半导体激光器封装工艺与设备[优质ppt]
合集下载
半导体激光器(一)PPT课件
•
•
1 P ( E ) 费米能级 ——用于描述半导体中各能级被电子占据的状态，在费米能级，被电子占据 E Ef 和空穴占据的概率相同。在本征半导体中， 1 exp[ ] KT 位于禁带中央；N型半导体中 增大；在P型半导体中 减小。
Ef
Ef
Ef
P 区
PN 结空 间电 场区
N 区
+ + + + ++
• • • • •
是 阈值增益系数； ln( 1 ) R1 R2 是谐振腔内激活物质的损耗系数； th 2L 为谐振腔长度 th 激光振荡的相位条件为： 或
L
L q
2n
L
2 nL
半导体激光器的基本结构
• 同质结 • 单异质结（LH） • 双异质结（DH）
双异质结（DH)LD的结构
E2
初态
hf12
E1
hf12
E2
终态
hf12
E1
hf12
(c)受激辐射
(a)受激吸收
能级与电子跃迁示意图
(b)自发辐射
粒子数反转分布
设在单位物质中低能级电子数和高能级电子数分别为 N1 和N2物质在正常状态下N1＞N2，受激吸收与受激辐射的速率 分别比例于N1和N2且比例系数相等，此时光通过该物质时， 光强会衰减，物质为吸收物质。若N2＞N1，受激吸收小于受 激辐射，光通过该物质时，光强会放大，该物质成为激活 物质。N2＞N1的分布与正常状态相反，故称为粒子数反转分 布。
光与物质相互作用的三种基本方式
• 自发辐射——无外界激励而高能级电子自发跃迁到低能级， 同时释放出光子。 • 受激辐射——高能级电子受到外来光作用，被迫跃迁到低 能级，同时释放出光子，且产生的新光子与外来激励光子 同频同方向，为相干光。 • 受激吸收——低能级电子在外来光作用下吸收光能量而跃 迁到高能级。
半导体激光器 制造 封装
TO封装技术
❖ TO封装，即Transistor Outline 或者Throughhole封装技术，原来是晶体管器件常用的封装形式， 在工业技术上比较成熟。TO封装的寄生参数小、工艺 简单、成本低，使用灵活方便，因此这种结构广泛用 于 2.5Gb/s以下LED、LD、光接收器件和组件的封装。 TO管壳内部空间很小，而且只有四根引线，不可能安 装半导体致冷器。由于在封装成本上的极大优势，封 装技术的不断提高，TO封装激光器的速率已经可以达 到 10Gb/s。
半导体LD的特点及与LED区别
特点：效率高、体积小、重量轻、 可 靠 ， 结构简 单 ； 其缺点是输出功率较小。目前半导体激光器 可选择的波长主要局限在红光和红外区域。
LD 和LED的主要区别 LD发射的是受激辐射光。 LED发射的是自发辐射光。 LED的结构和LD相似，大多是采用双异质结
(DH)芯片，把有源层夹在P型和N型限制层中间， 不同的是LED不需要光学谐振腔，没有阈值。
2二次外延生长
生长：
1.低折射率层 2.腐蚀停止层 3.包层 4.帽层：接触层
DFB-LD
3一次光刻
❖ 一次光刻出双 沟图形
DFB-LD
4脊波导腐蚀
选择性腐蚀到四元 停止层
DFB-LD
5套刻
PECVD生长SiO2 自对准光刻 SiO2腐蚀
DFB-LD
6三次光刻：电极图形
DFB-LD
7欧姆接触
半导体激光器的制作工艺、 封装技术和可靠性
目录
1.半导体材料选择 2.制作工艺概述 3.DFB和VCSEL激光器芯片制造 4.耦合封装技术
1.半导体激光器材料选择
❖ 半导体激光器材料主要选 取Ⅲ-Ⅴ族化合物（二元、 三元或四元），大多为直 接带隙材料，发光器件的 覆盖波长范围从0.4μm到 10μm。
半导体激光器ppt课件
Ⅱ、与同质结激光器相比，异质结激光器具有以下优点： 1）阈值电流低，同时阈值电流随温度的变化小； 2）由于界面处的折射率差异，光子被限制在作用区内； 3）能实现室温下的连续振荡。
应用：
半导体激光器应用十分广泛，主要分布在军事、生产和医疗方面：
