AuSn焊料預(yù)熱溫度對高功率半導(dǎo)體激光器封裝質(zhì)量影響的研究

趙梓涵，王憲濤，，王海衛(wèi)

（1.長春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長春 130022；2.長春長理光學(xué)精密機(jī)械有限公司，長春 130022）

AuSn焊料預(yù)熱溫度對高功率半導(dǎo)體激光器封裝質(zhì)量影響的研究

趙梓涵1，王憲濤1，2，王海衛(wèi)2

（1.長春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長春 130022；2.長春長理光學(xué)精密機(jī)械有限公司，長春 130022）

為提高高功率半導(dǎo)體激光器封裝質(zhì)量，對AuSn焊料預(yù)熱溫度進(jìn)行研究。通過分析AuSn焊料共晶原理，建立四組不同預(yù)熱溫度的AuSn焊料封裝試驗(yàn)。通過對比不同預(yù)熱溫度下封裝器件的光電參數(shù)，光譜特性及SEM檢測效果，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明AuSn焊料的預(yù)熱溫度對高功率半導(dǎo)體激光器封裝質(zhì)量有重要影響，并得出AuSn焊料預(yù)熱溫度在235℃時(shí)高功率半導(dǎo)體激光器的封裝質(zhì)量最為理想。

AuSn焊料；預(yù)熱溫度；半導(dǎo)體激光器；封裝質(zhì)量

近年來高功率半導(dǎo)體激光器憑借其體積小、重量輕、電光轉(zhuǎn)換效率高、性能穩(wěn)定和壽命長等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為光電行業(yè)中最具有發(fā)展前途的產(chǎn)品，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、通訊、軍事、醫(yī)療和材料處理等領(lǐng)域［1］。隨著半導(dǎo)體材料外延生長技術(shù)、量子阱結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)、低歐姆接觸技術(shù)、低熱阻和低應(yīng)力封裝技術(shù)的飛速發(fā)展，加上半導(dǎo)體激光工業(yè)加工應(yīng)用和大功率光纖激光器泵浦源的市場需求，具有大功率、高效率、體積小的半導(dǎo)體激光器得到了飛速發(fā)展，高功率半導(dǎo)體激光器將會發(fā)展成為人們生活中不可或缺的東西［2］。

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，對高功率半導(dǎo)體激光器輸出功率的要求越來越高，但半導(dǎo)體激光器的光學(xué)特性、輸出功率以及可靠性等都由半導(dǎo)體激光器封裝質(zhì)量決定。影響激光器封裝質(zhì)量好壞的因素有很多，如焊料的選擇，焊料的厚度，焊接的位置，熱沉的結(jié)構(gòu)，焊接的溫度、時(shí)間、壓力等。黃波等人采用氣相淀積法制備了AuSn焊料，并對焊料的焊接效果進(jìn)行了分析，簡單介紹了AuSn焊接過程［3］。楊揚(yáng)等人研究了不同焊接溫度下AuSn焊料的形貌、物相組成以及對封裝激光器的性能影響［4］。本文從AuSn焊料的預(yù)熱溫度著手，對半導(dǎo)體激光器封裝質(zhì)量的影響展開分析。

1 焊料設(shè)計(jì)及不同實(shí)驗(yàn)條件

1.1 過渡熱沉的選擇

半導(dǎo)體激光器采用如圖1所示的C封裝結(jié)構(gòu)，芯片采用flipchip形式封裝。激光器芯片先焊接在過渡熱沉上，然后再封裝到C-mount上。在過渡熱沉的選擇上，選擇ALN這一熱膨脹系數(shù)與芯片材料GaAs更為匹配的材料作為808nm激光器的過渡熱沉。設(shè)計(jì)的AuSn焊料層厚度為5μm，組分是Au80Sn20（質(zhì)量比），并在上面制備一層0.3μm的Pt防止焊料層的氧化。

圖1 半導(dǎo)體激光器封裝結(jié)構(gòu)

1.2 實(shí)驗(yàn)原理及條件設(shè)定

AuSn焊料焊接機(jī)理是Sn先融化，然后液態(tài)的Sn去溶解固態(tài)的Au，并最終在278℃共晶溫度下形成液態(tài)的AuSn合金，當(dāng)溫度低于共晶溫度時(shí)發(fā)生共晶反應(yīng)生成AuSn中間相δ（AuSn）和密排六方相ζ（Au5Sn）。Sn融化是否充分是決定AuSn合金共晶液化后固態(tài)Au組分的重要決定因素，而Sn的融化取決于預(yù)熱溫度的選擇。

設(shè)定四種不同的預(yù)熱溫度進(jìn)行試驗(yàn)對比，分別為230℃、235℃、240℃、245℃。采用半自動(dòng)貼片機(jī)進(jìn)行焊接，工藝條件為：預(yù)熱時(shí)間5sec，加熱溫度300℃，壓力20g。

2 測試結(jié)果與討論

2.1 光電參數(shù)

