Способ сборки лазерных диодов и других оптоэлектронных и электронных компонентов (варианты)

 

Использование: полупроводниковая, оптоэлектронная технология, квантовая электроника, а именно технология изготовления электронных компонентов, в том числе и лазерных, для приемных, передающих модулей и т.д. Сущность изобретения: способ сборки заключается в металлизации поверхности контактной пластины по крайней мере слоем золота и припоя, слой золота выполняют в виде полоски шириной не менее ширины элемента, толщиной d_мAu, равной 0,3 - 1,2 мкм, на полоску помещают припой массой m_пр на расстоянии L от дальнего края места крепления элемента и в первом варианте устанавливают на слой золота элемент, помещают в печь и вплавляют в течение времени t равному частному от деления величин расстояния L на скорость распространения припоя по полоске золота, во втором варианте вначале расплавляют припой в течение того же времени, а потом устанавливают на слой припоя на золото элемент и его припаивают обычным способом; массу припоя выбирают из условия где А - эмпирически определенный коэффициент, выбранный в диапазоне 0,05 - 0,08, г; t_пл.пр - время от начала нагрева до начала плавления припоя, с; S_пэ - площадь слоя золота под элементом, мм²; S_пм - площадь слоя золота на контактной пластине, мм², d_мэAu - толщина слоя золота под элементом, мм. 2 с.п. ф-лы.

Изобретение относится к полупроводниковой, оптоэлектронной технологии, квантовой электронике, а именно к технологии изготовления электронных компонентов, в том числе лазерных диодов, для приемных, передающих модулей и т. д.

Известны способы сборки, например лазерных диодов, путем крепления его элемента на контактной пластине [1-4] предварительно металлизированной. При этом на всю поверхность наносят последовательность металлических слоев, предпоследним обычно бывает слой золота [1,2,4] либо его соединения типа AuSb [3] либо серебро [4] а последним припой различного типа.

Наиболее близким по технической сущности является способ сборки лазерных диодов и других оптоэлектронных и электронных компонентов, включающий нанесение на поверхности контактной пластины по крайней мере двух металлических слоев, предпоследний из которых слой золота, последний слой припоя, установки элемента компонента на металлический слой, припаивание его при нагревании в восстановительной среде при нагрузке на элементе весом Р_о с последующим охлаждением [4] При этом применяется традиционная технология образования слоя припоя, а именно либо нанесение его паяльником, либо напылением. При этих методах трудно обеспечить точный размер толщины наносимых слоев, а также локальность нанесения. В совокупности это приводит к образованию излишков припоя после пайки под элементом и при дальнейшей эксплуатации возможна диффузия припоя из несвязанных объемов, что приводит к деградации прибора (в частности из-за замыкания p-n-перехода и т. д.). Важно использование высокотемпературного припоя, используемого для приборов, работающих при высоких температурах. Это в основном композитные припои, напыление прецизионных слоев которых является сложной технической задачей. Для этого необходимо дорогостоящее оборудование, создание особых масок высокой стоимости.

Техническим результатом первого варианта способа является упрощение получения оптимальных толщин слоев припоя под элементом, упрощение нанесения композитных припоев, что позволяет расширить диапазон применяемых припоев с более высокой температурой плавления, удешевление процесса пайки.

В первом варианте предложен способ сборки лазерных диодов и других оптоэлектронных и электронных компонентов, в котором слой золота выполняют в виде полоски шириной не менее ширины элемента, толщиной d_мAu равной 0,3 1,2 мкм, на полоску помещают элемент, а также припой на расстоянии L от дальнего края элемента (припой массой m_пр), далее элемент припаивают в течение времени t равному частному от деления величин расстояния L на скорость распространения припоя V по полоске золота, после охлаждения при необходимости удаляют излишки припоя вне элемента, при этом величину массы m_пр припоя определяют из условия где А эмпирически определенный коэффициент, выбранный в диапазоне 0,05 0,08, г; t_пл.пр время от начала нагрева до начала плавления припоя; S_nэ площадь слоя золота под элементом; S_лм площадь слоя золота на контактной пластине; d_мэAu толщина слоя золота под элементом.

