管式爐中半導(dǎo)體激光器巴條Au80Sn20焊料封裝研究

作者：袁慶賀 張秋月 井紅旗 仲　莉 劉素平 馬驍宇

轉(zhuǎn)自：半導(dǎo)體封裝工程師之家，

摘要:

為了提高半導(dǎo)體激光器的封裝質(zhì)量和效率，引入管式爐利用夾具進(jìn)行批量封裝。 由于封裝質(zhì)量的好壞直接影響半導(dǎo)體激光器的輸出特性和使用壽命，利用MOCVD生長808nm芯片，重點(diǎn)分析了管式爐溫度和封裝時(shí)間對半導(dǎo)體激光器巴條雙面金錫封裝質(zhì)量的影響。 利用X射線檢測、結(jié)電壓、光電特性參數(shù)和Smile效應(yīng)測試手段，確定了管式爐封裝半導(dǎo)體激光器巴條的最優(yōu)封裝條件，為以后的產(chǎn)業(yè)化提供了指導(dǎo)意義。

1 引言

隨著半導(dǎo)體激光技術(shù)的進(jìn)步和應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，大功率半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用覆蓋了眾多 領(lǐng)域，成為光電子器件的核心。由于大功率半導(dǎo)體激光器具有體積小、質(zhì)量輕、轉(zhuǎn)換效率高、易于調(diào)制等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于通訊與存儲、激光 醫(yī)療與美容、激光打標(biāo)與切割、材料加工和軍事等領(lǐng)域。 相比于傳統(tǒng)的固體和氣體激光器，半導(dǎo)體激光器具有較高的電光轉(zhuǎn)換效率，最高達(dá)80%， 但在工作時(shí)仍會產(chǎn)生大量的熱，若不將這些多余的熱量及時(shí)散出，會嚴(yán)重影響器件的光電特性、空間特性和可靠性，因此對半導(dǎo)體激光器的封裝工藝提出了較高的要求。

為了提高大功率半導(dǎo)體激光器巴條的可靠性及使用壽命，采用金錫焊料取代銦焊料作為封裝 焊料。Au80Sn20 焊料屬于硬焊料，其抗疲勞、抗蠕變性能優(yōu)異，屈服強(qiáng)度高，導(dǎo)熱性能好，無需助焊劑，也不存在嚴(yán)重的電遷移現(xiàn)象，廣泛應(yīng)用于氣密封裝、射頻和微波封裝、發(fā)光二極管封裝等。本文以本實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的百瓦級GaAs基半導(dǎo)體激光器巴條為基礎(chǔ)，在管式爐中進(jìn)行封裝實(shí)驗(yàn)，深入研究了不同燒結(jié)時(shí)間和爐管溫度對燒結(jié)質(zhì)量的影響，為使用管式爐進(jìn)行半導(dǎo)體激光器巴條批量生產(chǎn)提供實(shí)踐參考。

2 實(shí)驗(yàn)過程

2.1 管式爐介紹

如圖１所示，管式爐被廣泛應(yīng)用于材料或化學(xué)實(shí)驗(yàn)室，在真空或其他氣氛條件下燒結(jié)新材料。管式爐加熱溫區(qū)配備有熱電偶、數(shù)顯式智能調(diào)節(jié)器(PID)和可控硅組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)，采用高精度SCR控制器，精度為±1℃，并具有51段程序，可實(shí)現(xiàn)自動精確控溫，操作方便。

2.2 芯片制作

利用AIXTRON MOCVD設(shè)備，在GaAs襯底上生長出應(yīng)變量子阱大光腔808nm激光器外延片，量子阱采用InGaAs材料，波導(dǎo)層和限制層采用具有不同Al組分的AlGaAs材料，外延層結(jié)構(gòu)見圖２。生長完成的外延片經(jīng)光刻、金屬化、減薄等工藝，做成具有19個發(fā)光區(qū)的半導(dǎo)體激光器巴條，填充因子為40%，腔長1mm，前后腔面分別鍍增透膜和高反膜，單巴條脈沖條件下輸出功率大于100W。

