УСТАНОВОЧНЫЙ СЛОЙ ДЛЯ ОХЛАЖДАЮЩЕЙ СТРУКТУРЫ
MOUNTING LAYER FOR COOLING STRUCTURE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Данное изобретение относится к установочному слою для установки светоизлучающих полупроводниковых устройств, охлаждающей структуре, содержащей установочный слой, и светоизлучающей структуре, содержащей охлаждающую структуру и по меньшей мере два светоизлучающих полупроводниковых устройства. Данное изобретение дополнительно относится к способам изготовления установочного слоя, охлаждающей структуры и светоизлучающей структуры.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОМУ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
В типичных высокомощных матричных сборках лазеров поверхностного излучения с вертикальным резонатором (Vertical Cavity Surface Emitting Laser - VCSEL) несколько светоизлучающих полупроводниковых устройств, таких как, например, подсборки, содержащие некоторое количество кристаллов VCSEL-матрицы, устанавливают вместе на установочных областях одной и той же охлаждающей структуры, такой как, например, μ-канальное охлаждающее устройство. В качестве подготовки для процесса сборки или установки в верхней поверхности этих μ-канальных охлаждающих устройств прорезают канавки для создания (обычно прямоугольной) структуры установочных областей, как показано на фиг. 4. Это обычно выполняют на отдельном этапе лазерного структурирования, после изготовления μ-канальных охлаждающих устройств. Структура на верхней поверхности служит, главным образом, в качестве припойного ограничителя; таким образом, достигают определенного позиционирования подсборок на поверхности охлаждающего устройства. Это, в свою очередь, помогает предотвратить электрические контакты и короткие замыкания между подсборками и допускает возможность лучшего определения области испускания лазерного излучения от охлаждающего устройства. Другой целью канавок на поверхности охлаждающего устройства является обеспечение резервуара для избыточного припоя при пайке подсборок.
Описанный способ изготовления установочных областей и, следовательно, охлаждающей структуры, является времязатратным, дорогостоящим, и может вводить дополнительные допуски в отношении позиционирования подсборок, которые могут быть неприемлемыми для применений, требующих точного контроля позиционирования.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Таким образом, целью данного изобретения является обеспечение простого в изготовлении установочного слоя для установки по меньшей мере двух светоизлучающих полупроводниковых устройств с высокой точностью позиционирования, соответствующей охлаждающей структуры и светоизлучающей структуры. Дополнительной целью является обеспечение соответствующего способа изготовления такого установочного слоя, охлаждающей структуры и светоизлучающей структуры.
Согласно первому аспекту обеспечен установочный слой для установки по меньшей мере двух светоизлучающих полупроводниковых устройств. Установочный слой содержит лист материала, выполненный с возможностью непосредственного присоединения или сварки с охлаждающей структурой. Установочный слой содержит угловой выступ и краевой выступ для выравнивания установочного слоя с охлаждающей структурой, причем установочный слой дополнительно содержит выравнивающие отверстия, определяющие установочные области для установки светоизлучающего полупроводникового устройства.
Количество установочных областей может быть приспособлено к данному применению, так что посредством выравнивающих отверстий, могут быть определены две, три, четыре или множество установочных областей. Установочный слой может состоять из материала, подходящего для непосредственного присоединения к охлаждающей структуре, причем последнее может иметь преимущество, состоящее в том, что этот установочный слой может быть прикреплен к охлаждающему телу посредством технологий непосредственного присоединения, также используемых для сборки соединительной структуры. Непосредственное соединение означает в этой связи, что не требуется никаких дополнительных или промежуточных слоев для присоединения данных слоев. Угловые и краевые выступы могут быть использованы в таком процессе непосредственного присоединения для выравнивания установочного слоя в соответствии с охлаждающим телом. Выравнивающие отверстия могут давать возможность хорошего позиционирования светоизлучающего полупроводникового устройства посредством определения контактной области между светоизлучающим полупроводниковым устройством и установочным слоем. Материалы, такие как связующее вещество или припой, используемые для приклеивания светоизлучающего полупроводникового устройства к установочной области, могут оказывать воздействие на светоизлучающее полупроводниковое устройство таким образом, чтобы светоизлучающее полупроводниковое устройство было почти идеально выровнено с установочными областями, определенными выравнивающими отверстиями. Допуски могут быть просто определены посредством производственных допусков процесса структурирования установочного слоя, который может быть также использован для структурирования слоев охлаждающего тела. Таким образом, не нужно дополнительного лазерного структурирования для обеспечения установочных областей лазерных устройств, таких как VCSEL-матрицы или LED. Последнее может иметь дополнительное преимущество, состоящее в том, что не существуют дополнительных допусков, которые добавляются вследствие применения другой технологии для структурирования поверхности охлаждающего тела.
