CN100373716C - 发光装置的装配方法 - Google Patents

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Abstract

在包括用于发光的发光元件(1)和用于至少封住发光元件(1)的封装(2)的发光装置的装配方法中，封装(2)在一臭氧环境中密封，并且波长为400nm或更短的光线被射入密封封装(2)内。产生在封装(2)内的激活的臭氧与硅有机化合物碰撞，该硅有机化合物分解并变成一稳定的物质。

Description

发光装置的装配方法
技术领域
本发明涉及一发光装置的装配方法，在该发光装置的结构中，一发光元件被一封装(package)封装。
背景技术
最近几年，半导体激光器已经被应用在各种不同的技术领域。例如，它们被用作光盘记录/重现装置、例如激光显示等显示装置、激光打印机以及光通讯装置中的光源。
迄今，由AlGaAs系统、AlGaInAs系统以及AlGaInP系统的半导体激光器已经作为这样的半导体激光器被商业化。近年来，一种可发射更短波段激光束的GaN/GaInN系统的半导体激光器有了商业化的需求。已经提出在用于记录/重现的光学系统中使用GaN/GaInN系统的半导体激光器，例如，下一代的高密度光盘(蓝光光盘)。
半导体激光器通常被封装在一封装中，以阻止粘上脏物等，并且使用各种类型的封装。其中，CAN封装是使用最广的封装。
现在将参考图10A，10B，11A，11B，12A以及12B描述如下一种通常的CAN封装发光装置的装配方法：
<基片安装(chip mounting)步骤>
首先，如图10A所示，一半导体激光器101，例如波段为790纳米的AlGaAs系统半导体激光器、波段(band)为650纳米的AlGaInP系统半导体激光器等通过锡焊剂粘附在底座(submount)102的一预定位置上。
<压焊(die-bonding)步骤>
随后，如图10B所示，底座102被压焊在为固定板104设置的散热器105的一预定位置上。在这种情况下，银胶状物(Ag paste)被用作粘合剂103。
<胶硬化(paste hardening)步骤>
随后，如图11A所示，粘合剂103被硬化。
<导线连接(wire-bonding)步骤>
随后，如图11B所示，底座102和引线管脚(lead pin)106b通过金线107连接。
<密封步骤>
随后，如图12A所示，帽(cap)108在除去湿气(H2O)的氧气(干氧)环境中被电焊到固定板104上。从而，如图12B所示，完成了干氧被密封在内的CAN封装发光装置。在这密封步骤中，除了干氧以外，通常使用的被密封在该CAN封装发光装置内的气体(替代气体)是N2(氮气)气体、Ar(氩气)气体、He(氦气)气体或N2和O2的混合气体。
虽然由于技术保密的原因很少公开，但是从已安装的部件和它们的材料中产生的气体之间反应的增长导致了一恶化了的机械结构。除了电能以外，热能和光能也可以用作能量来源。已知合适地选择替代气体的方法是这种恶化的机械结构的有效防范措施。
依据本发明的发明者的了解，如果具有405纳米波段的GaN/GaInN系统半导体激光器的CAN封装发光装置通过以上提及的装配方法制造，那么在这样的发光装置中就有一个问题，在半导体激光器101的发光部分形成了沉淀物，并且一激励电流(drive current)随着激励时间周期性地波动。
因此，本发明的发明者已经研究探索此类沉淀物产生的原因，所以他们获得到如下认识：
(1)该沉淀物仅在半导体激光器受激时形成在发光部分。从而沉淀物的产生是与光相关的反应。
