RU2530203C2 - Method of creating interconnections in semiconductor lasers - Google Patents

Method of creating interconnections in semiconductor lasers Download PDF

Info

Publication number
RU2530203C2
RU2530203C2 RU2012139205/28A RU2012139205A RU2530203C2 RU 2530203 C2 RU2530203 C2 RU 2530203C2 RU 2012139205/28 A RU2012139205/28 A RU 2012139205/28A RU 2012139205 A RU2012139205 A RU 2012139205A RU 2530203 C2 RU2530203 C2 RU 2530203C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
laser
eutectic
interconnect
semiconductor lasers
line
Prior art date
Application number
RU2012139205/28A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2012139205A (en
Inventor
Владимир Александрович Филоненко
Иван Владимирович Малинин
Original Assignee
Владимир Александрович Филоненко
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Владимир Александрович Филоненко filed Critical Владимир Александрович Филоненко
Priority to RU2012139205/28A priority Critical patent/RU2530203C2/en
Publication of RU2012139205A publication Critical patent/RU2012139205A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2530203C2 publication Critical patent/RU2530203C2/en

Links

Images

Abstract

FIELD: physics, optics.
SUBSTANCE: invention relates to the technology of producing semiconductor lasers. The method of assembling semiconductor lasers includes gripping a line of laser diodes with a vacuum tool, fixing the line on the contact area of a heatsink, pressing, heating in an inert reducing gas, holding at a temperature higher than the temperature of formation of a multiphase eutectic interconnection and cooling the obtained unit. In the process of cooling the unit, a temperature gradient forms between the connected surfaces in the volume of the liquid eutectic interconnection, where the vector of the temperature gradient is directed perpendicular to the connected planes and parallel to the direction of growth of the crystallising phases.
EFFECT: reduced tension and high heat conductivity in the laser line.
5 dwg

Description

Изобретение относится к полупроводниковой электронике, в частности к производству СВЧ мощных арсенид-галлиевых дискретных приборов и интегральных микросхем, силовых гибридных модулей, компьютерных микросхем и плат, а также может быть использовано в оптоэлектронике для исследования, разработки и производства мощных полупроводниковых лазеров, лазерных полупроводниковых матриц и лазерных систем на их основе.The invention relates to semiconductor electronics, in particular to the production of microwave high-power gallium arsenide discrete devices and integrated circuits, hybrid power modules, computer microcircuits and boards, and can also be used in optoelectronics for research, development and production of high-power semiconductor lasers, laser semiconductor arrays and laser systems based on them.

Мощные полупроводниковые лазеры на гетероструктурах A3 B5 и твердых растворах на их основе являются наиболее эффективными для работы в диапазоне длин волн 0,5-1,8 мкм; коэффициент преобразования электрической энергии в направленную световую волну достигает 75%. Такие лазеры используются для накачки волоконных усилителей и твердотельных лазеров, для записи информации, в производстве принтеров, систем навигации, медицинской аппаратуры и мощных технологических обрабатывающих устройств.Powerful semiconductor lasers based on A3 B5 heterostructures and solid solutions based on them are most effective for operating in the wavelength range of 0.5-1.8 microns; the coefficient of conversion of electric energy into a directed light wave reaches 75%. Such lasers are used to pump fiber amplifiers and solid-state lasers, to record information, in the manufacture of printers, navigation systems, medical equipment and powerful technological processing devices.

Особенно перспективным может быть применение лазерных матриц для создания сверхмощных космических излучателей, использующих энергию солнца, поскольку для работы полупроводниковых лазеров требуется низковольтный постоянный ток, вырабатываемый солнечными батареями.Particularly promising may be the use of laser matrices for the creation of heavy-duty space emitters using solar energy, since the operation of semiconductor lasers requires a low-voltage direct current generated by solar panels.

Экспериментальный сравнительный анализ полупроводниковых лазеров ряда ведущих фирм и анализ патентной литературы показал, что все фирмы используют классический вариант создания межсоединений в системе (LDB-LDC), используя либо прокладку из индия, фиг.1, либо прокладки из эвтектических сплавов на основе индия, либо классические эвтектики - (IN-AG; Sn-Au; Sn-Pb).An experimental comparative analysis of semiconductor lasers from a number of leading companies and analysis of patent literature showed that all firms use the classic version of creating interconnects in the system (LDB-LDC), using either a gasket from indium, Fig. 1, or gaskets from eutectic alloys based on indium, or classic eutectics - (IN-AG; Sn-Au; Sn-Pb).

В работе 1 приведена схема полупроводникового лазера, фиг.1, и дается описание технологии изготовления лазера, в частности детализируется способ соединения кристалла с термокомпенсатором: кристалл 1 присоединяется к электродам 2 через прокладки 3, которые изготовлены из многокомпонентной эвтектики на основе индия (мягкий припой) способом эвтектической пайки. Технологическую схему создания межсоединений в системе (LDB-LDC), приведенную ниже, наглядно можно описать посредством символов химических элементов следующим образом: межсоединение из чистого индия (In) - 1, эвтектическая пайка с прокладкой из эвтектики Ag-In - 2, контактно-реактивная эвтектическая пайка (КРЭП), в процессе которой образуется (нерегулярная эвтектическая структура) - 3 (прототип), фиг.3.1. И, наконец, векторная градиентная реактивная эвтектическая пайка (ГРЭП) - 4, приводящая к образованию регулярной эвтектической структуры в межсоединении в системе (LDB-LDC), фиг.3.2:In work 1, a diagram of a semiconductor laser is shown, Fig. 1, and a laser manufacturing technology is described, in particular, a method for connecting a crystal with a temperature compensator is described: a crystal 1 is attached to the electrodes 2 through spacers 3, which are made of indium based multicomponent eutectic (soft solder) eutectic soldering method. The technological scheme for creating interconnects in the system (LDB-LDC), below, can be clearly described using the symbols of chemical elements as follows: interconnection from pure indium (In) - 1, eutectic soldering with a gasket from the eutectic Ag-In - 2, contact-reactive eutectic soldering (CREP), in the process of which is formed (irregular eutectic structure) - 3 (prototype), Fig.3.1. And finally, the vector gradient reactive eutectic soldering (HREP) - 4, leading to the formation of a regular eutectic structure in the interconnect in the system (LDB-LDC), Fig.3.2:

Figure 00000001
Figure 00000001

Значительная разница в KTP между полупроводниковыми лазерными кристаллами (LDB), теплоотводом (LDC), изготовленным из меди (Cu), и межсоединениями, характеризующимися низкой теплопроводностью - причина пониженной мощности лазерного излучения, искривления кристаллов (Smile) и уменьшения, времени наработки на отказ полупроводникового лазера.A significant difference in KTP between semiconductor laser crystals (LDB), a heat sink (LDC) made of copper (Cu), and interconnects characterized by low thermal conductivity is the reason for the reduced laser radiation power, crystal distortion (Smile) and the decrease in the mean time between failures of the semiconductor laser.

Целью изобретения является увеличение теплопроводности в межсоединениях полупроводникового лазера и уменьшение напряжения в линейке лазерных диодов.The aim of the invention is to increase the thermal conductivity in the interconnects of a semiconductor laser and to reduce the voltage in the line of laser diodes.

Известен способ эвтектической пайки (2). В этом способе используется сплав In-Ag эвтектического состава. Нерегулярная структура промежуточного слоя - это низкая теплопроводность межсоединения. Усложнение состава припоя на основе индия при некотором увеличении теплопроводности промежуточного слоя уменьшает его пластичность и, в общем, не является эффективным.A known method of eutectic soldering (2). This method uses an In-Ag alloy of eutectic composition. The irregular structure of the intermediate layer is the low thermal conductivity of the interconnect. An increase in the composition of indium-based solder with a slight increase in the thermal conductivity of the intermediate layer reduces its ductility and, in general, is not effective.

Помимо способа эвтектической пайки припоями, имеющими эвтектическую структуру (In-Ag; Sn-Au; Sn-Pb; Ag-Cu), в полупроводниковой электронике широко используется способ КРЭП - Контактно-Реактивная Эвтектическая Пайка. Этот способ (3) применяется в основном для монтажа кремниевых кристаллов на теплоотвод с покрытием из золота; он имеет много преимуществ перед классическими способами создания межсоединений:In addition to the method of eutectic soldering with solders having a eutectic structure (In-Ag; Sn-Au; Sn-Pb; Ag-Cu), semiconductor electronics widely use the KREP method - Contact-Reactive Eutectic Soldering. This method (3) is mainly used for mounting silicon crystals on a gold-coated heat sink; It has many advantages over the classic ways to create interconnects:

1 - не требуется применение припоев;1 - the use of solders is not required;

2 - устраняется производство припойных фольг, прокладок, проволок, дисков, шайб, стержней, микрошариков…;2 - eliminated the production of solder foils, gaskets, wires, disks, washers, rods, beads ...;

3 - не требуется применение флюсов;3 - the use of fluxes is not required;

4 - упрощается процесс прецезионного (точного) совмещения соединяемых элементов, поскольку исключаются припойные профили, что исключительно важно при создании оптоэлектронных устройств;4 - the process of precision (accurate) alignment of the connected elements is simplified, since solder profiles are excluded, which is extremely important when creating optoelectronic devices;

5 - улучшается качество межсоединений и резко увеличивается производительность сборочного оборудования.5 - improves the quality of interconnects and dramatically increases the performance of assembly equipment.

Способ КРЭП применительно к лазерным полупроводниковым кристаллам (A3B5, A2B6, A4B6) имеет два существенных ограничения:The KREP method as applied to laser semiconductor crystals (A 3 B 5 , A 2 B 6 , A 4 B 6 ) has two significant limitations:

1 - лазерные структуры ряда (A3B5, A2B6, A4B6) не обладают свойством вступать в низкотемпературную эвтектическую реакцию с высокотеплопроводными металлами 1-й группы системы элементов Менделеева Д.И., и, следовательно, способ КРЭП (Контактно-Реактивная Эвтектическая Пайка) для монтажа этих кристаллов на теплоотвод невозможен;1 - the laser structures of the series (A 3 B 5 , A 2 B 6 , A 4 B 6 ) do not have the property to enter into a low-temperature eutectic reaction with high-heat-conducting metals of the first group of the system of elements of DI Mendeleev, and, therefore, the EPR method (Contact Reactive Eutectic Soldering) for mounting these crystals on a heat sink is not possible;

2 - межсоединение (промежуточный слой между кристаллом и теплоотводом), выполненное методом КРЭП, имеет низкую теплопроводность; коэффициент термического расширения (КТР) резко отличается от КТР лазерных кристаллов.2 - interconnect (an intermediate layer between the crystal and the heat sink), made by the method of EEC, has a low thermal conductivity; the coefficient of thermal expansion (CTE) differs sharply from the CTE of laser crystals.

