一种VCSEL芯片封装方法及装置与流程

本发明属于半导体激光器封装，涉及一种vcsel芯片封装方法及装置。

背景技术：

1、垂直腔面发射激光器作为一种重要的半导体激光器件，在光通信、三维传感、激光雷达等领域具有广泛应用。随着垂直腔面发射激光器芯片向高功率密度、窄脉冲工作模式发展，散热问题成为限制其光电性能和可靠性的关键因素。现有技术中，垂直腔面发射激光器芯片通常采用正装封装形式，芯片有源区产生的热量需依次经由p型分布式布拉格反射镜层、衬底及焊料层传导至热沉。由于分布式布拉格反射镜层为低热导率材料，其热导率约为10瓦每米每开尔文至20瓦每米每开尔文，导致热路径存在明显的热阻瓶颈。此外，垂直腔面发射激光器为顶部出光器件，出光方向与主要热流方向一致，使散热路径受到出光窗口的空间约束。针对上述问题，已有方案通过在芯片外部增设散热罩以改善散热，但本发明人发现，此类方案仍存在以下不足：热量需经多个热界面层才能传导至外部环境，等效热时间常数较大，对于微秒级或纳秒级脉宽的脉冲工作模式，热量无法在脉冲间隙内充分散逸，结温逐脉冲累积上升；同时，外部附加散热结构增大了封装体积和组装复杂度。

技术实现思路

1、为解决背景技术中存在的问题，本发明提出了一种vcsel芯片封装方法及装置。

2、本发明的第一方面提供了一种vcsel芯片封装方法，包括：采用倒装焊工艺将vcsel芯片焊接至高导热基板，并在所述vcsel芯片的有源区与p面电极之间集成嵌入式热电制冷微结构，具体封装步骤包括如下：

3、提供一vcsel外延片，所述vcsel外延片包括衬底和形成于所述衬底上的外延叠层，所述外延叠层包括有源区；

4、在所述有源区背离所述衬底的一侧制作嵌入式热电制冷微结构，所述嵌入式热电制冷微结构包括交替排列的多个p型热电臂和n型热电臂，所述p型热电臂和所述n型热电臂在底端通过第一金属连接层串联、在顶端通过第二金属连接层串联，形成电学串联、热学并联的热电偶对阵列；

5、在制作所述嵌入式热电制冷微结构之后，在所述嵌入式热电制冷微结构背离所述有源区的一侧制作p面电极金属层及微凸点阵列；

6、在制作所述微凸点阵列之后，提供一高导热基板，并在所述高导热基板的顶面制作第一焊盘区和第二焊盘区；

7、将所述微凸点阵列与所述第二焊盘区对准并倒装焊接，使所述vcsel芯片的p面电极通过所述微凸点阵列与所述第二焊盘区电性连接，且所述vcsel芯片的有源区经由所述嵌入式热电制冷微结构和所述微凸点阵列与所述高导热基板热导通；

8、在所述倒装焊接之后，制作重布线层，所述重布线层将所述vcsel芯片的n面电极引出并电性连接至所述第一焊盘区。

9、可选地，在所述有源区背离所述衬底的一侧制作嵌入式热电制冷微结构，具体包括：

10、通过磁控溅射或分子束外延工艺，在所述有源区背离所述衬底的一侧依次沉积p型热电臂材料层和n型热电臂材料层，沉积温度为150℃-250℃；

11、通过光刻与电感耦合等离子体反应离子刻蚀工艺，将所述p型热电臂材料层和n型热电臂材料层图形化为交替排列的p型热电臂和n型热电臂；

12、沉积第一金属连接层和第二金属连接层，使每一所述p型热电臂与其相邻的n型热电臂在底端通过所述第一金属连接层串联、在顶端通过所述第二金属连接层串联。

13、可选地，在制作所述嵌入式热电制冷微结构的同时或之后，还包括：

14、在所述嵌入式热电制冷微结构内部制作温度监测子单元，所述温度监测子单元为薄膜热电偶或薄膜热敏电阻，所述薄膜热电偶或薄膜热敏电阻的引出端经所述重布线层连接至驱动控制接口的温度监测输入端。

15、可选地，所述嵌入式热电制冷微结构的厚度为10μm-30μm，所述微凸点阵列中各微凸点的高度为30μm-50μm，所述p型热电臂与所述n型热电臂的热电偶对数为20对-50对。

16、可选地，所述p型热电臂的材料为p型碲化铋基热电材料，所述n型热电臂的材料为n型碲化铋基热电材料。

17、可选地，所述微凸点阵列为cu/sn焊料凸点阵列，单个凸点直径为30μm-50μm，凸点间距为80μm-120μm。

18、本发明的第二方面，提供了一种vcsel芯片封装系统，包括：

19、高导热基板，其顶面设有第一焊盘区和第二焊盘区；

20、vcsel芯片，其具有相对设置的p面电极和n面电极，所述p面电极通过微凸点阵列倒装焊接于所述第二焊盘区，所述vcsel芯片的有源区位于所述p面电极与所述n面电极之间；

