TWM542857U - 半導體與具有溝槽的散熱基板的組合 - Google Patents

Description

半導體與具有溝槽的散熱基板的組合

本創作係有關於一種半導體與具有溝槽的散熱基板，特別是指一種具有高功率的半導體與具有溝槽的散熱基板的組合。

隨著光通訊元件效能的提升，其元件的需求也朝著體積小、高性能、高功率、高傳輸速度、耐熱以及耐壓的方向來發展，其中又以雷射二極體的運用最為廣泛，當雷射二極體驅動時，必然會產生大量的熱，若未適時地將熱排除，則會導致雷射二極體的接面溫度升高，使得自身元件的效能以及壽命降低，必然衍生出元件可靠度的問題，因此有必要針對散熱的問題進行處理藉以提升元件的可靠度。

在光通訊領域中，雷射二極體的散熱問題一直是學界與業界人士首要解決的問題，傳統的雷射二極體係利用金屬線打線方式再搭配散熱基板進行封裝，相較於導熱性較好的金屬線，熱源會藉由金屬線以及散熱基板進行熱傳導，但金屬線與雷射二極體電極的接觸面積太小且雷射二極體的發光區距離散熱基板太遠，可能無法適時散熱，進而影響到元件自身的發光效率與 其壽命。因此，為克服上述的問題，本案發明人認為有必要針對如何改善雷射二極體散熱不佳提供一種有效的散熱結構。

本創作的目的在於解決習知技術中雷射二極體散熱效果不佳影響自身發光效率甚或產品壽命的問題。

為解決上述問題，本創作係提供一種半導體與具有溝槽的散熱基板的組合，包含有一散熱基板、以及一設置於該散熱基板上的邊射型雷射二極體。該散熱基板的一側係包含有一平面。該邊射型雷射二極體包含一主動區、以及一設置於該主動區發光區域一側的樑脊部。該邊射型雷射二極體設置於該散熱基板上，並透過降低該邊射型雷射二極體的主動區，以令該邊射型雷射二極體的主動區靠近該散熱基板的一側，該邊射型雷射二極體的出光方向係與該散熱基板的平面平行，並於該散熱基板上係具有一溝槽，該邊射型雷射二極體的樑脊部係對準設置於該散熱基板上溝槽的開口位置，藉以避免該散熱基板接觸該邊射型雷射二極體的樑脊部。

進一步地，所述的半導體與具有溝槽的散熱基板的組合包含有一設置於該散熱基板上溝槽兩側的金屬焊料層，用以固定該邊射型雷射二極體。

進一步地，該主動區與該邊射型雷射二極體及金屬焊料層接觸面之間的距離係可以為2μm至14μm。

進一步地，該金屬焊料層係由包含有金錫合金的材 料所製成。

進一步地，該散熱基板係為陶瓷基板。

進一步地，該散熱基板係由包含有氮化鋁(AlN)、碳化矽(SiC)、或氧化鋁(Al2O3)材料所製成。

進一步地，該溝槽的寬度係大於該邊射型雷射二極體的樑脊部。

進一步地，該溝槽係由該散熱基板的平面上的一側延伸至相對的另一側。

本創作的另一目的，在於提供一種半導體與具有溝槽的散熱基板的組合，包含有一散熱基板、一設置於該散熱基板上的金屬焊料層、以及一設置於該金屬焊料層上的邊射型雷射二極體。該散熱基板的一側係包含有一平面。該金屬焊料層設置於該散熱基板的平面上，且該金屬焊料層具有一溝槽。該邊射型雷射二極體包含有一主動區、以及一設置於該主動區發光區域一側的樑脊部。該邊射型雷射二極體設置於該金屬焊料層上，並透過降低該邊射型雷射二極體的主動區，以令該邊射型雷射二極體的主動區靠近該散熱基板的一側。該邊射型雷射二極體的出光方向係與該散熱基板的平面平行，該邊射型雷射二極體的樑脊部係對準設置於該金屬焊料層溝槽上的開口位置，藉以避免該金屬焊料層接觸該邊射型雷射二極體的樑脊部。