Нерегулярная двухфазная эвтектическая структура неприемлема для межсоединения в системе (LDB-LDC); в лазерном межсоединении требуется, чтобы фаза, имеющая KTP, равный KTP полупроводниковых лазерных кристаллов, была бы «фундаментом» для LDB, а фаза, имеющая теплопроводность, равную теплопроводности LDC, была бы частью эффективного теплоотвода.An irregular two-phase eutectic structure is not acceptable for system interconnection (LDB-LDC); a laser interconnect requires that a phase having a KTP equal to the KTP of semiconductor laser crystals be the “foundation” for the LDB, and a phase having a thermal conductivity equal to the thermal conductivity of the LDC should be part of an efficient heat sink.

Одна из важнейших задач при разработке лазерных технологий - исследование и нахождение наиболее общих закономерностей и способов образования эвтектических низкотемпературных межсоединений кристаллами (A3B3, A2B6, A4B6) и твердыми растворами на их основе при контакте с высокотеплопроводными металлами 1-й группы системы элементов Менделеева Д.И. с целью использования способа КРЭП в производстве полупроводниковых лазеров.One of the most important tasks in the development of laser technologies is the study and finding of the most general laws and methods for the formation of eutectic low-temperature interconnects with crystals (A 3 B 3 , A 2 B 6 , A 4 B 6 ) and solid solutions based on them in contact with highly heat-conducting metals 1 -th group of the system of elements Mendeleev D.I. in order to use the KREP method in the manufacture of semiconductor lasers.

В новых технологиях предполагается исключение элементов классического способа создания межсоединений, широко применяемых в производстве изделий оптоэлектроники (припои, прокладки, шарики, индий, и т.п.). Для кристаллов арсенида галлия трудность, отмеченная в п.1, на предыдущей странице, устранена при использовании технологии, представленной в патенте «Линейка Лазерных диодов» (4), фиг.2.In new technologies, it is supposed to exclude elements of the classical way of creating interconnects that are widely used in the manufacture of optoelectronic products (solders, gaskets, balls, indium, etc.). For gallium arsenide crystals, the difficulty noted in paragraph 1 on the previous page is eliminated by using the technology presented in the patent “Laser diode line” (4), FIG. 2.

В патенте 4 линейка лазерных диодов (состоящая из параллельно включенных полупроводниковых лазерных диодов на основе полупроводниковых A3B5 лазерных гетероструктур, многослойных окислов (заднее и передние зеркала), а также многослойной контактной металлизации на верхней и нижней плоскостях линейки лазерных диодов), отличается тем, что внешние проводящие слои выполнены из элементов, сходных (по типу, параметрам кристаллической решетки и по коэффициенту термического расширения) с A3A5 лазерной гетероструктурой и твердыми растворами на основе A3B5; одним из таких элементов является германий. Правильное соотношение толщин между внешними слоями Ge на верхней и нижней плоскостях LDB (линейки) позволяет получить нулевое искривление линейки (Smile=0) и минимальное напряжение в лазерных кристаллах. Кроме того:In patent 4, the line of laser diodes (consisting of parallel-connected semiconductor laser diodes based on semiconductor A 3 B 5 laser heterostructures, multilayer oxides (rear and front mirrors), as well as multilayer contact metallization on the upper and lower planes of the line of laser diodes) differs in that the outer conductive layers made of elements that are similar (by type, the lattice parameter and thermal expansion coefficient) with a 3 a 5-heterostructure laser and solid solutions of Nove A 3 B 5; one of these elements is germanium. The correct ratio of the thicknesses between the outer Ge layers on the upper and lower planes of the LDB (line) makes it possible to obtain zero line curvature (Smile = 0) and the minimum voltage in laser crystals. Besides:

1. Германий не окисляется в рабочем интервале температур;1. Germanium is not oxidized in the operating temperature range;

2. Твердая поверхность германия (в отличие от золота) легко2. The solid surface of germanium (unlike gold) is easy

полируется, что позволяет получить идеальную плоскостьit is polished that allows to receive an ideal plane

без какой-либо шероховатости;without any roughness;

3. Использование германия не вносит дислокации в LDB;3. The use of germanium does not introduce dislocations in the LDB;

4. Германий не адсорбирует элементы из окружающей среды;4. Germanium does not adsorb elements from the environment;

5. Технология производства полупроводниковых лазеров с применением линеек по заявлению №2010110430/28 приобретает новое качество и обеспечивает высокий выход годной продукции.5. The technology for the production of semiconductor lasers using rulers according to application No. 201010430/28 acquires a new quality and provides a high yield.

6. Ни одна фирма мира не производит линейки лазерных диодов без золотого покрытия внешних плоскостей линейки;6. No company in the world produces a line of laser diodes without gold coating the outer planes of the line;

7. Ни одна фирма мира не производит линейки лазерных диодов с покрытием внешних плоскостей линейки германием.7. No company in the world produces a line of laser diodes coated with the outer planes of the germanium line.

В этом заключается преимущество способа КРЭП при использовании структуры на фиг.2 перед технологиями, представленными в (4, 5, 6). Для кристаллов A3B3 (GaAs), применяемых в разных фирмах, элементная база лазерного блока (электрод - кристалл - электрод) выглядит следующим образом:This is the advantage of the KREP method when using the structure in Fig. 2 over the technologies presented in (4, 5, 6). For crystals A 3 B 3 (GaAs) used in different companies, the element base of the laser unit (electrode - crystal - electrode) is as follows:

ЕР 0905838 A1, 31.03.1999 [Au - GaAs - Au],EP 0905838 A1, 03/31/1999 [Au - GaAs - Au],

RU 2007804 C1, 15.02.1994 [Au - GaAs - Au],RU 2007804 C1, 02.15.1994 [Au - GaAs - Au],

EP 1519458 A2, 30.02.2005 [Au - GaAs - Au],EP 1519458 A2, 02.30.2005 [Au - GaAs - Au],

Пат. РФ №2455739, 2012 [Ge - A3B5 - Ge].Pat. RF №2455739, 2012 [Ge - A 3 B 5 - Ge].

