WO2011029846A1 - Verfahren zum thermischen kontaktieren einander gegenüberliegender elektrischer anschlüsse einer halbleiterbauelement-anordnung - Google Patents

Verfahren zum thermischen kontaktieren einander gegenüberliegender elektrischer anschlüsse einer halbleiterbauelement-anordnung Download PDF

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Matthias Schröder
Dominic SCHRÖDER
Petra Hennig
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Jenoptik Laser Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a method for producing a semiconductor module, for example a diode laser component, in which the electrical connections of a semiconductor component arrangement, for example a laser diode bar, are thermally contacted.
  • An advantage of this method is the small number of components that are necessary for the production of the diode laser component. It is also advantageous to use a cost-effective and highly thermally conductive heat conducting body material.
  • a disadvantage of this method is the mechanical stress, which is introduced by the thermally advantageous copper by cooling from the solidification temperature of the solder (157 ° C) to room temperature in the laser diode bar and negatively affected its optical properties.
  • a further method for the thermal contacting of electrical connections of a laser diode bar is known from the published patent application EP 1 341 275 A2, which solves the problem of mechanically stressing the laser diode bar by virtue of the fact that the laser diode bar, with the dispensing with solder layers, is frictionally engaged on both sides by an electrically conductive heat conducting body electrically as well as thermally contacted.
  • An advantage of this method and the arrangement produced by this method is the low thermal stress compared to a solder joint with thermal expansion with respect to the laser diode compared to the thermal expansion of the laser diode diode, which ensures a high power homogeneity of the optical radiation of emitters of a laser diode bar.
  • a disadvantage of this method is the insufficient thermal contact of the laser diode bar, which manifests itself in too low an electro-optical conversion efficiency and too low an optical maximum power.
  • a further disadvantage of this method is the requirement for fastening means which, in order to ensure the frictional connection, not only for connecting, but also for the maintenance of tion of the frictional connection are provided and must remain in the diode laser device.
  • the object of the invention is to describe a method for the thermal contacting of the electrical connections of a laser diode bar, which does not have the aforementioned disadvantages.
  • the components essential for the production of the semiconductor module according to the invention with the features specific to the invention are provided in a first method step. These include (i) a semiconductor device arrangement having on a first side at least one first electrical connection with a first contact surface and on a second side opposite the first side at least one second electrical connection with a second contact surface, (ii) first heat-conducting body, (iii) at least one second heat-conducting body, (iv) a first metallic layer, (v) at least one second metallic layer and (vi) at least one joining agent.
  • the semiconductor component arrangement can be a single semiconductor component, for example a laser diode element, wherein the electrical connections are formed by at least one first electrically conductive contact layer - for example a first metallization - on the first side of the semiconductor component and at least one second electrically conductive Contact layer - for example, a first metallization - are formed on the second side of the semiconductor device and the first contact surface on the side facing away from the semiconductor device side of the first electrically conductive contact layer and the second contact surface is disposed on the side remote from the semiconductor device side of the second electrically conductive contact layer ,
  • Laser diode elements according to the invention include a single emitter laser diode, laser diodes having a plurality of emitters arranged side by side and / or one above the other, and laser diode bars having a multiplicity of emitters arranged side by side in a row.
  • the semiconductor device arrangement as a subassembly of a semiconductor module - for example, as a diode laser subassembly - be formed by at least one Halbleiterbau- element, for example one or more laser diode elements comprises, and a first electrically conductive contact body, which provides the first electrical connection and a second electrically conductive contact body, which provides the second electrical connection.
  • the first electrically conductive contact body of a first electrically conductive joining means is firmly bonded to a first side
  • the second electrically conductive contact body is adhesively fastened by means of a second electrically conductive joining means to one of the first side of the semiconductor device opposite second side of the semiconductor device, wherein the first contact surface arranged on the side facing away from the semiconductor device side of the first electrically conductive contact body is and the second contact surface is disposed on the side remote from the semiconductor device side of the second electrically conductive contact body.
  • the electrical conductivity of the contact bodies can be provided by an electrically conductive material of a core body of the contact body or by an electrically conductive layer on an electrically insulating core body, for example a core body of electrically insulating material.
  • the first contact surface is provided as a first electrical contact surface for first electrical and thermal contacting of the semiconductor device and the second contact surface as a second electrical contact surface for the second electrical and thermal contacting of the semiconductor device
  • the first contact surface of the first contact body in principle first as a first thermal contact surface for the first thermal contact of the subassembly - connected, however, with the possible option for electrical contacting - provided and the second contact surface of the second contact body in principle as a second thermal contact surface for the second thermal contact of the subassembly - but with the possible option for electr Contacting the same.
  • the electrically conductive contact bodies preferably have a coefficient of thermal expansion which does not deviate from that of the semiconductor component by more than 2 ppm / K. This is possible for semiconductor components which consist predominantly of gallium arsenide, indium phosphide, gallium nitride, zinc oxide or silicon in terms of weight atomic and / or volume fractions, if the electrically conductive contact bodies contain tungsten, molybdenum, carbon, boron nitride and / or silicon carbide, optionally in Compound with a metal of a higher expansion coefficient, such as copper, silver or aluminum.
  • the electrically conductive contact bodies do not assume a size sufficient for the necessary heat spread in a semiconductor module. Manufacturers or users are therefore preferably, with regard to their volume larger, heat conducting to the electrically conductive contact body in particular or to install the semiconductor device arrangement in general.
  • the first heat-conducting body in at least one of its directions of extension is larger than the semiconductor component arrangement in one of its directions of extension parallel to the first and / or second contact surface;
  • the second heat conducting body is larger in at least one of its directions of extension than the semiconductor device arrangement in one of its directions of extension parallel to the first and / or second contact surface.
  • the semiconductor component arrangement is arranged in such a manner between the first and the second heat conducting body that a first contact portion of the first heat conducting body faces the first contact area, a second contact portion of the second heat conducting body of the second contact surface is opposite.
  • the first heat-conducting body preferably has a first connection section and the second heat-conducting body has a second connection section, the first connection section of the first heat-conducting body being opposite the second connection section of the second heat-conducting body away from the semiconductor component arrangement.
  • the first metallic layer is arranged at least in sections between the first contact section and the first contact surface and the second metallic layer at least in sections between the second contact section and the second contact surface.
  • the first metallic layer may be applied to the first contact surface or first heat input surface of the first contact section facing the semiconductor device arrangement and / or the second metallic layer may be applied to the second contact surface or second heat input surface of the semiconductor device arrangement second contact section are applied.
  • This deposition can be achieved by deposition from the gas phase (vapor deposition, sputtering, CVD), by electrodeposition of an electrolyte, etc.
  • first and the second metallic layer can also be physically individually present as foils or plates, for example as so-called preforms.
  • At least one force is generated which is at least component-wise effectively oriented by one of the two heat-conducting bodies in the direction of the other heat-conducting body.
  • Such a force is preferably applied externally to at least one of the two heat-conducting bodies as external force, so that it is oriented at least component-wise in the direction of the other heat-conducting body.
  • an internal force which is caused, for example, by shrinkage of a joining medium volume introduced between the heat-conducting bodies.
  • the force according to the invention thus exerts a pressure on the semiconductor component arrangement, the first metallic layer and the second metallic layer. It can be applied as an external force, for example, on one side in the direction perpendicular to the first contact surface on the side facing away from the semiconductor device assembly side of the first heat conducting body, while the second heat conducting body rests with its side facing away from the semiconductor device array on a support surface.
  • an external force can also be applied on one side in the direction perpendicular to the second contact surface on the side facing away from the semiconductor device assembly side of the second heat conducting body, while the first heat conducting body rests with its side facing away from the semiconductor device array on a support surface.
  • two equally large oppositely directed external forces can be applied to the semiconductor device arrangement facing away from the outer sides of the first and second politiciansleit stresses that add to exert a pressure on the semiconductor device assembly, the first metallic layer and the second metallic layer.
  • Typical forces according to the invention are in the range of 0.1 N to 1 kN and can vary during the process.
  • a cohesive connection of the two heat conducting bodies is achieved by solidification of the joining means.
  • the joining means is explicitly involved in the formation of the connection - that is to say: it is essential for the device of the integral connection of the two heat-conducting bodies.
  • the joining means is preferably arranged at least in sections between the first and the second connecting section.
  • the joining means can already be introduced between the first and second connecting section in the second method step, that is to say: before the pressure according to the invention is applied to one or both sauceleitmaschine was applied.
  • it can also be introduced between the first and second connecting section only in the third method step, wherein the pressure according to the invention is present even before the introduction and remains at least qualitatively maintained during the introduction.
  • the joining agent may be in liquid, pasty or solid form prior to solidification. If it is in solid form, it is preferably added to obtain a wetting of the first and / or second connecting portion by the action of force or heat due to physical and / or chemical effects in a liquid or pasty state, from which it is maintained or solidified after lifting said force or heat.
  • the joining agent is preferably characterized in the solidified state in that it is of low flexibility and high flexural stiffness, so that it remains resistant to internal shear and peel forces against cracking and can absorb correspondingly high shear and peel stresses.
  • Such joining agents include, for example, thermosetting - for example epoxy-containing - adhesives, metallic solders, glass solders and cements.
  • one of the joining means is in the solidified state thus able to maintain a frictional connection between the second contact portion and the second contact surface, so that even after canceling the external force in a further, optional process step sufficient thermal contact between the second contact portion and the second contact surface remains.
  • Essential to the invention at the third method step is the feature that none of the metallic materials of the second metallic layer melt during the application and / or maintenance of the external force and / or the solidification of the joining agent. This means that the temperature in the second metallic layer in the third method step does not exceed the melting temperature of the metallic material of the second metallic layer with the lowest melting temperature.
  • Examples of such compounds include intermetallic phases, examples of such mixtures being eutectics of the metals and / or their intermetallic phases.
  • the contacting method according to the invention thus represents, in principle, a "metal-layer-supported clamping maintained by the abrupt material closure", which is referred to below by the term “clamping” and which differs from prior art soldering in that the FIGS in the case of soldering melts involved in compound formation, but not in the case of clamping according to the invention.
  • An advantage of the invention is the fact that the temperature in the second metallic layer and thus the temperature of the components to be joined in forming the cohesive or material connection with participation of the second metallic layer is lower than in the case of a soldering, in which the Lotgut in the liquid state changes and solidifies at a solidification temperature which is higher than the temperature permissible according to the invention.
  • the temperature difference which is effective for a voltage input when cooled by the different thermal expansion coefficients after formation of the compound according to the invention is lower than in a soldering according to the prior art.
  • the compressive stress introduced by clamping in transverse direction that is to say in the direction perpendicular to the first and / or second contact surface, hardly has a negative influence on the optical property of the emitted radiation of the laser diode bar.
  • the performance homogeneity in the case of clamping is much more homogeneous as in the case of soldering distributed over the emitter of the laser diode bar (see first embodiment).
  • An advantage of the clamping according to the invention also has the effect that the material connection mediated by the joining means-for example between the two connecting sections-exerts a non-cancelable supporting effect on the thermal connection between the second heat-conducting body and the semiconductor component arrangement, on the one hand for the frictional connection Clamping is essential and on the other hand spares the weakly formed material bond of the cohesive clamping against harmful peel stress.
  • said material connection makes obsolete the use of non-positive connection and / or fastening means, which is reflected in a reduced size and reduced cost of the semiconductor module.
  • the essential advantage of the invention is, in particular with inexpensive, highly thermally conductive heat conducting bodies made of copper and / or aluminum, despite their compared to the semiconductor device array strongly divergent thermal expansion coefficient to achieve a good and reliable thermal bonding of the semiconductor device arrangement, which also in Ensuring the case of laser diode elements very homogeneous optical properties of the radiation of individual emitters of a laser diode bar.
  • an increase in the temperature of the joining agent may very well be provided in the third process step essential to the invention, which also has an effect on the temperature of the second metallic layer, for example in order to achieve liquefaction and / or solidification of the joining agent. Nevertheless, the temperature in the second layer during the processing of the joining agent according to the invention remains below the melting point of each of its constituents. Even if the temperature in the joining agent for a long time, for example 1 second to 10 minutes, is higher than the lowest melting temperature of a material of the second layer, can be established by cooling the second layer, a stationary temperature gradient between the joining agent and the second layer, the in the second layer is below the lowest melting point of any of its materials.
  • the temperature in the joining agent can be maintained for a shorter time, for example 1 millisecond to 1 second, higher than the lowest melting temperature of a second-layer material, if the transient temperature gradient formed by the time-delayed thermal diffusion at no time occurs in any region the second layer has a temperature which is higher than the melting point of the relevant area.
  • the temperature of the second layer in the third method step is at least temporarily above room temperature. Since the strength properties of most materials In the case of forming a frictional connection between the second contact portion and the second contact surface, thermal contact between them can be improved by increased plastic deformation of the second layer. The situation is similar in the case of the formation of a cohesive connection between the second contact portion and the semiconductor device arrangement by solid-state diffusion.
  • the diffusion coefficient determining the diffusion behavior of the diffusion of a first substance into a second substance has a behavior similar to Arrhenius's law, according to which the diffusion increases and / or accelerates at elevated temperature. In order for a thermal contact is also improved in the formation of a cohesive connection with temperature increase.
  • the third step preferably in vacuum or with respect to the metallic material of the first and / or second metallic layer made chemically inert or reducing atmosphere. If a coating of the semiconductor component arrangement or of the heat conduction body with the metallic layer is carried out in vacuum, it is also preferable to arrange the components in the second process section under this vacuum without allowing the coating to contact the ambient atmosphere after the coating.
  • the second contact surface and / or the heat input surface is a diffusion-friendly metallic surface coating, for example having a precious metal.
  • this diffusion layer is a gold layer whose thickness is preferably in the range of 50 nm to 1 ⁇ m.
  • An underlying diffusion barrier for example a layer of nickel, palladium, platinum or refractory metal is not necessary according to the invention, but can be provided, for example to improve the adhesion of the diffusion layer on the semiconductor device arrangement or the second contact section.
  • At least the thermal contacting of the second side of the semiconductor component arrangement is subject to the metal layer-supported clamping maintained by the secondary material bond.
  • the first side of the semiconductor device array may be contacted by conventional soldering, particularly if it is the side of the semiconductor device array on which the Operation of the semiconductor module of the vast amount of heat is produced.
  • this is the epitaxial side of the semiconductor device arrangement, the second side corresponding to the substrate side.