(2)该银胶状物不是直接与半导体激光器101接触。此外，沉淀物中不包含银。因此，沉淀物的产生不是由银胶状物扩散到半导体激光器101中这样的现象导致的。
本发明的发明者依据以上认识做了更进一步的研究，所以他们发现一从银胶状物中产生的硅有机化合物气体以及附着在固定板104上的硅有机化合物气体到达半导体激光器101的发光部分，并且在发射出的激光束上反应，因此形成了沉淀物。
因此，为了阻止在通常的CAN封装发光装置的装配方法中、在半导体激光器101的发光部分内产生沉淀物，本发明的申请人提出了发光装置的一种装配方法，在导线连接步骤和密封步骤之间提供一臭氧清洁步骤。
图13表示了本发明申请人提出的臭氧清洁步骤。在该臭氧清洁步骤中，如图13所示，当提供臭氧(O3)时，氙气灯产生的紫外线被射入固定板104上。从而，被激活的臭氧撞击在银胶状物的一表面以及固定板104的一表面上，并且硅有机化合物被分解。硅元素被转换成二氧化硅(SiO2)并且成为一稳定的物质。烷基族(alkyl group)等的碳氢(hydro carbon)部分被分解成CO、CO2或H2O。
然而，依据上述的装配方法，有这样的问题，固定板104的零件、半导体激光器101等在密封发生之前再次被该硅有机化合物气体污染。这样的再污染在从清洁步骤到密封步骤的过程中的步骤使用银胶状物的情况或在从清洁完成到密封之间的持续时间间隔太长的情况下尤其显著。
作为避免再污染的方法，考虑(1)在臭氧清洁之后立刻密封的方法和(2)在密封前实现没有硅有机化合物附着在固定板等环境的方法。然而，如果这些步骤依赖时间并受到环境的限制，将引起大批量生产的恶化的问题。
发明内容
本发明的一个目的是提供一发光装置的装配方法，该发光装置有一用于发光的发光元件和一用于至少封住发光元件的封装，在封装内可阻止在发光元件的发光部分产生沉淀物且不引起大批量生产的恶化。
本发明提供包括用于发光的发光元件和用于至少包围和封闭所述发光元件的封装的发光装置的装配方法，其中，所述方法包括以下步骤：
在臭氧环境中将所述发光元件密封在所述封装中；
至少所述封装的一部分包括光线提取部分，用于提取从所述发光元件中发出的光线，使得光线可通过所述光线提取部分进入所述密封的封装中；
波长为400nm或更短的照射光线通过所述光线提取部分射入所述密封的封装内。
为了实现上述目的，依据本发明，提供了一发光装置的装配方法，该发光装置拥有一用于发光的发光元件和一用于至少包围发光元件的封装，其中，封装在臭氧环境中密封，并且波长为400nm或更短的光线被射入密封的封装内。
依据本发明，在具有用于发光的发光元件和用于至少封住发光元件的封装的发光装置的装配方法内，由于封装是在臭氧环境中密封，并且波长为400nm或更短的光线被射入密封的封装内，存在于封装内的硅有机化合物的蒸发可被阻止，而不用在安装步骤中依赖时间并受到环境的限制。
附图说明
图1是一横截面图，它展示了依据本发明第一实施例的CAN封装发光装置结构的一范例。
图2A和图2B是依据本发明第一实施例的CAN封装发光装置的装配方法范例的示意图。
图3A和图3B是展示依据本发明第一实施例的CAN封装发光装置的装配方法范例的示意图。
图4A和图4B是展示依据本发明第一实施例的CAN封装发光装置的装配方法范例的示意图。
图5A和图5B是展示依据本发明和现有技术的第一实施例的CAN封装发光装置中的激励电流的波动测试图。
图6A和图6B是展示依据本发明的第一实施例和现有技术的CAN封装发光装置中的半导体激光器边缘表面的SEM图像。
图7是用于解释依据本发明第二实施例的扁平封装发光装置的结构的横截面视图。
