Способ получения контактных соединений диодных лазеров и линеек

Изобретение относится к квантовой электронике, полупроводниковой и оптоэлектронной технологии, в частности технологии изготовления когерентных излучателей для систем накачки мощных твердотельных лазеров, создания медицинской аппаратуры, лазерного технологического оборудования и других целей. Технический результат - упрощение, повышение воспроизводимости и ускорение процесса монтажа активного элемента, повышение качества и надежности контактного соединения, увеличение точности его установки и юстировки, улучшение термокомпенсирующих параметров монтажной пластины, а также основных характеристик лазера - тепловых режимов, стабилизация длины волны и выходной мощности излучения, снижение пороговых токов. Сущность изобретения: в способе получения контактных соединений диодных лазеров и линеек, включающем нанесение на монтажную поверхность контактной пластины, по крайней мере, двух металлических слоев, последний из которых слой припоя, установку активного элемента на металлический слой, припаивание его при нагревании в восстановительной среде в условиях механической нагрузки на элемент с последующим охлаждением, в вакууме на никелированную монтажную поверхность контактной пластины, выполненной из меди, последовательно наносят слой припоя на основе SnPb и дополнительно слой индия (In) толщиной соответственно 4-6 мкм и 0,5-1,0 мкм, осуществляют припаивание в ускоренном (динамическом) режиме с временем нагрева/охлаждения t=3-5 мин при температуре T_max>T_ликв+(50-70)°С, где Т_ликв - температура ликвидуса припоя.

 

Изобретение относится к квантовой электронике, полупроводниковой и оптоэлектронной технологии, в частности технологии изготовления когерентных излучателей для систем накачки мощных твердотельных лазеров, создания медицинской аппаратуры, лазерного технологического оборудования и других целей.

Успешное использование лазерных диодных структур (единичных лазерных диодов, линеек и решеток - «активных элементов»), имея в виду надежность, стабильность выходных характеристик, ресурсные данные - в значительной мере определяется их тепловыми режимами работы, в частности степенью перегрева активной области лазера. Эта задача может быть решена путем использования композитных припоев на основе SnPb, характеризующихся большей твердостью и более высокой температурой плавления (Т_пл), чем у традиционно применяемого для целей сборки In. Данные свойства композитных припоев позволяют увеличить жесткость конструкции и стабильность параметров прибора, работать при высоких температурах, повысить вибростойкость и улучшить другие его характеристики.

Известны способы сборки различных электронных и оптоэлектронных компонентов, в том числе диодных лазеров, путем крепления его элемента на предварительно металлизированной контактной пластине (см. патент FR №2631751, МКИ⁶: H01S 3/02, опубл. 24.11.1989 г.; патент GB №1403801, МКИ²: H01S 3/0451, опубл. 1975 г.; патент JP №61-198793, МКИ⁴: H01S 3/18, опубл. 30.01.1987 г.; патент DE №4025163, МКИ⁵: H01S 3/043, опубл. 18.07.1991 г.; патент RU №2075240, МКИ⁶: H01S 3/02, опубл. 10.03.1994 г.; патент RU №22112730, МКИ⁷: H01L 21/52, опубл. 20.09.2003г.). При этом на монтажную поверхность наносится последовательность металлических слоев на всю поверхность (см. патент FR №2631751, МКИ⁶: H01S 3/02, опубл. 24.11.1989 г.; патент GB №1403801, МКИ²: H01S 3/0451, опубл. 1975 г.; патент JP №61-198793, МКИ⁴: H01S 3/18, опубл. 30.01.1987 г.; патент DE №4025163, МКИ⁵: H01S 3/043, опубл. 18.07.91 г.; патент RU №22112730, МКИ⁷: H01L 21/52, опубл. 20.09.2003 г.) или локально (см. патент RU №2075240, МКИ⁶: H01S 3/02, опубл. 10.03.1994 г.). Предпоследним обычно бывает слой золота (см. патент FR №2631751, МКИ⁶: H01S 3/02, опубл. 24.11.1989 г.; патент GB №1403801, МКИ²: H01S 3/0451, опубл. 1975 г.; патент DE №4025163, МКИ⁵: H01S 3/043, опубл. 18.07.1991 г.; патент RU №2075240, МКИ⁶: H01S 3/02, опубл. 10.03.1994 г.), его соединения (см. патент JP №61-198793, МКИ⁴: H01S 3/18, опубл. 30.01.1987 г.), либо серебро (см. патент DE №4025163, МКИ⁵: H01S 3/043, опубл. 18.07.1991 г.), а последним - припой различного типа.