Техническим результатом второго варианта является упрощение получения оптимальных толщин слоев припоя под элементом, упрощения нанесения композитных припоев, что позволяет расширить диапазон применяемых припоев с более высокой температурой плавления, удешевление процесса пайки.

Во втором варианте предложен способ сборки лазерных диодов и других оптоэлектронных и электронных компонентов, в котором слой золота выполняют в виде полоски шириной не менее ширины элемента, толщиной d_мAu равной 0,3 1,2 мкм, на полоску помещают припой массой m_пр на расстоянии L от дальнего края места закрепления элемента на полоске, далее наносят припой расплавлением его в восстановительной среде в течение времени t равному частному от деления величин расстояния L на скорость распространения припоя V по полоске золота, после охлаждения при необходимости удаляют излишки припоя вне места крепления элемента, после того устанавливают элемент на слой припоя и припаивают, при этом массу m_пр припоя определяют из условия где А эмпирически определяемый коэффициент, выбранный в диапазоне 0,05 0,08, г;
t_пл.пр время от начала нагрева до начала плавления припоя;
S_nэ площадь слоя золота под элементом;
S_nм площадь слоя золота на контактной пластине;
d_мэАu толщина слоя золота под элементом.

В предложенном способе на поверхности локально сформированной полоски золота, например напылением, на расстоянии L от места припаиваемого элемента помещают припой в виде гранулы массой m_пр, которая зависит от времени проц. площади золотого покрытия и его толщины. Как показали эксперименты, диапазон значений эмпирического коэффициента не зависит от вида компонентов приборов, вида припоя. Нами выбран оптимальный диапазон коэффициента А, при котором получают тонкие, равномерные, однородные слои. Отсутствует отслаивание слоев от поверхности контактной пластины. Получена высокая надежность припаивания элемента.

При припаивании элемента одновременно с формированием слоя припоя (первый вариант) повышенная равномерность слоя припоя под элементом и его оптимальная толщина дополнительно достигаются за счет капиллярности распространения припоя под припаиванием элементом. При этом не является ограничением температура плавления припоя для осуществления процесса приплавления.

Предлагаемая методика позволяет использовать композитные припои. При этом также сохраняется высокая эффективность припаивания при обоих вариантах осуществления способа. Выбор припоя может быть ограничен только физическими и технологическими особенностями самого припаиваемого элемента. Поэтому при использовании предлагаемого способа и его вариантов можно выбирать допустимый высокотемпературный припой, который может быть предпочтителен с точки зрения дальнейшей эксплуатации приборов.

Возможность отказа от дорогостоящего оборудования, напылительных масок при нанесении припоя позволяет значительно удешевить процесс сборки.

Пример 1. Для сборки единичных лазерных диодов были выбраны медные контактные пластины, на монтажную поверхность которых нанесен слой золота в виде полоски шириной b 410±20 мкм, длиной L 6±20 мкм, длиной L 6±0,5 мм и толщиной d 0,5 ± 0,1 мкм. На поверхность полоски устанавливают элемент лазерного диода. Его контактная поверхность металлизирована. Сверху на него опускают груз весом Р_о 0,9 ± 0,1 г. На расстоянии L 3 ± 0,5 мм от элемента помещают привой ПОС-61 в грануле массой 2 ± 0,2 мг. При определении массы припоя коэффициент А был выбран равным 0,06 г. Пайку проводят в восстановительной среде водорода в течение времени t + t_пл.пр 4,5 ± 0,3 мин. Охлаждение проводят при комнатной температуре в восстановительной среде. После пайки при необходимости удаляют излишки припоя на полоске между элементом и местом расположения припоя.

Толщина слоя припоя под давлением получена равной 2 02,5 мкм. Вне элемента равномерность толщины подтверждена измерениями и составила ±8% от номинальной толщины.

