CN114908320A

CN114908320A - 一种免刻蚀的半导体激光器热沉结构及其制备方法和应用

Info

Publication number: CN114908320A
Application number: CN202210389529.1A
Authority: CN
Inventors: 郝明明; 高翔; 王云才; 周勇
Original assignee: Guangdong University of Technology
Current assignee: Guangdong University of Technology
Priority date: 2022-04-14
Filing date: 2022-04-14
Publication date: 2022-08-16

Abstract

本发明属于半导体激光器领域，公开了一种免刻蚀的半导体激光器热沉结构及其制备方法和应用，该方法采用磁控溅射法在阶梯型氮化铝衬底的阶梯表面制备金属层；然后采用磁控溅射在第一阶梯表面的金属层上制备焊接层，第一阶梯表面的金属层的面积大于或者等于焊接层的面积，阶梯垂面的高度大于第一阶梯表面上金属层和焊接层的总厚度，实现免刻蚀制备热沉结构。本发明采用阶梯型的氮化铝衬底，且该衬底的阶梯垂面的高度大于第一阶梯表面上金属层和焊接层的总厚度，形成绝缘构造，不存在刻蚀金属不完全导致激光器芯片短接的风险，显著提高了半导体激光器封装的可靠性。而且省去后续的刻蚀绝缘沟槽操作工艺，简化了工艺步骤，节约成本。

Description

一种免刻蚀的半导体激光器热沉结构及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于半导体激光器技术领域，更具体地，涉及一种免刻蚀的半导体激光器热沉结构及其制备方法和应用。

背景技术

由于半导体激光器的体积小、重量轻、转换效率高、寿命长、易于调制等优点，使得它目前在工业、医疗、通讯、信息显示、军事等领域中的应用非常广泛。高功率半导体激光器技术是发展国防工业的重要技术基础，其发展将直接推动引信、跟踪、制导、武器模拟、点火引爆、雷达、夜视、目标识别与对抗等技术的更新换代。COS封装广泛的应用在半导体激光器芯片封装中，传统的COS热沉需要在溅射金属层后刻蚀出一条绝缘沟槽，工序复杂费时费力，如专利CN106602401A，并且如果金属层有残留，会造成芯片短接，严重影响半导体激光器的可靠性，针对此问题本发明提了一种免刻蚀的半导体激光器热沉制备方法，可以有效地解决此类问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种免刻蚀的半导体激光器热沉结构的制备方法。

本发明的另一目的在于提供上述方法制备的半导体激光器热沉结构。

本发明的再一目的在于提供上述半导体激光器热沉结构的应用。

本发明的目的通过下述技术方案来实现：

一种免刻蚀的半导体激光器热沉结构的制备方法，包括如下具体步骤：

S1.采用磁控溅射法在双面抛光的阶梯型氮化铝衬底的平面制备金属层；所述的阶梯型氮化铝衬底包括阶梯平面和阶梯垂面，所述金属层在所述阶梯表面上；所述阶梯表面包括第一阶梯表面和第二阶梯表面；

S2.然后采用磁控溅射法在金属层的表面制备焊接层，所述焊接层在所述第一阶梯表面的金属层上，所述第一阶梯表面的金属层的面积大于或者等于所述焊接层的面积，所述阶梯垂面的高度大于所述第一阶梯表面上金属层和焊接层的总厚度，实现免刻蚀制备半导体激光器热沉结构。

优选地，步骤S1中所述的阶梯型氮化铝衬底的表面粗糙度小于0.5，热导率为200～250W/m·k，厚度为0.3～0.4mm。

优选地，步骤S1中所述阶梯型氮化铝衬底的表面上所述金属层依次为Cu层、Ni层、Au层和Pt层。

更为优选地，所述的Cu层的厚度为60～80μm，Ni层的厚度为1～4μm，Au层的厚度为0.5～1.2μm，Pt层的厚度为0.3～0.5μm。

优选地，所述的Pt层的面积大于或者等于步骤S2中所述焊料层的面积。这是由于Pt层将Au层和焊料层分隔开，防止Au与焊料层直接接触，焊料的共晶温度升高融化不充分，影响芯片的焊接质量。

