PL219409B1 - Sposób łączenia półprzewodnikowych struktur laserowych z radiatorami odprowadzającymi ciepło - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób łączenia półprzewodnikowych struktur laserowych, zwłaszcza struktur laserów kaskadowych z radiatorami, które mają za zadanie odprowadzanie ciepła wydzielającego się podczas pracy lasera.

Łączenie struktur laserowych z radiatorami odbywa się najczęściej za pomocą lutowania opartego na indzie lub złocie.

Wiadomym jest, że właściwie przeprowadzony montaż jest warunkiem uzyskania poprawnych parametrów optycznych i elektrycznych przyrządu oraz stabilności i niezawodności jego działania. Precyzyjny montaż takich struktur jest jednak utrudniony ze względu na niewielkie wymiary struktur (zwykle 500 (szerokość) x 1500 (długość) x 100 (grubość) μm) oraz ze względu na „czułość mechaniczną” przyrządu a zwłaszcza jego zwierciadeł, które reagują na wszelkiego rodzaju wymuszenia mechaniczne. Przy tak dużej podatności na uszkodzenia mechaniczne stosowane są zwykle odpowiednie podstawki montażowe bądź inne urządzenia, jak na przykład znane z opisu patentu PL 176429.

Innym rodzajem problemów jest dobór odpowiedniego lutu. który dobierany jest w zależności od rodzaju łączonych warstw, to znaczy od rodzaju warstwy pokrywającej podłoże oraz warstwy pokrywającej radiator a także dobór odpowiedniej grubości warstwy lutowia.

Najczęściej stosowane są luty indowe, zwykle o grubości 2 - 5 μm lub połączenie złoto/złoto. (K. Kosiel i inni, „Kwantowe lasery kaskadowe na zakres średniej podczerwieni” - Elektronika nr 10 (2011 ) pp. 15 -18). W przypadku stosowania indu jako lutu obserwuje się jednak migrację lutowia po ściankach łub zwierciadłach struktury półprzewodnikowej, co powoduje powstanie ścieżek przewodzenia, które mogą niszczyć przyrząd.

Znane sposoby montażu struktur laserów kaskadowych realizuje się dwuetapowo. W pierwszym etapie prowadzi się montaż struktury półprzewodnikowej na metalowej chłodnicy (die-bonding), chłodnica staje się wtedy dolną elektrodą przyrządu. W drugim etapie wykonuje się połączenia drutowe do górnej elektrody przyrządu (wire-bonding). Podczas etapu pierwszego w wyniku zetknięcia się i podgrzania dwóch warstw metalicznych o różnych temperaturach topnienia następuje zjawisko interdyfuzji warstw. Tworzy się w ten sposób faza międzymetaliczna, której temperatura topnienia może być znacznie wyższa od temperatury topnienia składnika metalicznego o najniższej temperaturze topnienia. Jest to fizyczna podstawa takiego procesu lutowania. Jednak wskutek wprowadzenia dodatkowej warstwy (warstwy lutowia) oporność termiczna przyrządu może ulec znacznemu zwiększeniu. Ponadto w przypadku stosowania lutu „miękkiego” występuje często migracja tego materiału po ściankach struktury co powoduje powstanie ścieżek przewodzenia, które niszczą przyrząd.

W przedstawionych procesach lutowania istotną rolę odgrywa także siła nacisku z jaką dociskamy strukturę do chłodnicy. W przypadku przyłożenia zbyt dużej siły dochodzi do wypiętrzenia lutu, co może prowadzić do zwarcia zmontowanego przyrządu i w konsekwencji do nieodwracalnego uszkodzenia. Innym niebezpieczeństwem związanym z zastosowaniem zbyt dużej siły nacisku może być pękanie struktur laserów półprzewodnikowych. Natomiast przy zbyt małej sile docisku mogą powstawać puste przestrzenie na granicy lut - struktura, a to znacznie pogarsza parametry przyrządu. Poza tym proces montażu może skończyć się niepowodzeniem, co objawia się w braku połączenia struktury półprzewodnikowej z chłodnicą.

Celem wynalazku jest opracowanie pewnego sposobu łączenia struktur laserowych z radiatorem, sposobu, który nie wymaga stosowania warstwy lutowia a jednocześnie zapewnia dobre odprowadzenia ciepła kumulującego się w strukturze podczas pracy przyrządu.