Пример 2. Для сборки решетки лазерных диодов были выбраны медные контактные пластины, на монтажных поверхностях которых локально наносили полоски слоев золота шириной b 410 ± 20 мкм, длиной L 6 ± 0,5 мм и толщиной d 1 ± 0,2 мкм на поверхности полосок помещали гранулы припоя ПОС-61 массой m_пр 2 ± 0,2 мг при выборе коэффициента А для двух контактных пластин, равным 0,06 г, для вторичных двух равным 0,07 г и для третьей пары равным 0,08 г. Контактные пластины были помещены в рабочую камеру печи для расплавления припоя в восстановительной среде водорода в течение времени t_пл.пр + t 4,0 ± 0,3 мин. Охлаждали при комнатной температуре в восстановительной среде. После извлечения из печи с контактных пластин были удалены излишки припоя и оставлен припой в местах крепления полосок элементов. Полоски лазерных элементов были установлены на слои припоя, на них помещены грузы весом по Р_о 0,9 ± 0,1 г. Контактные пластины повторно помещают в печь, вплавляют в восстановительной среде в течение времени t_пл + t 4,8 ± 0,3 мин. Далее охлаждают при комнатной температуре в восстановительной среде.

Толщина слоя припоя под элементом получена равной 1,8 2,5 мкм. Равномерность толщины слоя припоя составила ±8% от номинала.

Такими же способами можно собирать светодиоды, транзисторы, фотоприемники, тиристоры и другие элементы, что удобно при проведении одновременного монтажа гибридной схемы приемного /передающего модуля.

За счет исключения необходимости напыления слоя припоя значительно удешевляется процесс припаивания элементов Равномерность, оптимизация толщин припоев и упрощение возможности использования композитных припоев с высокой температурой плавления являются несомненными преимуществами изобретения.

Формула изобретения

1. Способ сборки лазерных диодов и других оптоэлектронных и электронных компонентов, включающий нанесение на поверхности контактной пластины по крайней мере двух металлических слоев, предпоследний из которых слой золота, а последний слой припоя, установку элемента компонента на металлический слой, припаивание его при нагревании в восстановительной среде при нагрузке на элементе весом Р_о с последующим охлаждением, отличающийся тем, что слой золота выполняют в виде полоски шириной не менее ширины элемента, толщиной d_Au 3·10^-4 1,2·10^-3 мм, на полоске устанавливают элемент, а также припой массой m_пр на расстоянии L от наиболее удаленной от него грани элемента, помещенный на ту же полоску, далее элемент припаивают в течение времени t L/ v, где v скорость распространения припоя по полоске золота, мм/с, при этом величину массы припоя определяют из условия

где A 0,05 0,08 г эмпирически определенный коэффициент;
t_пл.пр время от начала нагрева до начала плавления припоя, с;
S_пэ площадь слоя золота под элементом, мм²;
S_пМ площадь слоя золота на контактной пластине, мм²;
d_{Мэ Au} толщина слоя золота под элементом, мм;
d_MAu ширина золотой полоски, мм.

2. Способ сборки лазерных диодов и других оптоэлектронных и электронных компонентов, включающий нанесение на поверхности контактной пластины по крайней мере двух металлических слоев, предпоследний из которых слой золота, а последний слой припоя, установку элемента компонента на металлический слой, припаивание его при нагревании в восстановительной среде при нагрузке P_о на элементе с последующим охлаждением, отличающийся тем, что слой золота выполняют в виде полоски шириной не менее ширины элемента, толщиной d_Au 3·10^-4 1,2·10^-3 мм, на полоску помещают припой массой m_пр на расстоянии L, равном сумме расстояния до места закрепления элемента и длине места закрепления элемента на полоске, далее наносят припой расплавлением его в восстановительной среде в течение времени t L/v, где v скорость распространения припоя по полоске золота, мм/с, после того устанавливают элемент на слой припоя и припаивают, при этом массу припоя определяют из условия

где A 0,05 0,08 г эмпирически определенный коэффициент;
t_пл.пр время от начала нагрева до начала плавления припоя, с;
S _пэ площадь слоя золота под элементом, мм²;
S_пМ площадь слоя золота на контактной пластине, мм²;
d_МэАи толщина слоя золота под элементом, мм.