2.3 燒結(jié)工藝

本實(shí)驗(yàn)采用雙面金錫焊料燒結(jié)封裝半導(dǎo)體激光器巴條，結(jié)構(gòu)如圖3所示。從圖中可以看出，共有5層結(jié)構(gòu)，從下至上依次為WCu熱沉、Au80Sn20焊料、半導(dǎo)體激光器巴條、Au80Sn20 焊料、WCu熱沉。 將上述結(jié)構(gòu)依照次序放置到本實(shí)驗(yàn)室自行設(shè)計(jì)的燒結(jié)夾具上，放入管式爐進(jìn)行燒結(jié)。

實(shí)驗(yàn)過程中，為防止元器件在高溫下發(fā)生氧化，燒結(jié)時(shí)爐管內(nèi)通入保護(hù)氣氮?dú)猓獨(dú)獾牧髁繛?.2L/min。 金錫合金的熔點(diǎn)在共晶溫度附近對金錫配比非常敏感，當(dāng)金的組分比重大于 80%時(shí)，隨著金組分比重的增加，熔點(diǎn)急劇提高。在燒結(jié)過程中被焊件金層的微量金熔入焊料，會使熔點(diǎn)迅速上升而凝固，不會使管芯移位，能夠承受隨后在相對低的溫度下的后續(xù)組裝工藝。 需要特別注意的是，應(yīng)防止過量的金熔入焊料，不然會導(dǎo)致凝固點(diǎn)明顯上升，引入較大焊裝應(yīng)力。通過前期的研究可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)爐體設(shè)定溫度較低 ( <650℃)時(shí)，焊料不能完全融化，導(dǎo)致焊接質(zhì)量差；而爐體設(shè)定溫度較高( >750℃)時(shí)，將造成芯片有源區(qū)損傷，導(dǎo)致結(jié)電壓偏小甚至短路。本文燒結(jié)實(shí)驗(yàn)首先在680,700,730℃3個溫度(均指爐體設(shè)定溫度，實(shí)際燒結(jié)溫度應(yīng)略高于AuSn焊料熔點(diǎn)，約280℃)條件下進(jìn)行，固定燒結(jié)時(shí)間為100s，然后根據(jù)不同溫度下燒結(jié)樣品的檢測結(jié)果，確定最優(yōu)燒結(jié)溫度。在最優(yōu)燒結(jié)溫度下，分析不同燒結(jié)時(shí)間對燒結(jié)質(zhì)量的影響，采用的燒結(jié)時(shí)間分別為 80,90,100s。

3 器件測試與分析

3.1 X射線檢測

利用本實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的VJElectronix公司生產(chǎn)的X射線檢測設(shè)備，對封裝完成的大功率半導(dǎo)體 激光器巴條進(jìn)行X射線檢測。通過X 射線檢測， 可以直接觀測到燒結(jié)后的焊料是否完全熔化，熱沉與巴條是否充分浸潤，降溫后有無空洞的存在，從而判斷各條件下燒結(jié)質(zhì)量的好壞。對燒結(jié)時(shí)間為100s、爐體設(shè)定溫度分別為680,700,720 ℃3個條件下的樣品進(jìn)行X射線檢測，結(jié)果如圖４所示。

金錫二元相圖較為復(fù)雜，存在大量中間相，在接近共晶配比處，AuSn合金由金錫中間相 δ(ＡｕＳｎ) 和密排六方相 ζ(Ａｕ５Ｓｎ)組成。 由圖4(ａ)可以看出，在燒結(jié)時(shí)間為100s、爐體設(shè)定溫度為680 ℃時(shí)，有大面積空洞出現(xiàn)。 這是由于低溫?zé)Y(jié)時(shí)焊料熔化時(shí)間短，合金反應(yīng)不充分，Au和Sn兩種原子未能得到充分?jǐn)U散和結(jié)晶，形成密集分布的晶粒團(tuán)簇，從而導(dǎo)致焊料分布不均勻，有大量空洞產(chǎn)生。當(dāng)爐體設(shè)定溫度上升至700℃時(shí)，,從圖4(ｂ)中可以看出，焊料已經(jīng)完全融化且與巴條浸潤良好，結(jié)構(gòu)致密，沒有空洞產(chǎn)生，表面也比較平坦光滑，說明此時(shí)燒結(jié)溫度適中。在爐體設(shè)定溫度為720℃高溫過燒時(shí)，由于合金晶粒在高 溫下的不斷生長，會形成較大尺寸的枝狀晶，如圖4(ｃ)所示，最終焊料層內(nèi)部出現(xiàn)較大的顆粒，形成較粗糙的表面形貌。因此，爐體溫度設(shè)定為700℃是適合的燒結(jié)溫度。