  • Epitaxie chrome is usually a higher requirement for the thermal, electrical and mechanical reliability of the thermal and preferably associated electrical see-contacting, which can be met for example by a gold-tin brazing under the condition that the thermal expansion coefficient of the first michleit stressess does not deviate from that of the semiconductor device arrangement by more than 2 ppm / K.
  • such a first heat-conducting body in terms of weight / atom and / or volume fractions consists predominantly of a metal-containing composite material, for example a diamond-silver composite material.
  • the first side of the semiconductor device arrangement analogously and in addition to the second side may be thermally contacted by a metal layer supported clamping maintained by offside material connection, wherein in the third process step, the temperature in the first and the second metallic layer preferably not the melting temperatures of those materials in the exceeds respective layers with the lowest melting temperatures.
  • the formation of a bonded connection between the second contact section and the semiconductor device arrangement by solid-state diffusion of at least one metallic material of the second metallic layer in a metallic Oberflumble- chen Scheme the second contact portion and / or the second electrical connection and / or by solid-state diffusion of at least one metallic material of the surface region of the second contact section and / or of the second electrical connection into the second metallic layer, without any of the metallic materials of the second metallic layer, the surface region of the second contact section or of the second electrical connection, one of its compounds formed or one of their mixtures formed with each other or with one or more of its compounds formed in a liquid state and passes
  • the wetting of the joining partners by or preferably the material of the first or second layer is a condition.
  • the diffusibility of the materials of the wetting surface additionally supports the process of forming the integral connection.
  • Excellent wetting partners are precious metals and relatively soft, low-melting metals.
  • the first and / or second layer contain at least one material with a chemical element from the group indium, tin, lead and cadmium.
  • this material can consist solely of one of the said chemical elements; in particular, the first and / or second metallic layer can predominantly or completely consist of tin, lead, cadmium or, with particular preference, indium in terms of weight, atomic and / or volume fractions.
  • the material may consist of eutectic mixtures of said chemical elements with other chemical elements or said chemical elements, in particular the first and / or second metallic layer may be predominantly or completely composed of eutectic lead-tin with respect to weight atomic and / or volume fractions, Cadmium-tin or - most preferably - indium-tin exist.
  • the temperature during the third process step in the first and / or second layer is at least temporarily greater than room temperature.
  • the temperature during the third process step in the first and / or second layer is at least temporarily greater than 30 ° C.
  • it is temporarily between 50 ° and 100 ° C.
  • the solidification of the joining agent may be favored, in the sense that the solidification is accelerated in time and / or the strength of the solidified joining agent is increased.
  • 1 b is a side view of an inventive arrangement of the components in the third method step of the first embodiment
  • 1c shows a current-light / -voltage curve of a soldered diode laser component.
  • FIG. 1 d shows a current-light / -voltage curve of the diode laser component produced according to the first embodiment.
  • 1e shows a near-field profile of the optical power distribution of emitters of a soldered diode laser component
  • FIG. 1f shows a near-field profile of the optical power distribution of emitters of a diode laser component produced according to the first exemplary embodiment
  • FIG. 2a shows a side view of an inventive arrangement of the components for carrying out a first portion of the second method step of a second embodiment for producing a diode laser component according to the invention.
  • 2b is a side view of an inventive arrangement of the components for the implementation of a, the first section temporally downstream, second section of the second method step of the second embodiment,
  • FIG. 3a shows a front view of an inventive arrangement of the components in the second method step of a third embodiment of the invention for producing a Dion denlaserbauriis
  • 3b is a front view of an inventive arrangement of the components in a first section of the third method step of the third embodiment
  • 3c shows a front view of an arrangement according to the invention of the components in a, the first section temporally downstream, second sections of the third method step of the third embodiment
  • 4a is a side view of the components of a diode laser subassembly for use in the manufacture of a diode laser device according to a fourth embodiment of the inventive method
  • FIG. 4b is a side view of the diode laser subassembly of FIG. 4a; FIG.
  • 4c shows a side view of an inventive arrangement of the components in the second method step of the fourth embodiment for producing a diode laser component according to the invention
  • Fig. 4d is a side view of an inventive arrangement of the components in the third step of the fourth embodiment.
  • 5a is a front view of the components of a diode laser subassembly for use in the manufacture of a diode laser device according to a fifth embodiment of the method according to the invention.
  • FIG. 5b is a front view of the diode laser subassembly of FIG. 5a.
  • FIG. 5b is a front view of the diode laser subassembly of FIG. 5a.
  • 5c is a side view of an inventive arrangement of the components in the second process step of the fifth embodiment of the invention for producing a Dio denlaserbauides
  • Fig. 5d is a front view of an inventive arrangement of the components in the third step of the fifth embodiment.
  • FIGS. 1a and 1b of the first exemplary embodiment Contact layers formed as metallizations 17 and 18 on opposite sides of a laser diode element 10 are illustrated only in FIGS. 1a and 1b of the first exemplary embodiment and are assumed to be given to all other figures, but have been omitted for the sake of clarity.
  • a first heat-conducting body 20 made of copper is produced in the first method step and a second heat conducting body 30 made of copper. Both shallleit stresses 20 and 30 are externally coated with a nickel and a gold layer.
  • the first heat-conducting body 20 has a first connection section 26 and a first contact section 25 with a first connection surface 21.
  • the second heat-conducting body 30 has a second connection section 36 and a second contact section 35 with a second connection surface 31.
  • a first indium layer 51 is applied to the first connection surface 21, and a second indium layer 52 is applied to the second connection surface 31.
  • the first heat-conducting body 20 is oriented in such a way in relation to the second heat-conducting body 30 in the second method step that the first connection surface 21 and the second connection surface 31 are opposite one another (FIG. 1 a).
  • a laser diode bar 10 is provided as a semiconductor component arrangement, which has a first metallization 17 with a gold-plated outer electrical contact surface 11 on a first side and a second metallization 18 with a gold-plated outer contact surface 12 on a second side.
  • the laser diode bar 10 is brought between the first contact section 25 and the second contact section 35 such that its first electrical contact surface 11 opposes the first connection surface 21 and its second electrical contact surface 12 of the second, opposite the first electrical contact surface 11 Face 31 is opposite.
  • a joining agent 55 is introduced, which need not necessarily be present as a layer at the time of introduction, but also applied as a drop or droplet field on the surface of the first connecting portion 26 and / or the second connecting portion 36 can be opposite to the other connecting portion.
  • an epoxy resin adhesive filled with ceramic particles (abbreviated to epoxy) is used as the electrically insulating joining agent 55.
  • the laser diode bar 10 On the side facing away from the joining means, the laser diode bar 10 has a radiation emission surface 13, which is perpendicular to the two electrical contact surfaces 11 and 12.
  • a compressive force 53 is applied to the side of the second contact section 35 facing away from the laser diode bar.
  • the first heat conducting body 20 rests with its side facing away from the laser diode bar 22 on a stationary or stationary counterpart, which is not shown in Fig. 1 b and serves as a stop. With this stop, one of the pressure force 53 opposite counterforce builds up, which provides 51 and 52 together with the pressure force 53 for a pressure load of the indium layers.
  • the temperature of the arrangement is increased from room temperature to 70 ° C., in order to bring about the hardening and the concomitant solidification of the joining agent layer 55.
  • the temperature in the indium layers does not exceed 70 ° C during the third process step until the completion of the diode laser device 80 as a semiconductor module. Nevertheless, a solid connection of the laser diode bar 10 with both slaughterleit stresses 20 and 30 is achieved by the diffusion of the solid indium into the solid gold.
  • the production of the diode laser component 80 is completed with the solidification of the joining means 55, which forms a stable cohesive connection between the two heat conducting bodies 20 and 30 away from the laser diode element 10, and the cooling of the assembly back to room temperature.
  • the material bond formed by the joining means 55 at least partially maintains the pressure loading of the heat-conducting bodies 20 and 30 on the indium layers 51 and 52, so that the indium layers 51 and 52 are protected against tensile, shear and peel loads and a sufficient electrical and thermal contact of the laser diode element 10 during operation of the Diodenlaserbauelement.es 80 can be ensured.
  • a heat sink (not shown) is connected to the connection surface 22 on the side of the first heat conducting body facing away from the laser diode bar 10. The emission direction of the diode laser radiation emitted during operation is indicated by the arrow 15 in FIG. 1 b.
  • the indium layers 51 and 52 may also be solder layers, but not used as such in the present case, namely at no time during the manufacture of the diode laser module, the melting temperature of indium - namely 157 ° C - in either Indium layers 51 and 52 is exceeded, this manufacturing method can be referred to as clamping of the laser diode bar 10.
  • soldering of the laser diode bar 10 a manufacturing method in which the melting temperature of one or both indium layers 51 and 52 is exceeded is referred to as soldering of the laser diode bar 10.
  • soldering should have better thermal properties - in terms of thermal resistance - of the diode laser device than clamping.
  • a disadvantage of soldering is the material bond produced at the melting temperature (better: solidification temperature) of the solder, in particular with both-sided soldering of both indium layers 51 and 52, in particular with an inhomogeneous course across the width of the laser diode bar 10 from emitter to emitter in the laser diode bars 10 brings. Since the optical properties of the radiation of the emitters are highly dependent on the voltage state in the respective emitter, corresponding inhomogeneous radiation properties of different regions of the laser diode bar 10 can be expected.
  • FIGS. 1 c to 1 f represent the properties of the respective representative with the highest electro-optical efficiency with a nominal optical power of 120 W of each variant.
  • Fig. 1 c shows the current-light / - voltage curve of the respective double-sided soldered diode laser component 80 and
  • Fig. 1 d shows the current-Lichf voltage curve of the respective clamped on both sides according to the invention diode laser device 80.
  • the electro-optical, mechanical and thermal properties of both variants are compared in Tab. 1:
  • Tab. 1 Comparison of soldered on both sides and clamped on both sides laser diode bar.
  • the clamped variant has an electro-optical efficiency comparable to the soldered variant.
  • the thermal properties are very similar to each other.
  • the thermal resistance it should be noted that its determination is influenced by thermomechanical mechanisms, so that a systematic error of +/- 0.03 K / W can be assumed.
  • the smile denotes the curvature of the laser diode bar 10 along its width axis as the sum of the two maximum positive and negative deviations from a straight line interpolated from the measured values.
  • the clamped variant is clearly to give preference to the soldered, which has a particularly positive effect in terms of efficiency in the coupling of the radiation of multiple emitters in an optical fiber.
  • FIG. 1 e shows the near-field profile of the optical power distribution of emitters of the soldered diode laser component 80
  • FIG. 1 f shows the near-field profile of the optical power distribution of emitters of the diode laser component 80 clamped on both sides.
  • the first heat-conducting body 20 consists of a silver-diamond composite material core which externally has at least on the side facing away from the laser diode bar 10 and on the side facing the laser diode bar 10 a copper layer which can be machined in a simple manner to planar connecting surfaces manufacture.
  • Silver and diamond of the first heat-conducting body are in a mixing ratio that gives the first heat-conducting body 20 a coefficient of thermal expansion which is only 0.5 to 1.5 ppm / K greater than the thermal expansion coefficient of the laser diode bar 10. This results in a low-stress epitaxial-side brazing the laser diode bar 10 on the perennialleit stresses 20 possible.
  • a gold-tin solder layer 51 is applied to the laser diode bar 10 facing side of the contact portion 25 first heat conducting body 20, the eutectic gold-tin in the weight ratio of gold to tin of 80:20 ( Figure 2a).
  • the laser diode bar 10 is thus soldered via its epitaxial-side contact surface 11 to the first heat-conducting body 20.
  • an indium foil 52 of 5 ⁇ m to 100 ⁇ m in thickness is brought between the laser diode bars 10 and the second contact section 35 of a second heat conducting body 30 made of copper and an electrically insulating joining means 55 between the opposing connecting sections 26 and 36 of the first and second heat conducting bodies 20 and 30 (FIG. 2b).
  • the temperature in the indium layer 52 does not exceed 100 ° C.
  • the indium partially diffuses into the substrate-side gold layer of the second contact surface 12 of the laser diode bar and partly into the copper of the second heat-conducting body 30, the surface of which has been sufficiently freed of oxygen at least in the diffusion region.
  • a laser diode 10 having an emitter 13a is used as the laser diode element. Since the resonator length in the depth direction of FIG. 3 a is greater than the width of the laser diode 10, a heat spread on both sides is left and right parallel to the contact surfaces 11 and 12 the laser diode 10 and perpendicular to the resonator or light emission direction 15 advantageous.
  • the first and the second heat-conducting body 20 and 30 each have two opposing connecting portions 26 and 36 - one left and one right - between which each of the contact portion 25 and 35 is located.
  • the pads 21 and 31 of the contact portions 25 and 35 are freed from the native aluminum oxide layer of the existing aluminum heat conducting body 20 and 30 by a suitable method.
  • the connection surfaces 21 and 31 of the contact sections 25 and 36 are vapor-deposited in vacuo with in each case one indium layer 51 or 52 (FIG. 3 a).
  • the indium layer 51/52 By the indium layer 51/52, the respective pad 21/31 is protected from oxidation, so that even in an oxidizing ambient atmosphere, a low-resistance electrical junction between the indium layer 51/52 and the respective heat conducting body 20/30 can be established and maintained.
  • first the arrangement of the first heat-conducting body 20, laser diode 10 and second heat-conducting body 30 is subjected to pressure 53 in order to achieve a non-positive connection of the components, without any connection between the connecting sections 26 and 36 of the heat-conducting bodies 20 and 30 there is a joining means 55 (FIG. 3b).
  • This joining means 55 is introduced in the course of the third method step according to the invention while maintaining the pressure 53 between the connecting sections 26 and 36.
  • the joining agent does not necessarily have to be electrically insulating, because even the superficial native aluminum oxide layers of the heat conducting bodies 20 and 30 provide electrical insulation and thus the necessary potential separation of the heat conducting bodies 20 and 30 from each other.
  • connection surfaces 21/31 after being freed from the native aluminum oxide layer in vacuo, are provided under vacuum with a titanium-platinum-gold metallization, which serves as protection against oxidation.
  • the indium layer is introduced instead of vapor deposition by inserting in each case an indium foil 51/52 between the contact surfaces 21/31 and the electrical contact surfaces 11/12 in the arrangement.
  • the semiconductor device arrangement is not provided by a laser diode element as in the three previous embodiments, but by a diode laser subassembly 40 with a laser diode bar 10, at its epitaxial contact surface 11, a first electrically conductive contact body 41 is firmly bonded and at the substrate side Contact surface 12, a second electrically conductive contact body 42 is firmly bonded. (Fig. 4a, Fig. 4b).
