一種半導體雷射器晶片測試固定裝置的製作方法

2023-05-27 09:01:07 1

本實用新型涉及一種半導體雷射器晶片測試固定裝置。

背景技術：

半導體雷射器器件具有體積小、重量輕、電光轉換效率高等優點，在醫療、軍事、通信等領域作為光源以及泵浦光源源受到廣泛的應用。半導體雷射器晶片通常需要經過封裝形成器件後才出廠使用。在半導體雷射器晶片封裝之前，為了提高封裝的成品率，需要對半導體雷射器晶片進行相關的性能測試，挑選出合格的半導體雷射器晶片，淘汰掉不合格的晶片。在半導體雷射器高功率的應用領域中，半導體雷射器晶片往往以巴條形成存在，巴條中通常存在多個發光單元，發光單元的輸出特性是否合格決定著巴條是否合格。

半導體雷射器巴條測試過程中，由於所測試的性能多，測試時間較長，晶片與晶片固定裝置的接觸面積過小會導致晶片內集熱過多而燒毀晶片，並且不利於晶片測試數據的一致性和增大測試過程對晶片的損傷，雷射器測試裝置需要具備以下三點：第一，需要合理的溫度控制裝置，保證所有發光單元的散熱和加熱一致；第二，需要合理的方式來固定晶片，增大晶片的散熱；第三，需要保持晶片受力的一致性，降低晶片的應力對晶片造成損壞，從而降低固定裝置對晶片的不良影響。

目前國內外多家機構對半導體雷射器測試系統進行了研究，國外的如ILX、Yel、Corning等公司，在半導體雷射器測試系統上有多年的經驗。Corning公司報導的文章(JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY,VOL.23,NO.2,FEBRUARY 2005)中披露了一種用於半導體雷射晶片測試的固定裝置，如圖2、圖3所示，主要適用於測試單管和巴條。該方案為：P面供電電極位於晶片的上方，以探針的形式(柱形結構)與晶片的P面電極接觸注入電流，晶片的N面電極被晶片載體平臺上的真空縫隙吸附，縫隙平行於腔面，同時導電的晶片載體平臺與晶片的N面電極自然形成電連接。在這種固定安裝結構中，晶片P面接觸面積不均勻，使得P面受力和探針對P面的熱傳導不均 勻；而且，真空吸附的縫隙平行於晶片腔面，也容易造成晶片沿諧振腔方向出現受力不均勻；這些因素都會導致晶片的損傷以及晶片輸出特性的下降。

國內的如西安炬光科技公司，在申請了多篇測試系統上專利(CN102519709A、CN102520336A等)，按壓雷射器的方法多採用橡膠和彈簧螺絲，彈簧螺絲與雷射器之間的接觸方式是點接觸，晶片受力和散熱都不能達到一致性的要求。中國科學院蘇州生物醫學工程技術研究所(CN 203643563 U)申請了對晶片的測試專利。採用的接觸裝置中不僅含有彈簧針，還包括氣囊，該測試裝置機械結構複雜，不利於製作，也同樣存在受力和散熱不均勻的問題。

技術實現要素：

本實用新型提出一種新的半導體雷射器晶片測試固定裝置，能夠避免對晶片輸出特性的影響，並提高晶片的散熱效果。

本實用新型的技術方案如下：

一種半導體雷射器晶片測試固定裝置，包括晶片載體平臺、真空吸附裝置、溫度控制裝置、P面供電電極和N面供電電極，晶片載體平臺的下表面與真空吸附裝置貼合，所述溫度控制裝置經真空吸附裝置對晶片載體平臺傳導散熱；晶片載體平臺或者真空吸附裝置還設置有溫度探測孔；有別於現有技術的是：晶片載體平臺為絕緣導熱材質，在晶片載體平臺的上表面設置有間隔排列的多條金屬膜，金屬膜的長度方向與待測晶片的發光單元腔長方向平行；每一條金屬膜作為一個獨立的P面供電電極，用於與待測晶片單個發光單元的P面電極對應完全貼合，每一條金屬膜上相應固定有單獨的供電接觸頭；在相鄰P面供電電極之間平行開設有條形的真空吸附孔，真空吸附孔貫通晶片載體平臺的上下表面，所有真空吸附孔均與真空吸附裝置的內氣路孔道相通；所述N面供電電極為一個整體的電極，位於P面供電電極的上方，並避開相應供電接觸頭所處位置，N面供電電極的下表面平整光滑，使其能夠與待測晶片的N面電極完全貼合。

