焊料體系對高功率半導(dǎo)體激光器性能的影響

轉(zhuǎn)自：半導(dǎo)體封裝工程師之家

作者：房玉鎖，李成燕，牛江麗，王媛媛，任永學(xué)，安振峰

（中國電子科技集團(tuán)公司第十三研究所）

摘要：

本文主要研究了808nm 高功率半導(dǎo)體激光器采用In焊料和AuSn焊料封裝器件，對器件光電參數(shù)以及工作壽命的影響。結(jié)果顯示In焊料封裝器件功率高于AuSn焊料封裝器件，In焊料封裝器件波長比AuSn焊料封裝器件短。而在工作壽命方面，AuSn焊料封裝器件占有明顯優(yōu)勢，經(jīng)過500小時老化，結(jié)果顯示In焊料封裝器件功率退化嚴(yán)重，而AuSn焊料封裝器件功率穩(wěn)定。

高功率半導(dǎo)體激光器陣列具有體積小、重量輕、壽命長、效率高等優(yōu)點(diǎn)，既可用作固體激光的泵浦源，又可直接作為光源用于材料處理，在諸多領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。用于激光加工行業(yè)的商用高功率半導(dǎo)體激光器陣列基本單元是cm-bar，其連續(xù)功率一般為60W ～ 100W，準(zhǔn)連續(xù)功率為100W ～ 300W。808nm半導(dǎo)體激光器的電光轉(zhuǎn)換效率大概為50%，也就是說激光器工作時產(chǎn)生與光功率同等數(shù)值的熱量，這對激光器熱處理能力提出較高要求。芯片燒結(jié)質(zhì)量直接影響到激光器的散熱能力，進(jìn)而影響器件的可靠性，高可靠性決定半導(dǎo)體激光器能否真正商業(yè)化應(yīng)用。

中低功率半導(dǎo)體激光器主要采用In焊料封裝，In焊料有著軟焊料的明顯優(yōu)點(diǎn) ：熔點(diǎn)低，可以低溫?zé)Y(jié) ；硬度小，較容易緩沖封裝所產(chǎn)生的應(yīng)力。但是銦焊料大功率器件下長期可靠性存在問題，針對這個問題本文展開金錫焊料封裝研究。

1?器件制作

1.1 ? 焊料體系設(shè)計(jì)

Au80Sn20焊料共晶溫度280℃，溫度較低，易于芯片燒結(jié)。 Au80Sn20最終態(tài)為Au、AuSn和Au5Sn。Au的熔點(diǎn)1064℃，AuSn熔點(diǎn)419℃，Au5Sn熔點(diǎn)521℃。三種形態(tài)均有著較高熔化溫度，性能較穩(wěn)定，器件長期工作焊料性能不易發(fā)生退化。

Au80Sn20較銦焊料最大特點(diǎn)是硬度較高，焊料抗拉強(qiáng)度276MPa，不容易緩沖燒結(jié)時產(chǎn)生的應(yīng)力，所以器件封裝需要考慮熱膨脹系數(shù)匹配關(guān)系。表1為可用于半導(dǎo)體激光器封裝的常用熱沉材料的參數(shù)表。

芯片是GaAs材料，其熱膨脹系數(shù)為6.5*10 -6 /℃。表2中Cu10W90材料熱膨脹系數(shù)與GaAs相近。我們選用鎢銅材料做金錫焊料器件的熱沉，減少封裝應(yīng)力。銦焊料封裝激光器選用銅熱沉，銅熱沉熱導(dǎo)率高，雖然熱膨脹系數(shù)與GaAs熱膨脹系數(shù)相差較大，但銦焊料較軟可以很好的緩沖應(yīng)力。

1.2 ? 熱沉制作

為了滿足器件100W大功率連續(xù)工作的散熱要求，熱沉需要采用微通道熱沉散熱方式。如圖2熱沉由五層熱沉片焊接而成組成，內(nèi)部有微通道鋸齒結(jié)構(gòu)，兼顧微通道散熱效率和散熱功率。利用有限元分析軟件Abaqus模擬處環(huán)境溫度25℃，100W熱量模擬計(jì)算兩種微通道熱沉器件溫度分布圖3，可以看出銅熱沉器件最高溫度49℃，鎢銅熱沉器件最高溫度56℃，計(jì)算出熱阻分別為0.24K/W，0.31 K/W。

1.3 ? 芯片制作

利用低壓金屬有機(jī)氣相外延（LP-MOCVD）工藝，生長出應(yīng)變量子阱大光腔激光器外延片。應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)主要降低閾值電流密度，大光腔結(jié)構(gòu)主要是降低腔面功率密度以及減小腔內(nèi)光吸收損耗。量子阱采用AlGaInAs材料， 波導(dǎo)層和限制層采用AlGaAs材料。外延層結(jié)構(gòu)見圖4-a。