优选地，步骤S2中所述焊接层为金锡合金或铟。

更为优选地，所述金锡合金中金和锡的占比为80％和20％。该比例的金锡合金在加热到280℃时发生共晶反应生成金锡合金，焊料融化，使芯片和衬底结合。

一种半导体激光器热沉结构，所述半导体激光器热沉结构是由上述的方法制得。

进一步地，所述热沉结构是在双面抛光的阶梯型氮化铝衬底的平面上依次制得金属层和焊接层；所述阶梯型氮化铝衬底包括阶梯表面和阶梯垂面，所述金属层在所述阶梯表面上；所述阶梯表面包括第一阶梯表面和第二阶梯表面，所述焊接层在所述第一阶梯表面的金属层上，所述第一阶梯表面的金属层的面积大于或者等于所述焊接层的面积，所述阶梯垂面的高度大于所述第一阶梯表面上金属层和焊接层的总厚度。

所述的半导体激光器热沉结构在高功率半导体激光器中的应用。

与现有的技术对比，本发明有以下的有益效果：

1.本发明的免刻蚀的半导体激光器热沉结构的制备方法，是在阶梯型氮化铝衬底表面上溅射金属层；然后在第一阶梯表面的金属层表面制备有用于焊接激光器芯片的焊接层。衬底在涂覆金属层后不需要进行刻蚀就能满足要求，采用倒封装形式正面朝下，通过真空回流焊与焊料连接，背面通过金丝引线键合机与第二阶梯表面的金属层键合，作为芯片的负极。

2.本发明的Pt层的面积大于焊接层的面积，防止焊料与Au金属层接触，导致焊料共晶温度升高，影响封装的可靠性。

3.本发明采用阶梯型结构的氮化铝衬底，不同于常规的半导体激光器COS封装，用磁控溅射方法在阶梯型氮化铝衬底上制备完成金属层后，由于氮化铝材料良好的绝缘特性，且氮化铝衬底的阶梯垂面的高度大于第一阶梯表面的金属层和焊接层的总厚度，形成绝缘构造，且此结构不存在刻蚀金属不完全导致激光器芯片短接的风险，显著提高了半导体激光器封装的可靠性。

4.由于氮化铝本身不导电，在平板氮化铝衬底上的金属层导电，需要在平板氮化铝衬底上设置绝缘的沟槽将正负极隔开，如果没有绝缘沟槽把正负极隔开，就会短路。本发明的氮化铝衬底为阶梯型结构分高低两平面，阶梯垂面部分为裸露的氮化铝不导电，形成绝缘构造。因此，不需要再刻蚀绝缘沟槽就将正负极隔开，省去后续的刻蚀绝缘沟槽操作工艺，简化了工艺步骤。

附图说明

图1是本发明免刻蚀的半导体激光器热沉结构的示意图。

图2是本发明的阶梯型氮化铝衬底的结构示意图。

图3是本发明用于半导体激光器的热沉结构的制备方法流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。

实施例1

图1为本发明中免刻蚀的半导体激光器热沉结构的示意图。其中，1为阶梯型氮化铝衬底，2为金属层，3为焊接层。如图1所示，一种免刻蚀绝缘沟槽的用于高功率半导体激光器的热沉结构，包括阶梯型氮化铝衬底1、金属层2和焊接层3。该热沉结构是在双面抛光的阶梯型氮化铝衬底1的平面上依次制得金属层2和焊接层3；所述阶梯型氮化铝衬底1包括阶梯表面和阶梯垂面6，所述金属层2在所述阶梯表面上；所述阶梯表面包括第一阶梯表面4和第二阶梯表面5，所述焊接层3在所述第一阶梯表面4的金属层上，所述第一阶梯表面4的金属层的面积大于所述焊接层3的面积，所述阶梯垂面6的高度大于所述第一阶梯表面4上金属层和用于焊接激光器芯片的焊接层3的总厚度。

