一種半導(dǎo)體激光器芯片焊接面表征方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種半導(dǎo)體激光器封裝器件芯片焊接面表征方法及裝置，該裝置能夠通過(guò)無(wú)損方法表征半導(dǎo)體激光器芯片焊接面存在的空洞，能夠廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體激光器封裝器件性能的表征，對(duì)于提高半導(dǎo)體激光器性能和焊接回流工藝，以及實(shí)現(xiàn)無(wú)空洞封裝具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。
【專利說(shuō)明】一種半導(dǎo)體激光器芯片焊接面表征方法及裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于半導(dǎo)體激光器【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及半導(dǎo)體激光器芯片焊接面特性的測(cè)試。

【背景技術(shù)】
[0002]半導(dǎo)體激光器具有體積小、重量輕、電光轉(zhuǎn)換效率高、波長(zhǎng)范圍廣、可靠性高和壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為光電行業(yè)中最有發(fā)展前途的領(lǐng)域，可廣泛應(yīng)用于通信、計(jì)算機(jī)(主要是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和輸入輸出設(shè)備)、影視、制造業(yè)、航天、航空、材料處理、醫(yī)療、娛樂(lè)、科研、安全防護(hù)、軍事、反恐、工藝品、顯示和印刷等行業(yè)。
[0003]目前半導(dǎo)體激光器的發(fā)展趨勢(shì)是進(jìn)一步提高功率、亮度及可靠性。目前的單發(fā)光點(diǎn)半導(dǎo)體激光器連續(xù)波輸出功率為十幾瓦，多發(fā)光單元(巴條)半導(dǎo)體激光器，其長(zhǎng)度大多為1cm，包含幾個(gè)至幾十個(gè)發(fā)光點(diǎn)，其連續(xù)波輸出功率可達(dá)幾百瓦。在幾百瓦的輸出功率下，電流密度將超過(guò)103W/cm2，因此對(duì)封裝技術(shù)提出了挑戰(zhàn)。
[0004]圖2給出了一個(gè)典型的大功率半導(dǎo)體激光器封裝結(jié)構(gòu)示意圖，其采用倒裝芯片封裝形式，主要包括半導(dǎo)體激光器芯片(巴條)、焊料層、熱沉(正極)、絕緣層、負(fù)極幾部分，其中焊料層起著電、熱及機(jī)械連接的作用，對(duì)于大功率半導(dǎo)體激光器的性能及可靠性具有決定性的影響。
[0005]在大功率半導(dǎo)體激光器回流焊接過(guò)程中，由于熱沉表面的不平整、雜質(zhì)的侵入、表面氧化等不確定因素導(dǎo)致焊料層形成空洞；由于金屬間化合物的形成及生長(zhǎng)，會(huì)形成空洞。焊料層空洞對(duì)器件的散熱狀況具有顯著影響，位于空洞上方的發(fā)光單元散熱效果將明顯降低，導(dǎo)致結(jié)溫急劇上升，形成一個(gè)局部高溫區(qū)，各發(fā)光單元所發(fā)出的光疊加后偏離原本的高斯線型，產(chǎn)生光譜展寬等問(wèn)題。
[0006]對(duì)半導(dǎo)體激光器芯片焊接面內(nèi)部進(jìn)行測(cè)試和表征是深刻理解激光器特性的關(guān)鍵，同時(shí)也是判斷激光器好壞的重要依據(jù)；只有這樣才能篩選出性能良好的器件，并為提高半導(dǎo)體激光器封裝工藝提供理論指導(dǎo)。
[0007]目前，表征半導(dǎo)體激光器芯片焊接面內(nèi)部缺陷的方法主要是采用掃描聲學(xué)顯微鏡。掃描聲學(xué)顯微鏡是一種破壞性方法，對(duì)于封裝的半導(dǎo)體激光器芯片來(lái)說(shuō)，必須將芯片N面的銅箔或者金線去掉才能夠進(jìn)行表征，在實(shí)際半導(dǎo)體激光器的表征過(guò)程中，掃描聲學(xué)顯微方法并不十分實(shí)用。因此，亟需發(fā)展一種無(wú)損表征半導(dǎo)體激光器連接界面的技術(shù)，為大功率半導(dǎo)體激光器封裝提供指導(dǎo)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供一種能夠無(wú)損表征半導(dǎo)體激光器芯片焊接面的表征方法及裝置。