21、嵌入式热电制冷微结构，设置于所述p面电极与所述有源区之间，所述嵌入式热电制冷微结构包括多个热电偶对，每一所述热电偶对包括相互串联的p型热电臂和n型热电臂，所述p型热电臂与所述n型热电臂在电学上串联连接、在热学上并联连接；

22、重布线层，其第一端连接至所述vcsel芯片的n面电极，其第二端连接至所述第一焊盘区。

23、可选地，所述嵌入式热电制冷微结构内部还集成有温度监测子单元，所述温度监测子单元包括嵌于所述嵌入式热电制冷微结构内部的薄膜热电偶或薄膜热敏电阻，所述薄膜热电偶或薄膜热敏电阻的引出端通过所述重布线层连接至驱动控制接口的温度监测输入端。

24、可选地，所述嵌入式热电制冷微结构的厚度为10μm-30μm，所述微凸点阵列中各微凸点的高度为30μm-50μm，所述热电偶对的数量为20对-50对，相邻热电偶对之间的间距为10μm-20μm。

25、可选地，所述p型热电臂的材料为p型碲化铋基热电材料，所述n型热电臂的材料为n型碲化铋基热电材料；所述高导热基板为氮化铝陶瓷基板或金刚石基板，所述高导热基板的热导率≥150w/（m·k）。

26、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

27、1、本发明公开了一种vcsel芯片封装方法及装置，由于采用了嵌入式热电制冷微结构加倒装焊超短热路径的协同架构，热路径长度由现有技术的毫米级缩短至微米级，热响应时间常数由毫秒级降低至微秒级，有效消除了脉冲工作模式下的热累积效应，波长漂移明显降低，输出功率滚降有效降低。

28、2、由于采用倒装焊封装形式替代了传统的正装引线键合，省去了金线键合工序及其相关设备投入，同时消除了引线键合带来的寄生电感，高频调制带宽有效提升。

29、3、由于将热电制冷结构嵌入芯片内部而非外部附加，封装体积明显缩小，且无需额外的外部散热罩或支撑连接块等机械部件，降低了物料成本和组装复杂度。

1.一种vcsel芯片封装方法，其特征在于，包括：采用倒装焊工艺将vcsel芯片焊接至高导热基板，并在所述vcsel芯片的有源区与p面电极之间集成嵌入式热电制冷微结构，具体封装步骤包括如下：

2.根据权利要求1所述的vcsel芯片封装方法，其特征在于，在所述有源区背离所述衬底的一侧制作嵌入式热电制冷微结构，具体包括：

3.根据权利要求1所述的vcsel芯片封装方法，其特征在于，在制作所述嵌入式热电制冷微结构的同时或之后，还包括：

4.根据权利要求1所述的vcsel芯片封装方法，其特征在于，所述嵌入式热电制冷微结构的厚度为10μm-30μm，所述微凸点阵列中各微凸点的高度为30μm-50μm，所述p型热电臂与所述n型热电臂的热电偶对数为20对-50对。

5.根据权利要求1所述的vcsel芯片封装方法，其特征在于，所述p型热电臂的材料为p型碲化铋基热电材料，所述n型热电臂的材料为n型碲化铋基热电材料。

6.根据权利要求1所述的vcsel芯片封装方法，其特征在于，所述微凸点阵列为cu/sn焊料凸点阵列，单个凸点直径为30μm-50μm，凸点间距为80μm-120μm。

7.一种vcsel芯片封装装置，其特征在于，高导热基板，其顶面设有第一焊盘区和第二焊盘区；

8.根据权利要求7所述的vcsel芯片封装装置，其特征在于，所述嵌入式热电制冷微结构内部还集成有温度监测子单元，所述温度监测子单元包括嵌于所述嵌入式热电制冷微结构内部的薄膜热电偶或薄膜热敏电阻，所述薄膜热电偶或薄膜热敏电阻的引出端通过所述重布线层连接至驱动控制接口的温度监测输入端。

9.根据权利要求7所述的vcsel芯片封装装置，其特征在于，所述嵌入式热电制冷微结构的厚度为10μm-30μm，所述微凸点阵列中各微凸点的高度为30μm-50μm，所述热电偶对的数量为20对-50对，相邻热电偶对之间的间距为10μm-20μm。

10.根据权利要求8所述的vcsel芯片封装装置，其特征在于，所述p型热电臂的材料为p型碲化铋基热电材料，所述n型热电臂的材料为n型碲化铋基热电材料；所述高导热基板为氮化铝陶瓷基板或金刚石基板，所述高导热基板的热导率≥150w/（m·k）。