3.2 光電特性

在3.1中，通過X射線檢測，對樣品的形貌進(jìn)行了初步的分析，可以發(fā)現(xiàn)爐管溫度太高或太 低都會導(dǎo)致極薄的焊料層表面出現(xiàn)較大的顆粒，形成較粗糙的表面形貌，致使半導(dǎo)體激光器巴條燒結(jié)質(zhì)量較差。因此在接下來的工作中，主要針對爐體設(shè)定溫度為700℃時(shí)，不同燒結(jié)時(shí)間下的,樣品進(jìn)行測試分析。

燒結(jié)時(shí)間是影響半導(dǎo)體激光器的燒結(jié)質(zhì)量的一個重要因素，對不同燒結(jié)時(shí)間下封裝的半導(dǎo)體激光器巴條樣品，利用大功率半導(dǎo)體激光器參數(shù)測試儀(測試條件為:管座溫度25℃，脈沖寬度200μs，重復(fù)頻率50Hz)，測量額定輸出功率為100W 時(shí)的其他光電參數(shù)，詳細(xì)結(jié)果見表 １。

表1給出了爐體設(shè)定溫度700℃，燒結(jié)時(shí)間,分別為100,90,80s 樣品的光電特性參數(shù)。從表 中可以看出，燒結(jié)時(shí)間分別為100,90,80s的樣品的閾值電流分別為21.1,19.1,20.2 A，百瓦級 輸出時(shí)的斜率效率分別為1.14,1.16,1.14W/A，燒結(jié)時(shí)間為90s的樣品的閾值電流和斜率效率 均優(yōu)于燒結(jié)時(shí)間為100s和80s的樣品，從表1中可以發(fā)現(xiàn)，燒結(jié)時(shí)間分別為,100s和80s的樣品，百瓦級功率輸出時(shí)的斜率效率均為1.14W/A，且閾值電流分別為 21.1A和20.2A，但燒結(jié)時(shí)間為100s的樣品的輸出功率卻略高于燒結(jié)時(shí)間為80s的樣品，這與閾值電流和輸出功率的對應(yīng)關(guān)系相矛盾，考慮是由于測試誤差引起的。燒結(jié)時(shí)間為90s的樣品的微分電阻最小，為5.2 ｍΩ，相應(yīng)地其光電轉(zhuǎn)換效率也最高，為48.7%。 同時(shí)，從表1中可以得出，隨著燒結(jié)時(shí)間的增加，半導(dǎo)體激光器巴條的平均結(jié)電壓降低，考慮是由于燒結(jié)時(shí)間過長，導(dǎo)致引入較大的應(yīng)力，對器件有源區(qū)造成了損傷。

測量封裝前后峰值波長的變化是半導(dǎo)體激光應(yīng)力分析的常用手段，因此為了更好地驗(yàn)證上述 結(jié)論，即當(dāng)燒結(jié)時(shí)間過長時(shí)，會引入較大的應(yīng)力，對器件有源區(qū)造成損傷，導(dǎo)致半導(dǎo)體激光器巴條結(jié)電壓降低甚至短路，分別測量了焊裝前后的光譜，具體見圖5。圖5(ａ)表示同一批次、同一片號半導(dǎo)體激光器巴條封裝前的光譜，其峰值波長為808.8nm，圖5(ｂ)、(ｃ)、(ｄ)表示爐體設(shè)定溫度700℃，燒結(jié)時(shí)間分別為80,90,100s的樣品的光譜，其峰值波長分別為 809,811.3,813nm，紅移量分別為0.2,2.5,4.2nm。紅移量的多少表示引入應(yīng)力的大小，紅移越多，說明引入的應(yīng)力越大，對器件造成的損傷越大。從前述內(nèi)容可知。增加燒結(jié)時(shí)間，紅移量增加，說明此時(shí)引入了較大的應(yīng)力，對器件有源區(qū)造成損傷，與結(jié)電壓隨燒結(jié)時(shí)間的變化相對應(yīng)，更好地驗(yàn)證了半體激光器巴條結(jié)電壓的降低甚至短路，是由于焊裝應(yīng)力引起的。

