本實(shí)用新型涉及一種半導(dǎo)體激光器芯片測(cè)試固定裝置。

背景技術(shù)：

半導(dǎo)體激光器器件具有體積小、重量輕、電光轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn)，在醫(yī)療、軍事、通信等領(lǐng)域作為光源以及泵浦光源源受到廣泛的應(yīng)用。半導(dǎo)體激光器芯片通常需要經(jīng)過(guò)封裝形成器件后才出廠使用。在半導(dǎo)體激光器芯片封裝之前，為了提高封裝的成品率，需要對(duì)半導(dǎo)體激光器芯片進(jìn)行相關(guān)的性能測(cè)試，挑選出合格的半導(dǎo)體激光器芯片，淘汰掉不合格的芯片。在半導(dǎo)體激光器高功率的應(yīng)用領(lǐng)域中，半導(dǎo)體激光器芯片往往以巴條形成存在，巴條中通常存在多個(gè)發(fā)光單元，發(fā)光單元的輸出特性是否合格決定著巴條是否合格。

半導(dǎo)體激光器巴條測(cè)試過(guò)程中，由于所測(cè)試的性能多，測(cè)試時(shí)間較長(zhǎng)，芯片與芯片固定裝置的接觸面積過(guò)小會(huì)導(dǎo)致芯片內(nèi)集熱過(guò)多而燒毀芯片，并且不利于芯片測(cè)試數(shù)據(jù)的一致性和增大測(cè)試過(guò)程對(duì)芯片的損傷，激光器測(cè)試裝置需要具備以下三點(diǎn)：第一，需要合理的溫度控制裝置，保證所有發(fā)光單元的散熱和加熱一致；第二，需要合理的方式來(lái)固定芯片，增大芯片的散熱；第三，需要保持芯片受力的一致性，降低芯片的應(yīng)力對(duì)芯片造成損壞，從而降低固定裝置對(duì)芯片的不良影響。

目前國(guó)內(nèi)外多家機(jī)構(gòu)對(duì)半導(dǎo)體激光器測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行了研究，國(guó)外的如ILX、Yel、Corning等公司，在半導(dǎo)體激光器測(cè)試系統(tǒng)上有多年的經(jīng)驗(yàn)。Corning公司報(bào)道的文章(JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY,VOL.23,NO.2,FEBRUARY 2005)中披露了一種用于半導(dǎo)體激光芯片測(cè)試的固定裝置，如圖2、圖3所示，主要適用于測(cè)試單管和巴條。該方案為：P面供電電極位于芯片的上方，以探針的形式(柱形結(jié)構(gòu))與芯片的P面電極接觸注入電流，芯片的N面電極被芯片載體平臺(tái)上的真空縫隙吸附，縫隙平行于腔面，同時(shí)導(dǎo)電的芯片載體平臺(tái)與芯片的N面電極自然形成電連接。在這種固定安裝結(jié)構(gòu)中，芯片P面接觸面積不均勻，使得P面受力和探針對(duì)P面的熱傳導(dǎo)不均 勻；而且，真空吸附的縫隙平行于芯片腔面，也容易造成芯片沿諧振腔方向出現(xiàn)受力不均勻；這些因素都會(huì)導(dǎo)致芯片的損傷以及芯片輸出特性的下降。

國(guó)內(nèi)的如西安炬光科技公司，在申請(qǐng)了多篇測(cè)試系統(tǒng)上專利(CN102519709A、CN102520336A等)，按壓激光器的方法多采用橡膠和彈簧螺絲，彈簧螺絲與激光器之間的接觸方式是點(diǎn)接觸，芯片受力和散熱都不能達(dá)到一致性的要求。中國(guó)科學(xué)院蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所(CN 203643563 U)申請(qǐng)了對(duì)芯片的測(cè)試專利。采用的接觸裝置中不僅含有彈簧針，還包括氣囊，該測(cè)試裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不利于制作，也同樣存在受力和散熱不均勻的問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型提出一種新的半導(dǎo)體激光器芯片測(cè)試固定裝置，能夠避免對(duì)芯片輸出特性的影響，并提高芯片的散熱效果。