图8A到8C是展示依据本发明第二实施例的扁平封装发光装置的装配方法范例的示意图。
图9A和9B是展示依据本发明第二实施例的扁平封装发光装置的装配方法范例的示意图。
图10A和10B是用于解释通常的CAN封装发光装置装配方法的示意图。
图11A和11B是用于解释通常的CAN封装发光装置装配方法的示意图。
图12A和12B是用于解释通常的CAN封装发光装置装配方法的示意图。
图13是用于解释通常的CAN封装发光装置装配方法中臭氧清洁步骤的示意图。
具体实施方式
参考这些图表，将本发明的实施例描述如下。图1展示了依据本发明第一实施例的CAN封装发光装置结构的一范例。如图1所示，该发光装置包括一半导体激光器1和用于封住半导体激光器1的CAN封装2。该CAN封装2包括：一用于将半导体激光器1固定到预定位置的固定板3；和一用于覆盖固定在固定板3上的半导体激光器1的帽4。
该固定板3有着盘状外形并且是用铁、铜等制成。一散热器5被安装在固定板3的主平面上。散热器5是由例如铁、铜等材料制成。散热器5的一表面覆盖着例如金这样的材料。一底座6附着在散热器5上。该底座6是由硅或者氮化铝制成。此外，半导体激光器1附着在底座6上。该半导体激光器1是一III族(III-group)氮化物半导体激光器，例如，GaN/GaInN系统半导体激光器，更明确的说，波段为405nm的GaN/GaInN系统半导体激光器。
三个引线管脚7a、7b和7c设置在固定板3上以致穿过固定板3。引线管脚7a与散热器5电连通。管脚7b通过导线8连接到底座6上。导线8是由例如金这样的导电材料制成。由低熔点玻璃制成的隔片被设置在引线管脚7b和7c以及固定板3之间。因此，引线管脚7b和7c以及固定板3被隔绝并且可阻止空气进入CAN封装2内。引线管脚7a、7b和7c中的每一个都是由例如铁、铜等导电材料制成。
帽4是柱状，其中，一开口被封闭并且它是由例如铁等材料制成。帽4的一表面镀了一层例如铬。上面提到的固定板3附着在帽4的开口一侧，并且一用于提取从半导体激光器1中射出的激光的光线提取部分(lightextracting portion)9被设置在开口侧的相反一侧。光线提取部分9是圆形(circular)并且覆盖着密封玻璃10，该密封玻璃10是由包含高透射率的熔凝石英作为基本材料的玻璃制成的。优选的密封玻璃10覆盖一非反射层。
依据本发明第一实施例的CAN封装发光装置的装配方法现在将参考图2A、2B、3A、3B、4A和4B描述如下：
<基片安装步骤>
首先，如图2A所示，半导体激光器1通过一粘合剂被粘附在底座6的一预定位置上。例如，Sn、SnPb、AuSn、In等焊接剂被用作粘合剂。
<压焊步骤>
随后，如图2B所示，底座6通过粘合剂11被粘附在散热器5的一预定位置。银胶状物在这里被用作粘合剂11。粘合剂11并不局限于银胶状物而且铟等焊接剂也可被使用。通过使用粘合剂作为焊接剂，在密封后得到的CAN封装2内的粘合剂中产生的硅有机化合物气体的量可被更进一步的减少。因而，在半导体激光器1的发光部分内沉淀物的产生会被进一步的阻止。
<粘贴硬化步骤>
随后，如图3A所示，粘合剂11硬化。
<焊线步骤>
随后，如图3B所示，底座6和引线管脚7b通过导线8连接。
<密封步骤>
随后，如图4A所示，通过例如在湿气(H2O)被移除的臭氧(干臭氧)环境中电焊，帽4被粘附到固定板3上。密封玻璃10先已附着在帽4的光线提取部分9上。例如，用低熔点的玻璃粘附密封玻璃10。
<臭氧清洁步骤>
