способ изготовления посадочных поверхностей контактных пластин для активных элементов полупроводниковых приборов

Формула изобретения

СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОСАДОЧНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ КОНТАКТНЫХ ПЛАСТИН ДЛЯ АКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ, включающий закрепление заготовок контактных пластин и механическую обработку поверхности заготовок контактных пластин с получением посадочных поверхностей с шероховатостью не менее 0,08 и с радиусом кромки посадочных поверхностей с боковыми гранями заготовок контактных пластин не более 0,002 мм, отличающийся тем, что механическую обработку поверхностей заготовок контактных пластин осуществляют путем точения поверхностей заготовок контактных пластин резцом из природного алмаза на прецизионном станке со скоростью резания 7-9 м/с, при глубине резания 2-5 мкм и подаче 2-4 мм/мин.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к полупроводниковой электронике, в том числе квантовой, и может быть использовано при изготовлении активных полупроводниковых элементов малой площади на теплоотводящих медных контактных пластинах лазерных излучателей.

Процесс изготовления лазерных излучателей включает в себя процессы изготовления контактной пластины, подготовки посадочной поверхности контактной пластины, нанесения на эту поверхность покрытия и пайки на подготовленную поверхность полупроводниковых элементов. При этом наиболее сложным и ответственным процессом является подготовка посадочной поверхности контактной пластины под наносимый припой. Согласно техническим условиям [1, 2] эта поверхность должна иметь шероховатость не хуже R_z=0,08, минимальную толщину подповерхностного нарушенного слоя (в пределах 0,5-1,0 мкм) и радиус кромки, образуемой посадочной поверхностью и боковой гранью, не более 0,002 мм. Этими параметрами и определяется качество посадочной поверхности контактной пластины.

Известен способ механической обработки посадочной поверхности контактной пластины для активных элементов полупроводниковых приборов, включающий штамповку заготовки медной контактной пластины и обработку посадочной поверхности этой пластины шлифованием и полированием свободным абразивом с последующим травлением дефектного слоя [1, 2] Данный способ взят за прототип. Операции шлифования и полирования необходимы, поскольку штамповка не обеспечивает требуемой шероховатости посадочной поверхности и не позволяет сформировать базовые кромки на гранях медных теплоотводов с максимальным радиусом скругления кромки 0,002 мм, что необходимо для обеспечения точности последующего монтажа активных элементов. Однако при шлифовании и полировании свободным абразивом создается дефектный нарушенный слой за счет внедрения микрочастиц абразивной суспензии и других примесей в обрабатываемую поверхность (так называемое шаржирование поверхности). Толщина нарушенного слоя достигает десятков микрон. Микродефекты поверхности медного теплоотвода создают участки локального нагрева поверхности и кристалла активного элемента лазерного диода. Это может привести к выходу прибора из строя, поскольку параметры полупроводниковых лазеров, имеющих активный элемент из кристалла на основе химических соединений редкоземельных элементов и их твердых растворов, сильно зависят от температуры. Дефектный слой удаляют травлением, после чего получают посадочную поверхность шероховатостью R_z=0,08 с остаточной толщиной нарушенного слоя 5.10 мкм. Дальнейшее травление нарушенного слоя невозможно, так как стравливаются базовые кромки контактной пластины, необходимые для точной фиксации кристалла излучателя при его монтаже.

Целью изобретения является повышение качества и надежности активных элементов полупроводниковых приборов, снижению себестоимости и увеличение производительности труда при их изготовлении.

Для достижения цели предложен способ механической обработки посадочной поверхности контактных пластин для активных элементов полупроводниковых приборов, заключающийся в том, что эту обработку проводят точением резцов из природного алмаза на прецизионном станке, при скорости резания 7. 9 м/с, глубине резания 2. 5 мкм и подаче 2.4 мм/мин. При этом удается получить шероховатость посадочной поверхности контактной пластины R_z=0,08, радиус скругления кромки 0,002 мм при толщине нарушенного слоя в пределах 0,1.0,2 мкм. Предложенным способом можно одновременно обрабатывать несколько пластин.

