레이저 빔을 이용한다.
세라믹 서브마운트를 향해 레이점 빔을 발진시켜 투명한 세라믹 서브마운트를 투과한 레이저 빔이 세라믹 서브마운트와 레이저 다이오드 어셈블리 간의 접촉 부위에 열을 발생시켜 세라믹 서브마운트와 레이저 다이오드 어셈블리를 본딩시킨다.
도 3은 본 발명의 레이저 솔더링 본딩에 사용한 세라믹 서브마운트의 도면이다. 솔더링을 위한 레이저가 세라믹 서브마운트를 투과하여 CuW 서브마운트와 세라믹 서브마운트가 본딩되는 면까지 도달해야 하므로, 세라믹 서브마운트에 주로 사용되는 물질 중 투명한 물질인 SiC재질을 사용하였으며, 메탈패드(Metal pad)는 Ti/Pt/Au로 구성되어 있다. 도 3의 노란색 부분이 솔더가 증착되어지는 솔더(100) 패턴으로 레이저 솔더링 본딩 기술은 해당 패턴에 레이저를 통한 열을 발생시켜 본딩시키는 방법이다. 레이저 다이오드 바의 크기 및 레이저 다이오드 바 수 등은 필요에 따라 달리 할 수 있다.
전기적 쇼트를 방지하기 위해 본딩 지그 상단에 위치한 카메라를 통해 세라믹 서브마운트의 패턴과 CuW 서브마운트의 위치를 정렬시킨다. 그리고 레이저를 세라믹 서브마운트와 CuW 서브마운트가 본딩되는 부분을 향해 발진시켜 레이저에 의한 열을 발생시켜 세라믹 서브마운트와 CuW 서브마운트를 본딩시킨다. 레이저 솔더링 본딩 공정 중 세라믹 서브마운트와 레이저 다이오드 어셈블리의 정렬이 틀어지는 것을 방지하기 위해 소량의 하중을 가한다.
레이저 솔더링 본딩 기술에 사용되는 레이저의 빔 사이즈가 세라믹 서브마운트의 패턴보다 클 경우, 본딩되는 부분을 제외한 나머지 부분에 손상이 생길 수 있으므로, 레이저의 빔 사이즈를 조절하여 세라믹 서브마운트 패턴에만 국부적으로 열을 가한다.
하나의 패턴 부분 본딩을 완료한 후 다음 패턴으로 레이저가 이동할 때, 세라믹 서브마운트에서 솔더가 없는 패턴을 지나갈 경우 해당 부분에 위치한 레이저 다이오드 바에 손상을 가해 전기-광학적 특성에 영향을 미친다. 그에 따라 도 4에 나타낸 바와 같이 레이저 빔을 위한 솔더링 순서는 세라믹 서브마운트 패턴에 대한 본딩을 완료한 후 세라믹 서브마운트 패턴 밖의 영역에서 일정 간격 이동한 후 다음 패턴으로 레이저 빔을 이동하여 세라믹 서브마운트와 CuW 서브마운트를 본딩시키도록 한다. 즉, 선형으로 간격을 두고 배열되 솔더 패턴에 대해 한줄의 솔더 패턴을 따라 레이저 빔을 이동시켜 솔더링 한 다음, 레이저 빔을 솔더 패턴 외부까지 진행시킨 후(x방향 진행), 레이저 다이오드 바가 없는 곳에서 다음 번 솔더 패턴을 향해 굴절시켜(y방향 진행) 다음 번 솔더 패턴을 따라 진행시킨다(-x방향 진행).
또한, 생산성을 위해 솔더 패턴마다 레이저 빔 발진장치를 배치하고 레이저 빔을 동시에 이동시켜 전체를 한번의 스캔으로 솔더링할 수도 있다. 이 경우도 레이저 다이오드 바에 대한 빔 가열은 회피된다.
본 발명과 같은 레이저 빔을 이용한 솔더링 본딩 기술을 사용하면 레이저 빔을 가지고 본딩시키고자 하는 부분만 국부적으로 열을 발생시키겨 레이저 다이오드 모듈 본딩 과정 중 발생하는 열적 스트레스를 감소시킬 수 있다는 장점이 있다.
도 5는 본 발명에 따른 레이저 다이오드 모듈의 성능 평가 결과는 종래기술에 의한 것과 대비하여 표로 정리한 것이다.
805nm±10nm 범위의 파장을 나타내고, 레이저 바 당 100W를 가지는 4개의 레이저 다이오드 바가 사용되었을 때, 상온에서 Pulse(주기 : 50Hz, 펄스폭 : 200usec) 입력 조건하에서 모듈 광출력 400W를 보여 만족할 수 있는 결과를 확보할 수 있었다.
구체적인 사양은 다음과 같다.