Отмеченным методам присущ общий недостаток - трудность позиционирования и юстировки (установка) активного элемента на слое композиционного припоя, нанесенного на монтажную поверхность. Это обусловлено относительной твердостью используемого припоя, не позволяющей надежно фиксировать элемент и юстировать положение плоскости его выходного зеркала относительно рабочей кромки теплоотводящей подложки с требуемой точностью (±3 мкм, см. Peter Loosen. Cooling and Packaging of High-Power Diode Lasers // R.Diehl (Ed): High-Power Diode Lasers, Topics Appl. Phys/ 78, 289-301 (2000)/ -Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2000) и затрудняет выполнение дальнейших технологических операций. Кроме того, для указанных методов (см. патент FR №2631751, МКИ⁶: H01S 3/02, опубл. 24.11.1989 г.; патент GB №1403801, МКИ²: H01S 3/0451, опубл. 1975 г.; патент JP №61-198793, МКИ⁴: H01S 3/18, опубл. 30.01.1987 г.; патент DE №4025163, МКИ⁵: H01S 3/043, опубл. 18.07.1991г.) характерно наличие неоднородности и неравномерности (клинообразности и т.п.) в распределении слоев припоя по поверхности, образование пор и областей непропаев (см. патент RU №22112730, МКИ⁷: H01L 21/52, опубл. 20.09.2003 г.), для устранения которых требуется применение в процессе посадки механической нагрузки, что является усложняющим фактором и может привести к появлению геометрических перекосов, смещений и нежелательных механических напряжений в активном элементе. С ростом размеров излучающей структуры (диодные линейки, решетки) вероятность образования пор, непропаев, неоднородностей и неравномерности слоя припоя возрастает. В случае, когда в качестве припоя для конечного слоя выбран индий как наиболее мягкий металл, также велика вероятность появления указанных дефектов пайки (см. В.В.Безотосный. Факторы, ограничивающие срок службы мощных лазерных диодов спектрального диапазона 808 нм при работе в негерметичном корпусе // сб. ст. 5-го Белорусско-Российского семинара «Полупроводниковые лазеры и системы на их основе» Под ред. В.К.Кононенко, Г.П.Яблонского. - Институт физики им. Б.И.Степанова НАН Беларуси, Минск, 2005, с.55-58; патент RU №2134472, МКИ⁶ H01S 3/025, опубл. 10.08.1999).

Наиболее близким аналогом - прототипом по технической сущности является способ сборки диодных лазеров (см. патент RU №2075240, МКИ⁶: H01S 3/02, опубл. 10.03.1994 г.), включающий металлизацию поверхности контактной пластины по крайней мере слоями золота и оловянно-свинцового припоя, слой золота выполняют в виде полоски шириной не менее ширины элемента и, в первом варианте, устанавливают на слой золота элемент, помещают в печь и вплавляют в течение времени, равного частному от деления величин расстояния на скорость распределения припоя по полоске золота, во втором варианте вначале расплавляют припой в течение того же времени, а потом устанавливают элемент на слой припоя на золоте и припаивают обычным способом. Излишки припоя вне элемента удаляют, массу припоя выбирают из соответствующего условия. При этом равномерность и избирательность нанесения слоя припоя под элементом достигается как за счет локально сформированной полоски золота, например путем напыления, так и вследствие капиллярности распространения припоя под припаиваемым элементом.

Недостаток данного метода заключается в том, что для фиксации устанавливаемого элемента и, следовательно, повышения точности позиционирования, требуется применение механической нагрузки определенной величины Р_о~1 г, которая в случае диодных линеек точно не известна и, в силу вышесказанного, должна либо носить распределенный характер по длине элемента, либо вовсе отсутствовать. Для дозированного механического воздействия требуется изготовление специальной оснастки (например, кассетного типа) из термостойких сплавов стали. Необходим также прецизионный способ нанесения золотой полоски, что усложняет технологический процесс и делает его относительно дорогостоящим.

Сущность изобретения в следующем. Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в упрощении, повышении воспроизводимости и ускорении процесса монтажа активного элемента, повышении качества и надежности контактного соединения, увеличении точности его установки и юстировки (позиционирования), улучшении термокомпенсирующих параметров монтажной пластины, а также основных характеристик лазера - тепловых режимов, стабилизации длины волны и выходной мощности излучения, снижении пороговых токов.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном способе получения контактных соединений (сборки) диодных лазеров и линеек (лазерных диодных структур - единичных диодных лазеров, линеек и т.п. - активных элементов), включающем нанесение на монтажную поверхность контактной пластины (теплоотводящей подложки) по крайней мере двух металлических слоев, последний из которых слой припоя, установку активного элемента на металлический слой, припаивание (посадку) его при нагревании в восстановительной среде в условиях механической нагрузки на элемент с последующим охлаждением, в вакууме на никелированную монтажную поверхность контактной пластины (теплоотводящей подложки), выполненной из меди, последовательно наносят слой припоя на основе SnPb и дополнительно слой индия (In) толщиной соответственно 4-6 мкм и 0,5-1,0 мкм, осуществляют припаивание в ускоренном (динамическом) режиме с временем нагрева/охлаждения t=3-5 мин при температуре Т_max>Т_ликв+(50-70)°С, где Т_ликв - темпебратура ликвидуса припоя.