图2是本发明的阶梯型氮化铝衬底的结构示意图。其中，阶梯型氮化铝衬底1包括阶梯平面和阶梯垂面6，阶梯表面包括第一阶梯表面4和第二阶梯表面5。所述阶梯垂面6的高度大于所述第一阶梯表面4上金属层和焊接层3的总厚度；氮化铝的热导率为200～250W/m·K。由于氮化铝材料具有良好的绝缘特性，此特殊结构形成良好的绝缘带。将阶梯型氮化铝衬底1的上下两个面在研磨抛光机上抛光，使其表面的粗糙度小于0.5，然后超声清洗干净。放在磁控溅射设备里面，在阶梯型氮化铝衬底1的表面溅射金属层2，然后按照需求预设的图形和面积的焊接层3，高功率半导体激光器的芯片采用倒装焊焊接于焊接层3的表面，激光器芯片正面朝下，使用贴片机与焊料连接，金线呈拱形由阶梯型氮化铝衬底1的第一阶梯表面4接入第二阶梯表面5，即金线的一端键合在芯片上，另一端跨过阶梯型氮化铝衬底的阶梯垂面6键合在阶梯型氮化铝衬底的第二阶梯表面5，背面通过金丝引线键合机与第一阶梯表面4上的金属层连接，形成芯片的正负极。由于阶梯型氮化铝衬底1具有良好的绝缘特性，阶梯型氮化铝衬底包括阶梯平面和阶梯垂面，所述阶梯垂面6的高度大于所述第一阶梯表面4上金属层和焊接层3的总厚度。此结构具有良好的绝缘特性，不存在刻蚀金属不完全导致激光器芯片短接的风险，显著提高了半导体激光器封装的可靠性。而且省去后续的刻蚀绝缘沟槽操作工艺，简化了工艺步骤，节约成本。

实施例2

一种免刻蚀的半导体激光器热沉结构的制备方法，如图3所示，包括如下具体步骤：

1.采用磁控溅射法在双面抛光的阶梯型氮化铝衬底的平面制备金属层；所述的阶梯型氮化铝衬底包括阶梯平面和阶梯垂面，所述金属层在所述阶梯表面上；所述阶梯表面包括第一阶梯表面和第二阶梯表面；

2.然后采用磁控溅射法在金属层的表面制备焊接层，所述焊接层在所述第一阶梯表面的金属层上，所述第一阶梯表面的金属层的面积大于或者等于所述焊接层的面积，所述阶梯垂面的高度大于所述第一阶梯表面上金属层和焊接层的总厚度，实现免刻蚀制备半导体激光器热沉结构。

步骤1和2使用磁控溅射仪(韩国ECOPIA SE-400)操作说明开启水冷机，打开Ar气，气压1.5bar，打开N₂破真空，放置样品，待CG-F显示真空度达到4E-2左右，打开RV阀，等到CG-M显示真空度到达9E-3以下，关闭RV阀门，打开FV阀门。打开分子泵加速，待分子泵加速完毕，打开RV阀再次抽真空到10^-6量级。通入Ar气，气流值为30～50sccm，样品转速设置为10rpm，打开靶枪开关，待溅射较稳定后，移开挡板开始镀膜，待蒸镀完成关闭设备。

根据要求对阶梯型氮化铝衬底1进行抛光研磨，制备相应表面粗糙度的氮化铝衬底1，所述的阶梯型氮化铝衬底1的表面粗糙度不大于0.5，热导率为200～250W/m·k，厚度为0.3～0.4mm。厚度范围包括但不限于上述范围，可根据实际情况及进行设置，均在保护范围内。

为了更好地保护阶梯型氮化铝衬底1，在阶梯型氮化铝衬底1表面依次溅射Cu层、Ni层、Au层和Pt层。所述的Cu层的厚度为60～80μm，Ni层的厚度为1～4μm，Au层的厚度为0.5～1.2μm，Pt层的厚度为0.3～0.5μm。需要指出的，金属层2包括但不限于上述Cu层、Ni层、Au层、Pt层，根据需要进行金属层2的选择均在保护范围内。所述的焊接层3为AuSn或铟。其中，金锡合金中金和锡的占比为80％和20％。该比例的金锡合金在加热到280℃时发生共晶反应生成金锡合金，AuSn焊料融化，使芯片和衬底结合。根据需要进行焊接层3的选择均在保护范围内。为保证激光芯片与热沉良好的焊接，所述的焊接层的面积应该大于或等于所述激光芯片的面积。