進一步地，該主動區與該邊射型雷射二極體及金屬焊料層接觸面之間的距離係可以為2μm至14μm。

進一步地，該金屬焊料層係由包含有金錫合金的材料所製成。

進一步地，該散熱基板係為陶瓷基板。

進一步地，該散熱基板係由包含有氮化鋁(AlN)、碳化矽(SiC)、或氧化鋁(Al2O3)材料所製成。

進一步地，該溝槽的寬度係大於該邊射型雷射二極體的樑脊部。

是以，本創作係比起習知技術具有以下之優勢功效：

1.本創作的半導體散熱結構係將邊射型雷射二極體係設置於該金屬焊料層上並透過降低該邊射型雷射二極體的主動區，使該邊射型雷射二極體的主動區靠近於散熱基板，藉以縮短該邊射型雷射二極體的導熱途徑，有效地將邊射型雷射二極體產生的熱以較短的距離傳導至該散熱基板。

2.本創作中的半導體散熱結構透過將溝槽設置於該散熱基板上，使邊射型雷射二極體的樑脊部對準至該溝槽上的開口位置，避免散熱基板傷害到該邊射型雷射二極體的樑脊部進一步影響其發光品質。

100‧‧‧半導體散熱結構

10‧‧‧散熱基板

11‧‧‧平面

12‧‧‧溝槽

20‧‧‧邊射型雷射二極體

21‧‧‧樑脊部

22‧‧‧主動區

23‧‧‧發光區域

30‧‧‧金屬焊料層

200‧‧‧半導體散熱結構

40‧‧‧散熱基板

41‧‧‧平面

50‧‧‧邊射型雷射二極體

51‧‧‧樑脊部

52‧‧‧主動區

53‧‧‧發光區域

60‧‧‧金屬焊料層

61‧‧‧溝槽

圖1，為本創作第一實施態樣的立體示意圖。

圖2，為本創作第一實施態樣的剖面示意圖。

圖3，為本創作第二實施態樣的立體示意圖。

圖4，為本創作第二實施態樣的剖面示意圖。

有關本創作之詳細說明及技術內容，現就配合圖式說明如下。再者，本創作中之圖式，為說明方便，其比例未必照實際比例繪製，該等圖式及其比例並非用以限制本創作之範圍，在此先行敘明。

請先參閱「圖1」，係本創作第一實施態樣的立體示意圖，如圖所示：

本實施態樣係提出一種用於散熱的半導體散熱結構，其中該半導體散熱結構100主要包含有一散熱基板10以及一邊射型雷射二極體20(Edge emitting laser diode)。所述的散熱基板10的一側係包含有一平面11、一金屬焊料層30、以及一設置於該平面11上的溝槽12。其中，所述的散熱基板10可以為陶瓷基板(Ceramic Board)，其具有高導熱、低熱阻、壽命長以及耐熱的特性，由於陶瓷基板的導熱性佳及耐熱性佳，故可透過該陶瓷基板引導熱進行散熱。具體而言，所述的散熱基板10可以由包含有氮化鋁(AlN)、碳化矽(SiC)、氧化鋁(Al₂O₃)等陶瓷材料或由上述材料組合而成的複合材料所製成，於本創作中不予以限制。於較佳實施態樣中，以氮化鋁(AlN)材料製成的散熱基板為最佳，由於氮化鋁具有導熱性佳、熱膨脹係數小的特性，因此不容易因為散熱基板10受溫度影響膨脹或縮小而導致邊射型雷射二極體20光束偏移的問題。