  • Both electrically conductive contact bodies 41 and 42 are provided by gold-metallized, 300 ⁇ thick copper-tungsten substrates (CuW substrates), which have a copper-tungsten composite, in the ratio of the proportions of copper and tungsten proportions such that gives a thermal expansion coefficient for the copper-tungsten substrates which deviates from that of the laser diode barrel 10 by no more than 2 ppm / K.
  • the ratio of the weight proportions of copper to tungsten is preferably 10 to 90.
  • the CuW substrates 41 and 42 are soldered to the laser diode bar 10 by means of gold-tin solder containing gold and tin in a weight ratio of 80 to 20.
  • the gold-tin solder is stable under comparatively high thermomechanical and electromechanical alternating loads, so that the direct electrical contacting of the laser diode bar by the use of the contact bodies 41 and 42 is protected against degradation even at high power requirements.
  • the diode laser subassembly 40 has at its first contact body 41 a first, facing away from the laser diode bar 10, thermal contact surface 45 and at its second contact body 42, a second, away from the laser diode bar 10 thermal contact surface 46, the first thermal contact surface 45 opposite.
  • the first thermal contact surface 45 is ready for electrical and thermal contacting by a first heat conducting body 20 made of copper (FIG. 4c).
  • the second thermal contact surface 46 is ready for electrical and thermal contacting by a second heat conducting body 30 made of copper.
  • Both heat-conducting bodies 20 and 30 each have contact sections 25 and 35 according to the invention in perpendicular projection of the diode laser subassembly 40 in the direction of the pn junctions of its laser diode bar 10 with terminal surfaces 21 and 31 respectively facing the diode laser subassembly 40.
  • Both heat-conducting bodies 20 and 30 are in accordance with the invention connection sections 26 and 36 which extend outside of said perpendicular projection opposite each other.
  • first indium foil 51 of 50 ⁇ m thickness is brought.
  • second indium foil 52 of 50 ⁇ m thickness is brought.
  • first connecting portion 26 and the second connecting portion is provided on both sides with epoxy resin adhesive layers 55 and 56 provided 750 ⁇ thick aluminum oxide ceramic plate.
  • a force 53 is applied externally to the side of the second heat conducting body 30 facing away from the diode laser subassembly 40, while the side of the first heat conducting body 20 facing away from the diode laser subassembly 40 rests firmly on the heating plate of a furnace.
  • the process temperature exceeds 70 ° C. However, it does not exceed 100 ° C.
  • the fifth embodiment differs in that instead of the laser diode bar with numerous emitters a so-called Minibarren 10 of 120 ⁇ thickness is used with a 2x3 field of emitters, which are arranged in two rows of three emitters on top of each other, wherein the distance the two rows from each other from 2 to 5 ⁇ .
  • a structure of superimposed emitters can be epitaxially produced by MOCVD (metal organic chemical vapor deposition of the MBE (molecular beam epitaxy).
  • a contact body 41 and 42 are copper-coated molybdenum tapes of 50 ⁇ total thickness on both sides, which are attached using a gold-tin solder on opposite contact surfaces 11 and 12 of the minibars, that their free end portions parallel to opposite sides of the minibars to the contact surfaces and perpendicular to the emission direction 15 on the Minibarren 10 protrude (Fig. 5b).
  • the thermal conductors 20 and 30 are aluminum cuboids having a superficial, native or artificially reinforced oxide layer with electrically insulating property. In this oxide layer are applied to each contact portion 25 and 35 of the heat-conducting body 20 and 30 each have a 10 ⁇ thin indium layer 51 and 52 ( Figure 5c). Between the connecting sections 26 and 36 of the heat-conducting Body 20 and 30, a 250 ⁇ thick layer 55 is introduced electrically conductive silver-filled epoxy resin adhesive. Due to the superficial oxide layers of the aluminum heat conducting body 20 and 30, a short circuit between the contact surfaces 11 and 12 of the mini bar 10 is avoided.
  • a spacer 58 of 230 ⁇ thickness On the side facing away from the diode laser subassembly 40 is a spacer 58 of 230 ⁇ thickness, which is to prevent tilting of the heat-conducting body 20 and 30 to each other in the connection process.
  • the application of force and heat is carried out as in the previous embodiment with the deviating opposite result that the aluminum heat sink 20 and 30, the diode laser subassembly 40 only frictionally contact, because the indium of the indium layers 51 and 52, the (aluminum) oxide layers of rondleitmaschine not wetted. This frictional connection is stabilized by the material connection between the connecting sections 26 and 36 of the heat-conducting bodies 20 and 30, which is mediated by the solidified adhesive 55.
  • the free end portions of the molybdenum tapes 41 and 42 protrude to opposite sides laterally beyond the heat conducting body 20 and 30 and are available for electrical contact, while the heat conducting 20 and 30 alone require thermal contact.

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Abstract

Zur thermischen Kontaktierung einer Halbleiterbauelement-Anordnung (10 / 40) wird vorgeschlagen, wenigstens einen (20/ 30) von zwei Wärmeleitkörpern (20, 30), die aufeinander gegenüberliegenden Seiten der Halbleiterbauelement-Anordnung (10 / 40) angeordnet sind, über eine metallische Schicht (52) unter Einsatz einer Kraft (53) in Kontakt mit einer Kontaktfläche (12 / 46) der Halbleiterbauelement-Anordnung (10 / 40) zu bringen, wobei die metallische Schicht (52) während der Verfestigung eines Fügemittels (55) zur stoffschlüssigen Verbindung der beiden Wärmeleitkörper (20, 30) nicht einmal bereichsweise aufschmilzt.

Description

Verfahren zum thermischen Kontaktieren einander gegenüberliegender elektrischer Anschlüsse einer Halbleiterbauelement-Anordnung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleitermoduls, beispielsweise eines Dioden- laserbauelementes, bei dem die elektrischen Anschlüsse einer Halbleiterbauelement-Anordnung, beispielsweise eines Laserdiodenbarrens, thermisch Kontaktiert werden.
Aus der Publikation der Proceedings of SPIE 6104-04 (2006)„Comparative Performance studies of indium and gold-tin packaged diode laser bars" von Dirk Lorenzen et. al. ist ein Verfahren zur beidseitigen ther- mischen und elektrischen Kontaktierung eine Laserdiodenbarrens bekannt, bei dem jeweils ein als Kühlkörper ausgebildeter elektrisch leitfähiger Wärmeleitkörper aus Kupfer mittels eines Indium-Lotes an einander gegenüberliegende elektrische Kontaktflächen des Laserdiodenbarrens gelötet sind.
Vorteilhaft an diesem Verfahren ist die geringe Anzahl der Komponenten die zur Herstellung des Dioden- laserbauelementes nötig sind. Vorteilhaft ist außerdem die Verwendung eines kostengünstigen und hoch wärmeleitfähigen Wärmeleitkörpermaterials. Nachteilig an diesem Verfahren ist die mechanische Spannung, die durch das thermisch vorteilhafte Kupfer durch Abkühlung von der Verfestigungstemperatur des Lotes (157°C) auf Raumtemperatur in den Laserdiodenbarren eingebracht wird und dessen optische Eigenschaften negativ beeinflusst. Aus der Offenlegungsschrift EP 1 341 275 A2 ist ein weiteres Verfahren zur thermischen Kontaktierung von elektrischen Anschlüssen eines Laserdiodenbarrens bekannt, dass die Aufgabe einer mechanisch spannungsarmen Kontaktierung des Laserdiodenbarrens dadurch löst, dass der Laserdiodenbarren unter Verzicht auf Lotschichten beidseitig kraftschlüssig durch jeweils einen elektrisch leitfähigen Wärmeleitkörper sowohl elektrisch als auch thermisch kontaktiert werden.
Vorteilhaft an diesem Verfahren und der mit diesem Verfahren herstellten Anordnung ist die gegenüber einer Lötverbindung mit thermisch gegenüber dem Laserdiodenbarren ausdehnungsfehlangepassten Wärmeleitkörpern niedrige mechanische Spannung, die einen hohen Leistungshomogenität der optischen Strahlung von Emittern eines Laserdiodenbarrens sichert.
Nachteilig an diesem Verfahren ist die unzureichende thermische Kontaktierung des Laserdiodenbarrens, die sich in einer zu geringen elektro-optischen Konversionseffizienz und einer zu niedrigen optischen Maximalleistung manifestiert.
Nachteilig an diesem Verfahren ist überdies das Erfordernis von Befestigungsmitteln, die zur Gewährleistung der kraftschlüssigen Verbindung nicht nur zur Verbindungsbildung, sondern auch zur Aufrechterhai- tung der kraftschlüssigen Verbindung vorgesehen sind und im Diodenlaserbauelement verbleiben müssen.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur thermischen Kontaktierung der elektrischen Anschlüsse eines Laserdiodenbarrens zu beschreiben, das die vorgenannten Nachteile nicht aufweist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleitermoduls nach Anspruch 1. Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche.
Erfindungsgemäß werden in einem ersten Verfahrensschritt die für erfindungsgemäße Herstellung des Halbleitermoduls essentiellen Komponenten mit den erfindungsspezifischen Merkmalen bereitgestellt. Zu diesen zählen (i) eine Halbleiterbauelement-Anordnung, die auf einer ersten Seite wenigstens einen ersten elektrischen Anschluss mit einer ersten Kontaktfläche aufweist und auf einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite wenigstens einen zweiten elektrischen Anschluss mit einer zweiten Kontaktfläche aufweist, (ii) ein erster Wärmeleitkörper, (iii) wenigstens ein zweiter Wärmeleitkörper, (iv) eine erste metallische Schicht, (v) wenigstens eine zweite metallische Schicht und (vi) wenigstens ein Fügemittel.
Bei der Halbleiterbauelement-Anordnung kann es sich im einfachsten Fall um einzelnes Halbleiterbauelement, beispielsweise ein Laserdiodenelement, handeln, wobei die elektrischen Anschlüsse durch wenigstens eine erste elektrisch leitfähige Kontaktschicht - beispielsweise eine erste Metallisierung - auf der ersten Seite des Halbleiterbauelementes und wenigstens eine zweite elektrisch leitfähige Kontaktschicht - beispielsweise eine erste Metallisierung - auf der zweiten Seite des Halbleiterbauelementes gebildet sind und die erste Kontaktfläche auf der von dem Halbleiterbauelement abgewandten Seite der ersten elektrische leitfähigen Kontaktschicht angeordnet ist und die zweite Kontaktfläche auf der von Halbleiterbauelement abgewandten Seite der zweiten elektrisch leitfähigen Kontaktschicht angeordnet ist. Zu erfindungsgemäßen Laserdiodenelementen zählen Laserdioden mit einem einzigen Emitter, Laserdioden mit mehreren nebeneinander und/ oder übereinander angeordneten Emittern und Laserdiodenbarren mit einer Vielzahl in Reihe nebeneinander angeordneter Emitter.
Alternativ kann die Halbleiterbauelement-Anordnung als Unterbaugruppe eines Halbleitermoduls - beispielsweise als Diodenlaser-Unterbaugruppe - ausgebildet sein, indem sie wenigstens ein Halbleiterbau- element, beispielsweise ein oder mehrere Laserdiodenelemente, aufweist sowie einen ersten elektrisch leitfähiger Kontaktkörper, der den ersten elektrische Anschluss bereitstellt und einen zweiten elektrisch leitfähiger Kontaktkörper, der den zweiten elektrischen Anschluss bereitstellt. Dabei ist der erste elektrisch leitfähige Kontaktkörper eines ersten elektrisch leitfähigen Fügemittels stoffschlüssig an einer ersten Seite des Halbleiterbauelementes befestigt ist und der zweite elektrisch leitfähiger Kontaktkörper mittels eines zweiten elektrisch leitfähigen Fügemittels stoffschlüssig an einer der ersten Seite des Halbleiterbauelementes gegenüberliegenden zweiten Seite des Halbleiterbauelementes befestigt, wobei die erste Kontaktfläche auf der von dem Halbleiterbauelement abgewandten Seite der ersten elektrische leitfähigen Kon- taktkörpers angeordnet ist und die zweite Kontaktfläche auf der von Halbleiterbauelement abgewandten Seite der zweiten elektrisch leitfähigen Kontaktkörpers angeordnet ist.
Selbstverständlich sind erfindungsgemäß auch Unterbaugruppen mit nur einem Kontaktkörper denkbar und für die Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens nutzbar.
Die elektrische Leitfähigkeit der Kontaktkörper kann durch ein elektrisch leitfähige Material eines Kernkör- pers des Kontaktkörpers bereitgestellt werden oder durch eine elektrische leitfähige Schicht auf einem elektrisch isolierenden Kernkörper, beispielsweise einem Kern körper aus elektrisch isolierendem Material.
Während im Falle der Ausbildung der Halbleiterbauelement-Anordnung als Halbleiterbauelement die erste Kontaktfläche als erste elektrische Kontaktfläche zur ersten elektrischen und thermischen Kontaktierung des Halbleiterbauelementes vorgesehen ist und die zweite Kontaktfläche als zweite elektrische Kontaktfläche zur zweiten elektrischen und thermischen Kontaktierung des Halbleiterbauelementes, ist im Falle der Ausbildung der Halbleiterbauelement-Anordnung als Unterbaugruppe eines Halbeitermoduls die erste Kontaktfläche des ersten Kontaktkörpers prinzipiell zunächst als erste thermische Kontaktfläche zur ersten thermischen Kontaktierung der Unterbaugruppe - verbunden jedoch mit der möglichen Option zur elektrischen Kontaktierung derselben - vorgesehen und die zweite Kontaktfläche des zweiten Kontaktkörpers prinzipiell zunächst als zweite thermische Kontaktfläche zur zweiten thermischen Kontaktierung der Unterbaugruppe - verbunden jedoch mit der möglichen Option zur elektrischen Kontaktierung derselben.