Выбор режимов точения обусловлен следующим. Верхние пределы скорости и глубины резания, а также подачи определены экспериментально, исходя из технических возможностей процесса. Так, при скорости резания превышающей 9 м/с, чрезмерно повышаются требования к точности балансировки стола станка, а при больших глубинах резания (более 5 мкм) и большей, чем 4 мм/мин, подаче может происходить как срыв обрабатываемых деталей, так и нарушение их целостности. При меньших значениях указанных режимов качество обрабатываемой поверхности не будет улучшаться, но производительность снизится.

Предложенный способ механической посадочной поверхности контактных пластин позволяет получить толщину нарушенного слоя в десятки раз меньшую, чем в известном, при полном отсутствии локальных дефектов. Таким образом достигается улучшение качества обработанной поверхности. Высокое качество обработки посадочной поверхности контактной пластины в сочетании с минимальным нарушенным слоем материала теплоотвода позволяет обеспечить выбор минимальной толщины припоя и исключить локальные нагревы кристалла лазерного диода, то есть получить минимальное тепловое сопротивление перехода кристалл лазерного диода медный теплоотвод при повышении прочности паяного соединения; тем самым достигается повышение надежности эксплуатационных характеристик излучателей полупроводниковых лазеров.

Предложенный способ обработки позволяет исключить операции шлифования, полирования свободным абразивом и последующее травление поверхностных слоев, что ведет к значительному упрощению и ускорению технологического процесса, повышению его производительности и снижению себестоимости обработки.

В процессе проведения патентного поиска нами не обнаружены аналогичные предложенному способы обработки посадочной поверхности контактной пластины, в связи с чем считаем, что предложение не очевидно для специалиста и соответствует критериям "новизна", "изобретательский уровень". Оно также промышленно применимо, так как осуществляется на стандартном оборудовании.

П р и м е р Проводилась обработка посадочной поверхности медных теплоотводящих контактных пластин для излучателей полупроводниковых лазеров с мощностью излучения 150 мВт. Контактные пластины закреплялись на плане с помощью наклеечной смолы "Оптика" ТУ 13-4000-177-92-85, после чего подвергались обработке точением резцом, оснащенным природным алмазом на прецизионном станке алмазного точения типа МА-78М. Режимы и условия обработки: скорость резания 7 м/с, глубина резания 5 мкм, подача 4 мм/мин, количество одновременно обрабатываемых пластин 860 шт; скорость резания 9 м/с, глубина резания 3 мкм, подача 2 мм/мин, количество одновременно обрабатываемых пластин 1180 шт.

После обработки контактные пластины отклеивали и отмывали от смолы в уайт-спирите и ацетоне. При такой обработке была достигнута шероховатость посадочной поверхности R_z=0,08, радиус базовой кромки 0,002 мм при толщине нарушенного слоя 0,1.0,2 мкм. На обработанных таким способом контактных пластинах по существующей технологии проводилась сборка излучателей. Для получения сравнительных данных проводилась сборка контрольной партии излучателей с применением медных теплоотводов, посадочная поверхность которых формировалась шлифованием, полированием свободным абразивом и последующим стравливанием поверхностного дефектного слоя. Оценка результатов проводилась по проценту выхода годных изделий после проведения электротермотренировки изготовленных лазерных диодов. Критерием отбраковки излучателей являлось падение мощности излучения ниже исходного значения 150 мВт при увеличении тока накачки на 25% относительно рабочего тока, при комнатной температуре. Выход годных изделий на теплоотводах с алмазной обработкой посадочной поверхности составил 92% и на 45% превысил выход годных изделий, собранных на теплоотводах с традиционной обработкой посадочной поверхности. Это подтверждает эффективность предлагаемого способа обработки посадочной поверхности контактных пластин.

Использование предлагаемого способа механической обработки посадочной поверхности контактных пластин для активных элементов полупроводниковых приборов обеспечивает следующие преимущества: снижение теплового сопротивления перехода кристалл теплоотвод; исключение локальных перегревов кристалла излучателя за счет сведения к минимуму поверхностных микродефектов теплоотвода; повышение производительности обработки за счет сокращения технологического цикла и одновременного точения нескольких пластин.

Эти преимущества приводят к повышению качества и надежности активных элементов, снижению себестоимости и увеличению производительности труда при их изготовлении.