随后，如图4B所示，波长为400nm或更短的光线，例如，紫外线穿过光线提取部分9射入CAN封装发光装置。因而，可阻止硅有机化合物气体存在于CAN封装发光装置中，或可将它的浓度降低到不会引起任何实际问题的程度。举例来说，氙气灯被用作光源。
包括硅有机化合物的污染源的量很大程度上依赖于设置在CAN封装2内的材料、工作环境等。释放出来气体分子的重量与CAN封装2的体积成比例改变。这样的现象源于波义耳-查尔斯(Boyle-Charles)法则，因为饱和蒸气的压强不依赖于体积。因此，更优的是合适地选择与安装零件和封装尺寸相适的辐射条件。
这里提出辐射条件的实例。假设CAN封装2的直径等于5.6mm，并且辐射光线是紫外光，辐射光线的照明度选在3.6mW/cm2，以及辐射时间选为5分钟或更长，更优的是，15分钟或更长。自然，本发明并不局限于这些辐射条件。
通过将波长为400nm或更短的光线射入上述CAN封装2内，被激活的臭氧产生了，并且与硅有机化合物碰撞。该硅有机化合物被分解，变成稳定的即难于蒸发的SiO2。既然稳定的SiO2是附着在CAN封装2内的硅有机化合物和包含在银胶状物等粘合剂内的硅有机化合物的固有非耦合分子(inherently non-coupled molecules)，那么它们在这个位置被转换成二氧化硅。因此，稳定的二氧化硅变成出气(out-gas)并到达半导体激光器1的发光部分的位置这种情况是不会发生的。该碳氢系统物质被变成CO、CO2和H2O，并且变成不会导致半导体激光器1的特性恶化的物质。因此，半导体激光器1边缘表面上沉淀物的产生可被阻止，并且半导体激光器1特性的恶化可被阻止。
依据本发明的第一实施例，可获得以下的效果.
由于CAN封装2在干臭氧的环境中密封，并且波长为400nm或更短的光线通过光线提取部分9射入密封CAN封装2内，因此可阻止存在于CAN封装2内的硅有机化合物的蒸发，而不用在步骤中依赖时间并受到环境的限制。因而，在半导体激光器1的发光部分内沉淀物的产生可被阻止，而不会导致大批量生产率的恶化。材料的处理可被简化，并且大批量生产率可被提高。
由于波长为400nm或更短的光线穿过帽4设置的光线提取部分9射入CAN封装2内，因此CAN封装2设置的用于臭氧清洁的专用窗口变得没有必要。因而，CAN封装发光装置的结构可被简化，并且零件的成本可被减少。
本发明的发明者已经比较和研究了依据本发明第一实施例的CAN封装发光装置和通常的CAN封装发光装置。通常的CAN封装发光装置已经被制造出来，通过前述其中省略臭氧清洁步骤的装配方法。
首先，本发明的发明者，在30mW的探测输出和60℃的温度的条件下，完成了一激励电流波动测试(APC aging)。图5A展示了在依据第一实施例的CAN封装发光装置内的激励电流波动测试结果。图5B展示了在通常的CAN封装发光装置内的激励电流波动测试结果。从图5A和5B中可以明白，虽然在通常的CAN封装发光装置中激励电流随着时间的流逝波动，但是在依据第一实施例的CAN封装发光装置中驱动电流并不随着时间的流逝波动，它是一个常量。
随后，本发明的发明者在完成激励电流测试后，通过SEM(电子扫描显微镜)对于每个发光装置观察了半导体激光器的边缘表面。
图6A展示了在第一实施例中CAN封装发光装置的发光部分的SEM图像。图6B展示了通常的CAN封装发光装置的发光部分的SEM图像。从图6A和6B中可以明白，虽然在通常的CAN封装的发光装置的发光部分形成了沉淀物，但是在依据第一实施例的CAN封装发光装置的发光部分没有形成沉淀物。
随后，在通常的CAN封装的发光装置的发光部分形成的沉淀物的成分被分析。分析结果表明沉淀物是一以硅和氧作为主要成分的物质，并且它的折射率不同于空气。因此，在半导体激光器边缘表面的反射率随着沉淀物的厚度而波动。