Vorzugsweise besitzen die elektrisch leitfähigen Kontaktkörper einen thermischen Ausdehnungskoeffi- zienten, der um nicht mehr als 2 ppm/ K von dem des Halbleiterbauelementes abweicht. Dies wird für Halbleiterbauelemente, die hinsichtlich Gewichts- Atom- und/ oder Volumenanteilen überwiegend aus Galliumarsenid, Indiumphosphid, Galliumnitrid, Zinkoxid oder Silizium bestehen, möglich, wenn die elektrisch leitfähigen Kontaktkörper Wolfram, Molybdän, Kohlenstoff, Bornitrid und/ oder Siliziumkarbid enthalten, gegebenenfalls in Verbindung mit einem Metall eines höheren Ausdehnungsdehnungskoeffizienten, beispielsweise Kupfer, Silber oder Aluminium. In dieser Weise bezüglich des Halbleiterbauelementes ausdehnungsangepasste elektrisch leitfähige Kontaktkörper gestatten die stoffschlüssige spannungsarme Kontaktierung des Halbleiterbauelementes durch die elektrisch leitfähigen Kontaktkörper unter Verwendung eines zuverlässigen Hartlotes, beispielsweise eines Gold-Zinn-Lotes. Aus Kostengründen nehmen die elektrisch leitfähigen Kontaktkörper jedoch keinen für die nötige Wärmespreizung ausreichende Größe in einem Halbleitermodul ein. Hersteller beziehungsweise Anwender werden daher vorzugsweise, hinsichtlich ihres Volumens größere, Wärmeleitkörper an die elektrisch leitfähigen Kontaktkörper im Speziellen beziehungsweise die Halbleiterbauelement-Anordnung im Allge- meinen anzubringen.
Vorzugsweise ist dabei der erste Wärmeleitkörper in wenigstens einer seiner Erstreckungsrichtungen größer als die Halbleiterbauelement-Anordnung in einer ihrer Erstreckungsrichtungen parallel zur ersten und/ oder zweiten Kontaktfläche; ebenso ist vorzugsweise der zweite Wärmeleitkörper in wenigstens einer seiner Erstreckungsrichtungen größer ist als die Halbleiterbauelement-Anordnung in einer ihrer Erstreckungsrichtungen parallel zur ersten und/ oder zweiten Kontaktfläche.
Zur Vorbereitung der thermischen Kontaktierung der Halbleiterbauelement-Anordnung mit den Wärmeleitkörpern wird im zweiten erfindungsgemäßen Verfahrensschritt die Halbleiterbauelement-Anordnung in der Weise zwischen dem ersten und dem zweiten Wärmeleitkörper angeordnet, dass eine erster Kontaktabschnitt des ersten Wärmeleitkörpers der ersten Kontaktfläche gegenüberliegt, ein zweiter Kontaktab- schnitt des zweiten Wärmeleitkörpers der zweiten Kontaktfläche gegenüberliegt. Vorzugsweise weisen der erste Wärmeleitkörper einen ersten Verbindungsabschnitt und der zweite Wärmeleitkörper einen zweiten Verbindungsabschnitt auf, wobei der erste Verbindungsabschnitt des ersten Wärmeleitkörpers dem zweiten Verbindungsabschnitt des zweiten Wärmeleitkörpers abseits der Halbleiterbauelement- Anordnung gegenüberliegt. Erfindungsgemäß ist die erste metallische Schicht zumindest abschnittsweise zwischen dem ersten Kontaktabschnitt und der ersten Kontaktfläche angeordnet und die zweite metallische Schicht zumindest abschnittsweise zwischen dem zweiten Kontaktabschnitt und der zweiten Kontaktfläche.
Abseits der Halbleiterbauelement-Anordnung ist so zu verstehen, dass damit der Bereich außerhalb der zu den Kontaktflächen senkrechten Projektion der Halbleiterbauelement-Anordnung gemeint ist. Insofern liegen die Kontaktabschnitte der Wärmeleitkörper nicht abseits der Halbleiterbauelement-Anordnung. Dabei kann im ersten oder zweiten Verfahrensschritt die erste metallische Schicht auf die erste Kontaktfläche oder eine der Halbleiterbauelement-Anordnung zugewandten erste Wärmeeintrittsfläche des ersten Kontaktabschnitts aufgebracht werden und/ oder die zweite metallische Schicht auf die zweite Kontaktfläche oder eine der Halbleiterbauelement-Anordnung zugewandten zweite Wärmeeintrittsfläche des zwei- ten Kontaktabschnitts aufgebracht werden. Dieses Aufbringen kann durch Abscheiden aus der Gasphase (Bedampfen, Aufsputtern, CVD), durch galvanische Abscheidung aus einem Elektrolyten usw. erreicht werden. Überdies ist es möglich, jeweils beide Flächen, das heißt sowohl jeweils die Kontaktfläche als auch die Wärmeeintrittsfläche, mit einer oder mehreren metallischen Schichten zu versehen.
Alternativ oder optional können die erste und die zweite metallische Schicht auch körperlich individuell als Folien oder Platten, beispielsweise als so genannte preforms, vorliegen.
Im dritten erfindungsgemäßen Verfahrensschritt wird wenigstens einer Kraft erzeugt, die zumindest komponentenweise effektiv von einem der beiden Wärmeleitkörper in Richtung des anderen Wärmeleitkörpers orientiert ist.
Vorzugsweise wird eine solche Kraft als äußere Kraft von außen auf wenigstens einen der beiden Wärmeleitkörper aufgebracht, so dass sie zumindest komponentenweise in Richtung des anderen Wärmeleit- körpers orientiert ist. Möglich ist jedoch auch die Erzeugung einer inneren Kraft, die beispielsweise durch Schrumpfen eines zwischen die Wärmeleitkörper eingebrachten Fügemittelvolumens hervorgerufen wird. Die erfindungsgemäße Kraft übt damit einen Druck auf die Halbleiterbauelement-Anordnung, die erste metallische Schicht und die zweite metallische Schicht aus. Sie kann als äußere Kraft zum Beispiel einseitig in zu der ersten Kontaktfläche senkrechter Richtung auf die der Halbleiterbauelement-Anordnung abgewandten Seite des ersten Wärmeleitkörper aufgebracht werden, während der zweite Wärmeleitkörper mit seiner der Halbleiterbauelement-Anordnung abgewandten Seite auf einer Stützfläche aufliegt. Umgekehrt kann eine äußere Kraft auch einseitig in zu der zweiten Kontaktfläche senkrechter Richtung auf die der Halbleiterbauelement-Anordnung abgewandten Seite des zweiten Wärmeleitkörper aufgebracht werden, während der erste Wärmeleitkörper mit seiner der Halbleiterbauelement-Anordnung abgewandten Seite auf einer Stützfläche aufliegt. Ferner können zwei gleich große einander entgegengerichtete äußere Kräfte auf die der Halbleiterbauelement-Anordnung abgewandten Außenseiten des ersten und zweiten Wärmeleitkörpers aufgebracht werden, die sich zum Ausübung eines Druckes auf die Halbleiterbauelement-Anordnung, die erste metallische Schicht und die zweite metallische Schicht addieren. Typische erfindungsgemäße Kräfte liegen im Bereich von 0,1 N bis 1 kN und können während des Verfah- rens variieren.
Überdies wird im dritten erfindungsgemäßen Verfahrensschritt wird ein stoffschlüssiges Verbinden der beiden Wärmeleitkörper durch eine Verfestigung des Fügemittels erreicht. Erfindungsgemäß ist das Fügemittel explizit an der Verbindungsbildung beteiligt - sprich: für die Einrichtung der stoffschlüssigen Verbindung der beiden Wärmeleitkörper unerlässlich. Für den Fall der Existenz der vorgenannten Verbin- dungsabschnitte ist das Fügemittel vorzugsweise zumindest abschnittsweise zwischen dem ersten und dem zweiten Verbindungsabschnitt angeordnet.
Dabei kann das Fügemittel bereits im zweiten Verfahrensschritt zwischen den ersten und zweiten Verbindungsabschnitt eingebracht sein, dass heißt: bevor der erfindungsgemäße Druck auf einen oder beide Wärmeleitkörper aufgebracht wurde. Es kann aber auch erst im dritten Verfahrensschritt zwischen zwischen den ersten und zweiten Verbindungsabschnitt eingebracht werden, wobei der erfindungsgemäße Druck bereits vor dem Einbringen vorliegt und während des Einbringens zumindest qualitativ erhalten bleibt.
Das Fügemittel kann vor der Verfestigung in flüssiger, pastöser oder fester Form vorliegen. Liegt es in fester Form vor, so wird es zur Erzielung einer Benetzung des ersten und/ oder zweiten Verbindungsabschnittes vorzugsweise durch Einwirken von Kraft oder Wärme aufgrund physikalischer und/ oder chemischer Effekte in einen flüssigen oder pastösen Zustand versetzt, aus dem es sich unter Beibehaltung oder nach Aufheben der besagten Kraft oder Wärme wieder verfestigt.
Das Fügemittel zeichnet sich vorzugsweise im verfestigten Zustand dadurch aus, dass es von geringer Flexibilität und hoher Biegesteifigkeit ist, so dass es inneren Scher- und Schälkräften gegenüber rissfest bleibt und entsprechend hohe Scher- und Schälspannungen aufnehmen kann.
Zu derartigen Fügemitteln zählen beispielsweise duroplastische - beispielsweise epoxidhaltige - Klebstoffe, metallische Lote, Glaslote und Zemente.
Insbesondere eines der genannten Fügemittel ist im verfestigten Zustand somit in der Lage einen Kraft- schluss zwischen dem zweiten Kontaktabschnitt und der zweiten Kontaktfläche aufrechtzuerhalten, so dass auch nach Aufheben der äußeren Kraft in einem weiteren, optionalen Verfahrensschritt ein ausreichender thermischer Kontakt zwischen dem zweiten Kontaktabschnitt und der zweiten Kontaktfläche verbleibt.
Erfindungswesentlich an dem dritten Verfahrensschritt ist das Merkmal, dass keines der metallischen Materialien der zweiten metallischen Schicht während des Aufbringens und/ oder Aufrechterhaltens der äußeren Kraft und/ oder der Verfestigung des Fügemittels aufschmilzt. Das bedeutet, dass die Temperatur in der zweiten metallischen Schicht im dritten Verfahrensschritt nicht den Schmelztemperatur desjeni- gen metallischen Materials der zweiten metallischen Schicht mit der niedrigsten Schmelztemperatur überschreitet.
Für den Fall der Ausbildung einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen dem zweiten Kontaktabschnitt und der Halbleiterbauelement-Anordnung bedeutet dies, dass sie durch Festkörper-Diffusion wenigstens eines metallischen Materials der zweiten metallischen Schicht in einen metallischen Oberflächenbereich des zweiten Kontaktabschnittes und/ oder des zweiten elektrischen Anschlusses und/ oder durch Festkörper-Diffusion von wenigstens einem metallischen Material des Oberflächenbereiches des zweiten Kontaktabschnittes und/ oder des zweiten elektrischen Anschlusses in die zweite metallische Schicht erfolgt, ohne dass eines der metallischen Materialien der zweiten metallischen Schicht, des Oberflächen- bereiches des zweiten Kontaktabschnittes oder des zweiten elektrischen Anschlusses, eine seiner gebildeten Verbindungen oder eine ihrer gebildeten Mischungen untereinander oder mit einer oder mehrerer seiner gebildeten Verbindungen in einen flüssigen Zustand übergeht. Als Beispiele solcher Verbindungen sind intermetallische Phasen zu nennen, als Beispiele solcher Mischungen Eutektika aus den Metallen und/ oder ihrer intermetallischen Phasen.
Das erfindungsgemäße Kontaktierungsverfahren stellt somit im Prinzip eine „durch abseitigen Stoff- schluss aufrechterhaltene metallschichtunterstützte Klemmung" dar, auf die im folgenden unter dem Kurzbegriff„Klemmung" Bezug genommen wird und die sich von einer Lötung nach dem Stand der Technik dadurch unterschiedet, dass die an der Verbindungsbildung beteiligte Metallschicht im Falle der Lötung aufschmilzt, im Falle der erfindungsgemäßen Klemmung jedoch nicht.
Vorteilhaft an der Erfindung ist der Umstand, dass die Temperatur in der zweiten metallischen Schicht und damit auch die Temperatur der zu verbindenden Komponenten bei Bildung der kraft- oder stoffschlüssigen Verbindung unter Beteiligung der zweiten metallischen Schicht niedriger als im Falle eines Lötverfahrens ist, bei dem das Lotgut in den flüssigen Zustand wechselt und bei einer Verfestigungstem- peratur, die höher ist als die erfindungsgemäß zulässige Temperatur erstarrt. Dadurch ist die Temperaturdifferenz, die für einen Spannungseintrag bei Abkühlung durch die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten nach Ausbildung der Verbindung wirksam wird, erfindungsgemäß geringer als bei einer Lötung nach dem Stand der Technik. Bei Verwendung von Wärmeleitkörpern eines höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als dem der Halbleiterbauelement-Anordnung ist die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eingebrachte Druckspannung in lateraler Richtung, das heißt in der größten Erstreckungsrichtung der Halbleiterbauelement-Anordnung parallel zu der ersten und/ oder zweiten Kontaktfläche, vorteilhaft wesentlich geringer als im Falle einer Lötung.
Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf einen Laserdiodenbarren haben die Erfinder überraschenderweise festgestellt, dass bei Auswahl der entsprechenden Materialien und Prozessparame- ter nur eine vergleichbare elektro-optische Konversionseffizienz gegenüber dem hausüblichen Lötverfahren erziel bar waren (siehe erstes Ausführungsbeispiel).
Obwohl die zur thermischen Kontaktierung verwendete zweite Metallschicht nicht aufschmolz ließ sich eine thermische Kontaktierung des Laserbarrens erreichen, die prinzipiell derjenigen des Falles gleichkommt, in dem die zweite Metallschicht in einem Lötprozess aufschmolz.
Darüber hinaus wurde überraschenderweise festgestellt, dass die durch Klemmung eingebrachte Druckspannung in transversaler, das heißt in zu der ersten und/ oder zweiten Kontaktfläche senkrechter, Richtung kaum einen negativen Einfluss auf die optische Eigenschaft der emittierten Strahlung des Laserdiodenbarrens hat. Im Gegenteil ist der Leistungshomogenität im Falle der Klemmung deutlich homogener als im Falle der Lötung über die Emitter des Laserdiodenbarrens verteilt (siehe erstes Ausführungsbeispiel).
Vorteilhaft an der erfindungsgemäßen Klemmung wirkt sich außerdem aus, dass der durch das Fügemittel - beispielsweise zwischen den beiden Verbindungsabschnitten - vermittelte Stoffschluss eine nicht wieder aufhebbare stützende Wirkung auf die thermische Verbindung zwischen dem zweiten Wärmeleitkörper und der Halbleiterbauelement-Anordnung ausübt, was einerseits für den kraftschlüssige Klemmung unerlässlich ist und andererseits den schwach ausgebildeten Stoffschluss der stoffschlüssigen Klemmung vor schädlicher Schälbelastung schont.
