Способ сборки лазерных структур на теплоотводящем основании из керамики нитрида бора

Способ сборки лазерных структур на теплоотводящем основании из керамики нитрида бора

Реферат

Изобретение относится к полупроводниковой, оптоэлектронной технологии, квантовой электронике, а именно к технологии изготовления электронных компонент, в том числе лазерных диодов и лазерных диодных линеек.

Основной задачей при изготовлении мощных лазерных диодов и лазерных диодных линеек является обеспечение интенсивного отвода тепла от активной области полупроводниковой гетероструктуры. В качестве эффективного теплоотводящего основания могут использоваться такие материалы, как кристаллический алмаз, чистая медь, керамика нитрида бора.

Однако при использовании любого из упомянутых материалов необходимо решить техническую задачу по установке полупроводниковой лазерной структуры на теплоотводящее основание, добиваясь улучшения термокомпенсирующих характеристик сборки, увеличения ее прочности и повышения скорости отвода тепла от активной области полупроводниковой гетероструктуры. Оптимальное решение этой задачи достигается путем нахождения компромисса между основными параметрами сборки. Известно, что при применении мягких припоев типа индия несоответствие тепловых коэффициентов расширения припоя и теплопроводящего основания не приводит к значительным деформациям паяного слоя. Однако в этом случае не удается добиться желаемой прочности сборки и тем самым увеличить стабильность параметров приборов. Более твердые композитные припои, например Au/Sn и Sn/Pb, увеличивают прочность сборки, но, имея значительную упругую остаточную деформацию паяного слоя, становятся малопригодными для пайки больших полупроводниковых лазерных структур, где несоответствие тепловых коэффициентов расширения играет более значительную роль, чем эффективность теплоотвода.

Известны способы сборки полупроводниковых структур, в том числе лазерных, путем крепления их элементов на предварительно металлизированной контактной пластине (см. патент RU №2075140, МКИ⁶ HO1S 3/02, опубл. 10.03.1997 г., патент RU №2134472, МКИ⁶ HO1S 3/025, опубл. 10.08.1999 г., патент RU №2173913, МКИ⁸ HO1L 21/58, опубл. 15.07.1999 г.). При этом на монтажную поверхность контактной пластины наносится слой золота в виде полоски шириной не менее ширины элемента, на полоску помещают элемент, а также припой на определенном расстоянии от края элемента, и элемент припаивают в печи, строго выдерживая соотношение параметров процесса пайки (см. патент RU №2075140, МКИ⁸ HO1S 3/02, опубл. 10.03.1997 г.). Для улучшения термокомпенсирующих характеристик монтажной пластины между монтажной поверхностью и слоем золота вводят дополнительный слой титана (патент RU №2134472, МКИ⁸ HO1S 3/025, опубл. 10.08.1999 г.). Стопроцентное распределение припоя по поверхности монтажной пластины можно получить нанесением последовательно в едином технологическом цикле четырех металлов хром-никель-олово-серебро (патент RU №2173913, МКИ⁶ HO1L 21/58, опубл. 15.07.1999 г.).

Каждый из вышеперечисленных способов имеет свой недостаток. Так, в техническом решении по патенту RU №2075140 на монтажную поверхность наносится слой золота, геометрические параметры которого необходимо выдерживать в жестких границах, а масса припоя зависит от площади слоя золота, что значительно усложняет способ сборки лазерных элементов. Предварительная металлизация монтажной поверхности по патенту RU №2134472 слоем титана улучшает качество сборки, но в то же время значительно усложняет ее технологию. В техническом решении по патенту RU №2173913 количество наносимых слоев на монтажную поверхность увеличилось до четырех. И хотя эти слои напыляются в едином технологическом цикле, применение четырех различных металлов не только усложняет, но и удорожает процесс сборки. Общим недостатком этих способов сборки является использование драгоценного дорогостоящего металла - золота.

Наиболее близким аналогом - прототипом по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ сборки полупроводниковых лазерных структур, включающих металлизацию поверхности теплоотвода, изготовленного из керамики нитрида бора, по крайней мере двумя металлическими слоями, предпоследний из которых слой пластины, последний слой композитного припоя Au/Sn (см. W.Pittroff, G.Erbert, G.Beister, F.Bugge, A.Klein, A.Knauer, J.Maege. Mounting of High Power Laser Diodes on Boron Neat Sinks Using an Optimized Au/Sn Metallurgy. IEEE Transactions and Advanced packaging, Vol.24, No. 4, November 2001). В данном способе сборки металлические слои наносятся традиционным методом напыления, при котором трудно обеспечить точный размер толщины наносимых слоев и, в особенности, воспроизводимость процесса напыления. Применение драгоценных металлов значительно удорожает способ сборки.