本實(shí)用新型的技術(shù)方案如下：

一種半導(dǎo)體激光器芯片測(cè)試固定裝置，包括芯片載體平臺(tái)、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，芯片載體平臺(tái)的下表面與真空吸附裝置貼合，所述溫度控制裝置經(jīng)真空吸附裝置對(duì)芯片載體平臺(tái)傳導(dǎo)散熱；芯片載體平臺(tái)或者真空吸附裝置還設(shè)置有溫度探測(cè)孔；有別于現(xiàn)有技術(shù)的是：芯片載體平臺(tái)為絕緣導(dǎo)熱材質(zhì)，在芯片載體平臺(tái)的上表面設(shè)置有間隔排列的多條金屬膜，金屬膜的長(zhǎng)度方向與待測(cè)芯片的發(fā)光單元腔長(zhǎng)方向平行；每一條金屬膜作為一個(gè)獨(dú)立的P面供電電極，用于與待測(cè)芯片單個(gè)發(fā)光單元的P面電極對(duì)應(yīng)完全貼合，每一條金屬膜上相應(yīng)固定有單獨(dú)的供電接觸頭；在相鄰P面供電電極之間平行開(kāi)設(shè)有條形的真空吸附孔，真空吸附孔貫通芯片載體平臺(tái)的上下表面，所有真空吸附孔均與真空吸附裝置的內(nèi)氣路孔道相通；所述N面供電電極為一個(gè)整體的電極，位于P面供電電極的上方，并避開(kāi)相應(yīng)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(cè)芯片的N面電極完全貼合。

在以上方案的基礎(chǔ)上，本實(shí)用新型還進(jìn)一步作了如下優(yōu)化：

為了更好地實(shí)現(xiàn)P面供電電極與芯片P面電極的貼合，具體有以下兩種芯片載體平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：

1、芯片載體平臺(tái)的上表面平整光滑，所述多條金屬膜鍍于芯片載體平臺(tái)的上表面。

2、芯片載體平臺(tái)的上表面對(duì)應(yīng)于所述多條金屬膜的位置分別設(shè)置淺槽，金屬膜填入相應(yīng)的淺槽使得芯片載體平臺(tái)的上表面平整光滑。

上述P面供電電極的寬度大于待測(cè)芯片單個(gè)發(fā)光單元的P面電極的寬度，長(zhǎng)度大于待測(cè)芯片發(fā)光單元的腔長(zhǎng)。

上述多條金屬膜的寬度和間距滿足：待測(cè)芯片的每個(gè)發(fā)光單元沿腔長(zhǎng)方向的中心對(duì)稱線與相應(yīng)P面供電電極的中心對(duì)稱線重合，真空吸附孔對(duì)應(yīng)于待測(cè)芯片的相鄰P面電極之間的區(qū)域，相鄰真空吸附孔之間的距離小于發(fā)光單元的寬度。

上述P面供電電極的有效長(zhǎng)度大于真空吸附孔的長(zhǎng)度，相應(yīng)的供電接觸頭均超出真空吸附孔在長(zhǎng)度方向上對(duì)應(yīng)的區(qū)域。

上述N面供電電極在長(zhǎng)度方向上覆蓋芯片載體平臺(tái)上排列的所有的P面供電電極，N面供電電極的寬度小于真空吸附孔的長(zhǎng)度。

上述N面供電電極的長(zhǎng)度方向與P面供電電極的長(zhǎng)度方向相互垂直。

上述真空吸附裝置的主體為一導(dǎo)熱塊，所述內(nèi)氣路孔道是在所述導(dǎo)熱塊上表面開(kāi)設(shè)的條形凹槽，該條形凹槽與條形的真空吸附孔在芯片載體平臺(tái)的下表面的投影相互垂直。

上述溫度探測(cè)孔開(kāi)設(shè)于真空吸附裝置的側(cè)面，該側(cè)面與真空吸附孔的長(zhǎng)度方向平行。

應(yīng)用上述半導(dǎo)體激光器芯片測(cè)試固定裝置的操作方法，包括以下步驟：

(1)將待測(cè)芯片放置于芯片載體平臺(tái)的上表面，使待測(cè)芯片的各個(gè)發(fā)光單元的P面電極與相應(yīng)的P面供電電極完全貼合，發(fā)光單元沿腔長(zhǎng)方向的中心對(duì)稱線與P面供電電極的中心對(duì)稱線重合；