Материал установочного слоя может быть подходящим для присоединения пайкой и/или содержать покрытие, такое как Au-покрытие, для обеспечения возможности присоединения пайкой светоизлучающего полупроводникового устройства. Припой может особенно хорошо подходить для выравнивания светоизлучающего полупроводникового устройства во время процесса присоединения.
Материал установочного слоя может, предпочтительно, иметь высокую удельную теплопроводность, выше 10 Вт/(м*K). Высокая удельная теплопроводность имеет преимущество, состоящее в том, что тепло может быть передано быстрее от светоизлучающего полупроводникового устройства к охлаждающей структуре. Особенно хорошо может подходить медь, имеющая, в зависимости от чистоты материала, удельную теплопроводность выше 200 Вт/(м*K). Мягкая медь, например, очень хорошо подходит для непосредственного присоединения и также используется в настоящее время для охлаждающих тел, подобных μ-канальным охлаждающим устройствам, которые собраны посредством непосредственного присоединения. Так или иначе, удельная теплопроводность материала может быть менее важна в случае тонких установочных слоев, так что могут быть использованы материалы, подобные нержавеющей стали или кремнию. Толщина установочного слоя может варьироваться между 50 мкм и 600 мкм, но толщина в диапазоне 60 мкм - 300 мкм, или в диапазоне 70 мкм - 200 мкм, или даже между 90 мкм и 125 мкм может быть даже более предпочтительной.
Установочный слой может дополнительно содержать барьерный припойный резервуар, скомпонованный таким образом, чтобы уменьшить растекание избыточного припоя между смежными установочными областями. Избыточный припой может влиять на точность процесса позиционирования («всплывание» светоизлучающего полупроводникового устройства), так что никакой избыточный припой не должен растекаться от одной установочной области к смежной установочной области. Барьерные припойные резервуары представляют собой отверстия в установочном слое, обеспечивающие углубление после присоединения установочного слоя к охлаждающему телу. Барьерные припойные резервуары, скомпонованные на краях и/или углах установочных областей, находясь в контакте по меньшей мере с одной смежной установочной областью, могут, таким образом, абсорбировать такой избыточный припой. Тот же самый эффект может быть использован при использовании жидких связующих веществ для приклеивания светоизлучающего полупроводникового устройства к установочной области. Такие углубления, обеспеченные посредством отверстий в установочном слое, могут быть также использованы для обеспечения одного или нескольких припойных резервуаров в пределах области установочных областей. Избыточный припой (или связующее вещество) может быть абсорбирован посредством припойного резервуара, который может быть, например, размещен в центре установочных областей. Также можно обеспечить, например, четыре припойных резервуара на углах прямоугольной установочной области. Может быть важным адаптировать размер выравнивающих отверстий, барьерных припойных резервуаров и припойных резервуаров таким образом, чтобы не подвергать опасности структурную целостность установочного слоя.
Согласно дополнительному аспекту может быть обеспечена охлаждающая структура, содержащая охлаждающее тело, подобное μ-канальному охлаждающему устройству, которая присоединена к установочному слою. Установочный слой может быть непосредственно присоединен или приварен к охлаждающему телу.
Кроме того, может быть обеспечена светоизлучающая структура. Светоизлучающая структура содержит охлаждающую структуру с установочным слоем и по меньшей мере два светоизлучающих полупроводниковых устройства. Светоизлучающие полупроводниковые устройства могут быть полупроводниковыми лазерами, подобными VCSEL или VCSEL матрицам или LED, припаянными к установочным областям. Охлаждающая структура с установочным слоем может быть особенно полезна при использовании в комбинации с полупроводниками, нуждающимися в хорошем охлаждении и отличном выравнивании, в качестве полупроводниковых лазеров.