3.3 Smile效應(yīng)分析

大功率半導(dǎo)體激光器巴條由多個發(fā)光區(qū)組成，其工作時(shí)由于熱應(yīng)力的存在，導(dǎo)致各發(fā)光區(qū)不 在同一條直線上，這種發(fā)光區(qū)整體彎曲的現(xiàn)象稱為Smile效應(yīng)。Smile 效應(yīng)的存在會使光束質(zhì)量變差。通過分析半導(dǎo)體激光器巴條的Smile效應(yīng)，可以反映出由于封裝工藝所引入應(yīng)力的大小，對優(yōu)化封裝參數(shù)起重要作用。

直接測量10mm長度的發(fā)光單元在垂直于P-N結(jié)方向發(fā)生的偏移量d＜10μm 是非常困難的，因此采用對半導(dǎo)體激光器巴條發(fā)光腔面成像放大的方法， 測量系統(tǒng)如圖6所示，典型快軸 準(zhǔn)直鏡(ＦＡＣ)透鏡有效焦距小于1mm，快軸方向準(zhǔn)直光束，光束全寬0.8mm，，發(fā)散角5mrad，準(zhǔn)直后光束包含了95%的激光能量，對出射激光在慢軸方向無影響，焦距為fc。柱面鏡對慢軸進(jìn)行一定程度準(zhǔn)直，最后半導(dǎo)體激光器巴條發(fā)光圖案成像在接收屏上。 實(shí)驗(yàn)中對Smile效應(yīng)在接收屏上的像 Δｙ進(jìn)行觀察記錄。

半導(dǎo)體激光器巴條實(shí)際Smile效應(yīng)的大小 Δｙ0可利用下列公式計(jì)算得出:

ｆｃ/ Δｙ０＝ ｚ/ Δｙ， (１)

式(１)中，ｚ為屏與快軸準(zhǔn)直鏡之間的距離。

根據(jù)上述半導(dǎo)體激光器巴條Smile測量系統(tǒng)，對爐體設(shè)定溫度700℃，燒結(jié)時(shí)間分別為100,90，80s，3個條件下的樣品進(jìn)行測試，測試結(jié)果如圖7所示。

通過分析接收屏上像的彎曲，利用式(１) 計(jì)算相應(yīng)半導(dǎo)體激光器巴條的的實(shí)際彎曲值。 實(shí)驗(yàn) 時(shí)快軸準(zhǔn)直透鏡的焦距ｆｃ＝0.9mm，屏與快軸準(zhǔn)直鏡之間的距離 z=1200mm。 經(jīng)計(jì)算可得，爐體設(shè)定溫度700℃，燒結(jié)時(shí)間為,100,90,80s的Smile效應(yīng)值分別為45，7.5，13.5μm。從上述的計(jì)算結(jié)果可知，燒結(jié)時(shí)間100s的樣品Smile效應(yīng)值為80s的6倍，而燒結(jié)時(shí)間為90s的樣品Smile效應(yīng)值約為80s的2倍，與,2.2中半導(dǎo)體激光器巴條的結(jié)電壓隨燒結(jié)時(shí)間的增加而降低相對應(yīng)。 從圖中可以看出，燒結(jié)時(shí)間過長會引入較大的應(yīng)力，不僅會對半導(dǎo)體激光器巴條造成損傷，而且會影響其光學(xué)特性。

綜合分析3.2與3.3，管式爐中半導(dǎo)體激光器巴條封裝，適合的工藝條件為爐體設(shè)定溫度700℃，燒結(jié)時(shí)間90s，可以得到較高的封裝質(zhì)量。

4 結(jié)論

本文對大功率半導(dǎo)體激光器巴條的燒結(jié)工藝進(jìn)行研究，通過管式爐進(jìn)行燒結(jié)實(shí)驗(yàn)，對比分析了不同溫度、不同時(shí)間對燒結(jié)質(zhì)量的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)溫度過低時(shí)焊料不能完全融化，致使有大量空洞產(chǎn)生；溫度過高會對半導(dǎo)體激光器巴條產(chǎn)生損傷，導(dǎo)致結(jié)電壓偏低，甚至短路。根據(jù)Smile效應(yīng)檢測結(jié)果可知，燒結(jié)時(shí)間過長或過短均會產(chǎn)生巨大應(yīng)力，導(dǎo)致光學(xué)特性嚴(yán)重惡化，在管式爐中進(jìn)行半導(dǎo)體激光器巴條燒結(jié)適合的工藝條件為爐體設(shè)定溫度700℃，燒結(jié)時(shí)間90s，該結(jié)果為以后的半導(dǎo)體激光器的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)提供了重要的參考依據(jù)。