(2)真空吸附裝置工作，降低真空吸附孔內(nèi)的氣壓，使待測(cè)芯片吸附于芯片載體平臺(tái)表面；

(3)向下移動(dòng)N面供電電極，使N面供電電極與待測(cè)芯片的N面電極完全貼合；

(4)溫度控制裝置工作，通過(guò)溫度探測(cè)孔測(cè)量并反饋溫度進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)， 使得芯片載體平臺(tái)下表面溫度達(dá)到設(shè)定溫度；

(5)分別向P面供電電極的供電接觸頭注入電流，測(cè)試待測(cè)芯片各個(gè)發(fā)光單元的輸出特性；

(6)待測(cè)芯片測(cè)試完成后，向上移動(dòng)N面供電電極，真空吸附裝置停止工作，取下待測(cè)芯片。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的有益效果：

1、改善了芯片受力的均勻性，減小芯片測(cè)試過(guò)程對(duì)芯片造成的損傷(避免對(duì)諧振腔結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響)，提高了芯片發(fā)光的均勻性。

2、增大了芯片與固定裝置的接觸表面積，提高了芯片的散熱。

3、提高了有源區(qū)溫度的均勻性。

附圖說(shuō)明

圖1為半導(dǎo)體激光器芯片的單個(gè)發(fā)光單元的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為Corning公司方案的示意圖(略去芯片載體平臺(tái)以下的結(jié)構(gòu))。

圖3為圖2中芯片載體平臺(tái)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為本實(shí)用新型方案的示意圖。

圖5為圖4中真空吸附裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6為圖4中芯片載體平臺(tái)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖7為本實(shí)用新型裝置的溫度分布圖，其中(a)為芯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(xiàn)有技術(shù)(圖2所示)裝置的溫度分布圖，其中(a)為芯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(biāo)號(hào)說(shuō)明：

1-N面供電電極，2-待測(cè)芯片，3-芯片載體平臺(tái)，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(cè)孔，9-外接氣路孔，10-內(nèi)氣路孔，11-溫度控制裝置(TEC)；

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

具體實(shí)施方式

如圖4所示，本實(shí)用新型的半導(dǎo)體激光器芯片測(cè)試固定裝置包括芯片載 體平臺(tái)、真空吸附裝置和溫度控制裝置(TEC)，采用吸附方式固定芯片。芯片載體平臺(tái)上表面設(shè)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(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)的不同之處主要在于：

1、吸附方式不同，本實(shí)用新型的真空吸附的孔平行于諧振腔，垂直于腔面。

2、接觸方式不同。本實(shí)用新型中，芯片的P面電極和P面的供電電極完全接觸，P面受力均勻和導(dǎo)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(dǎo)熱均勻。

3、吸附部位不同。本實(shí)用新型的吸附部位位于巴條的發(fā)光單元之間，真空吸附孔與芯片P面包層表面的電極錯(cuò)開(kāi)。

本實(shí)用新型的芯片載體平臺(tái)為一種絕緣導(dǎo)熱平臺(tái)，材料可選擇陶瓷AlN、金剛石等。芯片載體平臺(tái)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(gè)電極裝配各自的接觸頭，該接觸頭用于接外部電源。真空吸附孔位于P面供電電極的兩側(cè)，所有真空吸附孔最后都連通于真空吸附裝置。N面供電電極為一個(gè)整體的電極，電極大小大于芯片。

P面供電電極優(yōu)選金屬材料金，但不限于金。P面供電電極的寬度大于P面包層表面的電極，長(zhǎng)度大于芯片的腔長(zhǎng)，厚度為幾個(gè)nm。

本實(shí)用新型不僅適用于電極獨(dú)立的多個(gè)發(fā)光單元的巴條芯片，也適用于電極獨(dú)立的具備出光性能但未制作成單管的巴條芯片，當(dāng)然還適用于單管芯片。