Однако все перечисленные и проанализированные технологии имеют существенный и неприемлемый в полупроводниковой оптоэлектронике недостаток - межсоединения в лазерных блоках полупроводниковых лазерных устройств имеют нерегулярную, неуправляемую структуру, фиг.4. Нерегулярная структура самого распространенного межсоединения из эвтектического сплава системы «олово - свинец» (Sn-Pb), полученного методами эвтектической пайки и методом КРЭП (ΔT=0), показана на фиг.3.1. На фиг.3.2 - то же межсоединение, но полученное способом ГРЭП.However, all of the listed and analyzed technologies have a significant and unacceptable disadvantage in semiconductor optoelectronics - interconnections in the laser blocks of semiconductor laser devices have an irregular, uncontrolled structure, Fig. 4. The irregular structure of the most common interconnect made of a tin-lead system (Sn-Pb) eutectic alloy obtained by eutectic soldering and KREP method (ΔT = 0) is shown in Fig. 3.1. In Fig.3.2 - the same interconnect, but obtained by the method of HREP.

Целью изобретения является создание управляемой регулярной эвтектической структуры в межсоединении методом векторной Градиентной Эвтектической Пайки (ГРЭП).The aim of the invention is the creation of a controlled regular eutectic structure in the interconnect by the method of vector Gradient Eutectic Soldering (HREP).

В этом способе структура одной фазы согласована по KTP с лазерным кристаллом и является продолжением этого кристалла в промежуточном слое, а другая фаза, обладая высокой теплопроводностью, является продолжением теплоотвода и, заполняя пространство между фазами, контактирует с плоскостью LDB; при этом обе фазы параллельны по отношению друг другу и перпендикулярны к плоскостям LDC и LDB. Модель заданной структуры представлена на фиг.5. В основу модели положен факт тождественности уравнений теплопроводности и эвтектической кристаллизации при образовании промежуточного слоя в межсоединении (LDC и LDB). Поток тепла, проходящий через межсоединение (LDB-LDC) за единицу времени от нижней плоскости кристалла, имеющей температуру Т2, к верхней плоскости теплоотвода с меньшей температурой T1, можно выразить какIn this method, the structure of one phase is coordinated by KTP with a laser crystal and is a continuation of this crystal in the intermediate layer, and the other phase, having high thermal conductivity, is a continuation of the heat sink and, filling the space between the phases, is in contact with the LDB plane; both phases are parallel with respect to each other and perpendicular to the planes LDC and LDB. A model of a given structure is shown in FIG. 5. The model is based on the fact that the equations of heat conduction and eutectic crystallization are identical during the formation of an intermediate layer in the interconnect (LDC and LDB). The heat flux passing through the interconnect (LDB-LDC) per unit time from the lower plane of the crystal having a temperature T 2 to the upper plane of the heat sink with a lower temperature T 1 can be expressed as

J = κ ( T 2 T 1 ) A h ,

Figure 00000002
J = κ ( T 2 - T one ) A h ,
Figure 00000002

где κ - теплопроводность (коэффициент пропорциональности), J - поток тепла, А - площадь торца межсоединения, толщина межсоединения, h (Δs) - тощина межсоединения. Если площадь - ΔА, тоwhere κ is the thermal conductivity (proportionality coefficient), J is the heat flux, A is the area of the end face of the interconnect, the thickness of the interconnect, h (Δs) is the thickness of the interconnect. If the area is ΔA, then

Δ J = κ Δ T Δ A Δ s .

Figure 00000003
Δ J = κ Δ T Δ A Δ s .
Figure 00000003

Но ΔJ/ΔA - абсолютная величина h - вектора, направленного туда, куда течет тепло, то есть от Т1+ ΔT к Т1; вектор перпендикулярен изотермам двух плоскостей, а. ΔT/Δs - максимальная скорость изменения, равная ∇T; направления h и дельта Т противоположны, и дифференциальное уравнение теплопроводности (потока тепла) для межсоединения, образуемого кристаллом прямоугольной формы, можно представить в виде векторного уравненияBut ΔJ / ΔA is the absolute value of h - the vector directed to where the heat flows, i.e. from Tone+ ΔT to Tone; the vector is perpendicular to the isotherms of two planes, a. ΔT / Δs is the maximum rate of change equal to ∇T; the directions h and delta T are opposite, and the differential heat equation (heat flux) for the interconnect formed by a rectangular crystal can be represented as a vector equation

h=-κ∇T,h = -κ∇T,

где κ - коэффициент пропорциональности (теплопроводность). Это уравнение получено при анализе лазера, работающего в непрерывном режиме (CW). При изготовлении лазерного блока в процессе кристаллизации эвтектической жидкости, образованной в объеме межсоединения при температуре (Тэ+ΔT) по реакции (А+В)=Lэ, в условиях, соответствующих (Т2-Т1)=-ΔT, то есть когда температура Т2 нижней плоскости кристалла меньше температуры T1 верхней плоскости теплообменника, (способ ГРЭП), образуется твердый промежуточный слой, имеющий регулярную структуру, фиг.2в; расстояние между пластинами (стержнями) этой структуры X и скорость их роста (скорость роста твердой фазы R в объеме жидкости) соответствуют соотношениям (7), следовательно:where κ is the coefficient of proportionality (thermal conductivity). This equation was obtained in the analysis of a laser operating in a continuous mode (CW). In the manufacture of a laser unit during crystallization of a eutectic liquid formed in the volume of the interconnect at a temperature of (Te + ΔT) by the reaction (A + B) = Le under conditions corresponding to (T2-T1) = - ΔT, that is, when the temperature is T 2 the lower plane of the crystal is less than the temperature T 1 of the upper plane of the heat exchanger, (HREP method), a solid intermediate layer having a regular structure is formed, figv; the distance between the plates (rods) of this structure X and their growth rate (the growth rate of the solid phase R in the liquid volume) correspond to relations (7), therefore:

λ = A R 0,5 Δ t = BR 0 ,5 , λ = c Δ T ,                     здесь С = A x B h = к T .

Figure 00000004
λ = A R - 0.5 , Δ t = BR 0 ,5 , λ = - c Δ T , here s = A x B h = - to T .
Figure 00000004

Поразительное сходство. Именно поэтому способ создания управляемой регулярной структуры в лазерном межсоединении назван градиентной (векторной) эвтектической пайкой - ГРЭП, ΔТ>0. Фиг.5. Способ КРЭП (ΔT=0). Шаг структуры λ регулируется не только изменением скорости роста твердой фазы R в процессе векторной кристаллизации и температурным градиентом ΔT в межсоединении, но и при введении ультразвуковых колебаний в процессе затвердевания жидкости. Мощность ультразвука Р и шаг структуры λ в межсоединении связаны следующим соотношением, (8):A striking resemblance. That is why the method of creating a controlled regular structure in the laser interconnect is called gradient (vector) eutectic soldering - HREP, ΔТ> 0. Figure 5. KREP method (ΔT = 0). The step of the structure λ is regulated not only by the change in the growth rate of the solid phase R in the process of vector crystallization and the temperature gradient ΔT in the interconnect, but also with the introduction of ultrasonic vibrations in the process of solidification of the liquid. The power of ultrasound P and the step of the structure λ in the interconnect are related by the following relation, (8):

P = Δ t p ( 1 λ λ ) C ρ τ ,

Figure 00000005
P = Δ t p ( one - λ λ ) C ρ τ ,
Figure 00000005

где Δt - переохлаждение при росте кристалла, С - теплоемкость, ρ - плотность, τ - время. Эффективная реализация структуры с заданными свойствами возможна только при хорошей адгезии в системе (контактный слой LDB - контактный слой LDC). Прочность промежуточного слоя (адгезия) FA определяется по методике, изложенной в (9), по уравнению:where Δt is supercooling during crystal growth, C is heat capacity, ρ is density, and τ is time. Effective implementation of a structure with desired properties is possible only with good adhesion in the system (LDB contact layer - LDC contact layer). The strength of the intermediate layer (adhesion) F A is determined by the method described in (9), by the equation:

F A = 1 π R ( F x h R F y R 2 h ) ,                             где:

Figure 00000006
F A = one π R ( F x h R - F y R 2 h ) , Where:
Figure 00000006

R - радиус сдвигающего стержня;R is the radius of the shear rod;

Fy - давление на стержень; Fx - горизонтальная сдвигающая сила.F y - pressure on the rod; F x is the horizontal shear force.

Для получения требуемой адгезии в системе Ni-Au, применяемой для металлизации почти всех деталей лазера и являющейся исключительно важным элементом в технологии производства мощных лазерных устройств, важно понимать количественную картину диффузии в системе Ni-Au, исследованную в работе 10.In order to obtain the required adhesion in the Ni-Au system, which is used to metallize almost all laser parts and is an extremely important element in the production technology of high-power laser devices, it is important to understand the quantitative diffusion pattern in the Ni-Au system studied in Ref. 10.

Гипотеза изобретения состоит в том, что разрабатываемая модель лазера может быть осуществлена, если: 1 - межсоединение образуется в результате контакта твердых поверхностей (кристалла и подложки) по реакции с фазовым переходом на твердых плоскостях; 2 - структура межсоединения является двухфазной и управляемой; 3 - отвод тепла от работающей в режиме CW лазерной гетероструктуры осуществляется на высокоэффективном теплоотводе, например, в высокомощных полупроводниковых лазерах, отдающих не менее 250 Вт оптической мощности на один кристалл в верхнем микронном диапазоне длин волн.The hypothesis of the invention is that the developed laser model can be implemented if: 1 - the interconnect is formed as a result of contact of solid surfaces (crystal and substrate) by reaction with a phase transition on solid planes; 2 - the interconnect structure is two-phase and controllable; 3 - heat removal from a laser heterostructure operating in CW mode is carried out on a highly efficient heat sink, for example, in high-power semiconductor lasers that deliver at least 250 watts of optical power per crystal in the upper micron wavelength range.

Целью изобретения является создание управляемой регулярной эвтектической структуры межсоединения в системе (LDB-LDC) для увеличения теплопроводности межсоединения и уменьшения напряжения в линейке лазерных диодов.The aim of the invention is to create a controlled regular eutectic structure of the interconnect in the system (LDB-LDC) to increase the thermal conductivity of the interconnect and reduce the voltage in the line of laser diodes.