在以上方案的基礎上，本實用新型還進一步作了如下優化：

為了更好地實現P面供電電極與晶片P面電極的貼合，具體有以下兩種晶片載體平臺的結構設計：

1、晶片載體平臺的上表面平整光滑，所述多條金屬膜鍍於晶片載體平臺的上表面。

2、晶片載體平臺的上表面對應於所述多條金屬膜的位置分別設置淺槽，金屬膜填入相應的淺槽使得晶片載體平臺的上表面平整光滑。

上述P面供電電極的寬度大於待測晶片單個發光單元的P面電極的寬度，長度大於待測晶片發光單元的腔長。

上述多條金屬膜的寬度和間距滿足：待測晶片的每個發光單元沿腔長方向的中心對稱線與相應P面供電電極的中心對稱線重合，真空吸附孔對應於待測晶片的相鄰P面電極之間的區域，相鄰真空吸附孔之間的距離小於發光單元的寬度。

上述P面供電電極的有效長度大於真空吸附孔的長度，相應的供電接觸頭均超出真空吸附孔在長度方向上對應的區域。

上述N面供電電極在長度方向上覆蓋晶片載體平臺上排列的所有的P面供電電極，N面供電電極的寬度小於真空吸附孔的長度。

上述N面供電電極的長度方向與P面供電電極的長度方向相互垂直。

上述真空吸附裝置的主體為一導熱塊，所述內氣路孔道是在所述導熱塊上表面開設的條形凹槽，該條形凹槽與條形的真空吸附孔在晶片載體平臺的下表面的投影相互垂直。

上述溫度探測孔開設於真空吸附裝置的側面，該側面與真空吸附孔的長度方向平行。

應用上述半導體雷射器晶片測試固定裝置的操作方法，包括以下步驟：

(1)將待測晶片放置於晶片載體平臺的上表面，使待測晶片的各個發光單元的P面電極與相應的P面供電電極完全貼合，發光單元沿腔長方向的中心對稱線與P面供電電極的中心對稱線重合；

(2)真空吸附裝置工作，降低真空吸附孔內的氣壓，使待測晶片吸附於晶片載體平臺表面；

(3)向下移動N面供電電極，使N面供電電極與待測晶片的N面電極完全貼合；

(4)溫度控制裝置工作，通過溫度探測孔測量並反饋溫度進行自動調節， 使得晶片載體平臺下表面溫度達到設定溫度；

(5)分別向P面供電電極的供電接觸頭注入電流，測試待測晶片各個發光單元的輸出特性；

(6)待測晶片測試完成後，向上移動N面供電電極，真空吸附裝置停止工作，取下待測晶片。

與現有技術相比，本實用新型的有益效果：

1、改善了晶片受力的均勻性，減小晶片測試過程對晶片造成的損傷(避免對諧振腔結構產生影響)，提高了晶片發光的均勻性。

2、增大了晶片與固定裝置的接觸表面積，提高了晶片的散熱。

3、提高了有源區溫度的均勻性。

附圖說明

圖1為半導體雷射器晶片的單個發光單元的結構示意圖。

圖2為Corning公司方案的示意圖(略去晶片載體平臺以下的結構)。

圖3為圖2中晶片載體平臺的結構示意圖。

圖4為本實用新型方案的示意圖。

圖5為圖4中真空吸附裝置的結構示意圖。

圖6為圖4中晶片載體平臺的結構示意圖。

圖7為本實用新型裝置的溫度分布圖，其中(a)為晶片的前腔面溫度及裝置的前表面溫度分布，(b)為限制層溫度分布。

圖8為現有技術(圖2所示)裝置的溫度分布圖，其中(a)為晶片前腔面溫度及裝置的前表面溫度分布，(b)為限制層溫度分布。

附圖標號說明：

1-N面供電電極，2-待測晶片，3-晶片載體平臺，4-P面供電電極，5-P面供電電極接頭，6-真空吸附孔，7-真空吸附裝置，8-溫度探測孔，9-外接氣路孔，10-內氣路孔，11-溫度控制裝置(TEC)；

201-P面電極；202-P麵包層；203-限制層；204N麵包層；205-襯底；206-N面電極。

具體實施方式

如圖4所示，本實用新型的半導體雷射器晶片測試固定裝置包括晶片載 體平臺、真空吸附裝置和溫度控制裝置(TEC)，採用吸附方式固定晶片。晶片載體平臺上表面設置有分立的P面供電電極和電極接頭，真空吸附裝置連接真空泵。本實用新型與現有技術的不同之處主要在於：