生長好的外延片通過光刻、鈍化、金屬化、減薄等工藝，做成發(fā)光區(qū)寬度100um，在填充因子50%的圓片（見圖4-b），再將圓片解理成2mm腔長的激光器bar條，前后腔面分別鍍增透膜和高反膜，最后制作成長度25px的bar條，每個bar條包含47個發(fā)光點(diǎn)。

1.4 ? 器件封裝

銦焊料采用蒸發(fā)，Au80Sn20采用電鍍獲得，對于銦焊料和金錫焊料選用不同溫度燒結(jié)曲線。貼片時要求芯片與熱沉邊緣平齊，防止芯片縮進(jìn)熱沉導(dǎo)致焊料擋光，也要防止芯片突出較大，導(dǎo)致散熱不良，降低器件可靠性。

2?器件測試及分析

封裝完成的器件進(jìn)行進(jìn)行測試輸出功率，連續(xù)電流110A，冷卻水溫度25℃，測試結(jié)果見表3，從中可以看出銅熱沉器件平均功率比鎢銅熱沉器件高2.6W，平均波長短2.1nm。這是由于兩種材料熱沉熱阻不同引起的。上述兩種熱沉的熱阻分別為0.24K/W、0.31 K/W，按照100W熱量計(jì)算芯片結(jié)溫相差7℃。測試兩種器件波長相差2.1nm，按照波長溫漂系數(shù)0.26nm/℃，兩者結(jié)溫相差7.7℃，與理論值相符。

隨著溫度升高電流閾值會升高，量子效率均會降低，利用公式：

代入T 0 =150K，I th =21A,T1=321K，T2=329K代入得到了兩溫度下功率之差為3.1W與測試數(shù)值2.6W相符。說明兩種器件功率之差是由芯片結(jié)溫引起的。

3?器件老化及分析

經(jīng)過連續(xù)電流110A，溫度25℃，500小時老化，詳細(xì)曲線如圖5。銦焊料封裝器件多數(shù)失效 ，而金錫焊料封裝器件功率較穩(wěn)定，變化率在5%以內(nèi)。

觀察分析兩種器件，銦焊料器件芯片側(cè)面出現(xiàn)焊料發(fā)生攀爬現(xiàn)象，導(dǎo)致漏電 ；且熱沉表面銦焊料嚴(yán)重退化。而金錫焊料器件沒有兩種問題。銦焊料器件芯片有燒毀現(xiàn)象是因?yàn)殚L時間工作，高溫高熱作用下，焊接層銦焊料疲勞退化形成空洞，熱阻增加，芯片溫度升高，產(chǎn)生更多廢熱，形成惡性循環(huán)最終因過熱造成燒毀。

對銦焊料封裝器件芯片有源區(qū)進(jìn)行俄歇電子能譜儀AES深度分析。用Ar離子把芯片腔面表面一定厚度的表面層濺射掉，然后再用AES（電子束）分析剝離后的表面元素含量。分析結(jié)果如圖7所示，圖中點(diǎn)具體是元素的原子數(shù)比例。

圖中黑色曲線是未失效激光器，紅色曲線是是失效激光器。明顯看出失效器件比未失效器件芯片腔面附件氧元素和鋁元素隨深度逐漸減少，而銦元素隨深度逐漸增加。說明銦焊料已經(jīng)浸淹到腔面氧化鋁膜層中，導(dǎo)致器件功率退化、失效。

4?結(jié)論

利用銦和銅熱沉、金錫和鎢銅熱沉制作出微通道單條激光器，進(jìn)行測試和老化，對失效器件進(jìn)行分析研究。銦焊料封裝器件光功率高于金錫焊料封裝器件光功率，銦焊料封裝器件波長比金錫焊料封裝器件波長短，這是由于鎢銅熱沉熱導(dǎo)率低于銅熱沉熱導(dǎo)率所致。銦焊料封裝器件長期可靠性較差，焊料容易發(fā)生蠕變攀爬到芯片側(cè)面漏電，引起激光器功率。銦焊料還容易退化，在焊料層內(nèi)部形成空洞，器件繼續(xù)工作芯片會燒毀失效。深入分析激光器芯片腔面附近元素組成，發(fā)現(xiàn)銦焊料已經(jīng)浸淹到腔面膜層中，引起激光器功率降低失效。

金錫焊料封裝器件在經(jīng)過500小時老化后功率較穩(wěn)定，降低5%左右。對于高功率微通道半導(dǎo)體激光器在長期可靠性方面，金錫焊料比銦焊料有著較大優(yōu)勢。

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