Согласно дополнительному аспекту обеспечен способ изготовления установочного слоя для установки светоизлучающего полупроводникового устройства. Этот способ содержит этапы, на которых
- обеспечивают лист материала, при этом материал выполнен с возможностью непосредственного присоединения и сварки к охлаждающей структуре,
- обеспечивают угловой выступ и краевой выступ в листе материала для выравнивания установочного слоя в соответствии с охлаждающей структурой, и
- обеспечивают выравнивающие отверстия, определяющие установочные области в листе материала для установки светоизлучающего полупроводникового устройства.
Материал, используемый для установочного слоя, предпочтительно подходит для процессов непосредственного присоединения. Дополнительно, в листе материала может быть обеспечен барьерный припойный резервуар. Барьерные припойные резервуары скомпонованы таким образом, чтобы уменьшить растекание избыточного припоя между смежными установочными областями. Альтернативно или дополнительно, барьерные резервуары могут быть скомпонованы в области установочных областей. Угловые выступы, краевые выступы, выравнивающие отверстия, барьерные припойные резервуары и припойные резервуары могут быть обеспечены посредством лазерной обработки или травления.
Согласно дополнительному аспекту обеспечен способ изготовления охлаждающей структуры. Этот способ содержит этапы, на которых
- обеспечивают охлаждающее тело, и
- присоединяют установочный слой, как описано выше, к охлаждающему телу.
Охлаждающее тело может быть отдельной структурой, которую изготавливают в отдельном процессе изготовления. Примером может быть медная заготовка с охлаждающими каналами, обработанными посредством сверления и т.п. Альтернативно, могут быть обеспечены две медные заготовки, и охлаждающие каналы могут быть обеспечены посредством лазерной обработки или травления в одной поверхности каждой заготовки и присоединения обработанных поверхностей друг к другу. Установочный слой может быть, например, приварен к охлаждающему телу. В альтернативной методике некоторое количество слоев, подходящих для непосредственного присоединения, подобных медным слоям, образующих охлаждающее тело, могут быть уложены в стопку друг на друга. Установочный слой, состоящий из того же медного материала, может быть выровнен со стопкой посредством угловых и краевых выступов со стороны охлаждающего тела, на которой должны быть размещены светоизлучающие структуры. Наконец, все слои охлаждающего тела и установочный слой могут быть присоединены друг к другу посредством непосредственного присоединения на одном этапе процесса. Примером такого процесса непосредственного присоединения является термическое присоединение посредством нагрева слоев, которое непосредственно присоединяет соседние слои посредством процессов плавления и/или диффузии. Cu слои могут быть, например, непосредственно присоединены в условиях вакуума, посредством отжига стопки слоев. Температура отжига или присоединения может зависеть от активирования поверхности Cu слоев, которое может быть выполнено, например, посредством низкоэнергетичных Ar ионных пучков с энергией 40-100 эВ, или посредством окисления. При подготовке поверхностей слоев посредством ионных пучков возможно присоединение даже при комнатной температуре.
Согласно дополнительному аспекту обеспечен способ изготовления светоизлучающей структуры. Этот способ содержит этапы, на которых
- обеспечивают охлаждающую структуру, как описано выше, и
- прикрепляют на установочные области по меньшей мере два светоизлучающих полупроводниковых устройства.
Упомянутые по меньшей мере два светоизлучающих полупроводниковых устройства могут быть припаяны или приклеены к установочным областям установочного слоя. Упомянутый способ может иметь преимущество, состоящее в том, что светоизлучающие структуры, подобные LED или особенно полупроводниковым лазерам, таким как VCSEL, могут быть точно скомпонованы простым способом. Производство лазерных систем, содержащих множество лазеров, может быть, таким образом, упрощено, и может быть улучшено выравнивание лазерных кристаллов, содержащих, например, VCSEL матрицы.
