Способ сборки лазерных структур на теплоотводящем основании из керамики нитрида бора

(51) МПК (2009) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ СБОРКИ ЛАЗЕРНЫХ СТРУКТУР НА ТЕПЛООТВОДЯЩЕМ ОСНОВАНИИ ИЗ КЕРАМИКИ НИТРИДА БОРА(71) Заявители Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И. Степанова Национальной академии наук БеларусиОткрытое акционерное общество Научно-производственное предприятие ИНЖЕКТГосударственное научно-производственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(72) Авторы Безъязычная Татьяна ВладимировнаБеляева Ада КаземировнаБогданович Максим ВладимировичКабанов Владимир ВикторовичРябцев Геннадий ИвановичРябцев Андрей ГеннадьевичПаращук Валентин ВладимировичТепляшин Леонид ЛеонидовичЩемелев Максим АнатольевичПожидаев Александр Викторович Красковский Андрей СергеевичТитовец Сергей НиколаевичШишенок Николай АлександровичШишенок Елена МихайловнаЛеончик Сергей ВикентьевичМикаелян Геворк ТатевосовичСоколов Сергей НиколаевичЖиздюк Татьяна Борисовна(73) Патентообладатели Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И. Степанова Национальной академии наук БеларусиОткрытое акционерное общество Научно-производственное предприятие ИНЖЕКТГосударственное научно-производственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(57) Способ сборки лазерных диодных структур на теплоотводящем основании из керамики нитрида бора, включающий нанесение на поверхность теплоотводящего основания последовательности металлических слоев, по меньшей мере, металлизирующего слоя и слоя припоя, установку на нее лазерных диодных структур, их ориентирование относительно теплоотводящего основания, припаивание при нагреве в восстановительной среде при ме 13388 1 2010.06.30 ханической нагрузке или без нее и последующее охлаждение, отличающийся тем, что металлизирующий слой наносят толщиной 0,1-0,2 мкм путем химического осаждения металлического никеля из выдержанного электролита, включающего 45-55 г/л никеля двухлористого шестиводного, 9-13 г/л натрия фосфорноватистокислого одноводного, 6070 г/л аммония лимоннокислого двузамещенного, 45-55 г/л аммония хлористого, наносят слой припояилипутем вакуумного напыления, при этом толщину слоя припоя выбирают в зависимости от размера лазерных структур. Изобретение относится к полупроводниковой, оптоэлектронной технологии, квантовой электронике, а именно к технологии изготовления электронных компонент, в том числе лазерных диодов и лазерных диодных линеек. Основной задачей при изготовлении мощных лазерных диодов и лазерных диодных линеек является обеспечение интенсивного отвода тепла от активной области полупроводниковой гетероструктуры. В качестве эффективного теплоотводящего основания могут использоваться такие материалы как кристаллический алмаз, чистая медь, керамика нитрида бора. Однако, при использовании любого из упомянутых материалов, необходимо решить техническую задачу по установке полупроводниковой лазерной структуры на теплоотводящее основание, добиваясь улучшения термокомпенсирующих характеристик сборки,увеличения ее прочности и повышения скорости отвода тепла от активной области полупроводниковой гетероструктуры. Оптимальное решение этой задачи достигается путем нахождения компромисса между основными параметрами сборки. Известно, что при применении мягких припоев типа индия несоответствие тепловых коэффициентов расширения припоя и теплопроводящего основания не приводит к значительным деформациям паяного слоя. Однако в этом случае не удается добиться желаемой прочности сборки и тем самым увеличить стабильность параметров приборов. Более твердые композитные припои, например / и /, увеличивают прочность сборки, но, имея значительную упругую остаточную деформацию паяного слоя, становятся мало пригодными для пайки больших полупроводниковых лазерных структур, где несоответствие тепловых коэффициентов расширения играет более значительную роль, чем эффективность теплоотвода. Известны способы сборки полупроводниковых структур, в том числе лазерных, путем крепления их элементов на предварительно металлизированной контактной пластине (см. патент 2075140, МПК 601 3/02, опубл. 10.03.1997, патент 2134472, МПК 601 3/025, опубл. 10.08.1999, патент 2173913, МПК 601 21/58, опубл. 15.07.1999.). При этом на монтажную поверхность контактной пластины наносится слой золота в виде полоски шириной не менее ширины элемента, на полоску помещают элемент, а также припой на определенном расстоянии от края элемента, и элемент припаивают в печи, строго выдерживая соотношение параметров процесса пайки (см. патент 2075140, МПК 601 3/02, опубл. 10.03.1997). Для улучшения термокомпенсирующих характеристик монтажной пластины между монтажной поверхностью и слоем золота вводят дополнительный слой титана (патент 2134472, МПК 601 3/025, опубл. 10.08.1999). Стопроцентное распределение припоя по поверхности монтажной пластины можно получить нанесением последовательно в едином технологическом цикле четырех металлов хромникель-олово-серебро (патент 2173913, МПК 601 21/58, опубл. 