免責(zé)申明：本文內(nèi)容轉(zhuǎn)自：半導(dǎo)體封裝工程師之家，作者：袁慶賀 張秋月 井紅旗 仲　莉 劉素平 馬驍宇。文字、素材、圖片版權(quán)等內(nèi)容屬于原作者，本站轉(zhuǎn)載內(nèi)容僅供大家分享學(xué)習(xí)。如果侵害了原著作人的合法權(quán)益，請及時(shí)與我們聯(lián)系，我們會安排刪除相關(guān)內(nèi)容。本文內(nèi)容為原作者觀點(diǎn)，并不代表我們贊同其觀點(diǎn)和（或）對其真實(shí)性負(fù)責(zé)。

先藝電子、XianYi、先藝、金錫焊片、Au80Sn20焊片、Solder Preform、芯片封裝焊片供應(yīng)商、芯片封裝焊片生產(chǎn)廠家、光伏焊帶、銀基釬料、助焊膏、高溫助焊劑、高溫焊錫膏、flux paste、陶瓷絕緣子封裝、氣密性封裝、激光器巴條封裝、熱沉、heatsink、IGBT大功率器件封裝、光電子器件封裝、MEMS器件封裝、預(yù)成型錫片、納米銀、納米銀膏、微納連接技術(shù)、AuSn Alloy、TO-CAN封裝、低溫焊錫膏、噴印錫膏、銀焊膏、銀膠、銀漿、燒結(jié)銀、低溫銀膠、銀燒結(jié)、silver sinter paste、Ceramic submount、低溫共晶焊料、低溫合金預(yù)成形焊片、Eutectic Solder、低溫釬焊片、金錫Au80Sn20焊料片、銦In合金焊料片、In97Ag3焊片、錫銀銅SAC焊料片、錫銻Sn90Sb10焊料片、錫鉛Sn63Pb37焊料片、金錫Au80Sn20預(yù)成形焊片、Au80Sn20 Solder Preform、大功率LED芯片封裝焊片生產(chǎn)廠家、TO封帽封裝焊片、In52Sn48、銦銀合金焊片、純銦焊片供應(yīng)商、銦In合金預(yù)成形焊片、錫銀銅SAC305（Sn96.5Ag3.0Cu0.5）焊片、錫銀銅預(yù)成形焊片焊箔供應(yīng)商、錫銻焊片、Sn90Sb10 Solder Preforms、錫鉛焊片、錫鉛Sn63Pb37焊片供應(yīng)商、錫鉛Sn63Pb37焊片生產(chǎn)廠家、錫鉛預(yù)成形焊片、金錫合金焊片選型指南、低溫合金焊片應(yīng)用、低溫合金焊片如何選擇、預(yù)成形焊片尺寸選擇、xianyi electronic、半導(dǎo)體芯片封裝焊片、光電成像器件的蓋板密封焊接、無助焊劑焊片、圓環(huán)預(yù)成形焊片、方框預(yù)成形焊片、金屬化光纖連接焊片、金基焊料、金鍺焊料、金硅焊料、器件封裝焊料、預(yù)涂助焊劑、帶助焊劑焊片、金錫助焊劑、共晶助焊膏、預(yù)置焊片、金錫封裝、箔狀焊片、預(yù)制焊錫片、預(yù)鍍金錫、預(yù)涂金錫

廣州先藝電子科技有限公司是先進(jìn)半導(dǎo)體連接材料制造商、電子封裝解決方案提供商，我們可根據(jù)客戶的要求定制專業(yè)配比的金、銀、銅、錫、銦等焊料合金，加工成預(yù)成形焊片，提供微電子封裝互連材料、微電子封裝互連器件和第三代功率半導(dǎo)體封裝材料系列產(chǎn)品，更多資訊請看85737.com.cn，或關(guān)注微信公眾號“先藝電子”。