[发明专利]安装半导体器件及其制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及平面半导体器件的安装，以及特别涉及在热失配热沉上半导体激光二极 管的低应力安装。

发明背景

由在半导体基底上形成的图案化薄膜结构构成的平面半导体器件，在正常工作期间 会产生大量的热量。例如，额定输出辐射功率为5W的单个发射激光二极管芯片在其效 率为40％时，在以全额功率工作期间将产生3W的热量。这些热量需要被去除，以防止 器件过热或发生故障。

通过将半导体器件安装到由良好的热传导材料(例如铜)制成的热沉上，可以实现 热量的去除。一旦热量被传导到铜热沉，可以通过使用例如半导体制冷器(Peltier cooler) 冷却热沉来去除热量。因此需要保证半导体器件和热沉之间良好的热接触。为了提供这 种接触，也为了保证器件以可靠且稳定的方式安装，通常采用焊接。

将半导体器件特别是诸如激光二极管的辐射-发射半导体器件焊接到铜热沉上存在 严重的缺点。激光二极管芯片必须被安装在相对准直透镜某一确定的位置。芯片相对透 镜移动会降低激光器的性能，应该避免该移动。为了避免激光二极管芯片在操作期间或 在变化温度下的存储过程中发生缓慢移动(creeping)，通常采用硬焊料。但是，用硬焊 料将基于GaAs或硅衬底的、热膨胀系数小的半导体器件焊接到热膨胀系数相对大的铜 上，会在半导体器件中产生相当大的剩余应力，这会大大降低半导体器件的可靠性。可 以使用具有与半导体器件的热膨胀系数相匹配的热膨胀系数的材料，以将应力减小到足 够低的值。例如，在现有技术中使用铜-钨(CuW)合金来匹配砷化镓(GaAs)的热膨 胀系数。然而，制造热匹配合金通常费用高且加工困难。

在现有技术中，基于使用过渡热沉(submount)建立了一种可替代的方法，将过渡 热沉置于半导体器件和热沉之间，来实现半导体器件和安装到其表面的热沉之间的较好 热匹配。为了减小安装到过渡热沉的半导体器件中的剩余应力，Mochida等人在美国 专利申请US20050127144Al中，描述了采用加压连接(pressure bonding)以及、或产 生温度梯度来抵消冷却复合热沉时产生的剩余应力的各种技术，在此通过参考将其合并 入本申请中。进一步，Moriya等人在美国专利6,961,357中，优化了过渡热沉的形状， 以将相应于安装二极管芯片的发光区域的特定点的剩余应力减小到低于值20Mpa，该值 在美国专利6,961,357中被认为是应力阈值，如果高于该阈值缺陷率显著提高(见该专 利文献的图5)，在此通过参考将其合并入本申请中。仍进一步，Yamane等人的美国专 利申请US20040201029A1描述了应用以最小化复合焊料薄膜的熔点为目的的焊料复合 物，以降低焊接温度并降低相应的剩余机械应力的各种方法，在此通过参考将其合并入 本申请中。

上述利用过渡热沉来降低半导体器件中的应力的方法均存在共同的问题。使用过渡 热沉的安装方法需要额外的加工步骤：将过渡热沉安装到热沉上，或将半导体器件安装 到过渡热沉上，无论首先进行哪个步骤均可以。需要开发专门的安装设备，例如，在 Mochida等人的美国专利申请US20050127144A1中，需要开发加热安装卡盘(筒夹)。 与直接将半导体器件安装到铜热沉相比，为了将过渡热沉与半导体器件精确热匹配，需 要采用更复杂的安装工艺和使用更多的专门材料，从而增加了制造时间和成本。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种安装半导体器件的方法，可使安装半导体器件中的 剩余机械应力显著降低，而不需要使用昂贵或难于加工的机械过渡热沉材料或在制造过 程中增加新的主要步骤。进一步，本发明的目的是提供一种剩余机械应力低的安装半导 体器件，其剩余机械应力低于20MPa，优选低于10Mpa。

本发明的器件和方法可实现上述目标。不仅如此，而且本发明的方法可以采用熔点 相对高的硬焊料，以保证安装器件的高机械稳定性和可靠性。