Des weiteren macht der besagte Stoffschluss die Verwendung von kraftschlüssigen Verbindungs- und/ oder Befestigungsmitteln obsolet, was sich einer reduzierten Baugröße und reduzierten Kosten des Halbleitermoduls niederschlägt.
Insgesamt besteht der wesentliche Vorteil der Erfindung darin, insbesondere mit kostengünstigen, hoch wärmeleitfähigen Wärmeleitkörpern aus Kupfer und/ oder Aluminium, trotz ihres gegenüber der Halbleiterbauelement-Anordnung stark abweichenden thermischen Ausdehnungskoeffizienten eine gute und zuverlässige thermische Kontaktierung der Halbleiterbauelement-Anordnung zu erzielen, die außerdem im Falle von Laserdiodenelementen sehr homogene optische Eigenschaften der Strahlung einzelner Emitter eines Laserdiodenbarrens gewährleisten.
Dabei kann sehr wohl im erfindungswesentlichen dritten Verfahrensschritt eine Erhöhung der Temperatur des Fügemittels vorgesehen sein, die sich auch auf die Temperatur der zweiten metallischen Schicht auswirkt, beispielsweise um eine Verflüssigung und/ oder eine Verfestigung des Fügemittels zu erreichen. Dennoch bleibt die Temperatur in der zweiten Schicht während der Prozessierung des Fügemittels erfindungsgemäß unterhalb des Schmelzpunktes jedes ihrer Konstituenten. Selbst wenn die Temperatur im Fügemittel über längere Zeit, beispielsweise 1 Sekunde bis 10 Minuten, höher ist als die niedrigste Schmelztemperatur eines Materials der zweiten Schicht, lässt sich durch eine Kühlung der zweiten Schicht ein stationärer Temperaturgradient zwischen dem Fügemittel und der zweiten Schicht etablieren, der in der zweiten Schicht unterhalb des niedrigsten Schmelzpunktes eines ihrer Materialien liegt. Ohne eine solche Kühlung lässt sich die Temperatur im Fügemittel über eine kürzere Zeit, beispielsweise 1 Millisekunde bis 1 Sekunde, höher als die niedrigste Schmelztemperatur eines Materials der zweiten Schicht aufrechterhalten, wenn der durch die zeitlich verzögerte Wärmediffusion ausgebildete instationäre Temperaturgradient zu keiner Zeit in keinem Bereich der zweiten Schicht eine Temperatur aufweist, die höher ist als der Schmelzpunkt des betreffenden Bereiches.
Im Übrigen kann es vorteilhaft sein, wenn die Temperatur der zweiten Schicht im dritten Verfahrensschritt zumindest zeitweise über Raumtemperatur liegt. Da sich die Festigkeitseigenschaften der meisten Mate- rialien mit Erhöhung der Temperatur erniedrigen, kann im Falle der Ausbildung einer kraftschlüssigen Verbindung zwischen dem zweiten Kontaktabschnitt und der zweiten Kontaktfläche der thermische Kontakt zwischen ihnen durch erhöhte plastische Deformation der zweiten Schicht verbessert werden. Ähnlich verhält es sich im Falle der Ausbildung einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen dem zweiten Kontakt- abschnitt und der Halbleiterbauelement-Anordnung durch Festkörper-Diffusion. Der das Diffusionsverhalten der Diffusion eines ersten Stoffes in einen zweiten Stoff bestimmende Diffusionskoeffzient weist eine dem Arrhenius'schen Gesetz ähnliches Verhalten auf, gemäß dessen sich die Diffusion bei erhöhter Temperatur erhöht und/ oder beschleunigt. Damit wird ein thermischer Kontakt auch bei der Ausbildung einer stoffschlüssigen Verbindung bei Temperaturerhöhung verbessert.
Zur Verbesserung der Benetzung von Materialien der zweiten metallischen Schicht auf der zweiten Kontaktfläche der Halbleiterbauelement-Anordnung oder auf der der zweiten Kontaktfläche gegenüberliegenden Wärmeeintrittsfläche des zweiten Kontaktabschitts sollte wenigstens der dritte Verfahrensschritt vorzugsweise im Vakuum oder in einer bezüglich des metallischen Materials der ersten und/ oder zweiten metallischen Schicht chemisch inerten oder reduzierenden Atmosphäre erfolgen. Wird eine Beschichtung der Halbleiterbauelement-Anordnung oder der Wärmeleitkörper mit der metallischen Schicht in Vakuum vorgenommen, so ist vorzugsweise auch die Anordnung der Komponenten zueinander im zweiten Verfahrensabschnitt unter diesem Vakuum durchzuführen, ohne nach der Beschichtung einen Kontakt der Beschichtung mit der Umgebungsatmosphäre zuzulassen.
Für die Ausbildung eines Stoffschlusses zwischen der zweiten metallischen Schicht und der Halbleiter- bauelement-Anordnung und/ oder zwischen der zweiten metallischen Schicht und dem zweiten Kontaktabschnitt, ist es zu bevorzugen, dass die zweite Kontaktfläche und/ oder die Wärmeeintrittsfläche eine diffusionsfreudige metallische Oberflächenbeschichtung, beispielsweise die eines Edelmetalls aufweisen. Vorzugsweise ist diese Diffusionsschicht eine Goldschicht, deren Dicke vorzugsweise im Bereich von 50nm bis 1 μιη liegt. Eine darunter liegende Diffusionsbarriere, beispielsweise eine Schicht Nickel, Palla- dium, Platin oder Refraktärmetall ist erfindungsgemäß nicht nötig, kann aber vorgesehen werden, beispielsweise um die Haftfestigkeit der Diffusionsschicht auf der Halbleiterbauelement-Anordnung beziehungsweise dem zweiten Kontaktabschnitt zu verbessern.
Erfindungsgemäß unterliegt wenigstens die thermische Kontaktierung der zweiten Seite der Halbleiter- bauelement-Anordnung der durch abseitigen Stoffschluss aufrechterhaltenen metallschichtunterstützten Klemmung.
Die erste Seite der Halbleiterbauelement-Anordnung kann durch eine herkömmliche Lötung kontaktiert sein, insbesondere wenn es sich um die Seite der Halbleiterbauelement-Anordnung handelt, auf der im Betrieb des Halbleitermoduls der überwiegende Wärmeanteil produziert wird. Im Falle eines Laserdiodenelementes ist dies die Epitaxieseite der Halbleiterbauelement-Anordnung, wobei die zweite Seite der Substratseite entspricht. Epitaxieseitig wird zumeist eine höhere Anforderung an die thermische, elektrische und mechanische Zuverlässigkeit an die thermische und vorzugsweise damit einhergehende elektri- sehe Kontaktierung gestellt, die beispielsweise durch ein Gold-Zinn-Hartlot erfüllt werden kann unter der Voraussetzung, dass der thermische Ausdehnungskoeffizient des ersten Wärmeleitkörpers um nicht mehr als vorzugsweise 2 ppm/K von dem der Halbleiterbauelement-Anordnung abweicht. Vorzugsweise besteht ein solcher erster Wärmeleitkörper hinsichtlich Gewichts-/ Atom- und/ oder Volumenanteilen überwiegend aus einem metallhaltigen Verbundwerkstoff, beispielsweise einem Diamant-Silber- Verbundwerkstoff.
Andererseits kann auch die erste Seite der Halbleiterbauelement-Anordnung analog und zusätzlich zur zweiten Seite durch eine durch abseitigen Stoffschluss aufrechterhaltenen metallschichtunterstützten Klemmung thermisch kontaktiert sein, wobei im dritten Verfahrensschritt die Temperatur in der ersten und der zweiten metallischen Schicht vorzugsweise nicht die Schmelztemperaturen derjenigen Materialien in den jeweiligen Schichten mit den jeweils niedrigsten Schmelztemperaturen überschreitet.
Dabei kann im dritten Verfahrensschritt die Ausbildung einer kraftschlüssigen Verbindung zwischen dem zweiten Kontaktabschnitt und der zweiten Kontaktfläche und die Ausbildung einer Ausbildung einer kraftschlüssigen Verbindung zwischen dem ersten Kontaktabschnitt und der ersten Kontaktfläche erfolgen, die durch das verfestigte Fügemittel zwischen dem ersten und dem zweiten Verbindungsabschnitt aufrechterhalten werden.
Andererseits kann im dritten Verfahrensschritt die Ausbildung einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen dem zweiten Kontaktabschnitt und der Halbleiterbauelement-Anordnung durch Festkörper-Diffusion wenigstens eines metallischen Materials der zweiten metallischen Schicht in einen metallischen Oberflä- chenbereich des zweiten Kontaktabschnittes und/ oder des zweiten elektrischen Anschlusses und/ oder durch Festkörper-Diffusion von wenigstens einem metallischen Material des Oberflächenbereiches des zweiten Kontaktabschnittes und/ oder des zweiten elektrischen Anschlusses in die zweite metallische Schicht erfolgen, ohne dass eines der metallischen Materialien der zweiten metallischen Schicht, des Oberflächenbereiches des zweiten Kontaktabschnittes oder des zweiten elektrischen Anschlusses, eine seiner gebildeten Verbindungen oder eine ihrer gebildeten Mischungen untereinander oder mit einer oder mehrerer seiner gebildeten Verbindungen in einen flüssigen Zustand übergeht und
die Ausbildung einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen dem ersten Kontaktabschnitt und der Halbleiterbauelement-Anordnung durch Festkörper-Diffusion wenigstens eines metallischen Materials der ersten metallischen Schicht in einen metallischen Oberflächenbereich des ersten Kontaktabschnittes und/ oder des ersten elektrischen Anschlusses und/ oder durch Festkörper-Diffusion von wenigstens einem metallischen Material des Oberflächenbereiches des ersten Kontaktabschnittes und/ oder des ersten elektrischen Anschlusses in die erste metallische Schicht erfolgen, ohne dass eines der metallischen Materiali- en der ersten metallischen Schicht, des Oberflächen bereiches des ersten Kontaktabschnittes oder des ersten elektrischen Anschlusses, eine seiner gebildeten Verbindungen oder eine ihrer gebildeten Mischungen untereinander oder mit einer oder mehrerer seiner gebildeten Verbindungen in einen flüssigen Zustand übergeht.
Zur Ausbildung der stoffschlüssigen Verbindung ist die Benetzung der Fügepartner durch ein oder vor- zugsweise das Material der ersten beziehungsweise zweiten Schicht eine Bedingung. Die Diffusionsfreudigkeit der Materialien der benetzenden Oberfläche unterstützt den Prozess der Ausbildung der stoffschlüssigen Verbindung zusätzlich. Hervorragende Benetzungspartner sind Edelmetalle und relativ weiche, niederschmelzende Metalle. Vorzugsweise enthalten daher die erste und/ oder zweite Schicht wenigstens ein Material mit einem chemisches Element aus der Gruppe Indium, Zinn, Blei und Cadmium. Dieses Material kann einerseits allein aus einem der besagten chemischen Elemente bestehen, insbesondere kann die erste und/ oder zweite metallische Schicht hinsichtlich Gewichts- Atom- und/ oder Volumenanteilen überwiegend oder vollständig aus Zinn, Blei, Cadmium oder - besonders bevorzugt - Indium bestehen. Andererseits kann das Material aus eutektische Mischungen der besagten chemischen Elemente mit anderen chemischen Elementen oder den genannten chemischen Elementen bestehen, insbesondere kann die erste und/ oder zweite metallische Schicht hinsichtlich Gewichts- Atom- und/ oder Volumenanteilen überwiegend oder vollständig aus eutektischem Blei-Zinn, Cadmium-Zinn oder - besonders bevorzugt - Indium-Zinn bestehen.
Zur Verbesserung der Benetzung und/ oder Diffusion im Falle der stoffschlüssigen Verbindung oder der ist die Temperatur während des dritten Verfahrensschrittes in der ersten und/ oder zweiten Schicht we- nigstens zeitweise größer als Raumtemperatur. Vorzugsweise ist die ist die Temperatur während des dritten Verfahrensschrittes in der ersten und/ oder zweiten Schicht wenigstens zeitweise größer als 30°C. Beispielsweise liegt sie zeitweise zwischen 50° und 100°C. In diesem Temperaturbereich kann auch die Verfestigung des Fügemittels begünstigt sein, in der Hinsicht, dass die Verfestigung zeitlich beschleunigt wird und/ oder die Festigkeit des verfestigten Fügemittels erhöht wird.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von fünf Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dazu zeigen schematisch und nicht notwendigerweise maßstabstreu Fig. 1a eine Seitenansicht auf eine erfindungsgemäße Anordnung der Komponenten im zweiten Verfahrensschritt eines ersten Ausführungsbeispiels zur erfindungsgemäßen Herstellung eines Dio- denlaserbauelementes,
Fig. 1 b eine Seitenansicht auf eine erfindungsgemäße Anordnung der Komponenten im dritten Verfahrensschritt des ersten Ausführungsbeispiels,
Fig. 1c eine Strom-Licht/-Spannungs-Kurve eines gelöteten Diodenlaserbauelement.es,
Fig. 1d eine Strom-Licht/-Spannungs-Kurve des gemäß des ersten Ausführungsbeispiels herstellten Diodenlaserbauelement.es,
Fig. 1e ein Nahfeldprofil der optischen Leistungsverteilung von Emittern eines gelöteten Diodenlaser- bauelementes,
Fig. 1f ein Nahfeldprofil der optischen Leistungsverteilung von Emittern eines gemäß des ersten Ausführungsbeispiels herstellten Diodenlaserbauelement.es,
Fig. 2a eine Seitenansicht auf eine erfindungsgemäße Anordnung der Komponenten für die Durchführung eines ersten Abschnittes des zweiten Verfahrensschrittes eines zweiten Ausführungsbeispiels zur erfindungsgemäßen Herstellung eines Diodenlaserbauelement.es,
Fig. 2b eine Seitenansicht auf eine erfindungsgemäße Anordnung der Komponenten für die Durchführung eines, dem ersten Abschnitt zeitlich nachgelagerten, zweiten Abschnittes des zweiten Verfahrensschrittes des zweiten Ausführungsbeispiels,
Fig. 2c eine Seitenansicht auf eine erfindungsgemäße Anordnung der Komponenten im dritten Verfahrensschritt des zweiten Ausführungsbeispiels,
Fig. 3a eine Frontansicht auf eine erfindungsgemäße Anordnung der Komponenten im zweiten Verfahrensschritt eines dritten Ausführungsbeispiels zur erfindungsgemäßen Herstellung eines Dio- denlaserbauelementes,
Fig. 3b eine Frontansicht auf eine erfindungsgemäße Anordnung der Komponenten in einem ersten Abschnitt des dritten Verfahrensschrittes des dritten Ausführungsbeispiels,
Fig. 3c eine Frontansicht auf eine erfindungsgemäße Anordnung der Komponenten in einem, dem ersten Abschnitt zeitlich nachgelagerten, zweiten Abschnitte des dritten Verfahrensschrittes des dritten Ausführungsbeispiels, Fig. 4a eine Seitenansicht auf die Komponenten einer Diodenlaser-Unterbaugruppe zur Verwendung bei der Herstellung eines Diodenlaserbauelement.es gemäß eines vierten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens,
Fig. 4b eine Seitenansicht auf die Diodenlaser-Unterbaugruppe von Fig. 4a,
Fig. 4c eine Seitenansicht auf eine erfindungsgemäße Anordnung der Komponenten im zweiten Verfahrensschrittes des vierten Ausführungsbeispiels zur erfindungsgemäßen Herstellung eines Dio- denlaserbauelementes,
Fig. 4d eine Seitenansicht auf eine erfindungsgemäße Anordnung der Komponenten im dritten Verfahrensschritt des vierten Ausführungsbeispiels.