Сущность изобретения заключается в следующем. Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в упрощении и повышении воспроизводимости сборки лазерных структур на теплоотводящем основании из керамики нитрида бора, повышении надежности и качества контактного соединения, улучшении термокомпенсирующих параметров, а также в замене драгоценных материалов (Au, Pt), используемых при сборке лазерных структур на теплоотводах.

Для решения задачи и достижения технического результата в способе сборки лазерных диодных структур (активных элементов) на теплоотводящем основании из керамики нитрида бора, включающем нанесение на поверхность теплоотводящего основания последовательности металлических слоев, по крайне мере, металлизирующего слоя и слоя припоя, установку активного элемента на металлический слой, ориентирование его относительно основания, припаивание его при нагреве в восстановительной среде при механической нагрузке на элемент или без нее с последующим охлаждением, нанесение на поверхность теплоотводящего основания первого металлизирующего слоя осуществляют химическим способом толщиной 0,1-0,2 мкм путем осаждения металлического никеля из выдержанного электролита при следующем соотношении компонентов, мас.%: NiCl₂·6H₂O - 45÷55; NaH₂PO₂·H₂O - 9÷13; (NH₄)·HC₆H₅O₇ - 60÷70; NH₄Cl - 45÷55, нанесение слоя припоя SnPb (или In) осуществляют путем вакуумного напыления, а толщину слоя припоя выбирают в зависимости от размера лазерных структур.

ПРИМЕР

Первый металлизирующий слой никеля толщиной 0,1-0,2 мкм на теплоотводящее основание наносился химическим способом, а именно осаждением металлического никеля из выдержанного электролита, включающего следующие компоненты: NiCl₂·6H₂O - 50 г/л; NaH₂PO₂·H₂O - 11 г/л; (NH₄)·HC₆H₅O₇ - 65 г/л; NH₄Cl - 50 г/л. Второй слой - слой припоя SnPb или In наносили путем вакуумного напыления, причем толщину его выбирали в зависимости от размера лазерных диодных структур.

В предлагаемом способе все вышеперечисленные недостатки прототипа устранены, благодаря нанесению на поверхность теплоотвода из керамики нитрида бора первого металлизирующего слоя никеля химическим способом с последующим закреплением полупроводниковых лазерных структур при помощи пайки припоем SnPb или In в зависимости от размера этих структур.

Материал никель первого металлизирующего слоя выбран с целью предотвращения образования интерметаллидов при закреплении лазерных структур методом пайки. Интерметаллидные прослойки имеют плохую физическую совместимость с припоем и паяемыми материалами: в паяных соединениях возникают значительные деформации, приводящие к разрушению паяных соединений. Никель же в припоях практически не растворяется и, следовательно, интерметаллиды не образуются.

Отличительными признаками способа является то, что первый металлизирующий слой никеля толщиной 0,1-0,2 мкм на теплоотводящем основании из керамита нитрида бора наносится химическим способом, а второй слой припоя SnPb или In наносится путем вакуумного напыления, и его толщина выбирается в зависимости от размера лазерных структур.

Предложенный способ дает возможность промышленного крупносерийного освоения нового класса надежных полупроводниковых лазерных приборов, снижает трудоемкость и себестоимость в сравнении с экспериментальными образцами таких приборов.

Способ сборки лазерных диодных структур (активных элементов) на теплоотводящем основании из керамики нитрида бора, включающий нанесение на поверхность теплоотводящего основания последовательности металлических слоев, по крайней мере металлизирующего слоя и слоя припоя, установку активного элемента на металлический слой, ориентирование его относительно основания, припаивание его при нагреве в восстановительной среде при механической нагрузке на элемент или без нее с последующим охлаждением, отличающийся тем, что нанесение на поверхность теплоотводящего основания первого металлизирующего слоя осуществляют химическим способом толщиной 0,1-0,2 мкм путем осаждения металлического никеля из выдержанного электролита при следующем соотношении компонентов: никель двухлористый 6-водный NiCl₂·6Н₂О 45÷55 г/л; натрий фосфорноватисто-кислый 1-водный NaH₂PO₂·H₂O 9÷13 г/л; аммоний лимонно-кислый двузамещенный (NН₄)·НС₆Н₅O₇ 60÷70 г/л; аммоний хлористый NH₄Cl 45÷55 г/л, нанесение слоя припоя SnPb (или In) осуществляют путем вакуумного напыления, а толщину слоя припоя выбирают в зависимости от размера лазерных структур.