Следует понимать, что установочный слой по п. 1 формулы изобретения и способ по п. 11 формулы изобретения имеют подобные и/или идентичные варианты осуществления, особенно как определено в зависимых пунктах формулы изобретения.
Следует понимать, что предпочтительный вариант осуществления данного изобретения может также быть любой комбинацией зависимых пунктов формулы изобретения с соответствующим независимым пунктом формулы изобретения.
Дополнительные предпочтительные варианты осуществления определены ниже.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Эти и другие аспекты данного изобретения будут очевидны из вариантов осуществления, описанных ниже, и будут объяснены со ссылкой на них.
Данное изобретение будет теперь описано, в качестве примера, на основе вариантов осуществления, со ссылкой на сопутствующие чертежи.
В этих чертежах:
Фиг. 1 показывает структуру слоя μ-канального охлаждающего устройства.
Фиг. 2 показывает повернутый вид сверху μ-канального охлаждающего устройства.
Фиг. 3 показывает повернутый вид снизу μ-канального охлаждающего устройства.
Фиг. 4 показывает вид сверху поверхности μ-канального охлаждающего устройства после структурирования.
Фиг. 5 показывает первый вариант осуществления установочного слоя согласно данному изобретению.
Фиг. 6 показывает второй вариант осуществления установочного слоя согласно данному изобретению.
Фиг. 7 показывает третий вариант осуществления установочного слоя согласно данному изобретению.
Фиг. 8 показывает принципиальный эскиз способа изготовления установочного слоя.
Фиг. 9 показывает принципиальный эскиз способа изготовления охлаждающей структуры, подобной μ-канальному охлаждающему устройству.
Фиг. 10 показывает принципиальный эскиз способа изготовления светоизлучающей структуры.
Во всех этих чертежах одинаковые позиции относятся к одинаковым объектам. Объекты на чертежах необязательно изображены в масштабе.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Различные варианты осуществления данного изобретения будут теперь описаны посредством чертежей.
Фиг. 1 показывает структуру слоев μ-канального охлаждающего устройства. Это μ-канальное охлаждающее устройство делается посредством процесса, во время которого некоторое количество тонких медных листов (обычно, толщиной 50 мкм - 600 мкм), непосредственно присоединяются вместе при высокой температуре. Каждый их этих медных листов может быть структурирован отдельно, например, для создания μ-каналов для передачи тепла, или создания больших отверстий для подачи воды или фиксации охлаждающего устройства. Структура слоя содержит, в этом случае, верхний слой 105, первый охлаждающий слой 110, второй охлаждающий слой 115, первый отделяющий слой 120, коллекторный слой 125, второй отделяющий слой 130, первый болтовой слой 135, гаечный слой 140, второй болтовой слой 145 и нижний слой 150. Эти слои образуют охлаждающее тело μ-канального охлаждающего устройства после непосредственного присоединения в вакуумной камере. На фиг. 2 показан повернутый вид сверху охлаждающего тела μ-канального охлаждающего устройства с верхним слоем 105 и боковой стенкой 160, образованного посредством уложенных в стопку и присоединенных медных слоев. На фиг. 3 показан повернутый вид снизу охлаждающего тела μ-канального охлаждающего устройства. Отверстия 155 подачи охлаждающего вещества обеспечены на нижнем слое 150 охлаждающего тела.
Фиг. 4 показывает вид сверху верхней поверхности μ-канального охлаждающего устройства после структурирования верхнего слоя 105. Охлаждающее устройство может нести 2 ряда из 7 подсборок в каждом, разделенных маленькими канавками (с шириной порядка 100 мкм). В данном процессе темные области будут удалены посредством лазерного структурирования (до глубины, порядка 100 мкм), с оставлением светлых «островков» установочных областей 170, где будут размещены подсборки. Дополнительный этап лазерного структурирования поверхности охлаждающего устройства после сборки охлаждающего тела μ-канального охлаждающего устройства сам по себе имеет несколько недостатков. Во-первых, конечно, он является дорогостоящим и времязатратным. Кроме того, для применений, где необходим точный контроль позиционирования подсборок, этап структурирования может вводить дополнительные допуски. Обычно, μ-канальные охлаждающие устройства обеспечивают некоторые средства для обеспечения возможности точного позиционирования (например, выравнивающие штырьки внизу). Этап лазерного структурирования должен, основываясь на точности этих средств выравнивания, создавать требуюмую структуру позиционирования для подсборок, в то же время добавляя свои собственные допуски к общей цепочке допусков.