Fig. 5a eine Frontansicht auf die Komponenten einer Diodenlaser-Unterbaugruppe zur Verwendung bei der Herstellung eines Diodenlaserbauelement.es gemäß eines fünften Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens,
Fig. 5b eine Frontansicht auf die Diodenlaser-Unterbaugruppe von Fig. 5a,
Fig. 5c eine Seitenansicht auf eine erfindungsgemäße Anordnung der Komponenten im zweiten Verfahrensschrittes des fünften Ausführungsbeispiels zur erfindungsgemäßen Herstellung eines Dio- denlaserbauelementes,
Fig. 5d eine Frontansicht auf eine erfindungsgemäße Anordnung der Komponenten im dritten Verfahrensschritt des fünften Ausführungsbeispiels.
Die verwendeten Schraffuren kennzeichnen dabei das Fügemittel und sind nicht als Querschnittsansicht zu interpretieren.
Als Metallisierungen 17 und 18 ausgebildete Kontaktschichten auf einander gegenüberliegenden Seiten eines Laserdiodenelementes 10 sind nur in den Fig. 1a und 1 b des ersten Ausführungsbeispiels darge- stellt und werden allen übrigen Figuren als gegeben vorausgesetzt, der Übersichtlichkeit halber jedoch weggelassen.
Gleich Bezugszeichen bezeichnen gleich oder gleichwertige Objekte. Bezüglich in der Beschreibung nicht erläuterter Bezugszeichen wird auf die Bezugszeichenliste verwiesen.
ERSTES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL
Für die Herstellung eines Diodenlaserbauelement.es gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens werden im ersten Verfahrensschritt ein erster Wärmeleitkörper 20 aus Kupfer und ein zweiter Wärmeleitkörper 30 aus Kupfer bereitgestellt. Beide Wärmeleitkörper 20 und 30 sind äußerlich mit einer Nickel- und einer Goldschicht überzogen. Der erste Wärmeleitkörper 20 weist einen ersten Verbindungsabschnitt 26 und einen ersten Kontaktabschnitt 25 mit einer ersten Anschlussfläche 21 auf. Der zweite Wärmeleitkörper 30 weist einen zweiten Verbindungsabschnitt 36 und einen zweiten Kontaktabschnitt 35 mit einer zweiten Anschlussfläche 31 auf. Auf die erste Anschlussfläche 21 ist eine erste Indiumschicht 51 aufgebracht und auf die zweite Anschlussfläche 31 ist eine zweite Indiumschicht 52 aufgebracht.
Der erste Wärmeleitkörper 20 wird gegenüber dem zweiten Wärmeleitkörper 30 im zweiten Verfahrensschritt derart orientiert, dass die erste Anschlussfläche 21 und die zweite Anschlussfläche 31 einander gegenüberliegen (Fig. 1a).
Ferner wird im ersten Verfahrensschritt als Halbleiterbauelement-Anordnung ein Laserdiodenbarren 10 bereitgestellt, der auf einer ersten Seite eine erste Metallisierung 17 mit einer vergoldeten äußeren elektrischen Kontaktfläche 11 aufweist und auf einer zweiten Seite eine zweite Metallisierung 18 mit einer vergoldeten äußeren Kontaktfläche 12 aufweist. Dabei ist der Laserdiodenbarren 10 im zweiten Verfah- rensschritt so zwischen dem ersten Kontaktabschnitt 25 und dem zweiten Kontaktabschnitt 35 gebracht, dass seine erste elektrische Kontaktfläche 11 der ersten Anschlussfläche 21 gegenüberliegt und seine, der ersten elektrischen Kontaktfläche 11 gegenüberliegende, zweite elektrische Kontaktfläche 12 der zweiten Anschlussfläche 31 gegenüberliegt. Zwischen dem ersten Verbindungsabschnitt 26 und dem zweiten Verbindungsabschnitt 36 ist ein Fügemittel 55 eingebracht, das zum Zeitpunkt des Einbringens nicht notwendiger Weise als Schicht vorliegen muss, sondern auch als Tropfen oder Tropfenfeld auf die Oberfläche des ersten Verbindungsabschnittes 26 und/ oder des zweiten Verbindungsabschnittes 36 appliziert werden kann, die dem jeweils anderen Verbindungsabschnitt gegenüberliegt. In diesem Fall wird ein mit Keramikpartikeln gefüllter Epoxidharz-Klebstoff (kurz: Epoxy) als elektrisch isolierendes Fügemittel 55 verwendet. Auf der dem Fügemittel abgewandten Seite weist der Laserdiodenbarren 10 eine Strahlungsemissionsfläche 13 auf, die senkrecht zu den beiden elektrischen Kontaktflächen 11 und 12 liegt.
Im dritten Verfahrensschritt wird eine Druckkraft 53 auf die dem Laserdiodenbarren abgewandte Seite des zweiten Kontaktabschnittes 35 aufgebracht. Der erste Wärmeleitkörper 20 liegt mit seiner dem Laserdiodenbarren abgewandten Seite 22 auf einem unbeweglichen oder unbewegten Gegenstück auf, welches in Fig. 1 b nicht dargestellt ist und als Anschlag dient. Mit diesem Anschlag baut sich eine der Druckkraft 53 entgegengesetzte Gegenkraft auf, die gemeinsam mit der Druckkraft 53 für eine Druckbelastung der Indiumschichten 51 und 52 sorgt. Die Temperatur der Anordnung wird von Raumtemperatur auf 70°C erhöht, um die Aushärtung und die damit einhergehende Verfestigung der Fügemittelschicht 55 herbeizu- führen, zu unterstützen oder zu beschleunigen und die Neigung des Indiums der metallischen Schichten 51 und 52 zur Diffusion in das Gold der Metallisierungen 17 und 18 zu erhöhen. Die Temperatur in den Indiumschichten überschreitet nicht 70°C während des dritten Verfahrensschrittes bis zur Fertigstellung des Diodenlaserbauelement.es 80 als Halbleitermodul. Dennoch wird durch die Diffusion des festen Indiums in das feste Gold eine stoffschlüssige Verbindung des Laserdiodenbarrens 10 mit beiden Wärmeleitkörpern 20 und 30 erreicht. Die Herstellung des Diodenlaserbauelement.es 80 ist mit der Verfestigung des Fügemittels 55, die eine stabile stoffschlüssige Verbindung zwischen den beiden Wärmeleitkörpern 20 und 30 abseits des Laserdiodenelementes 10 bildet, und der Abkühlung der Anordnung zurück auf Raumtemperatur abgeschlossen. Dabei hält der vom Fügemittel 55 gebildete Stoffschluss die Druckbela- stung der Wärmeleitkörper 20 und 30 auf die Indiumschichten 51 und 52 zumindest teilweise aufrecht, so dass die Indiumschichten 51 und 52 vor einer Zug-, Scher- und Schälbelastung geschützt sind und eine ausreichende elektrische und thermische Kontaktierung des Laserdiodenelementes 10 auch während des Betriebes des Diodenlaserbauelement.es 80 gewährleistet werden kann. Zur Kühlung des Diodenlaser- bauelementes im Betrieb wird ein Kühlkörper (nicht dargestellt) an die Anbindungsfläche 22 auf der dem Laserdiodenbarren 10 abgewandten Seite des ersten Wärmeleitkörpers angeschlossen. Die Emissionsrichtung der im Betrieb emittierten Diodenlaserstrahlung ist durch den Pfeil 15 in Fig. 1 b angedeutet. Bedingt durch die Tatsache, dass die Indiumschichten 51 und 52 auch Lotschichten sein können, im vorliegenden Fall jedoch nicht als solche verwendet werden, weil nämlich während der Herstellung des Diodenlasermoduls zu keinem Zeitpunkt die Schmelztemperatur von Indium - nämlich 157 °C - in keiner der beiden Indiumschichten 51 und 52 überschritten wird, lässt sich dieses Herstellungsverfahren als Klemmung des Laserdiodenbarrens 10 bezeichnet.
Dem gegenüber wird ein Herstellungsverfahren, bei dem die Schmelztemperatur einer oder beider Indiumschichten 51 und 52 überschritten wird, als Lötung des Laserdiodenbarrens 10 bezeichnet. In der Regel sollte eine Lötung bessere thermische Eigenschaften - ausgedrückt im thermischen Widerstand - des Diodenlaserbauelement.es aufweisen als eine Klemmung. Nachteilig an der Lötung ist der bei Schmelztemperatur (besser: Verfestigungstemperatur) des Lotes erzeugte Stoffschluss, der insbesondere bei beidseitiger Lötung beider Indiumschichten 51 und 52 hohe mechanische Spannungen, insbesondere mit inhomogenem Verlauf über die Breite des Laserdiodenbarrens 10 von Emitter zu Emitter in den Laserdiodenbarren 10 einbringt. Da die optischen Eigenschaften der Strahlung der Emitter stark abhängig vom Spannungszustand im jeweiligen Emitter sind, ist mit entsprechenden inhomogenen Abstrahlungsei- genschaften verschiedener Bereiche des Laserdiodenbarrens 10 zu rechnen.
Für einen Vergleich von beidseitig mit Indiumlot gelöteten Laserdiodenbarren 10 und beidseitig mit Indiumschichten 51 und 52 gelöteten Laserdiodenbarren 10 einer Emissionswellenlänge in der Nähe von 940 nm wurden mehrere Diodenlaserbauelemente 80 beider Varianten hergestellt und miteinander verglichen. Die Fig. 1 c bis 1f geben die Eigenschaften des jeweiligen Vertreters mit der höchsten elektro-optischen Effizienz bei einer optischen Nennleistung von 120 W jeder Variante wieder. Fig. 1 c zeigt die Strom-Licht/- Spannungs-Kurve des betreffenden beidseitig gelöteten Diodenlaserbauelementes 80 und Fig. 1 d zeigt die Strom-Lichf-Spannungs-Kurve des betreffenden beidseitig geklemmten erfindungsgemäß hergestellten Diodenlaserbauelementes 80. Die elektro-optischen, mechanischen und thermischen Eigenschaften beider Varianten sind in Tab. 1 einander gegenübergestellt:
Figure imgf000018_0001
Tab. 1 : Vergleich beidseitig gelöteter und beidseitig geklemmter Laserdiodenbarren.
Dabei zeigt sich, dass die geklemmte Variante eine mit der gelöteten Variante vergleichbare elektro- optische Effizienz aufweist. Auch die thermischen Eigenschaften sind einander sehr ähnlich. Hinsichtlich des thermischen Widerstand ist darauf hinzuweisen, dass seine Ermittlung von thermomechanischen Mechanismen beeinflusst ist, so dass von einem systematischen Fehler von +/- 0,03 K/W auszugehen ist. Der smile bezeichnet die Verkrümmung des Laserdiodenbarrens 10 entlang seiner Breitenachse ausgedrückt als Summe der beiden maximalen positiven und negativen Abweichungen von einer aus den Messwerten interpolierten Geraden. Hier ist der geklemmten Variante eindeutig der Vorzug gegenüber der gelöteten zu geben, was sich besonders positiv hinsichtlich der Effizienz bei der Einkopplung der Strahlung mehrerer Emitter in eine Lichtleitfaser auswirkt.
Fig. 1 e zeigt das Nahfeldprofil der optischen Leistungsverteilung von Emittern des gelöteten Diodenlaserbauelementes 80 und Fig. 1f zeigt das Nahfeldprofil der optischen Leistungsverteilung von Emittern des beidseitig geklemmten Diodenlaserbauelementes 80. Wie bereits weiter oben in der Erfindungsbeschreibung hervorgehoben, zeigt sich bei den optischen Leistungen der Emitter des geklemmten Laserdioden- barrens 10 eine deutlich bessere Leistungshomogenität als bei den Emittern des gelöteten Laserdiodenbarrens 10.
ZWEITES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL Im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel wird zur Herstellung des Diodenlaserbauelement.es des zweiten Ausführungsbeispiels keine doppelseitige Klemmung, sondern nur eine einseitige (substratseiti- ge) Klemmung des Laserdiodenbarrens 10 vorgenommen, nachdem die Epitaxieseite 11 des Laserdiodenbarrens 10 mittels an den ersten Wärmeleitkörper 20 angelötet wurde.