半导体激光器的临界电流值的周期性波动可以用以下的关系表达式定性表示。
临界增益＝内部损耗+1/(2×共振腔长度)×Ln[1/(前边缘表面的反射率×后边缘表面的反射率)]
依据本发明第二实施例的扁平封装发光装置现在将被描述。依据本发明第二实施例的扁平封装发光装置结构的一范例在图7中展现。如图7所示，该发光装置包括：一光电二极管IC(光电二极管集成电路)21，以及一用于封住光电二极管IC21的扁平封装22。一半导体激光器25，一多棱镜26，以及光电探测器(光电二极管)27a和27b主要固定在光电二极管IC21上。
半导体激光器25是一III族氮化物半导体激光器，例如，GaN/GaInN系统半导体激光器，更明确的说，波段为405nm的GaN/GaInN系统半导体激光器。多棱镜26引导被例如光盘反射的激光束到光电探测器27a和27b。光电探测器27a和27b收到被多棱镜26引导的激光束，并且依据接收到的激光束输出电子信号。
扁平封装22包括：一用于封住光电二极管IC21的包围部分23，以及一被粘附在包围部分23上的密封玻璃24。包围部分23有用于封住光电二极管IC21的空间。更优的是密封玻璃24上覆盖一非反射层。
参考图8A到8C，9A和9B，依据本发明第二实施例的扁平封装发光装置的装配方法现将描述如下：
<基片固定步骤>
首先，如图8A所示，半导体激光器25通过使用焊接剂作为粘合剂被粘附在光电二极管IC21的一预定位置上。例如，铟等焊接剂在这里用作焊接剂。虽然在这里没有展示或描述，在基片安装步骤之前的步骤内，光电二极管27a和27b被预先固定在光电二极管IC21上。
<棱镜安装步骤>
随后，如图8B所示，多棱镜26，通过使用焊接剂作为粘合剂，被固定在被粘附在光电二极管IC21的一预定位置上。在这里，更优的是使用比前述基片安装步骤中使用的焊接剂熔点更低的焊接剂。一紫外线硬化类型的变性丙烯酸脂可用作粘合剂。
<压焊步骤>
随后，如图8C所示，光电二极管IC21，通过使用焊接剂作为粘合剂，被粘附在包围部分23。在这里更优的是使用比前述棱镜安装步骤中使用的焊接剂熔点更低的焊接剂。一环氧粘合剂可被用作粘合剂。
<密封步骤>
随后，如图9A所示，密封玻璃24，在除去湿气的臭氧(干臭氧)环境中，使用焊接剂作为粘合剂，被粘附在包围部分23上。因而，密封的扁平封装22就形成了。在这种情况下，更优的是预先将一金属模制成密封玻璃24的粘附部分。也希望使用比前述压焊步骤中使用的焊接剂熔点更低的焊接剂。一热固类型的环氧粘合剂可被用作粘合剂。
<臭氧清洁步骤>
随后，如图9B所示，波长为400nm或更短的光线，例如，紫外线穿过密封玻璃24，射入扁平封装发光装置内。因而，可阻止硅有机化合物气体存在于扁平封装发光装置中，或可将它的浓度降低到不会引起任何实际问题的程度。举例来说，氙气灯被用作光源。
依据本发明第二实施例，可获得类似于上述第一实施例中的效果。
虽然本发明的实施例在以上被详细描述，但是本发明不局限于第一和第二实施例，而且基于本发明技术思想的不同修改是可以的。
例如，在上述实施例中提及的数值是作为例子表示的，并且不同于这些值的数值可在需要时使用。
封装的形状不局限于第一实施例中的CAN封装和第二实施例中的扁平封装。自然，本发明同样可应用到其他形状的封装。封在封装内的零件不局限于在前述实施例的范例中所述。
虽然第二实施例参考将本发明被应用于集成光学装置的范例描述，但是集成的形式不局限于此。