Поставленная цель достигается тем, что:The goal is achieved by the fact that:

в способе сборки полупроводниковых лазеров, включающем захват линейки лазерных диодов (LDB) вакуумным инструментом, фиксирование LDB на контактной площадке теплоотвода LDC, сжатие, нагрев в среде инертно-восстановительного газа, выдержку при температуре выше температуры образования многофазного эвтектического межсоединения, охлаждение полученного блока, согласно изобретению при охлаждении блока между соединяемыми поверхностями LDB и LDC в объеме жидкого эвтектического межсоединения создается температурный градиент, вектор которого направлен перпендикулярно соединяемым плоскостям и параллельно направлению роста кристаллизующихся фаз, фиг.5, поз.8, 9.in a method for assembling semiconductor lasers, including capturing a line of laser diodes (LDB) with a vacuum tool, fixing LDB on a contact pad of an LDC heat sink, compressing, heating in an inert-reducing gas medium, holding at a temperature above the temperature of formation of a multiphase eutectic interconnect, cooling the resulting block, according to the invention, when the unit is cooled between the joined surfaces of the LDB and LDC in the volume of the liquid eutectic interconnect, a temperature gradient is created, the vector of which is flax mating planes perpendicular and parallel to the growth direction crystallizing phases, Figure 5, position 8, 9.

В результате достигается минимальное напряжение в линейке LDB (смайл близок к нулю). Суммарное тепловое сопротивление Rt (контактный слой лазерной гетероструктуры (кристалла), межсоединение, контактный слой теплоотвода) в полупроводниковом лазере является минимальным, и, следовательно, отдаваемая оптическая мощность излучения лазера - максимальной. Такова предполагаемая модель лазера с максимальным КПД, небольшим временем наработки на отказ.As a result, the minimum voltage in the LDB line is achieved (the smile is close to zero). The total thermal resistance Rt (the contact layer of the laser heterostructure (crystal), the interconnection, the contact layer of the heat sink) in the semiconductor laser is minimal, and, therefore, the transmitted optical power of the laser radiation is maximum. Such is the proposed laser model with maximum efficiency and a short MTBF.

Изобретение применимо ко всем типам полупроводниковых лазеров и лазерных матриц. Таким образом могут быть изготовлены лазеры однокристальные, то есть лазеры, состоящие из одного лазерного диода, многокристальные лазеры - линейки лазерных диодов и лазерные матрицы, которые могут состоять из десятков линеек лазерных диодов. При этом контактные слои в линейках или в дискретных лазерных кристаллах могут выполняться как с одной стороны (+), так и с двух сторон гетероструктур (A3B5, A2B6, A4B6) (+ и -) или на плоскостях положительного и отрицательного электродов. Изобретение может быть использовано для производства кондуктивных и водоохлаждаемых теплообменников (heat-sink) с регулярной структурой в системах Cu-W, CU-Mo, AlN-Ge, SiC-Ge, Ge-Ag и в системах элементов, имеющих фазовую диаграмму эвтектического типа.The invention is applicable to all types of semiconductor lasers and laser arrays. Thus, single-chip lasers can be manufactured, that is, lasers consisting of a single laser diode, multi-chip lasers — laser diode arrays and laser arrays, which can consist of dozens of laser diode arrays. In this case, contact layers in arrays or in discrete laser crystals can be performed both on one side (+) and on both sides of heterostructures (A 3 B 5 , A 2 B 6 , A 4 B 6 ) (+ and -) or planes of positive and negative electrodes. The invention can be used for the production of conductive and water-cooled heat exchangers (heat-sink) with a regular structure in Cu-W, CU-Mo, AlN-Ge, SiC-Ge, Ge-Ag systems and in element systems having a eutectic type phase diagram.

Предлагаемое нами изобретение обладает существенной новизной. Никто и никогда даже не предполагал, что межсоединения в лазерной оптоэлектронике могут быть выполнены методом векторной кристаллизации.Our invention has a significant novelty. No one had ever imagined that interconnects in laser optoelectronics could be performed by vector crystallization.

Изобретение направлено на исследование и разработку технологии производства высокоэффективных полупроводниковых лазеров на снове полупроводниковых структур, с использованием двухфазных высокотеплопроводных межсоединений в системе (LDB-LDC); оно может быть использовано для всех способов создания межсоединений, в том числе для системы Au-Sn.The invention is aimed at research and development of a technology for the production of high-performance semiconductor lasers based on semiconductor structures again, using two-phase high-heat-conducting interconnects in the system (LDB-LDC); it can be used for all methods of creating interconnects, including for the Au-Sn system.

Изобретение отличается простотой технической реализации. Изобретение способствует совершенствованию технологии производства полупроводниковых лазеров, поскольку получение высокотеплопроводных межсоединений и малонапряженных лазерных линеек с нулевым смайлом в многослойных МОП системах (металл - окисел - полупроводник) представляет сложную технологическую задачу.The invention is simple technical implementation. The invention contributes to the improvement of the technology for the production of semiconductor lasers, since obtaining high-conductivity interconnects and low-voltage laser lines with zero smile in multilayer MOS systems (metal - oxide - semiconductor) is a complex technological task.

На приводимых в описании чертежах изображено следующее:The drawings shown in the description show the following:

Фиг.1. Схема полупроводникового лазера (ЕР 1519458 А2, 30.02.2005). Полупроводниковый лазер: 1 - кристалл; 2 - термокомпесатор; 3 - прокладки из мягкого многокомпонетного сплава на основе индия; термокомпесатор; 4 - прокладка из твердого припоя; 5 - элетрод-трубка; 6 - кондуктивный теплообменник; 7 - изолятор; 8 - электрод отрицательный; 9 - прижим.Figure 1. The scheme of a semiconductor laser (EP 1519458 A2, 02/30/2005). Semiconductor laser: 1 - crystal; 2 - thermal mixer; 3 - gaskets from a soft multicomponent alloy based on indium; thermal mixer; 4 - laying of solder; 5 - elektrod-tube; 6 - conductive heat exchanger; 7 - insulator; 8 - negative electrode; 9 - clip.