[0009]本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)解決的:
本發(fā)明半導(dǎo)體激光器芯片焊接面表征方法包括以下步驟:
(O向半導(dǎo)體激光器提供脈沖電流，超過(guò)半導(dǎo)體激光器的閾值電流，使電流穩(wěn)定在Itl; (2)采集半導(dǎo)體激光器各個(gè)發(fā)光點(diǎn)的光譜S0，并記錄每一個(gè)發(fā)光點(diǎn)的基準(zhǔn)波長(zhǎng)λO ；
(3)向半導(dǎo)體激光器提供連續(xù)電流Itl；
(4)采集半導(dǎo)體激光器各個(gè)發(fā)光單元的光譜SI，并記錄每一個(gè)發(fā)光點(diǎn)的波長(zhǎng)λI ；
(5)比較SI和S0，即分別比較每一個(gè)發(fā)光單元的波長(zhǎng)λI和基準(zhǔn)波長(zhǎng)λ O之間的差值Δ λ，從而獲得各個(gè)發(fā)光單元下方的焊接面空洞分布(差值越大，表明此發(fā)光單元下方的焊接面空洞越大)。
[0010]上述步驟I中向半導(dǎo)體激光器提供脈沖電流的是脈沖電流源；步驟3中向半導(dǎo)體激光器提供持續(xù)電流的是連續(xù)或者準(zhǔn)連續(xù)電流源。
[0011]步驟2和步驟4中采集半導(dǎo)體激光器各個(gè)發(fā)光單元的光譜是通過(guò)發(fā)光單元放大元件和發(fā)光單元選擇元件實(shí)現(xiàn)，發(fā)光單元放大元件為透鏡系統(tǒng)，發(fā)光單元選擇元件為光纖或者光導(dǎo)管，控制發(fā)光單元選擇元件使其可以依次采集各個(gè)發(fā)光單元的波長(zhǎng)信息。
[0012]上述半導(dǎo)體激光器固定于冷卻系統(tǒng)上。
[0013]上述散熱裝置為T(mén)EC、水冷塊、風(fēng)扇等。
[0014]該半導(dǎo)體激光器芯片焊接面表征裝置，包括半導(dǎo)體激光器，其特征在于:還包括連續(xù)/準(zhǔn)連續(xù)電源、脈沖電源、工控機(jī)、光譜儀、發(fā)光單元放大元件、發(fā)光單元選擇元件，連續(xù)/準(zhǔn)連續(xù)電源和脈沖電源用于向半導(dǎo)體激光器供電；工控機(jī)用于調(diào)節(jié)連續(xù)/準(zhǔn)連續(xù)電源和脈沖電源之間切換供電和供電電流大??；所述的發(fā)光單元放大元件用于將半導(dǎo)體激光器的發(fā)光單元進(jìn)行放大，發(fā)光單元選擇元件用于分別收集每一個(gè)發(fā)光單元的波長(zhǎng)信息，所述半導(dǎo)體激光器激光出射方向依次設(shè)置發(fā)光單元放大元件、發(fā)光單元選擇元件，發(fā)光單元選擇元件連接至光譜儀。
[0015]該裝置還包括過(guò)流保護(hù)系統(tǒng)和過(guò)壓保護(hù)系統(tǒng)，過(guò)流保護(hù)系統(tǒng)和過(guò)壓保護(hù)系統(tǒng)分別與半導(dǎo)體激光器和工控機(jī)連接。
[0016]該裝置還包括冷卻系統(tǒng)，所述的半導(dǎo)體激光器設(shè)置于冷卻系統(tǒng)上，冷卻系統(tǒng)是電子制冷、水冷塊或風(fēng)扇。
[0017]本發(fā)明具有以下有益效果:
本發(fā)明研究并開(kāi)發(fā)了半導(dǎo)體激光器芯片焊接面表征方法及裝置，該裝置能夠通過(guò)無(wú)損方法表征導(dǎo)體激光器芯片焊接面存在的缺陷等性質(zhì)，能夠廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體激光器封裝器件性能的表征，對(duì)于提高半導(dǎo)體激光器性能和回流工藝，以及實(shí)現(xiàn)無(wú)空洞封裝具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1為本發(fā)明半導(dǎo)體激光器芯片焊接面表征裝置示意圖。
[0019]圖2半導(dǎo)體激光器空間光譜測(cè)試裝置圖。
[0020]圖3為典型的半導(dǎo)體激光器封裝結(jié)構(gòu)。
[0021]圖4為實(shí)施例半導(dǎo)體激光器發(fā)光單元波長(zhǎng)信息表。
[0022]圖5為本實(shí)施例發(fā)光單元位置-Λ λ圖。