1、吸附方式不同，本實用新型的真空吸附的孔平行於諧振腔，垂直於腔面。

2、接觸方式不同。本實用新型中，晶片的P面電極和P面的供電電極完全接觸，P面受力均勻和導熱均勻。N面電極和N面的供電電極完全接觸，N面受力和導熱均勻。

3、吸附部位不同。本實用新型的吸附部位位於巴條的發光單元之間，真空吸附孔與晶片P麵包層表面的電極錯開。

本實用新型的晶片載體平臺為一種絕緣導熱平臺，材料可選擇陶瓷AlN、金剛石等。晶片載體平臺表面光滑，鍍有金屬，形成多排P面供電電極，P面供電電極是分立的電極，互不相連，每個電極裝配各自的接觸頭，該接觸頭用於接外部電源。真空吸附孔位於P面供電電極的兩側，所有真空吸附孔最後都連通於真空吸附裝置。N面供電電極為一個整體的電極，電極大小大於晶片。

P面供電電極優選金屬材料金，但不限於金。P面供電電極的寬度大於P麵包層表面的電極，長度大於晶片的腔長，厚度為幾個nm。

本實用新型不僅適用於電極獨立的多個發光單元的巴條晶片，也適用於電極獨立的具備出光性能但未製作成單管的巴條晶片，當然還適用於單管晶片。

本實用新型與現有技術(圖2所示結構)的晶片熱分布分別如圖7和圖8所示，通過對比兩圖的溫度分布可以看出，採用本實用新型裝置測試後，晶片產熱區的溫度比現有技術測試的有源區的溫度低，晶片中間溫度低於兩端溫度，有利於減小溫度對腔面的損傷，並且本實用新型消除了載體平臺上面吸附孔對應位置溫度過高的現象，表明本實用新型裝置的有源區的溫度分布更加均勻，有利於提高溫度對雷射器輸出性能的穩定性。說明本實用新型裝置有益於晶片散熱，有益於提高晶片有源區溫度的均勻性，有益於改善裸晶片的輸出特性。

為了進一步說明本實用新型比現有結構的顯著效果，申請人採用有限元分析的方法對兩者分別進行了計算。為了簡化運算，在保證兩者測試原理不變的基礎上，忽略了晶片載體平臺以下的裝置結構，對兩者的結構分別進行了簡化，由於本實用新型的P面供電電極厚度僅有幾納米，並且導熱性能也極好，在計算過程中可以忽略P面供電電極對晶片溫度造成的影響。

在裝置參數設置上儘可能保持兩者一致：晶片載體平臺的尺寸一致，晶片的結構一致，晶片產熱量一致。由於本實用新型晶片載體平臺為絕緣導熱材質，所以採用的陶瓷AlN的熱導率還低於現有裝置所用材料(Cu)，晶片吸附孔的總面積大於現有裝置，這兩個因素降低了對晶片散熱。但是，最終計算結果卻表明本實用新型的散熱性優於現有技術。所以可以預期，如果採用金剛石等導熱性能更好的材質作晶片載體平臺，則本實用新型的效果將有更進一步的顯著提升。

具體參數如下：

設置產熱區產熱量為5e12W*m-3，晶片載體平臺下表面溫度為293K，本實用新型的N面電極上表面溫度為293K，現有技術的探針(P面供電電極)上表面的溫度為293K。

表1本實用新型的結構參數

另外，本實用新型相鄰兩個真空吸附孔的最近距離0.4mm，真空吸附孔的短邊距離載體邊緣的距離為0.4mm。

表2現有結構參數

表3待測晶片參數

利用本實用新型裝置進行晶片測試的操作步驟如下：

1.將待測晶片放置於P面供電電極4表面，晶片沿腔長方向的中心對稱線應與P面供電電極的中心對稱線重合。

2.打開外接氣路孔9，降低真空吸附孔內的氣壓，使待測晶片吸附於晶片載體平臺表面。

3.向下移動N面供電電極1，使N面供電電極1和N面電極剛剛完全接觸。

4.調節TEC溫度，通過放入溫度測試孔內的溫度測試儀反饋溫度自動調節，使得晶片載體平臺下表面溫度達到設定溫度。

5.從P面供電電極接頭5分別注入電流，分別測試待測晶片各個發光單元的輸出特性。

6.待測晶片測試完成後，向上移動N面供電電極，關掉氣路孔，取下晶片。