Фиг. 5 показывает первый вариант осуществления установочного слоя 200 согласно данному изобретению. Создают медный лист, толщина которого имеет тот же порядок, что и текущая глубина канавок, посредством использования стандартной технологии травления, также используемой для создания внутри охлаждающего тела μ-каналов слоя передачи тепла охлаждающего тела μ-канального охлаждающего устройства. Эта технология допускает размеры структур в требуемом диапазоне. Поскольку в этой технологии одновременно изготавливают несколько μ-канальных охлаждающих устройств на так называемых главных картах (размера A5), при проектировании структурируемого листа должны быть приняты меры, чтобы в результате не было изолированных медных участков без какого-либо соединения с окружающей подложкой. Фиг. 5 показывает пример такой структуры, которая должна, по существу, создавать установочные области 270 такого же размера, как показанные на фиг. 4. Маленькие медные выступы вдоль краев, так называемые краевые выступы 210, обеспечивают соединения с соседними листами или несущей структурой (на главной карте). Длина и ширина выравнивающих отверстий 215, которые разделяют и определяют установочные области 270, могут быть настроены в соответствии с требованиями данного применения (например, с размерами подсборок). Пунктирная линия указывает внешние границы μ-канального охлаждающего устройства. При компоновке стопки медных листов (перед процессом непосредственного присоединения) установочный слой 200 может быть правильно выровнен с другими листами 105-150 (и потенциальными выравнивающими средствами) поверх верхнего слоя 105, посредством использования краевых выступов 210 и угловых выступов 205. Упомянутое μ-канальное охлаждающее устройство снова образуют посредством непосредственного присоединения слоев 105-150 и установочного слоя 200 в одном процессе непосредственного присоединения.
Фиг. 6 показывает второй вариант осуществления установочного слоя согласно данному изобретению. В случае когда необходимо избежать растекания избыточного припоя на другие островки через центральные соединения, может быть полезен барьерный припойный резервуар 220. Посредством травления дополнительного отверстия барьерного припойного резервуара 220 в этих центральных областях (здесь: квадратных), с одной стороны, соединительные связи становятся меньше. Кроме того, барьерный припойный резервуар 220 может действовать как резервуар, который может абсорбировать некоторое количество избыточного припоя.
Фиг. 7 показывает третий вариант осуществления установочного слоя согласно данному изобретению. Припойные резервуары 225 сами могут быть также включены в установочные области 270.
Вследствие хорошего контроля за размером и формой структуры при использовании технологии травления допустим широкий диапазон возможных типов припойных резервуаров. Эти припойные резервуары 225 должны быть сконструированы таким образом, чтобы в то же время они не препятствовали хорошим возможностям подсборки позиционирования установочного слоя 100 и особенно установочных областей 270.
Фиг. 8 показывает принципиальный эскиз способа изготовления установочного слоя. На этапе 300 обеспечивают лист материала, подходящий для установки светоизлучающих полупроводниковых устройств, подобных LED или полупроводниковым лазерам, таким как VCSEL или кристаллы с VCSEL матрицами. На этапе 310 обеспечивают угловой выступ 205 и краевой выступ 210 для выравнивания установочного слоя 200 с охлаждающей структурой 100 в листе материала посредством травления или лазерной обработки. На этапе 320 обеспечивают выравнивающие отверстия 215, определяющие установочные области 270, для установки светоизлучающего полупроводникового устройства в листе материала посредством травления или лазерной обработки. Лист материала может быть медным листом с высокой удельной теплопроводностью и толщиной между 50 мкм и 300 мкм. Далее, параллельно или перед этапом обработки, могут быть обеспечены барьерные припойные резервуары 220 в листе материала посредством травления или лазерной обработки. Барьерные припойные резервуары 220 компонуют таким образом, чтобы уменьшить растекание избыточного припоя между смежными установочными областями 270. Наконец, припойные резервуары 225 могут быть обеспечены в области установочных областей 270 посредством травления или лазерной обработки. Описанная последовательность этапов процесса не является обязательной и может быть приспособлена к потребностям процесса производства или изготовления.