請續參閱「圖2」，係本創作第一實施態樣的立體示 意圖，如圖所示：

所述的邊射型雷射二極體20係包含有一主動區22、以及一設置於該主動區22發光區域23一側的樑脊部(Ridge)21。具體而言，該樑脊部21係可以為P型半導體，該主動區22係為P-N接面之間的區域，於該樑脊部21的底側係可以選擇性地設置有一電極層(圖未示)，覆蓋於該樑脊部21的外側，該電極層係可以朝二側的方向延伸至該金屬焊料層30的上側。該邊射型雷射二極體20設置於該散熱基板10上，並透過降低該邊射型雷射二極體20的主動區22以令該邊射型雷射二極體20的主動區22靠近該散熱基板10的一側。該邊射型雷射二極體20的出光方向係與該散熱基板10的平面11平行，並於該散熱基板10上係具有一溝槽12，該邊射型雷射二極體20的樑脊部21對準設置於該散熱基板10上溝槽12的開口位置，該金屬焊料層30則設置於該溝槽12的兩側用以固定該邊射型雷射二極體20，藉以避免該散熱基板10以及該金屬焊料層30接觸該邊射型雷射二極體20的樑脊部21。所述的樑脊部21於圖式中係以方塊表示，該樑脊部21依據雷射半導體的種類可以凸出於該雷射半導體的底側、或向內凹入形成槽狀、或是與底側齊平形成平坦面，於本創作中不欲限制該樑脊部21的實施方式。具體而言，所述的邊射型雷射二極體20可以為樑脊式雷射二極體、平面掩埋式雷射二極體、條狀掩埋式雷射二極體等或其他具有樑脊結構之雷射二極體，於本創作中不予以限制。

所述的散熱基板10溝槽12的寬度係大於該邊射型雷射二極體20的樑脊部21。具體而言，該散熱基板10的溝槽12的最小寬度可接近於邊射型雷射二極體20的樑脊部21寬度約1~2μm，但仍需保留些許裕度避免傷到該樑脊部21。於一較佳實施態樣中，該溝槽12係由該散熱基板10的平面11上的一側延伸至相對的另一側，以便安裝該邊射型雷射二極體20時提供可供目測的基準準位調整該邊射型雷射二極體20的樑脊部21的位置。於另一較佳實施態樣中，該溝槽12亦可僅設置於該邊射型雷射二極體20的下側、延伸至該散熱基板10的另一面、或是由兩塊基板合併並於中間保持一適當距離藉以形成該溝槽，於本創作中不予以限制。

該金屬焊料層30的材料於較佳實施態樣中係由包含有金錫合金的材料所製成，且設置於該溝槽12的兩側，藉以使該邊射型雷射二極體20能夠附著於該散熱基板10。於其餘較佳實施態樣中，該金屬焊料層30的材料亦可以由例如純錫、金錫合金或其他金屬材料或包含其他金屬材料的合金材料所製成，於本創作中不予以限制。

所述的邊射型雷射二極體20的係透過降低該主動區22的高度使該主動區22相當靠近於該散熱基板10的平面11。於較佳實施態樣中，該主動區22與該邊射型雷射二極體20及金屬焊料層接觸面之間的距離係可以為2μm至14μm，藉以使該主動區22所產生的熱經由該金屬焊料層30直接傳導至該散熱基板10 的平面11，以達到縮短導熱途徑的功效。

本創作的半導體散熱結構除上述的實施態樣外，亦可以為以下的實施方式。以下係針對本創作第二實施態樣進行說明，請續參閱「圖3」，係本創作第二實施態樣的立體示意圖，如圖所示：

本實施態樣與第一實施態樣的差異在於散熱結構的設計方式不同，其餘相同部分以下便不再予以贅述。

本實施態樣係提出一種用於散熱的半導體散熱結構，其中該半導體散熱結構200主要包含有一散熱基板40、一邊射型雷射二極體50、以及一金屬焊料層60。所述的散熱基板40的一側係包含有一平面41。所述的金屬焊料層60係設置於該散熱基板40的平面41上，該金屬焊料層60具有一溝槽61。

所述的散熱基板40可以為陶瓷基板(Ceramic Board)，其具有高導熱、低熱阻、壽命長以及耐熱的特性，由於陶瓷基板的導熱性佳及耐熱性佳，故可透過該陶瓷基板引導熱進行散熱。