军事：Ⅰ)激光引信。半导体激光器是唯一能够用于弹上引信的激光器。 Ⅱ)激光制导。它使导弹在激光射束中飞行直至摧毁目标。 Ⅲ)激光测距。主要用于反坦克武器以及航空、航天等领域。 Ⅳ)激光雷达。高功率半导体激光器已用于激光雷达系统
目录
CONTENTS
1 基本介绍及发展 2 基本原理及构成
3 主要特性
4 分类、应用及发展前景
基本介绍及发展
高能态电子束>低能态电子束
高能态
低能
态
同频同相
的光发射
同频同相光 谐振腔内多次往返
放大
激光
激光：通过一定的激励方 式，实现非平衡载流子的 粒子数反转，使得高能态 电子束大于低能态电子束， 当处于粒子数反转状态的 大量电子与空穴复合时， 便产生激光。
激光具有很好的方向性和 单色性。用途十分广泛
高功率半导体激光器
① 、1962年9月16日，通用电气公司的罗伯特·霍尔 （Robert Hall） 带领的研究小组展示了砷化镓（GaAs）半导体的红外发射， 首个半 导体激光器的诞生。 ②、70年代，美国贝尔实验室研制出异质结半导体激光器，通过对光 场和载流限制，从而研制出可在室温下连续运转且寿命较长的激光器。 ③、80年代，随着技术提升，出现了量子陷和超晶格等新型半导体激 光器结构； 1983年，波长800nm的单个输出功率已超过100mW，到 了1989年，0.1mm条宽的则达到3.7W的连续输出，转换效率达39%。 ④、90年代在泵浦固体激光器技术推动下，高功率半导体激光器出现 突破进展。。1992年，美国人又把指标提高到一个新水平：1cm线阵 连续波输出功率达121W，转换效率为45%。
应用：
半导体激光器应用十分广泛，主要分布在军事、生产和医疗方面：
军事：Ⅰ)激光引信。半导体激光器是唯一能够用于弹上引信的激光器。 Ⅱ)激光制导。它使导弹在激光射束中飞行直至摧毁目标。 Ⅲ)激光测距。主要用于反坦克武器以及航空、航天等领域。 Ⅳ)激光雷达。高功率半导体激光器已用于激光雷达系统
目录
CONTENTS
1 基本介绍及发展 2 基本原理及构成
3 主要特性
4 分类、应用及发展前景
基本介绍及发展
高能态电子束>低能态电子束
高能态
低能
态
同频同相
的光发射
同频同相光 谐振腔内多次往返
放大
激光
激光：通过一定的激励方 式，实现非平衡载流子的 粒子数反转，使得高能态 电子束大于低能态电子束， 当处于粒子数反转状态的 大量电子与空穴复合时， 便产生激光。
激光具有很好的方向性和 单色性。用途十分广泛
高功率半导体激光器
① 、1962年9月16日，通用电气公司的罗伯特·霍尔 （Robert Hall） 带领的研究小组展示了砷化镓（GaAs）半导体的红外发射， 首个半 导体激光器的诞生。 ②、70年代，美国贝尔实验室研制出异质结半导体激光器，通过对光 场和载流限制，从而研制出可在室温下连续运转且寿命较长的激光器。 ③、80年代，随着技术提升，出现了量子陷和超晶格等新型半导体激 光器结构； 1983年，波长800nm的单个输出功率已超过100mW，到 了1989年，0.1mm条宽的则达到3.7W的连续输出，转换效率达39%。 ④、90年代在泵浦固体激光器技术推动下，高功率半导体激光器出现 突破进展。。1992年，美国人又把指标提高到一个新水平：1cm线阵 连续波输出功率达121W，转换效率为45%。
半导体封装工艺介绍ppt课件
主要是针对Wafer Saw之后在显微镜下进行Wafer的外观检查，是否有 出现废品。
最新课件
Chipping Die 崩边
19
FOL– Die Attach 芯片粘接
Write Epoxy 点银浆
Die Attach 芯片粘接
Epoxy Cure 银浆固化
Epoxy Storage： 零下50度存放；
• 按照封装外型可分为： SOT、SOIC、TSSOP、QFN、QFP、BGA、CSP等；
最新课件
3
IC Package （IC的封装形式）
• 按封装材料划分为：
塑料封装
陶瓷封装
金属封装主要用于军工或航天技术，无 商业化产品；
陶瓷封装优于金属封装，也用于军事产 品，占少量商业化市场；
