一种高功率VCSEL阵列芯片倒装焊封装结构及制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高功率VCSEL阵列芯片倒装焊封装结构及制备方法，包括：底发射二维周期性VCSEL阵列芯片、热沉和多层单晶反射膜层；底发射二维周期性VCSEL阵列芯片包括衬底层和设于衬底层底部的二维周期性VCSEL发光单元；VCSEL发光单元的底部通过焊料层与热沉相连，衬底层的顶部设有多层单晶反射膜层；其中，热沉的热膨胀系数与衬底层的热膨胀系数相当，单晶反射膜层具有与衬底层相同的晶格结构。本发明专利技术热沉的热膨胀系数与VCSEL阵列芯片的衬底层的热膨胀系数相当，其可减小芯片内部热应力，抑制芯片受热发生形变；在衬底层顶部制备与衬底层晶格相匹配的多层单晶膜层，提高单晶反射层间以及与衬底层之间的粘附力。层间以及与衬底层之间的粘附力。层间以及与衬底层之间的粘附力。

【技术实现步骤摘要】
一种高功率VCSEL阵列芯片倒装焊封装结构及制备方法


[0001]本专利技术涉及半导体激光芯片
，具体涉及一种高功率VCSEL阵列芯片倒装焊封装结构及制备方法。

技术介绍

[0002]与边发射半导体激光器相比，垂直腔面发射激光器(VCSEL)具有体积小、光斑为圆形、阈值电流低、单纵模输出、耦合效率高、易实现二维列阵集成等优越性能，高功率VCSEL广泛应用于激光打印、激光医疗、芯片光刻、焊接加工等领域。
[0003]VCSEL阵列芯片改善了半导体激光器光束质量差的问题，但是由于传统的正装VCSEL阵列芯片封装工艺的发光单元位于衬底层的顶部，无法与热沉直接接触，散热效果差，导致工作效率不稳定，从而限制了高功率VCSEL阵列的发展及应用。