Фиг. 9 показывает принципиальный эскиз способа изготовления охлаждающей структуры, подобной μ-канальному охлаждающему устройству. На этапе 400 может быть обеспечено охлаждающее тело. Охлаждающее тело может быть обеспечено посредством сверления, например, медной заготовки. Альтернативно, медные листы или слои могут быть присоединены друг к другу в вакуумной камере посредством непосредственного присоединения. На этапе 410 установочный слой, содержащий по меньшей мере угловые выступы 205, краевые выступы 210 и выравнивающие отверстия 215, присоединяют к охлаждающему телу. Этап присоединения может быть выполнен после сборки охлаждающего тела. Альтернативно, листы, например, меди, образующие охлаждающее тело и установочный слой 200, присоединяют друг к другу в одном процессе непосредственного присоединения в вакуумной камере. Процесс непосредственного соединения может иметь преимущество, состоящее в том, что охлаждающая структура, включающая в себя установочные области, может быть легко изготовлена при обеспечении высокой точности.
Фиг. 10 показывает принципиальный эскиз способа изготовления светоизлучающей структуры. На этапе 500 обеспечивают охлаждающую структуру 100, содержащую охлаждающее тело и установочный слой 200. На этапе 510 по меньшей мере два светоизлучающих полупроводниковых устройства, подобных LED или VCSEL, прикрепляют к установочным областям 270 установочного слоя 200. Светоизлучающие полупроводниковые устройства могут быть прикреплены посредством склеивания или пайки. Поверхностное натяжение клея или припоя может выровнять светоизлучающие полупроводниковые устройства с установочными областями 270 установочного слоя 200, предоставляя возможность, таким образом, высокой точности светоизлучающих структур.
В то время как данное изобретение подробно проиллюстрировано и описано в чертежах и предшествующем описании, такие иллюстрация и описание должны рассматриваться в качестве иллюстрации или примера, а не ограничения.
После прочтения данного раскрытия сущности изобретения специалистам в данной области техники будут очевидны другие модификации. Такие модификации могут включать в себя другие признаки, уже известные в данной области техники и которые могут быть использованы вместо признаков, уже описанных в данном документе, или в дополнение к ним.
Изменения описанных вариантов осуществления могут быть поняты и осуществлены на практике специалистами в данной области техники, на основе изучения чертежей, описания и приложенной формулы изобретения. В формуле изобретения слово «содержащий» не исключает других элементов или этапов, а неопределенный артикль «один» или «некоторый» не исключает множества элементов или этапов. Тот факт, что некоторые меры перечислены во взаимно отличающихся зависимых пунктах формулы изобретения, не указывает на то, что комбинация этих мер не может быть использована для получения выгоды.
Любые ссылочные позиции в формуле изобретения не должны толковаться, как ограничивающие объем формулы изобретения.
Список ссылочных позиций:
100 - μ-канальное охлаждающее устройство
105 - верхний слой
110 - первый охлаждающий слой
115 - второй охлаждающий слой
120 - первый отделяющий слой
125 - коллекторный слой
130 - второй отделяющий слой
135 - первый болтовой слой
140 - гаечный слой
145 - второй болтовой слой
150 - нижний слой
155 - отверстие подачи охлаждающего вещества
160 - боковая стенка
170, 270 - установочные области
200 - установочный слой
205 - угловой выступ
210 - краевой выступ
215 - выравнивающее отверстие
220 - барьерный припойный резервуар
225 - припойный резервуар
300 - этап обеспечения листа материала
310 - этап обеспечения угловых выступов и краевых выступов
320 - этап обеспечения выравнивающих отверстий
400 - этап обеспечения охлаждающего тела
410 - этап обеспечения установочного слоя
500 - этап обеспечения охлаждающей структуры
510 - этап прикрепления светоизлучающих полупроводниковых устройств