[0023]附號(hào)說(shuō)明:1為半導(dǎo)體激光器；2為發(fā)光單元放大元件；3為發(fā)光單元選擇元件；4為光譜儀；5為工控機(jī)；6為負(fù)極塊；7為正極塊；8為焊料層；9為激光芯片；10為發(fā)光單元。

【具體實(shí)施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述，如圖1所示:
該半導(dǎo)體激光器芯片焊接面表征裝置，包括半導(dǎo)體激光器，其特征在于:還包括連續(xù)/準(zhǔn)連續(xù)電源、脈沖電源、工控機(jī)、光譜儀、發(fā)光單元放大元件、發(fā)光單元選擇元件，連續(xù)/準(zhǔn)連續(xù)電源和脈沖電源用于向半導(dǎo)體激光器供電；工控機(jī)用于調(diào)節(jié)連續(xù)/準(zhǔn)連續(xù)電源和脈沖電源之間切換供電和供電電流大??；所述的發(fā)光單元放大元件用于將半導(dǎo)體激光器的發(fā)光單元進(jìn)行放大，發(fā)光單元選擇元件用于分別收集每一個(gè)發(fā)光單元的波長(zhǎng)信息，所述半導(dǎo)體激光器激光出射方向依次設(shè)置發(fā)光單元放大元件、發(fā)光單元選擇元件，發(fā)光單元選擇元件連接至光譜儀。
[0025]為了提高裝置工作的安全性和可靠性，該裝置中可以增加過(guò)流保護(hù)系統(tǒng)和過(guò)壓保護(hù)系統(tǒng)，過(guò)流保護(hù)系統(tǒng)和過(guò)壓保護(hù)系統(tǒng)分別與半導(dǎo)體激光器和工控機(jī)連接。
[0026]該裝置還包括冷卻系統(tǒng)，所述的半導(dǎo)體激光器設(shè)置于冷卻系統(tǒng)上，冷卻系統(tǒng)是電子制冷、水冷塊或風(fēng)扇。
[0027]該半導(dǎo)體激光器芯片焊接面表征方法具體包括以下步驟:
(1)將半導(dǎo)體激光器的正負(fù)極分別與脈沖電源的正負(fù)極連接完好，逐漸增加脈沖電源的電流，超過(guò)半導(dǎo)體激光器的閾值電流，使半導(dǎo)體激光器連續(xù)出光，此時(shí)工作電流為Itjp ;
(2)通過(guò)發(fā)光單元放大元件和發(fā)光單元選擇元件，分別利用光譜儀測(cè)量半導(dǎo)體激光器各個(gè)發(fā)光單元的光譜S0，并由工控機(jī)記錄每一發(fā)光單元的基準(zhǔn)波長(zhǎng)λ0 ;
將半導(dǎo)體激光器的正負(fù)極與連續(xù)電源的正負(fù)極斷開(kāi)；
(3)將半導(dǎo)體激光器的正負(fù)極與連續(xù)/準(zhǔn)連續(xù)電源的正負(fù)極分別連接，逐漸增控制連續(xù)/準(zhǔn)連續(xù)電源的電流，使電流穩(wěn)定于Itjp ;
(4)通過(guò)發(fā)光單元放大元件和發(fā)光單元選擇元件，分別利用光譜儀測(cè)量半導(dǎo)體激光器各個(gè)發(fā)光單元的光譜SI，并由工控機(jī)記錄每一發(fā)光單元的基準(zhǔn)波長(zhǎng)λ I ；
(5)比較SI和S0，即分別比較每一個(gè)發(fā)光單元的長(zhǎng)λI和基準(zhǔn)波長(zhǎng)λ O之間的差值Δ λ，從而獲得各個(gè)發(fā)光單元下方的焊接面空洞分布(差值越大，表明此發(fā)光點(diǎn)下方的連接界面空洞越大)。
[0028]重復(fù)上述步驟，僅改變其中的工作電流Itjp值，獲得其它電流下的SO和SI，并進(jìn)行比較，對(duì)所得結(jié)果進(jìn)行加權(quán)平均，獲得半導(dǎo)體激光器芯片焊接面空洞分布。
[0029]圖2半導(dǎo)體激光器空間光譜測(cè)試裝置圖，半導(dǎo)體激光器所發(fā)出的激光通過(guò)發(fā)光單元放大元件，控制發(fā)光單元選擇元件依次采集每一個(gè)發(fā)光單元的波長(zhǎng)信息并分別利用光譜儀測(cè)量半導(dǎo)體激光器各個(gè)發(fā)光單元的光譜。
[0030]圖4為實(shí)施例半導(dǎo)體激光器發(fā)光單元波長(zhǎng)信息表，測(cè)試了具有19個(gè)發(fā)光單元的半導(dǎo)體激光器每一個(gè)發(fā)光單元的波長(zhǎng)信息，比較λ I和基準(zhǔn)波長(zhǎng)λ 0，得出差值Λ λ，圖5為本實(shí)施例發(fā)光單元位置-Λ λ圖，由圖5可知第7個(gè)發(fā)光單元和第8個(gè)發(fā)光單元的波長(zhǎng)λ I和基準(zhǔn)波長(zhǎng)λ O之間的差值Λ λ的差值較大，表明第7個(gè)發(fā)光單元7和第8個(gè)發(fā)光單元下方的焊接面存在較大空洞。