Der erste Wärmeleitkörper 20 besteht aus einem Silber-Diamant-Komposit-Werkstoff-Kern der äußerlich zumindest auf der dem Laserdiodenbarren 10 und auf der dem Laserdiodenbarren 10 abgewandten Seite eine Kupferschicht aufweist, die sich in einfacher Weise mechanisch bearbeiten lässt, um ebene Anbin- dungsflächen herzustellen. Silber und Diamant des ersten Wärmeleitkörpers stehen dabei in einem Mischungsverhältnis, das dem ersten Wärmeleitkörper 20 einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten verleiht, der nur 0,5 bis 1 ,5 ppm/ K größer ist als der thermische Ausdehnungskoeffizient des Laserdiodenbarrens 10. Damit wird eine spannungsarme epitaxieseitige Hartlötung des Laserdiodenbarrens 10 auf dem Wärmeleitkörper 20 möglich. Dazu wird im ersten Verfahrensschritt eine Gold-Zinn-Lotschicht 51 auf die dem Laserdiodenbarren 10 zugewandte Seite des Kontaktabschnittes 25 ersten Wärmeleitkörpers 20 aufgebracht, die eutektisches Gold-Zinn im Gewichtsverhältnis Gold zu Zinn von 80:20 aufweist (Fig. 2a). In einem ersten Abschnitt des zweiten Verfahrensschritts wird der Laserdiodenbarren 10 damit über seine epitaxieseitige Kontaktfläche 11 an den ersten Wärmeleitkörper 20 angelötet. In einem sich daran anschließenden zweiten Abschnitt des zweiten Verfahrensschrittes wird eine Indiumfolie 52 von 5 μιη bis 100 μιη Dicke zwischen die den Laserdiodenbarren 10 und den zweiten Kontaktabschnitt 35 eines zweiten Wärmeleitkörpers 30 aus Kupfer gebracht sowie ein elektrisch isolierende Fügemittel 55 zwischen die einander gegenüberliegenden Verbindungsabschnitte 26 und 36 des ersten und zweiten Wärmeleitkörpers 20 und 30 (Fig 2b). Im dritten Verfahrensschritt wird unter Anwendung einer Druckkraft 53 und der Beaufschlagung von Wärme, wobei die Temperatur in der Indiumschicht 52 100 °C nicht überschreitet. Dabei diffundiert das Indium teilweise in die substratseitige Goldschicht der zweiten Kontaktfläche 12 des Laserdiodenbarrens und teilweise in das Kupfer des zweiten Wärmeleitkörpers 30, dessen Oberfläche zumindest im Diffusionsbereich zuvor ausreichend von Sauerstoff befreit wurde.
Mit der Aushärtung des Fügemittels 55 ist der Herstellungsprozess des Diodenlaserbauelement.es 80 abgeschlossen.
DRITTES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL
Im dritten Ausführungsbeispiel wird als Laserdiodenelement eine Laserdiode 10 mit einem Emitter 13a verwendet. Da die Resonatorlänge in Tiefenrichtung der Fig. 3a größer ist als die Breite der Laserdiode 10, ist eine Wärmespreizung zu beiden Seiten links und rechts parallel zu den Kontaktflächen 11 und 12 der Laserdiode 10 und senkrecht zur Resonatorrichtung beziehungsweise Lichtemissionsrichtung 15 vorteilhaft. In diesem Sinne weisen der erste und der zweite Wärmeleitkörper 20 und 30 jeweils zwei einander gegenüberliegende Verbindungsabschnitte 26 und 36 - einen linken und einen rechten - auf, zwischen denen jeweils der Kontaktabschnitt 25 beziehungsweise 35 liegt.
Im Vakuum werden die Anschlussflächen 21 und 31 der Kontaktabschnitte 25 und 35 von der nativen Aluminiumoxidschicht der aus Aluminium bestehenden Wärmeleitkörper 20 und 30 mit einem geeigneten Verfahren befreit. Ohne anschließend einer oxidierenden Umgebungsatmosphäre ausgesetzt zu, sein werden die Anschlussflächen 21 und 31 der Kontaktabschnitte 25 und 36 im Vakuum mit jeweils einer Indiumschicht 51 beziehungsweise 52 bedampft (Fig. 3a). Durch die Indiumschicht 51/ 52 ist die jeweilige Anschlussfläche 21/ 31 vor Oxidation geschützt, so dass auch in einer oxidierenden Umgebungsatmosphäre ein widerstandsarmer elektrischer Übergang zwischen der Indiumschicht 51/ 52 und dem jeweiligen Wärmeleitkörper 20/ 30 etabliert und aufrecht erhalten werden kann.
In einem ersten Abschnitt des dritten erfindungsgemäßen Verfahrensschrittes wird zunächst die Anordnung von erstem Wärmeleitkörper 20, Laserdiode 10 und zweitem Wärmeleitkörper 30 mit Druck 53 beaufschlagt, um eine kraftschlüssige Verbindung der Komponenten zu erzielen, ohne dass zwischen den Verbindungsabschnitten 26 und 36 der Wärmeleitkörper 20 und 30 ein Fügemittel 55 vorliegt (Fig. 3b). Dieses Fügemittel 55 wird erst im Verlauf des dritten erfindungsgemäßen Verfahrensschrittes unter Aufrechterhaltung des Druckes 53 zwischen die Verbindungsabschnitte 26 und 36 eingebracht. Damit liegt es erst in einem zweiten Abschnitt des dritten erfindungsgemäßen Verfahrensschrittes zwischen den Verbindungsabschnitten 26 und 36 vor, während dem es sich unter Aufrechterhaltung des Druckes 53 verfestigt und zu einem Stoffschluss zwischen den Wärmeleitkörpern 20 und 30 beiträgt. Dabei muss das Fügemittel nicht notwendigerweise elektrisch isolierend sein, weil bereits die oberflächlichen nativen Aluminiumoxidschichten der Wärmeleitkörper 20 und 30 für eine elektrische Isolierung und damit der nötigen Potentialtrennung der Wärmeleitkörper 20 und 30 voneinander sorgen.
In einer ersten alternativen Herstellungsvariante werden die Anschlussflächen 21/ 31 , nach dem sie im Vakuum von der nativen Aluminiumoxidschicht befreit wurden, im Vakuum mit einer Titan-Platin-Gold- Metallisierung versehen, die als Schutz vor Oxidation dient. Die Indiumschicht wird anstelle durch Aufdampfen durch Einfügen jeweils einer Indiumfolie 51/ 52 zwischen die Anschlussflächen 21/ 31 und die elektrischen Kontaktflächen 11/ 12 in die Anordnung eingebracht.
In einer zweiten alternativen Herstellungsvariante werden nach der Reinigung der Anschlussflächen 21/ 31 der Aluminiumoberfläche im Vakuum in demselben Vakuum sowohl Laserdiode 10 zwischen die Kontaktabschnitte 25/ 35 als auch Indiumfolien 51/ 52 beidseitig der Laserdiode 10 zwischen die jeweiligen Kontaktabschnitte 25/35 und die Laserdiode gebracht. Das Aufbringen der Kraft 53 erfolgt ebenfalls im Vakuum. Während der Belüftung des Prozessraumes bleibt die Kraft 53 erhalten bis schließlich das Fügemittel zwischen die Verbindungsabschnitte 26 und 36 eingebracht wird und ausgehärtet ist.
VIERTES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL
Im vierten Ausführungsbeispiel wird die Halbleiterbauelement-Anordnung nicht wie in den drei vorhergehenden Ausführungsbeispielen durch ein Laserdiodenelement bereitgestellt, sondern durch eine Diodenlaser-Unterbaugruppe 40 mit einem Laserdiodenbarren 10, an dessen epitaxieseitiger Kontaktfläche 11 ein erster elektrisch leitfähiger Kontaktkörper 41 stoffschlüssig befestigt ist und an dessen substratseitiger Kontaktfläche 12 ein zweiter elektrisch leitfähiger Kontaktkörper 42 stoffschlüssig befestigt ist. (Fig. 4a, Fig. 4b). Beide elektrisch leitfähige Kontaktkörper 41 und 42 sind durch Gold-metallisierte, 300μιη dicke Kupfer-Wolfram-Substrate (CuW-Substrate) bereitgestellt, die einen Kupfer-Wolfram-Verbundwerkstoff aufweisen, in dem Verhältnis der Anteile Kupfer und Anteile Wolfram derart vorliegt, dass sich für die Kupfer-Wolfram-Substrate ein thermischer Ausdehnungskoeffizient ergibt, der von dem des Laserdioden- barrens 10 um nicht mehr als 2 ppm/ K abweicht. Für einen GaAs-Laserdiodenbarren 10 ist das Verhältnis der Gewichtsanteile Kupfer zu Wolfram vorzugsweise 10 zu 90.
Die CuW-Substrate 41 und 42 sind mittels Gold-Zinn-Lot, welches Gold und Zinn im Gewichtsverhältnis von 80 zu 20 enthält, an den Laserdiodenbarren 10 angelötet. Das Gold-Zinn-Lot ist im Gegensatz zu Indium stabil unter vergleichsweise hohen thermomechanischen und elektromechanischen Wechsella- sten, so dass die unmittelbare elektrische Kontaktierung des Laserdiodenbarrens durch die Verwendung der Kontaktkörper 41 und 42 vor Degradation auch bei hohen Leistungsanforderungen geschützt ist. Die Diodenlaser-Unterbaugruppe 40 weist an ihrem ersten Kontaktkörper 41 eine erste, vom Laserdiodenbarren 10 abgewandte, thermische Kontaktfläche 45 auf und an ihrem zweiten Kontaktkörper 42 eine zweite, vom Laserdiodenbarren 10 abgewandte thermische Kontaktfläche 46, die der ersten thermischen Kontaktfläche 45 gegenüberliegt.
Die erste thermische Kontaktfläche 45 steht bereit zur elektrischen und thermischen Kontaktierung durch einen ersten Wärmeleitkörper 20 aus Kupfer (Fig. 4c). Die zweite thermische Kontaktfläche 46 steht bereit zur elektrischen und thermischen Kontaktierung durch einen zweiten Wärmeleitkörper 30 aus Kupfer. Beide Wärmeleitkörper 20 und 30 weisen jeweils erfindungsgemäße Kontaktabschnitte 25 und 35 in Senkrechtprojektion des Diodenlaser-Unterbaugruppe 40 in Richtung der pn-Übergänge seines Laserdiodenbarrens 10 auf mit jeweils der Diodenlaser-Unterbaugruppe 40 zugewandten Anschlussflächen 21 beziehungsweise 31. Beide Wärmeleitkörper 20 und 30 weisen jeweils erfindungsgemäße Verbindungs- abschnitte 26 und 36 die sich außerhalb der besagten Senkrechtprojektion einander gegenüberliegend erstrecken.
Zwischen die erste Anschlussfläche 21 und die erste thermische Kontaktfläche 45 wird eine erste Indiumfolie 51 von 50 μιη Dicke gebracht. Zwischen die zweite Anschlussfläche 31 und die zweite thermische Kontaktfläche 46 wird eine zweite Indiumfolie 52 von 50 μιη Dicke gebracht. Zwischen den ersten Verbindungsabschnitt 26 und den zweiten Verbindungsabschnitt wird eine beidseitig mit Epoxidharz-Klebstoff- Schichten 55 und 56 versehene 750 μιη dicke Aluminiumoxid-Keramikplatte eingebracht.
Im Verbindungsschritt des Herstellverfahrens wird äußerlich eine Kraft 53 auf die der Diodenlaser- Unterbaugruppe 40 abgewandte Seite des zweiten Wärmeleitkörpers 30 aufgebracht, während die der Diodenlaser-Unterbaugruppe 40 abgewandte Seite des ersten Wärmeleitkörpers 20 fest auf der Heizplatte eines Ofens aufliegt. Die Prozesstemperatur überschreitet 70°C. Sie überschreitet 100°C jedoch nicht. Durch Festkörperdiffusion des Indiums der Indiumfolien 51 und 52 sowohl in das oberflächennahe Kupfer der Wärmeleitkörper 20 und 30 als auch in die Gold-Metallisierung der CuW-Substrate wird eine stoffschlüssige Diodenlaserbauelement-Einheit erzielt, die zusätzlich durch den von den Klebstoffschichten 55 und 56 bedingten Stoffschluss zwischen den beiden Verbindungsabschnitten stabilisiert wird.
FÜNFTES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL
Gegenüber dem vierten Ausführungsbeispiel unterscheidet sich das fünfte Ausführungsbeispiel dadurch dass anstatt des Laserdiodenbarrens mit zahlreichen Emittern ein sogenannter Minibarren 10 von 120 μιη Dicke mit einem 2x3-Feld von Emittern verwendet wird, welche in zwei Reihen zu je drei Emittern übereinander angeordnet sind, wobei der Abstand der beiden Reihen voneinander von 2 bis 5 μιη beträgt. Eine solche Struktur übereinander angeordneter Emitter kann epitaktisch mittels MOCVD (metal organic chemical vapor deposition der MBE (molecular beam epitaxy) erzeugt werden.
Als Kontaktkörper 41 und 42 dienen beidseitig kupferbeschichtete Molybdän-Bänder von jeweils 50 μιη Gesamtdicke, die derart unter Verwendung eines Gold-Zinn-Lotes an einander gegenüberliegenden Kontaktflächen 11 und 12 des Minibarrens befestigt sind, dass ihre freien Endabschnitte zu einander gegenüberliegenden Seiten des Minibarrens parallel zu den Kontaktflächen und senkrecht zur Abstrahlrichtung 15 über den Minibarren 10 hervorstehen (Fig. 5b).
Die Wärmeleitkörper 20 und 30 sind Aluminiumquader, die eine oberflächliche, native oder künstlich verstärkte, Oxidschicht mit elektrisch isolierender Eigenschaft aufweisen. Auf diese Oxidschicht sind auf jeden Kontaktabschnitt 25 und 35 der Wärmeleitkörper 20 und 30 jeweils eine 10 μιη dünne Indiumschicht 51 und 52 aufgebracht (Fig.5c). Zwischen die Verbindungsabschnitte 26 und 36 der Wärmeleit- körper 20 und 30 ist eine 250 μιη dicke Schicht 55 elektrisch leitfähigen silbergefüllten Epoxydharz- Klebstoffes eingebracht. Durch die oberflächlichen Oxidschichten der Aluminium-Wärmeleitkörper 20 und 30 wird ein Kurzschluss zwischen den Kontaktflächen 11 und 12 des Minibarrens 10 vermieden. Auf der der Diodenlaser-Unterbaugruppe 40 abgewandten Seite befindet sich ein Distanzstück 58 von 230 μιη Dicke, welches einer Verkippung der Wärmeleitkörper 20 und 30 zueinander im Verbindungsprozess vorbeugen soll. Die Beaufschlagung mit Kraft und Wärme erfolgt wie im vorhergehenden Ausführungsbeispiel mit dem ihm gegenüber abweichenden Ergebnis, dass die Aluminium-Wärmeleitkörper 20 und 30 die Diodenlaser-Unterbaugruppe 40 nur kraftschlüssig kontaktieren, weil das Indium der Indiumschichten 51 und 52 die (Aluminium-)oxidschichten der Wärmeleitkörper nicht benetzt. Stabilisiert wird dieser Kraft- schluss durch den Stoffschluss zwischen den Verbindungsabschnitten 26 und 36 der Wärmeleitkörper 20 und 30, der durch den verfestigten Klebstoff 55 vermittelt wird.