由于AuSn焊料的預(yù)熱溫度對高功率半導(dǎo)體激光器的熱應(yīng)力有影響，所以對不同預(yù)熱溫度的AuSn焊料封裝的808nm-5W半導(dǎo)體激光器進(jìn)行光電參數(shù)測試，測試條件為：測試電流5A，連續(xù)電流；激光器采用水冷散熱，溫度20℃；積分球采樣。測試結(jié)果如表1所示。

表1 808nm-5W半導(dǎo)體激光器光電參數(shù)

由表1可看出AuSn焊料的預(yù)熱溫度在235℃時(shí)，808nm-5W半導(dǎo)體激光器光電參數(shù)值最為理想。

2.2 光譜特性

由芯片和熱沉焊接過程中的殘余熱應(yīng)力作為封裝應(yīng)力的主要來源，建立應(yīng)力模型。應(yīng)變引起的禁帶寬度變化可表示為［5］

其中，ΔEHH(ε)為應(yīng)變引起的禁帶寬度變化，ε為封裝引入的有源區(qū)材料的應(yīng)變。C11和C12為彈性模量，a和b分別為靜壓形變勢和切變形變勢。

808nm激光器芯片材料為GaAs，GaAs的a，b和C11和C12可采用表2中的數(shù)值

表2 半導(dǎo)體材料的應(yīng)變參數(shù)

將數(shù)值代入（1）式可得

808nm半導(dǎo)體激光器，其激射波長由禁寬度決定，表達(dá)式為：［6］

而ΔEHH(ε)是由于熱應(yīng)變導(dǎo)致的禁帶寬度的變化，即ΔEHH(ε)為封裝前后的禁帶寬度的變化值，表示為

根據(jù)胡克（Hooke）定律，在各向同性介質(zhì)中應(yīng)力和應(yīng)變的關(guān)系

其中，σ為激光器受到的應(yīng)力作用，C為芯片的楊氏模量，GaAs的楊氏模量為85GPa。由式（2），式（4）和式（5）聯(lián)立可得熱應(yīng)力與波長漂移關(guān)系式為根據(jù)公式（6）可以計(jì)算出半導(dǎo)體激光器的熱應(yīng)力。為了測得激光器封裝產(chǎn)生的應(yīng)力，需要對封裝前后的激光器光譜進(jìn)行對比。測試條件為25℃，脈沖電流測試，電流為5A，為了比對AuSn焊料預(yù)熱溫度對激光器熱應(yīng)力的影響，本實(shí)驗(yàn)共做了四組比對。

第一組光譜曲線對比如圖2：未封裝的芯片測得峰值波長為795.8nm，如圖2中系列1。當(dāng)AuSn焊料預(yù)熱溫度為230℃時(shí)，封裝后的半導(dǎo)體激光器在相同條件下測得的光譜如圖2中系列2，波長為798.8nm。根據(jù)公式（6）得到封裝后的熱應(yīng)力為σ1=231MPa。

圖2 AuSn焊料預(yù)熱溫度為230℃時(shí)光譜曲線對比圖

第二組光譜曲線對比如圖3：未封裝的芯片測得峰值波長為795.9nm，如圖3中系列1。當(dāng)AuSn焊料預(yù)熱溫度為235℃時(shí)，封裝后的半導(dǎo)體激光器在相同條件下測得的光譜如圖3中系列2，波長為798.1nm。根據(jù)公式（6）得到封裝后的熱應(yīng)力為σ2=169MPa。

圖3 AuSn焊料預(yù)熱溫度為235℃時(shí)光譜曲線對比圖

第三組光譜曲線對比如圖4：未封裝的芯片測得峰值波長為795.7nm，如圖4中系列1。當(dāng)AuSn焊料預(yù)熱溫度為240℃時(shí)，封裝后的半導(dǎo)體激光器在相同條件下測得的光譜如圖4中系列2，波長為799.2nm。根據(jù)公式（6）得到封裝后的熱應(yīng)力為σ3=270MPa。

圖4 AuSn焊料預(yù)熱溫度為240℃時(shí)光譜曲線對比圖

第四組光譜曲線對比如圖5：未封裝的芯片測得峰值波長為795.6nm，如圖5中系列1。當(dāng)AuSn焊料預(yù)熱溫度為245℃時(shí)，封裝后的半導(dǎo)體激光器在相同條件下測得的光譜如圖5中系列2，波長為799.6nm。根據(jù)公式（6）得到封裝后的熱應(yīng)力為σ4= 307MPa。

圖5 AuSn焊料預(yù)熱溫度為245℃時(shí)光譜曲線對比圖

根據(jù)以上四組數(shù)據(jù)對比，可以看出AuSn焊料的預(yù)熱溫度在235℃時(shí)，808nm-5W半導(dǎo)體激光器熱應(yīng)力值最為理想。