W sposobie według wynalazku łączenia półprzewodnikowych struktur laserowych z radiatorami odprowadzającymi ciepło odbywa się tak. że najpierw oczyszczone w kąpielach wodno chemicznych oraz organicznych łączone powierzchnie radiatora i struktury pokrywa się co najmniej 2 μm warstwą złota galwanicznego. Następnie w atmosferze gazu obojętnego, korzystnie w atmosferze azotu, podgrzewa się radiator do temperatury 100°C, po czym temperaturę zwiększa się do 300°C z szybkością < 2°C/s. i po osiągnięciu tej temperatury strukturę laserową układa się na radiatorze tak aby pokryte warstwą złota powierzchnie radiatora i struktury stykały się. Łączone elementy dociska się ₂ z siłą od 1 do 2 N/mm² i poddaje się działaniu ultradźwięków, o mocy co najmniej 800 mW z częstotliwością 55 - 60 kHz przez co najmniej 2 sekundy. Po wyłączeniu ultradźwięków strukturę nadal dociska się do radiatora przez około 100 s, po czym chłodzi się z szybkością < 2°CVs, kontynuując dociskanie.

PL 219 409 B1

Zaletą zastosowania montażu Au-Au jest uniknięcie tzw. wąsów, które występują przy montażu na ind. Dzięki temu możliwe jest poprawienie parametrów wytrzymałościowych zmontowanych przyrządów, szczególnie w przypadku pracy ciągłej i w warunkach dużych gęstości prądów. Ponadto montaż Au-Au prowadzony sposobem według wynalazku eliminuje wolne przestrzenie pomiędzy montowaną struktura półprzewodnikową a miedzianą chłodnicą.

Wynalazek zostanie bliżej objaśniony na przykładzie montażu chłodnicy wykonanej z miedzi i pokrytej warstwą złota z wielowarstwową strukturą lasera kaskadowego, w której ostatnia osadzona warstwa jest również warstwą złota (montaż Au-Au).

W przykładowym sposobie użyto chłodnicy (radiatora) o wymiarach 20 mm (długość) x 6 mm (szerokość). Pokrytego z jednej strony 2 μm warstwą złota galwanicznego. Podobnie ostatnia warstwa po stronie struktury lasera półprzewodnikowego, która będzie mocowana do takiej chłodnicy jest 2 μm warstwą złota. Najpierw, pokryte warstwą złota, przeznaczone do łączenia powierzchnie, oczyszcza się w kąpielach wodno chemicznych oraz organicznych, aby były wolne od wszelkich zabrudzeń. Następnie przystępuje się do właściwego montażu, który prowadzi się w atmosferze gazu obojętnego (atmosfera azotu). Montaż właściwy rozpoczyna się od podgrzania, radiatora/chłodnicy do temperatury 100°C, następnie temperaturę radiatora podnosi się do 300°C z szybkością 2°C/s. Po osiągnięciu przez radiator temperatury 300°C na pokrytej warstwą złota powierzchni radiatora kładzie się przy użyciu specjalnej głowicy strukturę lasera półprzewodnikowego, dociska i poddaje działaniu ultradźwięków. Istotne jest przy tym aby radiator ze strukturą stykały się pozłoconymi powierzchniami. Użyta głowica jest głowicą ultradźwiękową, i umożliwia poddanie łączonych elementów działaniu ultradźwięków o mocy 800 mW z częstotliwością 60 kHz. Działanie ultradźwiękami prowadzi się przez 2 sekundy ₂ prowadząc jednocześnie dociskanie struktury do radiatora z siłą 2 N/mm².

Po wyłączeniu ultradźwięków strukturę nadal dociska się do radiatora przez około 100 s. Po upływie tego czasu, w ostatnim etapie montażu strukturę wraz z radiatorem chłodzi się z szybkością 2°C/s prowadząc nadal dociskanie.

Claims (1)

1. Sposób łączenia półprzewodnikowych struktur laserowych z radiatorami odprowadzającymi ciepło, w którym strukturę dociska się do radiatora, znamienny tym, że oczyszczone w kąpielach wodno chemicznych oraz organicznych łączone powierzchnie radiatora i struktury najpierw pokrywa się co najmniej 2 μm warstwą złota galwanicznego, następnie w atmosferze gazu obojętnego, korzystnie w atmosferze azotu, podgrzewa się radiator do temperatury 100°C, po czym temperaturę zwiększa się do 300°C z szybkością < 2°C/s, i po osiągnięciu tej temperatury strukturę laserową układa się na radiatorze tak aby pokryte warstwą złota powierzchnie radiatora i struktury stykały się, później łączone ₂ elementy dociska się z siłą od 1 do 2 N/mm² i poddaje się działaniu ultradźwięków o mocy co najmniej 800 mW z częstotliwością 55 - 60 kHz przez co najmniej 2 sekundy, a następnie po wyłączeniu ultradźwięków strukturę nadał dociska się do radiatora przez około 100 s, po czym łączone elementy chłodzi się z szybkością < 2°C/s, kontynuując dociskanie.