高功率藍光半導體激光器的封裝研究

轉自：SLP老張

1、引言

GaN基材料是一種直接帶隙發(fā)光材料，由于其具有高禁帶寬度、高熱導率、高電子遷移率等特點，所以在各種電子器件和光電器件中應用十分泛 、也吸引了越來越多科學工作者對其展開研究。與氮化鎵基發(fā)光二極管（LightEmittingDiode，LED）相比，氮化鎵基激光器（LaserDiode，LD）的方向性好、亮度高、顏色純，在激光加工、激光顯示、激光醫(yī)療 、高密度光學、數(shù)據(jù)存儲、海洋資源、大氣探測以及水下通訊等方面有著巨大的應用前景。但是高功率藍光半導體激光器的研制難度非常大，研究過程主要有兩個環(huán)節(jié)：半導體激光器芯片的生產(chǎn)技術和封裝技術。因為封裝質量對器件的輸出功率、光束質量、壽命影響巨大，所以封裝技術需要解決器件在工作時散熱差的問題和巴條與熱沉由于熱膨脹系數(shù)不匹配帶來的應力問題。
      目前國內外在高功率單管藍光半導體激光器的封裝技術研究上都取得了一定的成績。2020年NICHIA公司，采用TO90的封裝方式，成功制備波長455nm、連續(xù)工作條件下輸出光功率5.67W的單管藍光半導體激光器。2022年，中國科學院蘇州納米所通過優(yōu)化封裝結構，采用雙面封裝的方式，成功制備了熱阻為6.7K/W，在工作電流6A的情況下，室溫連續(xù)工作光輸出功率7.5W的單管藍光半導體激光器。對于藍光半導體激光器巴條封裝技術的研究，國外的研究機構主要有OSRAM、LASERLINE等。2020年OSRAM設計并優(yōu)化了藍光半導體激光器巴條芯片，通過主動冷卻的封裝方式，獲得了50W的輸出光功率，斜率效率約為1.9A/W。而國內對巴條的研究主要集中在以砷化鎵為代表的近紅外波段 8xxnm和 9xxnm系列的半導體激光器，藍光半導體激光器巴條的研究還未見報道。所以目前要獲得高功率、高亮度的藍光半導體激光器主要還是通過串聯(lián)多個單管芯片，采用空間合束、偏振合束、光纖耦合等方式來提高輸出功率。對比單巴條、多巴條線陣和面陣輸出，多單管耦合輸出不僅增大了工藝難度，提高了生產(chǎn)成本，同時也對散熱也提出了更高的要求。因此對藍光半導體激光器單巴條的封裝技術展開研究是非常有意義的。
     利用金錫硬焊料將藍光半導體激光芯片共晶鍵合在銅鎢過渡熱沉，通過 優(yōu)化焊接溫度、焊接壓力及焊接時間獲得最優(yōu)的貼片條件，在此條件下封裝的器件，熱阻最低，閾值電流最小，電光轉換效率最高。

2、實驗

2. 1 封裝結構
     與單管激光器相比，目前單巴條激光器的封裝結構主要有三種結構，如圖1所示［15-16］：微通道液體冷卻（Micro-ChannelCooling，MCC）和宏通道液體冷卻（Macro-ChannelCooling，MaCC）、傳導冷 卻半導體激光器（Conduction-cooled Semi?conductor laser，CS）。MCC和MaCC器件從外觀上來看，并無區(qū)別，上中下層分別都是負極、絕緣層、正極，主要區(qū)別則是MCC正極熱沉中通道散熱不同。如圖1（d）所示，MCC器件正極熱沉是由五層非常薄的銅箔制成，而MaCC器件正極熱沉為一片銅，前者的散熱效率遠高于后者，可以在高占空比或者高功率條件下工作，后者則在低占空比或者較低功率下工作。CS器件與前兩者相比結構較簡單，如圖1（c）所示，它主要是依靠底座熱沉進行冷卻傳導散熱，底座熱沉通常為銅，為了提高其散熱能力，CS 器件的熱沉尺寸比激光器芯片的尺寸要大，本文選擇的封裝形式為CS結構。

      對于半導體激光器的封裝技術而言，焊料的選擇非常重要。常用軟焊料主要有銦焊料、錫膏等；硬焊料主要有金錫合金焊料。本文所選用的硬焊料是預制在過渡熱沉上的Au80Sn20焊料（熔點280℃）、軟焊料則使用的是Sn96.5Ag3.0Cu0.5（SAC305，熔點217~227℃）。SAC305 無 鉛 錫膏的熱導率為67W/m·K，銦焊料的熱導率為83.7W/(m.K)，雖然前者的熱導率比后者低，但是前者的濕潤性比后者好，且焊后焊點空洞率低，有著優(yōu)良的可靠性。