2.3 SEM效果檢測

通過掃描電子顯微鏡（SEM）對以上四組不同AuSn焊料預(yù)熱溫度封裝后的半導(dǎo)體激光器進(jìn)行焊接效果檢測。

圖6 AuSn焊料預(yù)熱溫度230℃時(shí)SEM圖

當(dāng)AuSn焊料預(yù)熱溫度為230℃時(shí)焊接層剖面如圖6所示，可以看到在焊接層中有細(xì)小的空洞。

圖7 AuSn焊料預(yù)熱溫度235℃時(shí)SEM圖

當(dāng)AuSn焊料預(yù)熱溫度為235℃時(shí)焊接層剖面如圖7所示，可以看到焊料層中基本沒有空洞出現(xiàn)。

圖8 AuSn焊料預(yù)熱溫度240℃時(shí)SEM圖

當(dāng)AuSn焊料預(yù)熱溫度為240℃時(shí)焊接層剖面如圖8所示，可以看到在焊接層中空洞變大。

圖9 AuSn焊料預(yù)熱溫度245℃時(shí)SEM圖

當(dāng)AuSn焊料預(yù)熱溫度為245℃時(shí)焊接層剖面如圖9所示，可以看到在焊接層中出現(xiàn)較多的空洞。

通過以上四組圖片可以看出當(dāng)AuSn焊料預(yù)熱溫度為235℃時(shí)，激光器的封裝效果最為理想，沒有空洞出現(xiàn)。

2.4 討論

通過以上三組測試可以看出激光器封裝質(zhì)量的好壞與AuSn焊料預(yù)熱溫度有著密切的聯(lián)系，原因是AuSn焊料焊接時(shí)Sn先融化，然后液態(tài)的Sn去溶解固態(tài)的Au，當(dāng)預(yù)熱溫度不足時(shí)，液態(tài)Sn無法完全溶解固態(tài)的Au，會導(dǎo)致焊接出現(xiàn)空洞，熱應(yīng)力偏大。當(dāng)預(yù)熱溫度過高時(shí)，AuSn發(fā)生共晶反應(yīng)生成AuSn中間相δ（AuSn）和密排六方相ζ（Au5Sn），也會導(dǎo)致焊接出現(xiàn)空洞，熱應(yīng)力更大，電參數(shù)值不理想。以上數(shù)據(jù)顯示當(dāng)AuSn焊料預(yù)熱溫度為235℃時(shí)激光器的封裝效果最為理想。

3 結(jié)論

通過對不同AuSn焊料預(yù)熱溫度制備的高功率半導(dǎo)體激光器進(jìn)行試驗(yàn)對比，發(fā)現(xiàn)AuSn焊料預(yù)熱溫度對高功率半導(dǎo)體激光器的封裝質(zhì)量有著密切的關(guān)系，并得出AuSn焊料預(yù)熱溫度在235℃時(shí)高功率半導(dǎo)體激光器的封裝質(zhì)量最為理想的結(jié)論。

［1]Friedrich B.Present technology industrial applications and future prospects of high power diode lasers［C］.In?ternational Conference on Advanced Laser Technolo?gies.SPIE，2002.

［2]張勇.高功率單管半導(dǎo)體激光器封裝技術(shù)研究［D］.天津：河北工業(yè)大學(xué)，2013.

［3]黃波，陳金強(qiáng)，楊凱，等.用于大功率半導(dǎo)體激光器封裝的Au-Sn合金焊料的制備和特性研究［J］.長春理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2007，30（3）：1-4.

［4]揚(yáng)揚(yáng)，孫素娟，李沛旭，等.燒結(jié)溫度對AuSn焊料薄膜及封裝激光器性能的影響［J］.半導(dǎo)體制造技術(shù)，2015，40（11）：840-845.

［5]Larry A，Scott W.Diode laser and photonic integrated circuit［M］.USA：John Wiley&Sons，1995：36-37.

［6]江劍平.半導(dǎo)體激光器.第一版［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2002：1-335.

［7]趙梓涵.808nm高功率半導(dǎo)體激光器封裝技術(shù)研究［D］.長春：長春理工大學(xué)，2017.

Research on Influence of AuSn Solder Preheating Temperature for Packaging Quality of High Power Semiconductor Laser

ZHAO Zihan1，WANG Xiantao1，2，WANG Haiwei2
（1.School of Mechatronical Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022；2.Changchun CST Optics and Fine Mechanics Co.，Ltd，Changchun 130022）

In order to improve the packaging quality of high power semiconductor laser，the preheating temperature of AuSn sol?der was studied.By analyzing the eutectic principle of AuSn solder，four groups of AuSn solder packaging experiment with differ?ent preheating temperatures were established.The experimental results were verified by comparing the photoelectric parameters，the spectral characteristics and the SEM detection results of the packaged devices with different preheating temperature.The ex?perimental results show that the preheating temperature of AuSn solder had an important influence on the quality of high power semiconductor laser packaging，and it was concluded that the AuSn solder preheating temperature at 235℃packaging quality of high power semiconductor lasers was the most ideal.

AuSn solder；preheating temperature；semiconductor laser；packaging quality

TG115.6+2

A

1672-9870（2017）02-0078-04

2016-11-08

2013年度吉林省企業(yè)技術(shù)改造和結(jié)構(gòu)調(diào)整（技術(shù)創(chuàng)新工程）專項(xiàng)資金

趙梓涵（1989-），男，碩士研究生，E-mail：zhaozihan2008@qq.com

王憲濤（1967-），男，博士，研究員，E-mail：wxt@cust.edu.cn