在前述第一和第二实施例中，在臭氧清洁步骤中，波长为400nm或更短的光线，穿过光线提取部分9或密封玻璃24，射入扁平封装发光装置内的情况作为例子提出。然而，也可提供与光线提取部分9或密封玻璃24不同的用于将照明光线射入封装内的专用窗口。在考虑简化发光装置结构和降低零件成本的情况下，更优的是用类似于上述的第一和第二实施例中的案例的方式将照明光线射入封装内。
在上述的第一和第二实施例中，更优的是产生硅有机化合物气体的组件不封在封装内。作为粘合剂，符合要求的是使用不含硅有机化合物的粘合剂。
在上述的第一和第二实施例中，在使用产生硅有机化合物气体的零件和粘合剂的情况下，符合要求的是缩短从密封步骤到臭氧清洁步骤之间需要的时间。同样要求的是将保持的温度设置到室温附近。
在上述的第一和第二实施例中，展示了一范例，其中，在臭氧清洁步骤中，射出波长为400nm或更短的光线。然而，通常被用于半导体激光器和LED(发光二极管)等的制造步骤中的光源也可被用作这样的光源。
例如，辐射波长为400nm或更短的光线的步骤已经广泛的使用于A1GaAs系统、A1GaInP系统、A1GaInAs系统等已经实际使用的半导体激光器或LED发光元件的制造步骤中。具体的说，这样的光辐射步骤已经通过光刻技术在形成掩模的步骤中使用。依据该步骤，晶片上通过旋转涂覆机(spin coater)等覆盖一层光敏感的光阻材料(photresist)，所谓由金属涂覆玻璃制成的光掩膜被设置在光阻材料周围或与其接触，并且辐射紫外线，从而使该光阻材料感光。
在研发的水平，这样的光辐射步骤被用于晶体生长之后的激活载体(carrier)步骤中，或者在结晶恢复或变更(alternation)的步骤中，或以及另外在晶体生长时辐射紫外线的步骤中，例如类似光CVD(化学汽相沉积)。
然而，在半导体激光器或LED等的制造步骤中，这样的光辐射步骤被用在所谓的激光器结构、LED结构等的创建完成之前的阶段的步骤中，即，是在晶体生长时、生长之后、或布线图过程时。依据本发明，它被使用在上述安装步骤中。
在上述第一和第二实施例中，当照射光没有射入封装发光装置中的所有装置上时，优选的是延长照射时间或提高照射强度。从而，使得在照射光线射入部分的臭氧可进入到照射光线没有射入的部分。
如上所述，依据本发明，存在于封装之中的硅有机化合物的蒸发可被阻止，而不用在这些步骤中依赖时间和受到环境的限制。从而，发光元件的发光部分的沉淀物的产生可被阻止，而不会导致大批量生产率的恶化。

Claims (7)

1.一包括用于发光的发光元件和用于至少包围和封闭所述发光元件的封装的发光装置的装配方法，其中，所述方法包括以下步骤：
在臭氧环境中将所述发光元件密封在所述封装中；
至少所述封装的一部分包括光线提取部分，用于提取从所述发光元件中发出的光线，使得光线可通过所述光线提取部分进入所述密封的封装中；
波长为400nm或更短的照射光线通过所述光线提取部分射入所述密封的封装内。
2.依据权利要求1的发光装置的装配方法，其中，所述光线提取部分被用石英为基本材料的玻璃覆盖。
3.依据权利要求1的发光装置的装配方法，其中，所述发光元件是一III族氮化物半导体。
4.依据权利要求1的发光装置的装配方法，其中，所述照射光线通过氙灯光源产生。
5.依据权利要求1的发光装置的装配方法，其中，所述照射光线由紫外光产生。
6.依据权利要求1的发光装置的装配方法，其中，所述照射光线通过所述光线提取部分射入的步骤抑制所述封装内的硅有机化合物气体。
7.依据权利要求1的发光装置的装配方法，其中，所述照射光线通过所述光线提取部分射入的步骤消除所述封装内的硅有机化合物气体。
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