一種半導(dǎo)體激光器陣列連接界面表征方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明研究并開(kāi)發(fā)了半導(dǎo)體激光器陣列封裝器件連接界面分析測(cè)試方法及裝置，該裝置能夠通過(guò)無(wú)損方法表征半導(dǎo)體激光器連接界面存在的缺陷、空洞等性質(zhì)，能夠廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體激光器陣列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)體激光器陣列連接界面表征方法及裝置

【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)體激光器連接界面特性的測(cè)試，尤其是一種半導(dǎo)體激光器陣列連接界面特性表征方法及裝置。

【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)。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。一方面，需要在芯片外延生長(zhǎng)方面開(kāi)展研究工作，發(fā)展新的芯片材料及外延生長(zhǎng)技術(shù)；另外一方面，需要研究新型封裝方法，從熱管理、熱應(yīng)力管理、光譜控制、無(wú)空洞貼片等提高半導(dǎo)體激光器的性能及可靠性。
[0003]目前的單發(fā)光點(diǎn)半導(dǎo)體激光器連續(xù)波輸出功率僅為十幾瓦，為了實(shí)現(xiàn)大功率輸出，通常需要將半導(dǎo)體激光器做成陣列的形式(即所謂的“巴條”)，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)體激光器陣列封裝結(jié)構(gòu)示意圖，其采用倒裝芯片封裝形式，主要包括半導(dǎo)體激光器陣列芯片(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)體激光器陣列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Kirkendall 空洞。
[0006]根據(jù)電流及溫度導(dǎo)致的物質(zhì)擴(kuò)散公式:

Α?Γ?
[0007]V-J = —^rqPi\\ + amr)-\[j(r)-Ji Wc 仏 L….、(I)

κι (r)
[0008]式中N為原子濃度，Dtl為內(nèi)稟擴(kuò)散率，k為波爾茲曼常數(shù)，T(r)為不同位置的溫度分布，Z*q為有效電荷,Λ Y為結(jié)構(gòu)常數(shù)，j (r)為不同位置的電流密度分布，j。為與應(yīng)力導(dǎo)致質(zhì)量回流相關(guān)的閾值電流密度，Qtl為活化能，α為電阻率溫度系數(shù)，P ^為電阻率。當(dāng)V *J>0時(shí)在焊料層中物質(zhì)消耗，導(dǎo)致了空洞的進(jìn)一步擴(kuò)展。電遷移及電熱遷移速率主要與電流密度、溫度梯度及溫度有關(guān)。
[0009]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(Liu XS, Wang Jff, Wei PY, 58th ElectronicComponents&Technology Conference, Proceedings 2008:1005-1010)。
[0010]對(duì)半導(dǎo)體激光器的連接界面內(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)。
[0011]目前，表征半導(dǎo)體激光器貼片層內(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)體激光器陣列連接界面的技術(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】