塑料封装用于消费电子，因为其成本低
FOL– Wafer Saw晶圆切割
Wafer Saw Machine
Saw Blade(切割刀片)：
Life Time：900~1500M； Spindlier Speed：30~50K rpm： Feed Speed：30~50/s;
最新课件
18
FOL– 2nd Optical Inspection二光 检查
Epoxy Write： Coverage >75%;
Diቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ Attach： Placement<0.05mm;
最新课件
22
FOL– Epoxy Cure 银浆固化
银浆固化：
175°C，1个小时； N2环境，防止氧化：
Die Attach质量检查： Die Shear（芯片剪切力）
最新课件
23
FOL– Wire Bonding 引线焊接
半导体激光器封装工艺与设备PPT幻灯片课件
芯片
7
TO管座
Au80Sn20焊片
封装工艺与设备-烧结
真空焊接系统
主要用途：
通过预成型焊片，实现芯片与管座或热 沉共晶贴片。
芯片
8
C-mount
Au80Sn20焊片
封装工艺与设备-金丝球焊
主要用途：
芯片与陶瓷金属或管座之间导电连接。
超声波金丝球焊机
C-mount
9
TO
封装工艺与设备-焊引线
电烙铁
铜引线
主要用途：
C-mount管座引线连接。
焊锡丝
10
助焊剂
C-mount
封装工艺与设备-目检
主要用途：
贴片、键合、封帽等精细观察与 测量，不良品外观异常Hale Waihona Puke 析。金相显微镜11
体式显微镜
封装工艺与设备-老化
直流稳压电源
主要用途：
激光器封装后不同温度下可靠性 测试与分析。
冷水机（温控）
12
热沉
选择要求：热导率高、不易污染、易加工、易研磨、易烧 焊、热膨胀系数与芯片匹配，如无氧铜、AlN和CuW等。
5
封装工艺与设备-蒸镀
主要用途：
热沉蒸镀焊料； 陶瓷片蒸镀金属电极。
电子束蒸发与电阻蒸发复合镀膜设备
热沉
6
镀金属陶瓷片
封装工艺与设备-共晶贴片
精密共晶贴片机
主要用途：
通过预成型焊片，实现芯片与管座或热 沉共晶贴片。
老化台
封装工艺与设备-测试
主要用途：
单管和裸管芯（结合探针台）P-IV曲线、光谱及远场发散角测量。
半导体激光器光电参数测试系统
13
P-I-V
光谱
【优】半导体激光器最全PPT
VCSEL的发展历程
2001年在室温下用含19个单元的阵列实现了1W的连续波方式 工作或是10W的脉冲方式工作。2005年通过增大口径大小， 实现了3W的输出功率，波长为980nm。2007年，一个 5mm*5mm的阵列实现了200W的输出功率，这是一个高功率 VCSEL方面的重大突破。 年在808nm功率达到了大于100W 这个等级。现在vcsel朝着脉冲方式工作，更低的阈值电流， 更多种发射波长，更高输出功率的方向发展。
VCSEL的原理结构
VCSEL的优点
波长 VCSEL激射波长非常稳定，因为它是由短期（1稳定性 -1.5波长厚）法布里 - 珀罗腔固定。
波长 均匀性
生长技术改善了腔波长为2nm的标准偏差，这允许制 造的VCSEL2-D数组数组的元素（<1nm的全宽半高 谱宽）之间的小波长变化。
可靠性 由于VCSEL的不受灾难性的光学损伤，其可靠性比
VCSEL的原理结构
一个激光谐振腔是由两面布拉格反射镜 (DBR)平行于一个芯 片反应区的表面构成， 在一般的VCSEL中，较高和较低的两 个透镜分别镀上了p型材料和n型材料，形成一个接面二极管。 在较为复杂的结构中，p型和n型区域可能会埋在透镜中，使 较复杂的半导体在反应区上加工做电路的连接，并除去在 DBR结构中电子能量的耗损。
VCSEL的应用