本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)(圖2所示結(jié)構(gòu))的芯片熱分布分別如圖7和圖8所示，通過(guò)對(duì)比兩圖的溫度分布可以看出，采用本實(shí)用新型裝置測(cè)試后，芯片產(chǎn)熱區(qū)的溫度比現(xiàn)有技術(shù)測(cè)試的有源區(qū)的溫度低，芯片中間溫度低于兩端溫度，有利于減小溫度對(duì)腔面的損傷，并且本實(shí)用新型消除了載體平臺(tái)上面吸附孔對(duì)應(yīng)位置溫度過(guò)高的現(xiàn)象，表明本實(shí)用新型裝置的有源區(qū)的溫度分布更加均勻，有利于提高溫度對(duì)激光器輸出性能的穩(wěn)定性。說(shuō)明本實(shí)用新型裝置有益于芯片散熱，有益于提高芯片有源區(qū)溫度的均勻性，有益于改善裸芯片的輸出特性。

為了進(jìn)一步說(shuō)明本實(shí)用新型比現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的顯著效果，申請(qǐng)人采用有限元分析的方法對(duì)兩者分別進(jìn)行了計(jì)算。為了簡(jiǎn)化運(yùn)算，在保證兩者測(cè)試原理不變的基礎(chǔ)上，忽略了芯片載體平臺(tái)以下的裝置結(jié)構(gòu)，對(duì)兩者的結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行了簡(jiǎn)化，由于本實(shí)用新型的P面供電電極厚度僅有幾納米，并且導(dǎo)熱性能也極好，在計(jì)算過(guò)程中可以忽略P面供電電極對(duì)芯片溫度造成的影響。

在裝置參數(shù)設(shè)置上盡可能保持兩者一致：芯片載體平臺(tái)的尺寸一致，芯片的結(jié)構(gòu)一致，芯片產(chǎn)熱量一致。由于本實(shí)用新型芯片載體平臺(tái)為絕緣導(dǎo)熱材質(zhì)，所以采用的陶瓷AlN的熱導(dǎo)率還低于現(xiàn)有裝置所用材料(Cu)，芯片吸附孔的總面積大于現(xiàn)有裝置，這兩個(gè)因素降低了對(duì)芯片散熱。但是，最終計(jì)算結(jié)果卻表明本實(shí)用新型的散熱性優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)。所以可以預(yù)期，如果采用金剛石等導(dǎo)熱性能更好的材質(zhì)作芯片載體平臺(tái)，則本實(shí)用新型的效果將有更進(jìn)一步的顯著提升。

具體參數(shù)如下：

設(shè)置產(chǎn)熱區(qū)產(chǎn)熱量為5e12W*m-3，芯片載體平臺(tái)下表面溫度為293K，本實(shí)用新型的N面電極上表面溫度為293K，現(xiàn)有技術(shù)的探針(P面供電電極)上表面的溫度為293K。

表1本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)參數(shù)

另外，本實(shí)用新型相鄰兩個(gè)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(xiàn)有結(jié)構(gòu)參數(shù)

表3待測(cè)芯片參數(shù)

利用本實(shí)用新型裝置進(jìn)行芯片測(cè)試的操作步驟如下：

1.將待測(cè)芯片放置于P面供電電極4表面，芯片沿腔長(zhǎng)方向的中心對(duì)稱線應(yīng)與P面供電電極的中心對(duì)稱線重合。

2.打開(kāi)外接氣路孔9，降低真空吸附孔內(nèi)的氣壓，使待測(cè)芯片吸附于芯片載體平臺(tái)表面。

3.向下移動(dòng)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(diào)節(jié)TEC溫度，通過(guò)放入溫度測(cè)試孔內(nèi)的溫度測(cè)試儀反饋溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)，使得芯片載體平臺(tái)下表面溫度達(dá)到設(shè)定溫度。

5.從P面供電電極接頭5分別注入電流，分別測(cè)試待測(cè)芯片各個(gè)發(fā)光單元的輸出特性。

6.待測(cè)芯片測(cè)試完成后，向上移動(dòng)N面供電電極，關(guān)掉氣路孔，取下芯片。