[0012]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)體激光器封裝連接界面性質(zhì)的方法及裝置。
[0013]本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)解決的:
[0014]該半導(dǎo)體激光器陣列連接界面表征方法包括以下步驟:
[0015]I]向半導(dǎo)體激光器陣列提供持續(xù)電流，逐漸增加電流值直至半導(dǎo)體激光器陣列出光達(dá)到額定值后停止增加，并將此時(shí)電流值記錄為Itjp;
[0016]2]采集半導(dǎo)體激光器陣列各個(gè)發(fā)光點(diǎn)的光譜Spectruml,并記錄；
[0017]3]向半導(dǎo)體激光器陣列提供脈沖電流，逐漸增加電流值至Itjp后停止增加；
[0018]4]采集半導(dǎo)體激光器陣列各個(gè)發(fā)光點(diǎn)的光譜Spectrum 2,并記錄；
[0019]5]比較Spectrum I和Spectrum 2,根據(jù)設(shè)置在半導(dǎo)體激光器陣列一側(cè)表面上的連接層界面的空洞與溫升的定量關(guān)系，獲得不同發(fā)光點(diǎn)下方的連接層界面空洞大小及分布；
[0020]6]在確保電流值大于半導(dǎo)體激光器陣列閾值電流的前提下，改變電流大小，重復(fù)步驟I?5，根據(jù)連接層界面空洞與溫升的關(guān)系，獲得半導(dǎo)體激光器陣列連接層界面空洞大小及分布。
[0021 ] 上述半導(dǎo)體激光器陣列固定于散熱裝置上。
[0022]上述散熱裝置為T(mén)EC、水冷塊、風(fēng)扇等。
[0023]上述步驟I中向半導(dǎo)體激光器陣列提供持續(xù)電流的是連續(xù)或準(zhǔn)連續(xù)電源，步驟3中向半導(dǎo)體激光器陣列提供脈沖電流的是脈沖電源。
[0024]上述步驟2和步驟4中采集半導(dǎo)體激光器陣列各個(gè)發(fā)光點(diǎn)的光譜是通過(guò)光斑放大元件和光斑選擇元件實(shí)現(xiàn)。
[0025]該半導(dǎo)體激光器陣列連接界面表征裝置包括半導(dǎo)體激光器陣列、連續(xù)/準(zhǔn)連續(xù)電源、脈沖電源以及用于調(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小的控制元件，連續(xù)/準(zhǔn)連續(xù)電源和脈沖電源用于向半導(dǎo)體激光器陣列和控制元件供電；所述半導(dǎo)體激光器陣列依次通過(guò)光斑放大元件、光斑選擇元件、光譜儀和控制元件連接。
[0026]還包括過(guò)載保護(hù)系統(tǒng)，過(guò)載保護(hù)系統(tǒng)分別與半導(dǎo)體激光器陣列和控制元件連接。
[0027]上述半導(dǎo)體激光器陣列設(shè)置在散熱裝置上。
[0028]本發(fā)明具有以下有益效果:
[0029]本發(fā)明研究并開(kāi)發(fā)了半導(dǎo)體激光器陣列連接界面分析測(cè)試方法及裝置，該裝置能夠通過(guò)無(wú)損方法表征半導(dǎo)體激光器連接界面存在的缺陷等性質(zhì)，能夠廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體激光器陣列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】
[0030]圖1為半導(dǎo)體激光器陣列發(fā)光示意圖；
[0031]圖2為典型的半導(dǎo)體激光器封裝結(jié)構(gòu)；
[0032]圖3為本發(fā)明半導(dǎo)體激光器界面表征裝置整體結(jié)構(gòu)圖。
[0033]附圖標(biāo)記說(shuō)明:1 一負(fù)極，2—絕緣層，3—焊料層,4一LD陳列芯片,5—焊料層,6—熱忱(正極)。