条形码扫描 VCSEL与以往的激光器相比，VCSEL具有阈值电流0.5~5mA， 7 mW／mA斜，射率线角效l5度，率光谱0宽.2度4小~于0，.象7散m为零W， ／射线m的形A状，为圆射形等线优点角。 l5度，光谱宽度小于， 象散为零， 射线的形状为圆形等优点。这些优点正预示着它 相比过去的单个激光管，VCSEL的阵列集成结构可以同时进行多行的扫描。
《半导体激光器》课件
激光器的原理和结构
三层异质结构
由P型层、N型层和增益区组 成，形成电荷分布不均衡。
激发电子跃迁
通过半导体材料注入载流子， 使电子跃迁并辐射出激光。
反射和增强
利用反射镜将光不断反射， 形成受激辐射和光放大。
半导体激光器的分类
基于材料
可见光范围：GaN、InGaN、 AlGaInP
基于结构
激光二极管、垂直腔面发射激 光器（VCSEL）、边缘发射激光 器
半导体激光器将继续追求更高功率输出
新材料和结构
2
和更短波长的发展。
新型半导体材料和结构设计将推动半导
体激光器的进一步发展。
3
光电子集成
半导体激光器将与其他光电子器件集成， 进一步拓展应用领域。
总结和展望
半导体激光器的发展已经取得了显著的成就，但仍有许多待解决的挑战。我们期待看到半导体激光器在更多领 域发挥重要作用，并推动科技进步和社会发展。
1 小尺寸、易集成
半导体激光器的微小尺寸 使其在集成电路和微型设 备中具有广泛应用。
2 低功耗、高效率
相较于其他激光器，半导 体激光器具有更低的功耗 和更高的能量转换效率。
3 快速开关、调制
半导体激光器具有快速调 制和切换特性，适用于光 通信和传感器等领域。
半导体激光器的发展趋势
1
更高功率和更短波长
基于应用
光通信、激光打印、医疗、工 业加工、激光雷达等
半导体激光器的应用
光通信
作为信息传输的关键技术，广泛 应用于光纤通信和无线光通信领 域。
医疗
各种激光治疗设备，如激光手术 刀和激光美容仪，受到医疗界的 青睐。
工业加工
激光切割、激光焊接和激光打标 等应用，提高了工业加工的效率 和精度。
半导体激光器(一)PPT教学课件
GaAs衬底
光辐射
金属接触
+ (a)
P GayAl1-yAs
E
(b)
能 量
空穴
N 折
(c) 射
率
P GaAs
－
N GaXAl1-XAs 电子
复合
异质势垒
＜5%
P 光
(d) 功
率
双异质结（DH)LD的工作原理示意图
双异质结（DH)LD的工作原理
双异质结（DH)LD由三层不同类型的半导体材料构成，不同材 料发不同的波长。结构中间一层窄带隙P型半导体为有源层， 两侧分别为宽带隙的P型和N型半导体是限制层，三层半导 体置于基片上，前后两个晶体解理面为反射镜构成谐振腔。 光从有源层沿垂直于PN结的方向射出。
光学谐振腔
光学谐振腔——由两个反射率分别为R1和R2的平行反射镜构成。 腔内物质具备粒子数反转分布，可用其产生的自发辐射光作入射 光，经反射镜反射沿轴线方向传播的光被放大，沿非轴线方向传 播的光被减弱，反射光经反射镜多次反射不断被放大，方向性不 断改善，使增益大幅度提高。
激光振荡
• 激活物质在被置于光学谐振腔后，能对光的频率和方向进行选择，可获 得连续的光放大和激光振荡输出激光起振阈值条件：腔内增益与损耗相 当时开始建立稳定的激光振荡，阈值条件为：
• • • •
激光t是是为振h 谐谐荡阈振振的值腔腔相增内长位益激度条系t活件h数物为；质： 的损ln耗( 系12R数L1；R2 )
•
或
L
Lq
2n
L 2nL
半导体激光器的基本结构
• 同质结 • 单异质结（LH） • 双异质结（DH）
双异质结（DH)LD的结构
限制层GayAl1-yAs 有源层GaAs 限制层GaXAl1-XAs
光辐射
金属接触
+ (a)
P GayAl1-yAs
E
(b)
能 量
空穴
N 折
(c) 射
率
P GaAs
－
N GaXAl1-XAs 电子
复合
异质势垒
＜5%
P 光
(d) 功
率
双异质结（DH)LD的工作原理示意图
双异质结（DH)LD的工作原理