具體而言，所述的散熱基板40較佳可以由包含有氮化鋁(AlN)材料、碳化矽(SiC)材料、氧化鋁(Al₂O₃)等陶瓷材料或由上述材料組合而成的複合材料所製成，於本創作中不予以限制。於較佳實施態樣中，以氮化鋁(AlN)材料的散熱基板為最佳，由於氮化鋁具有導熱性佳、熱膨脹係數小的特性，因此不會因為散熱基板40受溫度影響膨脹或縮小而導致邊射型雷射二極體50 光束偏移的問題。

所述的金屬焊料層60的材料於較佳實施態樣中係由包含有金錫合金的材料所製成，於該金屬焊料層60上係具有溝槽61用以避開該邊射型雷射二極體50的樑脊部51。該金屬焊料層60的材料亦可以由例如純錫(Sn)、金錫合金或其他金屬材料或包含其他金屬材料的合金材料所製成，於本創作中不予以限制。

請續參閱「圖4」，係本創作第二實施態樣的剖面示意圖，如圖所示：

所述的邊射型雷射二極體50係包含有一主動區52、以及一設置於該主動區52發光區域53一側的樑脊部51。具體而言，該樑脊部51係可以為P型半導體，該主動區52係為P-N之間的區域，此部分端看邊射型雷射二極體50的種類，於該樑脊部51的底側係可以選擇性地設置有一電極層(圖未示)，覆蓋於該樑脊部51的外側，該電極層係可以朝二側的方向延伸至該金屬焊料層60的上側。該邊射型雷射二極體50設置於該金屬焊料層60上，並透過降低該邊射型雷射二極體50的主動區52，以令該邊射型雷射二極體50的主動區52靠近該散熱基板40的一側。該邊射型雷射二極體50的出光方向係與該散熱基板40的平面41平行，並於該金屬焊料層60上設置有一溝槽61，該邊射型雷射二極體50的樑脊部51對準設置於該金屬焊料層60溝槽61上的開口位置，藉以避免該金屬焊料層60接觸該邊射型雷射二極體50的樑脊部51。所述的樑脊部51於圖式中係以方塊表示，該樑脊部51 依據雷射半導體的種類可以凸出於該雷射半導體的底側、或向內凹入形成槽狀、或是與底側齊平形成平坦面，於本創作中不欲限制該樑脊部51的實施方式。具體而言，所述的邊射型雷射二極體50可以為樑脊式雷射二極體、平面掩埋式雷射二極體、條狀掩埋式雷射二極體等或其他具有樑脊結構之雷射二極體，於本創作中不予以限制。

所述的金屬焊料層60溝槽61的寬度係大於該邊射型雷射二極體50的樑脊部51的寬度。具體而言，該金屬焊料層60的溝槽61的最小寬度可接近於邊射型雷射二極體50的樑脊部51寬度約1~2μm，但仍需保留些許裕度避免傷到該樑脊部51。

所述的邊射型雷射二極體50係透過降低該主動區52的高度使該主動區52相當靠近於該金屬焊料層60。於較佳實施態樣中，該主動區52與該邊射型雷射二極體50及金屬焊料層60接觸面之間的距離係可以為2μm至14μm，藉以使該主動區52所產生的熱經由該金屬焊料層60直接傳導至該散熱基板40的平面41，以達到縮短導熱途徑的功效。

綜上所述，本創作的半導體散熱結構係將邊射型雷射二極體係設置於該金屬焊料層上並透過降低該邊射型雷射二極體的主動區，使該邊射型雷射二極體的主動區靠近於散熱基板，藉以縮短該邊射型雷射二極體的導熱途徑，有效地將邊射型雷射二極體產生的熱以較短的距離傳導至該散熱基板。此外，本創作中的半導體散熱結構透過將溝槽設置於該散熱基板上，使邊射型 雷射二極體的樑脊部對準至該溝槽上的開口位置，避免散熱基板傷害到該邊射型雷射二極體的樑脊部進一步影響其發光品質。

以上已將本創作做一詳細說明，惟以上所述者，僅惟本創作之一較佳實施例而已，當不能以此限定本創作實施之範圍，即凡依本創作申請專利範圍所作之均等變化與修飾，皆應仍屬本創作之專利涵蓋範圍內。