【權(quán)利要求】
1.一種半導(dǎo)體激光器芯片焊接面表征方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)向半導(dǎo)體激光器提供脈沖電流，超過(guò)半導(dǎo)體激光器的閾值電流，使電流穩(wěn)定在Itl; (2)采集半導(dǎo)體激光器各個(gè)發(fā)光單元的空間光譜S0，并記錄每一個(gè)發(fā)光點(diǎn)的基準(zhǔn)波長(zhǎng)λ O ; (3)向半導(dǎo)體激光器提供連續(xù)電流Itl； (4)采集半導(dǎo)體激光器各個(gè)發(fā)光單元的空間光譜SI，并記錄每一個(gè)發(fā)光點(diǎn)的波長(zhǎng)λI ； (5)比較SI和S0，即分別比較每一個(gè)發(fā)光單元的波長(zhǎng)λI和基準(zhǔn)波長(zhǎng)λ O之間的差值Δ λ，從而獲得各個(gè)發(fā)光單元下方的連接界面空洞分布； (6)在確保電流大于半導(dǎo)體激光器閾值電流的前提下，改變電流值大小，重復(fù)步驟f5，對(duì)所得結(jié)果進(jìn)行加權(quán)平均，獲得半導(dǎo)體激光器連接層界面空洞分布。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體激光器芯片焊接面表征方法，其特征在于:所述半導(dǎo)體激光器固定于冷卻系統(tǒng)上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體激光器芯片焊接面表征方法，其特征在于:所述冷卻系統(tǒng)是電子制冷、水冷塊或風(fēng)扇。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體激光器芯片焊接面表征方法，其特征在于:所述步驟I中向半導(dǎo)體激光器提供脈沖電流的是脈沖電流源；步驟3中向半導(dǎo)體激光器提供持續(xù)電流的是連續(xù)或者準(zhǔn)連續(xù)電流源。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4任一所述的半導(dǎo)體激光器芯片焊接面表征方法，其特征在于:所述步驟2和步驟4中采集半導(dǎo)體激光器各個(gè)發(fā)光單元的光譜是通過(guò)發(fā)光單元放大元件和發(fā)光單元選擇元件實(shí)現(xiàn)，發(fā)光單元放大元件為透鏡系統(tǒng)，發(fā)光單元選擇元件為光纖或者光導(dǎo)管。
6.一種半導(dǎo)體激光器芯片焊接面表征裝置，包括半導(dǎo)體激光器，其特征在于:還包括連續(xù)/準(zhǔn)連續(xù)電源、脈沖電源、工控機(jī)、光譜儀、發(fā)光單元放大元件、發(fā)光單元選擇元件，連續(xù)/準(zhǔn)連續(xù)電源和脈沖電源用于向半導(dǎo)體激光器供電；工控機(jī)用于調(diào)節(jié)連續(xù)/準(zhǔn)連續(xù)電源和脈沖電源之間切換供電和供電電流大?。凰霭雽?dǎo)體激光器激光出射方向依次設(shè)置發(fā)光單元放大元件、發(fā)光單元選擇元件,發(fā)光單元選擇元件連接至光譜儀。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的半導(dǎo)體激光器芯片焊接面表征裝置，其特征在于:還包括過(guò)流保護(hù)系統(tǒng)和過(guò)壓保護(hù)系統(tǒng)，過(guò)流保護(hù)系統(tǒng)和過(guò)壓保護(hù)系統(tǒng)分別與半導(dǎo)體激光器和工控機(jī)連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的半導(dǎo)體激光器芯片焊接面表征裝置，其特征在于:還包括冷卻系統(tǒng)，所述的半導(dǎo)體激光器設(shè)置于冷卻系統(tǒng)上，冷卻系統(tǒng)是電子制冷、水冷塊或風(fēng)扇。
【文檔編號(hào)】G01N21/88GK104267036SQ201410538201
【公開(kāi)日】2015年1月7日 申請(qǐng)日期:2014年10月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月14日
【發(fā)明者】不公告發(fā)明人 申請(qǐng)人:西安炬光科技有限公司