В предлагаемом способе недостатки прототипа устранены благодаря нанесению поверх основного слоя на основе оловянно-свинцового припоя дополнительного слоя индия с небольшой толщиной, существенно не влияющего на свойства основного. При этом мягкий слой In характеризуется большей вязкостью, что облегчает позиционирование и юстировку структуры на теплоотводящем основании и позволяет улучшить параметры лазера. В связи с тем, что температура плавления индия (156,8°С) меньше, чем для композитного припоя приблизительно на 50°С, он на начальном этапе растекается под основанием лазерного элемента и в дальнейшем на основной процесс пайки не оказывает заметного влияния.

Сущность предлагаемого способа заключается в том, что на никелированную монтажную поверхность контактной пластины - теплоотводящей подложки последовательно наносят слой припоя на основе SnPb и дополнительно слой индия (In) определенной толщины, выполняют установку активного элемента на металлический слой и осуществляют припаивание в восстановительной среде при отсутствии механического нагружения в ускоренном режиме. При этом качество паяного шва под активным элементом и его однородность проверяли визуально с использованием микроскопа путем демонтирования элемента с посадочной поверхности и испытанием адгезии по усилию отрыва (метод «нормального отрыва», стендовый динамометр) или способом «царапания» (микроскопы МИМ-7, МИИ-4).

Приводим примеры конкретного исполнения способа получения контактных соединений.

Пример 1

Для сборки лазерных линеек длиной L=5-10 мм на основе гетероструктур типа InGaAs/AlGaAs, излучающих в спектральной области 960-990 нм при мощности импульсов излучения до 100-150 Вт и длительности до 5 мс, были выбраны медные контактные пластины. Контактные поверхности линеек металлизированы, наружный слой выполнен из золота. Поверхности пластин (включая монтажную поверхность) обрабатывались с высокой механической точностью и подвергались химическому никелированию, а непосредственно перед нанесением рабочих слоев отжигались в вакууме при Т≈400°С в течение времени t≈40 мин. На монтажную поверхность методом вакуумного терморезистивного напыления последовательно наносят слой припоя ПОС-50 (ПОС-61) и слой In толщиной соответственно 4-6 мкм и 0,5-1,0 мкм, с использованием микроскопа выполняют позиционирование активного элемента в виде полоски длиной L с заданной точностью в рабочей области монтажной пластины, затем полученную структуру помещают в специальную кассету и загружают в кварцевую камеру (реактор) печи и осуществляют припаивание в восстановительной среде (очищенный водород Н₂) в динамическом режиме с временем нагрева/охлаждения t=3-5 мин при температуре Т_max>Т_ликв+(50-70)°С, где Т_ликв - температура ликвидуса припоя (Т_ликв≈190°С для ПОС-61, 222°С для ПОС-50). Конструкция кассеты позволяет осуществлять процесс вплавления как в условиях заданной механической нагрузки, так и без нее.

В результате напайки в отсутствие нагрузки, т.е. в свободном состоянии под действием собственного веса, под активным элементом сформирован качественный однородный слой припоя с высокой степенью адгезии, проверенные на нескольких образцах. При этом элемент не мог быть демонтирован без полного или частичного разрушения.

Пример 2

С целью сравнения предлагаемого метода с традиционным способом монтажа активных элементов посредством только индиевого припоя, в аналогичных примеру 1 условиях были собраны лазерные диодные линейки (4 шт.), с тем отличием, что процесс нанесения композиционного оловянно-свинцового припоя был исключен, а толщина индиевого слоя увеличена до 4-6 мкм. Изучение характеристик паяного шва в этом случае указало на существование в 2-х образцах значительных областей непропаев (до 10-20%) по длине диодных линеек в концевых областях. Причем использование механической нагрузки позволяет уменьшить область непропаев, или полностью их устранить, однако при этом в указанных местах образуется неравномерный паяный шов.

Высокая эффективность припаивания данным способом была получена также при сборке единичных диодных лазеров мощностью в непрерывном режиме до 4 Вт. Кроме того, способ пригоден для монтажа других, более мощных лазерных структур - диодных решеток и т.д. Возможность использования композиционных высокотемпературных припоев, оптимизация и упрощение процесса сборки на их основе, а также улучшение выходных характеристик приборов - являются несомненными преимуществами настоящего изобретения.

Способ получения контактных соединений диодных лазеров и линеек, включающий нанесение на монтажную поверхность контактной пластины по крайней мере двух металлических слоев, последний из которых слой припоя, установку активного элемента на металлический слой, припаивание его при нагревании в восстановительной среде в условиях механической нагрузки на элемент с последующим охлаждением, отличающийся тем, что в вакууме на никелированную монтажную поверхность контактной пластины, выполненной из меди, последовательно наносят слой припоя на основе SnPb и дополнительно слой индия (In) толщиной соответственно 4-6 мкм и 0,5-1,0 мкм, осуществляют припаивание в ускоренном (динамическом) режиме с временем нагрева/охлаждения t=3-5 мин при температуре Т_max>Т_ликв+(50-70)°C, где Т_ликв - температура ликвидуса припоя.