【具體實(shí)施方式】
[0034]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3所示:該半導(dǎo)體激光器陣列連接界面表征裝置包括半導(dǎo)體激光器陣列，還包括連續(xù)/準(zhǔn)連續(xù)電源、脈沖電源以及用于調(diào)節(jié)連續(xù)電源和脈沖電源之間切換供電和供電電流大小的控制元件，連續(xù)電源和脈沖電源用于向半導(dǎo)體激光器陣列和控制元件供電；半導(dǎo)體激光器陣列依次通過(guò)光斑放大元件、光斑選擇元件、光譜儀和控制元件連接。
[0035]為了提高系統(tǒng)工作的安全性，還可以在裝置內(nèi)增加包括過(guò)載保護(hù)系統(tǒng)，用于保護(hù)核心器件的安全，過(guò)載保護(hù)系統(tǒng)分別與半導(dǎo)體激光器陣列和控制元件連接。
[0036]半導(dǎo)體激光器陣列固定設(shè)置在散熱裝置上，如半導(dǎo)體制冷器(TEC)、水冷塊等。
[0037]該半導(dǎo)體激光器陣列連接界面表征方法具體包括以下步驟:
[0038]將半導(dǎo)體激光器的正負(fù)極分別與連續(xù)電源的正負(fù)極連接完好，逐漸增加連續(xù)電源的電流，超過(guò)半導(dǎo)體激光器陣列的閾值電流，使半導(dǎo)體激光器連續(xù)出光，此時(shí)工作電流為
I.丄op ,
[0039]通過(guò)光斑放大元件和光斑選擇元件，分別利用光譜儀測(cè)量半導(dǎo)體激光器陣列各個(gè)發(fā)光點(diǎn)的光譜Spectrum I,并由控制元件記錄；
[0040]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)；
[0041]將半導(dǎo)體激光器的正負(fù)極與脈沖電源的正負(fù)極分別連接完整，逐漸增加脈沖電源的電流，使電流穩(wěn)定于Itjp;
[0042]通過(guò)光斑放大元件和光斑選擇元件，分別利用光譜儀測(cè)量半導(dǎo)體激光器陣列在各個(gè)發(fā)光點(diǎn)的光譜Spectrum 2,并由控制元件記錄；
[0043]比較Spectrum I和Spectrum 2,根據(jù)連接層界面空洞與溫升的定量關(guān)系,獲得不同發(fā)光點(diǎn)下方的連接層界面空洞大小及分布；
[0044]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Spectrum I和Spectrum 2，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)體激光器陣列連接層界面空洞大小及分布。
【權(quán)利要求】
1.一種半導(dǎo)體激光器陣列連接界面表征方法，其特征在于，包括以下步驟: 1]向半導(dǎo)體激光器陣列提供連續(xù)電流，逐漸增加電流值直至半導(dǎo)體激光器陣列出光功率達(dá)到額定值后停止增加，并將此時(shí)電流值記錄為Itjp; 2]采集半導(dǎo)體激光器陣列各個(gè)發(fā)光點(diǎn)的光譜SpectrumI,并記錄； 3]向半導(dǎo)體激光器陣列提供脈沖電流，逐漸增加電流值至Itjp后停止增加； 4]采集半導(dǎo)體激光器陣列各個(gè)發(fā)光點(diǎn)的光譜Spectrum2,并記錄； 5]比較SpectrumI和Spectrum 2,根據(jù)設(shè)置在半導(dǎo)體激光器陣列一側(cè)表面上的連接層界面的空洞與溫升的定量關(guān)系，獲得不同發(fā)光點(diǎn)下方的連接層界面空洞大小及分布； 6]在確保電流大于半導(dǎo)體激光器陣列閾值電流的前提下，改變電流值大小，重復(fù)步驟I?5，對(duì)所得結(jié)果進(jìn)行加權(quán)平均，獲得半導(dǎo)體激光器陣列連接層界面空洞大小及分布。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體激光器陣列連接界面表征方法，其特征在于:所述半導(dǎo)體激光器陣列固定于散熱裝置上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體激光器陣列連接界面表征方法，其特征在于:所述散熱裝置是TEC、水冷塊或風(fēng)扇。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體激光器陣列連接界面表征方法，其特征在于:所述步驟I中向半導(dǎo)體激光器陣列提供持續(xù)電流的是連續(xù)/準(zhǔn)連續(xù)電流源，步驟3中向半導(dǎo)體激光器陣列提供脈沖電流的是脈沖電流源。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4任一所述的半導(dǎo)體激光器陣列連接界面表征方法，其特征在于:所述步驟2和步驟4中采集半導(dǎo)體激光器陣列各個(gè)發(fā)光點(diǎn)的光譜是通過(guò)光斑放大元件和光斑選擇元件實(shí)現(xiàn)。
6.一種半導(dǎo)體激光器陣列連接界面表征裝置，包括半導(dǎo)體激光器陣列，其特征在于:還包括連續(xù)/準(zhǔn)連續(xù)電源、脈沖電源以及用于調(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小的控制元件，連續(xù)/準(zhǔn)連續(xù)電源和脈沖電源用于向半導(dǎo)體激光器陣列和控制元件供電；所述半導(dǎo)體激光器陣列依次通過(guò)光斑放大元件、光斑選擇元件、光譜儀和控制兀件連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的半導(dǎo)體激光器陣列連接界面表征裝置，其特征在于:還包括過(guò)載保護(hù)系統(tǒng)，過(guò)載保護(hù)系統(tǒng)分別與半導(dǎo)體激光器陣列和控制元件連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的半導(dǎo)體激光器陣列連接界面表征裝置，其特征在于:所述半導(dǎo)體激光器陣列設(shè)置在散熱裝置上。
【文檔編號(hào)】H01L21/66GK104201127SQ201410418026
【公開(kāi)日】2014年12月10日 申請(qǐng)日期:2014年8月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月22日
【發(fā)明者】張普, 劉興勝, 熊玲玲 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所