100‧‧‧半導體散熱結構

10‧‧‧散熱基板

11‧‧‧平面

12‧‧‧溝槽

20‧‧‧邊射型雷射二極體

21‧‧‧樑脊部

22‧‧‧主動區

23‧‧‧發光區域

30‧‧‧金屬焊料層

Claims (14)

1. 一種半導體與具有溝槽的散熱基板的組合，包含：一散熱基板，該散熱基板的一側係包含有一平面；以及一邊射型雷射二極體，包含一主動區、以及一設置於該主動區發光區域一側的樑脊部，該邊射型雷射二極體設置於該散熱基板上，並透過降低該邊射型雷射二極體的主動區，以令該邊射型雷射二極體的主動區靠近該散熱基板的一側，該邊射型雷射二極體的出光方向係與該散熱基板的平面平行，並於該散熱基板上係具有一溝槽，該邊射型雷射二極體的樑脊部係對準設置於該散熱基板上溝槽的開口位置，藉以避免該散熱基板接觸該邊射型雷射二極體的樑脊部。
2. 如申請專利範圍第1項所述的半導體與具有溝槽的散熱基板的組合，更進一步包含有一設置於該散熱基板上溝槽兩側的金屬焊料層，用以固定該邊射型雷射二極體。
3. 如申請專利範圍第2項所述的半導體與具有溝槽的散熱基板的組合，其中該主動區與該邊射型雷射二極體及該金屬焊料層接觸面之間的距離係可以為2μm至14μm。
4. 如申請專利範圍第3項所述的半導體與具有溝槽的散熱基板的組合，其中該金屬焊料層係由包含有金錫合金的材料所製成。
5. 如申請專利範圍第3項所述的半導體與具有溝槽的散熱基板的組合，其中該散熱基板係為陶瓷基板。
6. 如申請專利範圍第5項所述的半導體與具有溝槽的散熱基板的組合，其中該散熱基板係由包含有氮化鋁(AlN)、碳化矽(SiC)、或氧化鋁(Al₂O₃)材料所製成。
7. 如申請專利範圍第3項所述的半導體與具有溝槽的散熱基板的組合，其中該溝槽的寬度係大於該邊射型雷射二極體的樑脊部。
8. 如申請專利範圍第2項所述的半導體與具有溝槽的散熱基板的組合，其中該溝槽係由該散熱基板的平面上的一側延伸至相對的另一側。
9. 一種半導體與具有溝槽的散熱基板的組合，包含：一散熱基板，該散熱基板的一側係包含有一平面；一金屬焊料層，設置於該散熱基板的平面上，且該金屬焊料層具有一溝槽；以及一邊射型雷射二極體，包含有一主動區、以及一設置於該主動區發光區域一側的樑脊部，該邊射型雷射二極體設置於該 金屬焊料層上，並透過降低該邊射型雷射二極體的主動區，以令該邊射型雷射二極體的主動區靠近該散熱基板的一側，該邊射型雷射二極體的出光方向係與該散熱基板的平面平行，該邊射型雷射二極體的樑脊部係對準設置於該金屬焊料層溝槽上的開口位置，藉以避免該金屬焊料層接觸該邊射型雷射二極體的樑脊部。
10. 如申請專利範圍第9項所述的半導體與具有溝槽的散熱基板的組合，其中該主動區與該邊射型雷射二極體及該金屬焊料層接觸面之間的距離係可以為2μm至14μm。
11. 如申請專利範圍第10項所述的半導體與具有溝槽的散熱基板的組合，其中該金屬焊料層係由包含有金錫合金的材料所製成。
12. 如申請專利範圍第10項所述的半導體與具有溝槽的散熱基板的組合，其中該散熱基板係為陶瓷基板。
13. 如申請專利範圍第12項所述的半導體與具有溝槽的散熱基板的組合，其中該散熱基板係由包含有氮化鋁(AlN)、碳化矽(SiC)、或氧化鋁(Al₂O₃)材料所製成。
14. 如申請專利範圍第10項所述的半導體與具有溝槽的散熱基板的組合，其中該溝槽的寬度係大於該邊射型雷射二極體的樑脊部。