15.07.1999). Каждый из вышеперечисленных способов имеет свой недостаток. Так, в техническом решении по патенту 2075140 на монтажную поверхность наносится слой золота,геометрические параметры которого необходимо выдерживать в жестких границах, а масса припоя зависит от площади слоя золота, что значительно усложняет способ сборки лазерных элементов. Предварительная металлизация монтажной поверхности по патенту 2134472 слоем титана улучшает качество сборки, но в то же время значительно ус 2 13388 1 2010.06.30 ложняет ее технологию. В техническом решении по патенту 2173913 количество наносимых слоев на монтажную поверхность увеличилось до четырех. И хотя эти слои напыляются в едином технологическом цикле, применение четырех различных металлов не только усложняет, но и удорожает процесс сборки. Общий недостаток этих способов сборки является использование драгоценного дорогостоящего металла - золота. Наиболее близким аналогом - прототипом по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ сборки полупроводниковых лазерных структур, включающих металлизацию поверхности теплоотвода, изготовленного из керамики нитрита бора,по крайней мере двумя металлическими слоями, предпоследний из которых слой платины,последний слой композитного припоя / (см. . , . , . , . ,. , . , . ./ ., . 24,. 4,2001. В данном способе сборки металлические слои наносятся традиционным методом напыления, при котором трудно обеспечить точный размер толщины наносимых слоев и, в особенности, воспроизводимость процесса напыления. Применение драгоценных металлов значительно удорожает способ сборки. Сущность изобретения заключается в следующем. Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в упрощении и повышении воспроизводимости сборки лазерных структур на теплоотводящем основании из керамики нитрида бора, повышении надежности и качества контактного соединения, улучшении термокомпенсирующих параметров, а также в замене драгоценных материалов (, ), используемых при сборке лазерных структур на теплоотводах. Для решения задачи и достижения технического результата в способе сборки лазерных диодных структур (активных элементов) на теплоотводящем основании из керамики нитрида бора, включающем нанесение на поверхность теплоотводящего основания последовательности металлических слоев, по крайне мере, металлизирующего слоя и слоя припоя, установку активного элемента на металлический слой, ориентирование его относительно основания, припаивание его при нагреве в восстановительной среде при механической нагрузке на элемент или без нее с последующим охлаждением, нанесение на поверхность теплоотводящего основания первого металлизирующего слоя осуществляют химическим способом толщиной 0,1-0,2 мкм путем осаждения металлического никеля из выдержанного электролита при следующем соотношении компонентов никель двухлористый 6 водный (262) - 4555 г/л натрий фосфорноватистокислый 1 водный(222) - 913 г/л аммоний лимоннокислый двузамещенный 4)2657) 6070 г/л аммоний хлористый (4) - 4555 г/л, нанесение слоя припоя(или ) осуществляют путем вакуумного напыления, а толщину слоя припоя выбирают в зависимости от размера лазерных структур. Пример Первый металлизирующий слой никеля толщиной 0,1-0,2 мкм на теплоотводящее основание наносился химическим способом, а именно осаждением металлического никеля из выдержанного электролита, включающего следующие компоненты 262 - 50 г/л 222 - 11 г/л (4)2657 - 65 г/л 4 - 50 г/л. Второй слой - слой припояили- наносили путем вакуумного напыления, причем толщину его выбирали в зависимости от размера лазерных диодных структур. В предлагаемом способе все вышеперечисленные недостатки прототипа устранены,благодаря нанесению на поверхность теплоотвода из керамики нитрида бора первого металлизирующего слоя никеля химическим способом с последующим закреплением полупроводниковых лазерных структур при помощи пайки припоемилив зависимости от размера этих структур. Материал никель первого металлизирующего слоя выбран с целью предотвращения образования интерметаллидов при закреплении лазерных структур методом пайки. Ин 3 13388 1 2010.06.30 терметаллидные прослойки имеют плохую физическую совместимость с припоем и паяемыми материалами в паяных соединениях возникают значительные деформации,приводящие к разрушению паяных соединений. Никель же в припоях практически не растворяется, и, следовательно, интерметаллиды не образуются. Отличительными признаками способа является то, что первый металлизирующий слой никеля толщиной 0,1-0,2 мкм на теплоотводящем основании из керамита нитрита бора наносится химическим способом, а второй слой припояилинаносится путем вакуумного напыления и его толщина выбирается в зависимости от размера лазерных структур. Предложенный способ дает возможность промышленного крупносерийного освоения нового класса надежных полупроводниковых лазерных приборов, снижает трудоемкость и себестоимость в сравнении с экспериментальными образцами таких приборов. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4