双异质结（DH)LD由三层不同类型的半导体材料构成，不同材 料发不同的波长。结构中间一层窄带隙P型半导体为有源层， 两侧分别为宽带隙的P型和N型半导体是限制层，三层半导 体置于基片上，前后两个晶体解理面为反射镜构成谐振腔。 光从有源层沿垂直于PN结的方向射出。
光学谐振腔
光学谐振腔——由两个反射率分别为R1和R2的平行反射镜构成。 腔内物质具备粒子数反转分布，可用其产生的自发辐射光作入射 光，经反射镜反射沿轴线方向传播的光被放大，沿非轴线方向传 播的光被减弱，反射光经反射镜多次反射不断被放大，方向性不 断改善，使增益大幅度提高。
激光振荡
• 激活物质在被置于光学谐振腔后，能对光的频率和方向进行选择，可获 得连续的光放大和激光振荡输出激光起振阈值条件：腔内增益与损耗相 当时开始建立稳定的激光振荡，阈值条件为：
• • • •
激光t是是为振h 谐谐荡阈振振的值腔腔相增内长位益激度条系t活件h数物为；质： 的损ln耗( 系12R数L1；R2 )
•
或
L
Lq
2n
L 2nL
半导体激光器的基本结构
• 同质结 • 单异质结（LH） • 双异质结（DH）
双异质结（DH)LD的结构
限制层GayAl1-yAs 有源层GaAs 限制层GaXAl1-XAs
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
芯片
TO管座
Au80Sn20焊片
封装工艺与设备-烧结
真空焊接系统
主要用途：
通过预成型焊片，实现芯片与管座或热 沉共晶贴片。
芯片
C-mount
Au80Sn20焊片
封装工艺与设备-金丝球焊
主要用途：
芯片与陶瓷金属或管座之间导电连接。
超声波金丝球焊机
C-mount
TO
封装工艺与设备-焊引线
电Hale Waihona Puke 铁主要用途：单管和裸管芯（结合探针台）P-IV曲线、光谱及远场发散角测量。
半导体激光器光电参数测试系统
P-I-V
光谱
远场发散角
封装工艺与设备-封帽
主要用途：
不同型号TO管封帽。
封帽机
Thanks！
畅想网络 Imagination Network 感谢观看！
文章内容来源于网络，如有侵权请联系我们删除。
半导体激光器封装工艺与设备
半导体激光器的优点与应用
优点：
波长范围宽（400 ~ 1550nm）； 体积小、寿命长、重量轻，便于集成； 可直接进行高频电流调制； 电光转换效率高（接近50%）。
应用：
光纤通信、激光指示、激光打印、 激光打标、激光测距、激光医疗等。
封装工艺流程简介
原料准备
老化前测试
铜引线
主要用途：
C-mount管座引线连接。
焊锡丝
助焊剂
C-mount
封装工艺与设备-目检
主要用途：
贴片、键合、封帽等精细观察与 测量，不良品外观异常分析。
金相显微镜
体式显微镜
封装工艺与设备-老化
直流稳压电源
主要用途：
激光器封装后不同温度下可靠性 测试与分析。
冷水机（温控）
老化台
封装工艺与设备-测试
清洗、蒸镀 共晶贴片
目检 焊引线
烧结
金丝球焊
老化 老化后测试
封帽 包装入库
封装工艺与设备-清洗
超纯水机
烘箱
全玻璃钢通风柜 （耐酸碱）
超声波清洗机
化学试剂（无水乙醇、丙酮、 三氯乙烯、磷酸、硝酸等）
主要用途：热沉、管座、陶瓷片及芯片盒清洗。
封装工艺与设备-蒸镀
焊料
软 焊 料 ： 焊 接 应 力 小 ， 如 纯 I n ， 适 用 于 热 膨 胀 系 数 (Coefficient of thermal expansion，CTE)与芯片差别较大的热 沉材料； 硬焊料：有较大的焊接应力，具有良好抗疲劳性和导热性， 如Au80Sn20焊片，适用于CTE与芯片差别较小的热沉材料。
热沉
选择要求：热导率高、不易污染、易加工、易研磨、易烧 焊、热膨胀系数与芯片匹配，如无氧铜、AlN和CuW等。
封装工艺与设备-蒸镀
主要用途：
热沉蒸镀焊料； 陶瓷片蒸镀金属电极。
电子束蒸发与电阻蒸发复合镀膜设备
热沉
镀金属陶瓷片
封装工艺与设备-共晶贴片
精密共晶贴片机
主要用途：
通过预成型焊片，实现芯片与管座或热 沉共晶贴片。