Die freien Endabschnitte der Molybdän-Bänder 41 und 42 ragen zu einander gegenüberliegenden Seiten seitlich über die Wärmeleitkörper 20 und 30 hervor und stehen zur elektrischen Kontaktierung zur Verfügung, während die Wärmeleitkörper 20 und 30 allein der thermischen Kontaktierung bedürfen.
Es versteht sich, dass einzelne oder mehrere Merkmale der Ausführungsbeispiele untereinander ausgetauscht und miteinander kombiniert werden können, ohne inhaltlich über den Umfang der Erfindung hinauszugehen.
Bezugszeichenliste
10 Laserdiodenelement
11 erste elektrische Kontaktfläche
12 zweite elektrische Kontaktfläche
13 Strahlungsemissionsfläche
13a Strahlungsemissionsabschnitt, Emitter
15 Strahlungsemissionsrichtungssymbol
16 erste Kontaktschicht
17 zweite Kontaktschicht
20 erster Wärmeleitkörper
21 erste Anschlussfläche/ Wärmeeintrittsfläche
22 Anbindungsfläche des ersten Wärmeleitkörpers 20
25 Kontaktabschnitt des ersten Wärmeleitkörpers 20
26 Verbindungsabschnitt des ersten Wärmeleitkörpers 20
30 zweiter Wärmeleitkörper
31 zweite Anschlussfläche/ Wärmeeintrittsfläche
32 Anbindungsfläche des zweiten Wärmeleitkörpers 30
35 Kontaktabschnitt des zweiten Wärmeleitkörpers 30
36 Verbindungsabschnitt des zweiten Wärmeleitkörpers 30
40 Diodenlaser-Unterbaugruppe
41 erster Kontaktkörper
42 zweiter Kontaktkörper
45 erste thermische Kontaktfläche
46 zweite thermische Kontaktfläche
50 Zwischenstück
51 erste metallische Schicht
52 zweite metallische Schicht
53 Kraftrichtungssymbol
55 erste Fügemittelschicht
56 zweite Fügemittelschicht
58 Distanzstück
80 Diodenlaserbauelement

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Herstellen eines Halbleitermoduls (80),
gekennzeichnet durch folgende Schritte:
a) Bereitstellen
i) einer Halbleiterbauelement-Anordnung (10 / 40), die
- auf einer ersten Seite wenigstens einen ersten elektrischen Anschluss (16 / 41 ) mit einer ersten Kontaktfläche (11 145) aufweist und
- auf einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite wenigstens einen zweiten elektrischen Anschluss (17 / 42) mit einer zweiten Kontaktfläche (12 / 46) aufweist, ii) eines ersten Wärmeleitkörpers (20),
iii) wenigstens eines zweiten Wärmeleitkörpers (30),
iv) einer ersten metallischen Schicht (51),
v) wenigstens einer zweiten metallischen Schicht (52), sowie
vi) wenigstens eines Fügemittels (55);
b) Anordnen der Halbleiterbauelement-Anordnung (10 / 40) zwischen dem ersten und dem zweiten Wärmeleitkörper (20, 30) in der Weise, dass ein erster Kontaktabschnitt (25) des ersten Wärmeleitkörpers (20) der ersten Kontaktfläche (11 / 45) gegenüberliegt, ein zweiter Kontaktabschnitt (35) des zweiten Wärmeleitkörpers (30) der zweiten Kontaktfläche (12 / 46) gegenüberliegt, wobei die erste metallische Schicht (51) zumindest abschnittsweise zwischen dem ersten Kontaktabschnitt
(25) und der ersten Kontaktfläche (11 / 45) angeordnet ist, die zweite metallische Schicht (52) zumindest abschnittsweise zwischen dem zweiten Kontaktabschnitt (35) und der zweiten Kontaktfläche (12 / 46) angeordnet ist;
c) Erzeugen wenigstens einer Kraft (53), die zumindest komponentenweise effektiv von einem der beiden Wärmeleitkörper (20 / 30) in Richtung des anderen Wärmeleitkörpers (30 / 20) orientiert ist und
Einrichten einer stoffschlüssigen Verbindung der beiden Wärmeleitkörper (20, 30) unter Beteiligung des Fügemittels (55) durch dessen Verfestigung,
wobei
die Temperatur im Schritt c) in der zweiten metallischen Schicht (52) nicht die Schmelztemperatur desjenigen metallischen Materials der zweiten metallischen Schicht (52), das die niedrigste Schmelztemperatur aufweist, überschreitet.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß im Schritt c) das Erzeugen der wenigstens einen Kraft (53) gleichzeitig mit dem Einrichten der stoffschlüssigen Verbindung durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein erster Verbindungsabschnitt (26) des ersten Wärmeleitkörpers (20) einem zweiten Verbindungsabschnitt (36) des zweiten Wärmeleitkörpers (30) abseits der Halbleiterbauelement-Anordnung (10 / 40) gegenüberliegt,
und das Fügemittel (55) zumindest abschnittsweise zwischen dem ersten Verbindungsabschnitt (26) und dem zweiten Verbindungsabschnitt (36) angeordnet ist.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die in dem Verfahrensschritt c) erzeugte Kraft (53) eine äußere Kraft ist, die von außen auf wenigstens einen der Wärmeleitkörper (20 / 30) aufgebracht wird und zumindest komponentenweise in Richtung des anderen Wärmeleitkörpers (30 / 20) orientiert ist,
wobei dem Verfahrensschritt c) und ein Verfahrenschritt d) folgt, in dem die äußere Kraft (53) teilweise oder vollständig aufgehoben wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
im Verfahrensschritt b) eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem ersten Kontaktabschnitt (25) und der Halbleiterbauelement-Anordnung (10 / 40) unter Beteiligung wenigstens eines metallischen Materials der zwischen dem ersten Kontaktabschnitt (25) und der Halbleiterbauelement-Anordnung (10 / 40) ange- ordneten ersten metallischen Schicht erfolgt.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
im Verfahrensschritt c) die Ausbildung einer kraftschlüssigen Verbindung zwischen dem zweiten Kontakt- abschnitt (35) und der zweiten Kontaktfläche (12 / 46) erfolgt, die
durch das verfestigte Fügemittel (55) aufrechterhalten wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass
im Verfahrensschritt c) die Ausbildung einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen dem zweiten Kontaktabschnitt (35) und der Halbleiterbauelement-Anordnung (10 / 40) durch Festkörper-Diffusion wenigstens eines metallischen Materials der zweiten metallischen Schicht (52) in einen metallischen Oberflächenbe- reich des zweiten Kontaktabschnittes (35) und/ oder des zweiten elektrischen Anschlusses (17 / 46) und/ oder durch Festkörper-Diffusion von wenigstens einem metallischen Material des Oberflächenbereiches des zweiten Kontaktabschnittes (35) und/ oder des zweiten elektrischen Anschlusses (17 / 42) in die zweite metallische Schicht (52) erfolgt, ohne dass eines der metallischen Materialien der zweiten metallischen Schicht (52), des Oberflächen bereiches des zweiten Kontaktabschnittes (35) oder des zweiten elektrischen Anschlusses (17 / 42), eine seiner gebildeten Verbindungen oder eine ihrer gebildeten Mischungen untereinander oder mit einer oder mehrerer seiner gebildeten Verbindungen in einen flüssigen Zustand übergeht.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
im Verfahrensschritt c) die Temperatur in der ersten metallischen Schicht (51) und der zweiten metallischen Schicht (52) nicht die Schmelztemperaturen derjenigen Materialien in den jeweiligen Schichten (51 , 52) mit den jeweils niedrigsten Schmelztemperaturen überschreitet.
9. Verfahren nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
im Verfahrensschritt c) die Ausbildung einer kraftschlüssigen Verbindung zwischen dem zweiten Kontaktabschnitt (35) und der zweiten Kontaktfläche (12 / 46) und die Ausbildung einer Ausbildung einer kraftschlüssigen Verbindung zwischen dem ersten Kontaktabschnitt (25) und der ersten Kontaktfläche (11 / 45) erfolgen, die
durch das verfestigte Fügemittel (55) aufrechterhalten werden.
10. Verfahren nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
im Verfahrensschritt c) die Ausbildung einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen dem zweiten Kontaktabschnitt (35) und der Halbleiterbauelement-Anordnung (10 / 40) durch Festkörper-Diffusion wenigstens eines metallischen Materials der zweiten metallischen Schicht (52) in einen metallischen Oberflächenbereich des zweiten Kontaktabschnittes (35) und/ oder des zweiten elektrischen Anschlusses (17 / 42) und/ oder durch Festkörper-Diffusion von wenigstens einem metallischen Material des Oberflächenbereiches des zweiten Kontaktabschnittes (35) und/ oder des zweiten elektrischen Anschlusses (17 / 42) in die zweite metallische Schicht (52) erfolgt, ohne dass eines der metallischen Materialien der zweiten metallischen Schicht (52), des Oberflächen bereiches des zweiten Kontaktabschnittes (35) oder des zweiten elektrischen Anschlusses (17 / 42), eine seiner gebildeten Verbindungen oder eine ihrer gebildeten Mischungen untereinander oder mit einer oder mehrerer seiner gebildeten Verbindungen in einen flüssigen Zustand übergeht und
die Ausbildung einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen dem ersten Kontaktabschnitt (25) und der Halbleiterbauelement-Anordnung (10 / 40) durch Festkörper-Diffusion wenigstens eines metallischen Materials der ersten metallischen Schicht (51) in einen metallischen Oberflächenbereich des ersten Kontaktabschnittes (25) und/ oder des ersten elektrischen Anschlusses (16 / 41) und/ oder durch Festkörper-Diffusion von wenigstens einem metallischen Material des Oberflächenbereiches des ersten Kontaktabschnittes (25) und/ oder des ersten elektrischen Anschlusses (16 / 41) in die erste metallische Schicht (51) erfolgt, ohne dass eines der metallischen Materialien der ersten metallischen Schicht (52), des Oberflächenbereiches des ersten Kontaktabschnittes (25) oder des ersten elektrischen Anschlusses (16 / 41), eine seiner gebildeten Verbindungen oder eine ihrer gebildeten Mischungen untereinander oder mit einer oder mehrerer seiner gebildeten Verbindungen in einen flüssigen Zustand übergeht.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
wenigstens der Verfahrensschritte c) im Vakuum oder in einer bezüglich des ersten und/ oder zweiten metallischen Materials der ersten und/ oder zweiten metallischen Schicht (51 , 52) chemisch inerten oder reduzierenden Atmosphäre erfolgt.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
der erste und der zweite Wärmeleitkörper (20, 30) aus wenigstens einem metallhaltigen Werkstoff bestehen und das Fügemittel (55) ein elektrisch isolierendes Fügemittel aus der Gruppe der Duroplaste und Zemente ist.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
im Verfahrensschritt a) oder b) die erste metallische Schicht (51) auf die erste Kontaktfläche (11 / 45) oder eine der Halbleiterbauelement-Anordnung (10 / 40) zugewandten erste Wärmeeintrittsfläche (21) des ersten Kontaktabschnitts (25) aufgebracht wird und/ oder die zweite metallische Schicht (52) auf die zweite Kontaktfläche (12 / 46) oder eine der Halbleiterbauelement-Anordnung (10 / 40) zugewandten zweite Wärmeeintrittsfläche (31) des zweiten Kontaktabschnitts (35) aufgebracht wird.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
wenigstens ein Material der ersten und/ oder zweiten Schicht (51 , 52) ein chemisches Element aus der Gruppe Indium, Zinn, Blei und Cadmium enthält.
15. Verfahren nach Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet, dass
die erste und/ oder zweite metallische Schicht (51 , 52) hinsichtlich Gewichts-, Atom- und/ oder Volumenanteilen überwiegend aus Indium bestehen und während des Verfahrensschrittes c) die Temperatur der ersten und/ oder zweiten metallischen Schicht (51 , 52) zumindest zeitweise größer als 30°C ist.
16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Halbleiterbauelement-Anordnung (10) als Halbleiterbauelement (10) ausgebildet ist und die elektrischen Anschlüsse (16, 17) durch wenigstens eine erste Metallschicht (16) auf der ersten Seite des Halb- leiterbauelementes (10) und wenigstens eine zweite Metallschicht (17) auf der zweiten Seite des Halbleiterbauelementes (10) gebildet sind, wobei die erste Kontaktfläche (11) auf der von dem Halbleiterbauelement (10) abgewandten Seite der ersten Metallschicht (16) angeordnet ist und die zweite Kontaktfläche (12) auf der von Halbleiterbauelement (10) abgewandten Seite der zweiten Metallschicht (17) angeordnet ist.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Halbleiterbauelement-Anordnung (40) wenigstens ein Halbleiterbauelement (10) aufweist, der erste elektrische Anschluss (41) als wenigstens ein erster elektrisch leitfähiger Kontaktkörper (41) ausgebildet ist, der mittels eines ersten elektrisch leitfähigen Fügemittels stoffschlüssig an einer ersten Seite des Halbleiterbauelementes (10) befestigt ist und
der zweite elektrische Anschluss (42) als ein zweiter elektrisch leitfähiger Kontaktkörper (42) ausgebildet ist, der mittels eines zweiten elektrisch leitfähigen Fügemittels stoffschlüssig an einer der ersten Seite des Halbleiterbauelementes (10) gegenüberliegenden zweiten Seite des Halbleiterbauelementes (10) befestigt ist.
18. Verfahren nach Anspruch 17,
dadurch gekennzeichnet, dass
das erste und/ oder das zweite elektrisch leitfähige Fügemittel Gold und Zinn enthält beziehungsweise enthalten und der erste und/ oder zweite elektrisch leitfähige Kontaktkörper (41 , 42) Wolfram, Molybdän, Kohlenstoff, Bornitrid und/ oder Siliziumkarbid enthält beziehungsweise enthalten.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18,
dadurch gekennzeichnet, dass
der erste und der zweite Wärmeleitkörper (20, 30) hinsichtlich Gewichts-, Atom- und/ oder Volumenanteilen überwiegend aus Kupfer und/ oder Aluminium bestehen.
20. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der erste Wärmeleitkörper (20) und/ oder der zweite Wärmeleitkörper (30) ein Kühlkörper ist beziehungsweise sind.
21. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der erste Wärmeleitkörper (20) und/ oder der zweite Wärmeleitkörper (30) an wenigstens einen Kühlkörper angeschlossen wird beziehungsweise werden.
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