技术实现思路

[0004]为解决现有技术中存在的上述问题，本专利技术提供一种高功率VCSEL阵列芯片倒装焊封装结构及制备方法。
[0005]本专利技术公开了一种高功率VCSEL阵列芯片倒装焊封装结构，包括：底发射二维周期性VCSEL阵列芯片、热沉和多层单晶反射膜层；
[0006]所述底发射二维周期性VCSEL阵列芯片包括衬底层和设于所述衬底层底部的二维周期性VCSEL发光单元；所述VCSEL发光单元的底部通过焊料层与所述热沉相连，所述衬底层的顶部设有多层所述单晶反射膜层；其中，
[0007]所述热沉的热膨胀系数与所述衬底层的热膨胀系数相当，所述单晶反射膜层具有与所述衬底层相同的晶格结构。
[0008]作为本专利技术的进一步改进，所述衬底层包括GaAs衬底、GaN衬底和InP衬底中的一种，所述VCSEL发光单元包括二维四方型排布阵列、二维斜角型排布阵列和二维六边形排布阵列中的一种。
[0009]作为本专利技术的进一步改进，所述热沉的制备方法为：
[0010]用3D打印技术烧结Cu与热膨胀系数低于衬底的材料的混合粉末，得到热膨胀系数与衬底层的热膨胀系数相当的合金热沉。
[0011]作为本专利技术的进一步改进，热膨胀系数低于衬底的材料包括Mo、W、金刚石中的一种。
[0012]作为本专利技术的进一步改进，所述焊料层的焊料包括Au-Sn合金焊料、锡铅合金焊料和共晶焊锡焊料中的一种。
[0013]作为本专利技术的进一步改进，所述单晶反射膜层的制备方法为：
[0014]通过MOCVD或MBE技术交替淀积不同材料的膜层，得到多层单晶反射膜层。
[0015]作为本专利技术的进一步改进，所述膜层的材料包括GaAs，AlAs，AlGaAs中的一种。
[0016]本专利技术还公开了一种高功率VCSEL阵列芯片倒装焊封装结构的制备方法，包括：
[0017]选择底发射二维周期性VCSEL阵列芯片；其中，所述底发射二维周期性VCSEL阵列芯片包括衬底层和设于所述衬底层底部的二维周期性VCSEL发光单元；
[0018]将VCSEL发光单元的底部通过焊料固定在热沉上；其中，所述热沉的热膨胀系数与所述衬底层的热膨胀系数相当；
[0019]在所述衬底层的顶部设有多层所述单晶反射膜层；其中，所述单晶反射膜层具有与所述衬底层相同的晶格结构。
[0020]与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：
[0021]本专利技术热沉的热膨胀系数与VCSEL阵列芯片的衬底层的热膨胀系数相当，其可减小芯片内部热应力，抑制芯片受热发生形变；在衬底层顶部制备与衬底层晶格相匹配的多层单晶膜层，提高单晶反射层间以及与衬底层之间的粘附力。
[0022]本专利技术提供的基于MBE或MOCVD技术的单晶反射膜层制备工艺，可在衬底基片上生长高质量的单晶薄膜，并且能够精确控制反射膜层的厚度、结构与成分，实现单晶反射膜层的晶格与GaAs衬底相匹配。
[0023]本专利技术提供的合金热沉制备工艺采用3D打印技术，以极高的瞬间能量和超快的加热、冷却速度对Cu及掺杂材料的合金粉末进行熔覆烧结，与传统烧结法相比具有更高的材料利用率和生产效率，降低成本、节约时间，从而满足工业生产的需求。
附图说明
[0024]图1为本专利技术一种高功率VCSEL阵列芯片封装技术的结构示意图；
[0025]图2为本专利技术一种实施例公开的单晶反膜层的结构及制备流程图；
[0026]图3(a)为本专利技术一种实施例公开的二维四方型VCSEL阵列的结构图；
[0027]图3(b)为本专利技术一种实施例公开的二维斜角型VCSEL阵列的结构图；
[0028]图3(c)为本专利技术一种实施例公开的二维六边形VCSEL阵列的结构图；
[0029]图4为本专利技术一种实施例公开的合金热沉的结构及制备流程图。
[0030]图中：
[0031]1、热沉；2、焊料层；3、VCSEL发光单元；4、衬底层；5、第一单晶反射膜层；6、第二单晶反射膜层；7、衬底膜层。
具体实施方式
[0032]为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0033]在本专利技术的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利技术的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0034]下面结合附图对本专利技术做进一步的详细描述：
[0035]如图1所示，本专利技术公开了一种高功率VCSEL阵列芯片倒装焊封装结构，包括：底发射二维周期性VCSEL阵列芯片，热沉1和多层单晶反射膜层5、6；
[0036]本专利技术的底发射二维周期性VCSEL阵列芯片包括衬底层4和设于衬底层底部的二维周期性VCSEL发光单元3，进一步，如图3(a)～3(c)所示，底发射二维周期性VCSEL阵列芯片中的VCSEL发光单元包括二维四方型排布阵列、如图3(a)所示，二维斜角型排布阵列、如图3(b)所示，和二维六边形排布阵列、如图3(c)所示，中的一种。本专利技术的衬底层4厚度应满足特定的Talbot距离，即衬底层特定厚度为：与阵列发光单元间距和激光波长相关的n倍Talbot距离或分数Talbot距离。
[0037]本专利技术在VCSEL发光单元3的底部通过焊料层2与热沉1相连，热沉1的热膨胀系数与衬底层4的热膨胀系数相当。其中，热沉的制备方法为：用3D打印技术烧结Cu与热膨胀系数低于衬底的材料的混合粉末，得到热膨胀系数与衬底层的热膨胀系数相当的合金热沉1；膨胀系数低于衬底的材料包括Mo、W、金刚石等中的一种。焊料层2的焊料包括Au-Sn合金焊料、锡铅合金焊料和共晶焊锡焊料中的一种，优选通过添加Au-Sn焊本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高功率VCSEL阵列芯片倒装焊封装结构，其特征在于，包括：底发射二维周期性VCSEL阵列芯片、热沉和多层单晶反射膜层；所述底发射二维周期性VCSEL阵列芯片包括衬底层和设于所述衬底层底部的二维周期性VCSEL发光单元；所述VCSEL发光单元的底部通过焊料层与所述热沉相连，所述衬底层的顶部设有多层所述单晶反射膜层；其中，所述热沉的热膨胀系数与所述衬底层的热膨胀系数相当，所述单晶反射膜层具有与所述衬底层相同的晶格结构。2.如权利要求1所述的高功率VCSEL阵列芯片倒装焊封装结构，其特征在于，所述衬底层包括GaAs衬底、GaN衬底和InP衬底中的一种，所述VCSEL发光单元包括二维四方型排布阵列、二维斜角型排布阵列和二维六边形排布阵列中的一种。3.如权利要求1所述的高功率VCSEL阵列芯片倒装焊封装结构，其特征在于，所述热沉的制备方法为：用3D打印技术烧结Cu与热膨胀系数低于衬底的材料的混合粉末，得到热膨胀系数与衬底层的热膨胀系数相当的合金热沉。4.如权利要求3所述的高功率VCSEL阵列芯片倒装焊封装结构，其特征在于，热膨胀系数低于衬底的材料...

【专利技术属性】
技术研发人员：王智勇，李尉，代京京，兰天，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：