전류 (Iop) : 100A 미만 수준 유지
전압 (Vop) : 8.0V 미만 수준 유지
광전효율 (Wall Plug Efficiency = 파워/(전류*전압)) : 56% 이상 수준 유지
온도 변화에 따른 중심 파장 변화량 : 0.3 nm/℃ 이하 수준 유지
종래 기술에 의할 때보다 본 발명에 의해 제조된 레이저 다이오드 모듈의 광전효율이 더 향상되었음을 알 수 있다.
또한, 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.
10: 레이저 다이오드 바
100: 솔더
200: 서브마운트
300: 세라믹 서브마운트
100: 솔더
200: 서브마운트
300: 세라믹 서브마운트
Claims (8)
- 고출력 CW(Continuos Wave) 또는 QCW(Quasi Continuous Wave) 레이저 다이오드 모듈로서,
다수의 레이저 다이오드 바;
상기 각각의 레이저 다이오드 바의 양 옆에 배열되는 되는 서브마운트; 및
상기 레이저 다이오드 바와 서브마운트의 하단에 배치되는 세라믹 서브마운트;를 포함하고,
상기 서브마운트와 상기 세라믹 서브마운트의 접합부는 솔더 패턴을 이루어 레이저 솔더링으로 고정되고,
상기 세라믹 서브마운트에 증착된 솔더 패턴은 레이저 다이오드 바의 전기적 쇼트를 방지하고 세라믹 서브마운트와는 본딩이 가능하도록 일정 간격을 두고 배열된 패턴으로 형성되고,
레이저 다이오드 바는 상기 서브마운트에 비해 길이가 더 짧아 직접적으로 상기 세라믹 서브마운트에 닿지 않은 상태로 서브마운트들에 의해 고정되고,
세라믹 서브마운트는 투명재질로 되어,
상기 레이저 솔더링은 레이저가 상기 세라믹 서브마운트를 투과하여 상기 서브마운트와 세라믹 서브마운트가 본딩되는 면까지 도달하여 솔더가 있는 솔더 패턴에 대해서만 이루어진 것을 특징으로 하는 고출력 레이저 다이오드 모듈. - 제1항에 있어서, 상기 레이저 다이오드 바는 GaAs 기반의 레이저 다이오드를 포함하고, 레이저 다이오드 바의 양옆에 배열되어 레이저 다이오드 바와 직접 본딩되는 서브마운트는 CuW 재질을 포함하여 레이저 다이오드 바와의 열 팽창 계수의 차이를 줄인 것을 특징으로 하는 고출력 레이저 다이오드 모듈.
- 삭제
- 제1항에 있어서, 레이저 솔더링을 위해 세라믹 서브마운트 위에 메탈패드(Metal pad)가 배열되고 메탈패드 위에 솔더가 증착되며, 메탈패드는 Ti/Pt/Au로 구성된 것을 특징으로 하는 고출력 레이저 다이오드 모듈.
- 삭제
- 제1항의 고출력 레이저 다이오드 모듈을 제조하는 방법으로서,
세라믹 서브마운트 위에 메탈패드(Metal pad)를 일정 간격을 두고 배열하고,
상기 메탈패드 위에 솔더를 증착하고,
상기 솔더 위에 레이저 다이오드 바 양옆에 배열되는 서브마운트 저면이 닿도록 배치하고,
레이저 빔을 세라믹 서브마운트를 향해 발진시키며, 레이저가 상기 세라믹 서브마운트를 투과하여 상기 서브마운트와 세라믹 서브마운트가 본딩되는 면까지 도달하고, 레이저의 빔 사이즈를 조정하여 세라믹 서브마운트가 본딩되는 솔더가 있는 부위에만 국부적으로 열을 발생시켜 본딩하는 것을 특징으로 하는 고출력 레이저 다이오드 모듈 제조방법. - 제6항에 있어서, 레이저 솔더링 본딩에 사용되는 레이저 빔 사이즈는 세라믹 서브마운트에 증착되어 있는 솔더의 면적보다 작은 것을 특징으로 하는 고출력 레이저 다이오드 모듈 제조방법.
- 제6항에 있어서, 소정 간격으로 배열된 솔더 패턴을 따라 레이저를 조사하여 본딩을 실시하되, 한 줄의 솔더 패턴 부분의 본딩을 완료한 후 다음 솔더 패턴으로 레이저 빔을 이동시킬 때, 레이저 빔에 의한 레이저 다이오드 바에 손상이 가지 않도록 레이저 빔의 진행경로를 레이저 다이오드 바 밖의 영역으로 연장시켜 다음 줄의 솔더 패턴을 향해 경로를 꺽은 후 다음 줄의 솔더 패턴을 따라 진행시키는 것을 특징으로 하는 고출력 레이저 다이오드 모듈 제조방법.
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