实施例3

一种用于高功率半导体激光器的免刻蚀热沉结构的制备方法，包括如下步骤：

1.利用氮化铝材料制备阶梯型氮化铝衬底1，将阶梯型氮化铝热沉1的上下两平面在研磨抛光机上抛光，使其表面的粗糙度小于0.5，然后超声清洗干净；所述的阶梯型氮化铝衬底包括阶梯平面和阶梯垂面6；所述阶梯表面包括第一阶梯表面4和第二阶梯表面5；

2.将清洗好的阶梯型氮化铝衬底1放在磁控溅射仪里面，按照实施例2的方法在阶梯型氮化铝衬底1的阶梯表面上制备金属层2；

3.将金属化处理后的阶梯型氮化铝衬底1和金属层2，放在磁控溅射设备里面，按照需求在所述第一阶梯表面4的金属层上蒸镀预设图形和面积的用于焊接激光器芯片的焊接层3。所述第一阶梯表面4的金属层的面积大于或者等于所述焊接层3的面积，所述阶梯垂面6的高度大于所述第一阶梯表面4上金属层和焊接层3的总厚度，实现免刻蚀制备半导体激光器热沉结构。

所述的焊接层3的面积大于或等于所述激光芯片，所属激光芯片可以选择JENOPTIK公司生产的808nm高功率激光芯片，长1500μm宽100μm厚120μm型号为JDL-BAB-75-62-808-TE-300-1.5的面积。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合和简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种免刻蚀的半导体激光器热沉结构的制备方法，其特征在于，包括如下具体步骤：

2.根据权利要求1所述的免刻蚀的半导体激光器热沉结构的制备方法，其特征在于，步骤S1中所述的阶梯型氮化铝衬底的表面粗糙度小于0.5，热导率为200～250W/m·k，厚度为0.3～0.4mm。

3.根据权利要求1所述的免刻蚀的半导体激光器热沉结构的制备方法，其特征在于，步骤S1中所述阶梯型氮化铝衬底的表面上所述金属层依次为Cu层、Ni层、Au层和Pt层。

4.根据权利要求3所述的的免刻蚀的半导体激光器热沉结构的制备方法，其特征在于，所述的Cu层的厚度为60～80μm，Ni层的厚度为1～4μm，Au层的厚度为0.5～1.2μm，Pt层的厚度为0.3～0.5μm。

5.根据权利要求3所述的免刻蚀的半导体激光器热沉结构的制备方法，其特征在于，所述的Pt层的面积大于或者等于步骤S2中所述焊接层的面积。

6.根据权利要求1所述的免刻蚀的半导体激光器热沉结构的制备方法，其特征在于，步骤S2中所述焊接层为金锡合金或铟。

7.根据权利要求6所述的免刻蚀的半导体激光器热沉结构的制备方法，其特征在于，所述金锡合金中金和锡的占比为80％和20％。

8.一种半导体激光器热沉结构，其特征在于，所述半导体激光器热沉结构是由权利要求1-7任一项所述的方法制得。

9.根据权利要求8所述的半导体激光器热沉结构，其特征在于，所述热沉结构是在双面抛光的阶梯型氮化铝衬底的平面上依次制得金属层和焊接层；所述阶梯型氮化铝衬底包括阶梯表面和阶梯垂面，所述金属层在所述阶梯表面上；所述阶梯表面包括第一阶梯表面和第二阶梯表面，所述焊接层在所述第一阶梯表面的金属层上，所述第一阶梯表面的金属层的面积大于或者等于所述焊接层的面积，所述阶梯垂面的高度大于所述第一阶梯表面上金属层和焊接层的总厚度。

10.权利要求8或9所述的半导体激光器热沉结构在高功率半导体激光器中的应用。