Фиг.2. Структура линейки лазерных диодов (Патент РФ №2455739, 2012): 1 - Ge ГДГ, 2 - PAlGaAs, 3 - PAlGaAs, 4 - InGaAs, 5 - n A1GaAs, 6 - n AlGaAs, 7 - n AlGaAs, 8 - Ge ГЭС.Figure 2. The structure of the line of laser diodes (RF Patent No. 2455739, 2012): 1 - Ge GDG, 2 - PAlGaAs, 3 - PAlGaAs, 4 - InGaAs, 5 - n A1GaAs, 6 - n AlGaAs, 7 - n AlGaAs, 8 - Ge HPP.

Фиг.3. Эвтектика Sn-Pb. 3.1 - нерегулярная; 3.2 - регулярная.Figure 3. Eutectic Sn-Pb. 3.1 - irregular; 3.2 - regular.

Фиг.4. Алгоритм способа КРЭП. Прототип. Левый столб: 1 - Cu, 2 - Au (Ag), 3 - Ge ГДГ (In), 4 - A3B5, 5 - контактная плоскость в системе (LDB-LDC); средний столб: 6 - жидкая эвтектика (Ag-In), (Ge-Au); правый столб: 7 - кристаллы Ge (Ag); твердая нерегулярная эвтектическая структура.Figure 4. The algorithm of the EECC method. Prototype. Left pillar: 1 - Cu, 2 - Au (Ag), 3 - Ge GDH (In), 4 - A 3 B 5 , 5 - contact plane in the system (LDB-LDC); middle pillar: 6 - liquid eutectic (Ag-In), (Ge-Au); right column: 7 - Ge (Ag) crystals; solid irregular eutectic structure.

Фиг.5. Алгоритм способа ГРЭП. Изобретение. Прототип. Левый столб: 1 - Cu, 2 - Au (Ag), 3 - Ge ГДГ (In), 4 - A3B5, 5 - контактная плоскость в системе (LDB-LDC); средний столб: 6 - жидкая эвтектика (Ag-In), (Ge-Au); правый столб: 8 - кристаллы Ge (Ag), 9 - кристаллы Au (In) - твердая регулярная эвтектическая структура.Figure 5. The algorithm of the hydraulic fracturing method. Invention. Prototype. Left pillar: 1 - Cu, 2 - Au (Ag), 3 - Ge GDH (In), 4 - A 3 B 5 , 5 - contact plane in the system (LDB-LDC); middle pillar: 6 - liquid eutectic (Ag-In), (Ge-Au); right column: 8 - crystals of Ge (Ag), 9 - crystals of Au (In) - a solid regular eutectic structure.

ЛитератураLiterature

1. ЕР 1519458 А2, 30.02. 2005 г.1. EP 1 519 458 A2, 02.30. 2005 year

2. Аполлонов В.В., Державин С.И., Кузьминов В.В., Машковский Д.А., Прохоров A.M., Филоненко В.А. Теплообменник для мощных полупроводниковых лазеров. Патент РФ №2169977, 2001 г.2. Apollonov V.V., Derzhavin S.I., Kuzminov V.V., Mashkovsky D.A., Prokhorov A.M., Filonenko V.A. Heat exchanger for high-power semiconductor lasers. RF patent №2169977, 2001

3. Филоненко В.А., Топорков А.В. Эвтектическая пайка. Электронная техника, 1973, сер. 2, вып.3(75), 120-124.3. Filonenko V.A., Toporkov A.V. Eutectic soldering. Electronic Engineering, 1973, ser. 2, issue 3 (75), 120-124.

4. Филоненко В.А., Аполлонов В.В., Державин С.И. Линейка лазерных диодов. Патент РФ №2455739, 2012 г.4. Filonenko V.A., Apollonov V.V., Derzhavin S.I. The line of laser diodes. RF patent No. 2455739, 2012

5. RU 2007804 С1, 15.02.1994 г.5. RU 2007804 C1, 02.15.1994

6. ЕР 0905838 А1, 31.03.1999 г.6. EP 0905838 A1, 03/31/1999

7. Филоненко В.А. Классификация двойных эвтектик. Известия АН СССР, «Металлы», 1971, 6, 154-160.7. Filonenko V.A. Classification of double eutectics. Proceedings of the USSR Academy of Sciences, "Metals", 1971, 6, 154-160.

8. Филоненко В.А., Абрамов О.В. Кристаллизация эвтектик в поле ультразвука. Физика и химия обработки материалов, АН СССР, 1974, 1, 45-47.8. Filonenko V.A., Abramov O.V. Crystallization of eutectics in an ultrasound field. Physics and chemistry of material processing, USSR Academy of Sciences, 1974, 1, 45-47.

9. Филоненко В.А. Механизм адгезии в системах «металл - диэлектрик». ЖФХ АН СССР, 1976, 3, 726-730.9. Filonenko V.A. Adhesion mechanism in metal-dielectric systems. ZhFKh AN SSSR, 1976, 3, 726-730.

10. Филоненко В.А., Соколов А.К., Буданов Х.Г. Диффузия в системе никель - золото. «Электронная техника», сер. 2, Полупроводниковые приборы, 1977, вып.5(115). Стр.40-42.10. Filonenko V.A., Sokolov A.K., Budanov H.G. Diffusion in the nickel - gold system. "Electronic Engineering", ser. 2, Semiconductor devices, 1977, issue 5 (115). Pg. 40-42.

Claims (1)

Способ сборки полупроводниковых лазеров, включающий захват линейки лазерных диодов (LDB) вакуумным инструментом, фиксирование LDB на контактной площадке теплоотвода LDC, сжатие, нагрев в среде инертно-восстановительного газа, выдержку при температуре выше температуры образования многофазного эвтектического межсоединения, охлаждение полученного блока, отличающийся тем, что при охлаждении блока между соединяемыми поверхностями LDB и LDC в объеме жидкого эвтектического межсоединения создается температурный градиент, вектор которого направлен перпендикулярно соединяемым плоскостям и параллельно направлению роста кристаллизующихся фаз. A method of assembling semiconductor lasers, including capturing a line of laser diodes (LDBs) with a vacuum tool, fixing the LDBs on the contact pad of an LDC heat sink, compressing, heating in an inert-reducing gas medium, holding at temperatures above the temperature of formation of a multiphase eutectic interconnect, cooling the resulting block, characterized in that when the unit is cooled between the joined surfaces of the LDB and LDC in the volume of the liquid eutectic interconnect, a temperature gradient is created, the vector of which is directed n perpendicular to the connected planes and parallel to the growth direction of the crystallizing phases.
RU2012139205/28A 2012-09-13 2012-09-13 Method of creating interconnections in semiconductor lasers RU2530203C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012139205/28A RU2530203C2 (en) 2012-09-13 2012-09-13 Method of creating interconnections in semiconductor lasers

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012139205/28A RU2530203C2 (en) 2012-09-13 2012-09-13 Method of creating interconnections in semiconductor lasers

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2012139205A RU2012139205A (en) 2014-03-20
RU2530203C2 true RU2530203C2 (en) 2014-10-10

Family

ID=50279995

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2012139205/28A RU2530203C2 (en) 2012-09-13 2012-09-13 Method of creating interconnections in semiconductor lasers

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2530203C2 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2767154C1 (en) * 2021-04-30 2022-03-16 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Чеченский государственный университет" Method of making metal interconnections

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU555761A1 (en) * 1975-03-05 1981-04-23 Львовский Филиал Математической Физики Институтаматематики Method of producing p-n-junctions
RU2151457C1 (en) * 1991-05-15 2000-06-20 Миннесота Майнинг Энд Мэнюфекчуринг Компани Method for producing resistive contact layer and semiconductor device of groups ii-vi
EP2290680A1 (en) * 2009-08-27 2011-03-02 ABB Research Ltd. Power semiconductor module
US20110316128A1 (en) * 2007-02-02 2011-12-29 Siltronic Ag Semiconductor Wafers Of Silicon and Method For Their Production

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU555761A1 (en) * 1975-03-05 1981-04-23 Львовский Филиал Математической Физики Институтаматематики Method of producing p-n-junctions
RU2151457C1 (en) * 1991-05-15 2000-06-20 Миннесота Майнинг Энд Мэнюфекчуринг Компани Method for producing resistive contact layer and semiconductor device of groups ii-vi
US20110316128A1 (en) * 2007-02-02 2011-12-29 Siltronic Ag Semiconductor Wafers Of Silicon and Method For Their Production
EP2290680A1 (en) * 2009-08-27 2011-03-02 ABB Research Ltd. Power semiconductor module

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2767154C1 (en) * 2021-04-30 2022-03-16 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Чеченский государственный университет" Method of making metal interconnections

Also Published As

Publication number Publication date
RU2012139205A (en) 2014-03-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8243766B2 (en) Means for improved implementation of laser diodes and laser diode arrays
US7724791B2 (en) Method of manufacturing laser diode packages and arrays
US10058951B2 (en) Alloy formation control of transient liquid phase bonding
JP2006294943A (en) Semiconductor laser apparatus and heat sink
CN103457151B (en) The quasi-continuous semiconductor laser bar of a kind of high temperature braze material folds battle array method for packing
WO2006011059A2 (en) Laser diode arrays with reduced heat induced strain and stress
JP2019532497A (en) High power laser packaging using carbon nanotubes
US8852378B2 (en) Tailorable titanium-tungsten alloy material thermally matched to semiconductor substrates and devices
JP3528375B2 (en) Substrate and heat dissipation substrate using the same, semiconductor device, element mounting device
RU2530203C2 (en) Method of creating interconnections in semiconductor lasers
JP4811629B2 (en) Semiconductor laser device
McDougall et al. Advances in diode laser bar power and reliability for multi-kW disk laser pump sources
JP2007149978A (en) Semiconductor laser package device, and method of manufacturing same
CA2377340A1 (en) Thermoelectric device and optical module made with the device and method for producing them
RU2712764C1 (en) Method for creation of two-dimensional matrix of laser diodes and two-dimensional matrix of laser diodes
JP3269251B2 (en) Manufacturing method of stacked semiconductor device
JPH036875A (en) Semiconductor laser
EP2782196A1 (en) Semiconductor laser-excitation solid-state laser
Campbell et al. 980nm diode laser pump modules operating at high temperature
Ronnie et al. Advances in high-power laser diode packaging
Wang et al. High power vertical stacked and horizontal arrayed diode laser bar development based on insulation micro-channel cooling (IMCC) and hard solder bonding technology
RU2455739C2 (en) Line of laser diodes
TWI411183B (en) Laser diode element
Arthur Experience with microchannel and pin-post water cooling of silicon monochromator crystals
Wang On-chip thermoelectric cooling of semiconductor hot spot

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20160914