      高功率半導體激光器在工作時，有源區(qū)會產(chǎn)生大量的熱，如果不及時將熱量傳導出去，那么將會降低器件的輸出功率，縮短器件的使用壽命，因此實驗使用熱導率高的銅合金作為散熱熱沉；同時還應該考慮芯片與熱沉的熱膨脹系數(shù)匹配程度。實驗所使用的氮化鎵基藍光半導體激光器巴條具有21個發(fā)光單元，每個發(fā)光單元的發(fā)光寬度為30μm，填充因子為7.5%，腔長1.2mm，前后腔面分別鍍增透膜和高反膜。氮化鎵的熱膨脹系數(shù)為5.59×10-6/K，W90Cu10合金熱沉膨脹系數(shù)為6.5×10-6/K，兩者差異不大，因此選擇W90Cu10合金作為過渡熱沉，可減少熱失配帶來的熱應力，由于實驗使用的Au80Sn20（熱膨脹系數(shù)為16×10-6/K）焊料是預制在銅鎢過渡熱沉上，厚度比較薄而且具有很好的延展性，可以釋放部分殘余應力，所以焊料與芯片之間熱膨脹系數(shù)不匹配帶來的應力可以忽略不計。器件封裝結構如圖2所示，從上到下依次為負極熱沉、AlN絕緣片 、氮化鎵基藍光巴條、預制Au80Sn20焊料的銅鎢過渡熱沉、SAC305無鉛錫膏、銅熱沉。

2.2　真空共晶回流工藝
采用貼片機，在氮氣氛圍、貼片壓力相同的情況下，設置310 ℃，320 ℃，330 ℃三個溫度進行貼片，預熱溫度設置為220 ℃，快速升溫速率為
6 ℃/s，焊接時間為40 s，共晶真空回流曲線如圖3所示。芯片與熱沉之間的焊接質量，不但會影響器件的散熱性能，而且會降低器件的使用壽命，影響器件的可靠性。

3 器件測試與分析
3.1　SEM檢測
        SEM，全稱掃描電子顯微鏡，它的工作原理是用細聚焦的電子束轟擊樣品表面，通過電子與樣品相互作用產(chǎn)生二次電子、背散射電子等對樣
品斷口形貌進行觀察和分析。本文使用SEM對芯片焊料層進行表征，意義在于觀看不同焊接溫度對芯片焊接層的焊接質量。如果焊接質量良好，那么焊料應該完全融化，過渡熱沉與激光器巴條充分浸潤，且焊料層均勻沒有空洞產(chǎn)生。圖4為在SEM檢測下的AuSn焊料形貌圖，其中：圖4（a）~4（c）分別對應同樣的焊接壓力下，焊接溫度為310 ℃，320 ℃，330 ℃三個樣品的形貌圖。

      由圖可以看出，在320 ℃條件下，焊料表面光滑，均勻致密且沒有空洞出現(xiàn)；在310 ℃條件下，由于金錫原子擴散不均勻，融化不充分，表面起伏較大，并且產(chǎn)生了空洞；而在330 ℃條件下，由于合金在高溫下不斷生長，最終形成了較大尺寸的樹枝晶，最終導致焊料層出現(xiàn)大的顆粒，形成粗糙的表面形貌。因此貼片機的焊接溫度設置為320 ℃是合適的。

3.2 熱阻
     在3.1節(jié)中，通過對芯片進行SEM檢測，對樣品的形貌進行了分析，發(fā)現(xiàn)貼片溫度太高或者太低都會導致焊料層出現(xiàn)較大的顆粒，從而形成粗糙的表面，使得器件產(chǎn)生空洞。因此，在接下來的實驗當中，主要對焊接溫度為320 ℃的時候，對不同焊接壓力及焊接時間下的樣品進行測試分析。焊接壓力與焊接時間是影響高功率半導體激光器焊接質量的重要因素，對不同焊接壓力及焊接時間下封裝的高功率藍光半導體激光巴條，進行熱阻的測量。

     通過測量半導體激光器熱阻的大小可以評價封裝的好壞，目前測試激光器熱阻的方法主要有結電壓法、熱繪儀法，波長紅移法等。本文使用波長紅移法來測藍光半導體激光巴條的熱阻。激光器熱阻可以表示為Rth，根據(jù)熱阻的定義：耗散單位熱功率引起的溫升，可用公式（1）來表示：

其中：k為芯片的波長漂移系數(shù)，U1，I1，P1，U2，I2，P2分別為樣品的兩組光電參數(shù)，其中I2＞I1，λ2，λ1分別對應注入電流I2和I1時的波長。

     使用波長漂移法測量激光巴條的熱阻。當焊接溫度為320 ℃、焊接時間為40s時，分別記錄焊接壓力為0.3N，0.5N，0.7N，熱沉溫度分別30℃，35℃，40℃，45℃，50℃時，在10A工作電流條件下，激光器波長的變化，測試結果經(jīng)過Origin擬合處理后如圖5所示，計算可得不同焊接壓力下該激光器的波長漂移系數(shù)分別為：0.064nm/℃，0.060nm/℃，0.088nm/℃。

      為了測量激光器熱阻，同時減少實驗誤差，對焊接壓力為0.3N的樣品分別在熱沉溫度設定為30℃，35℃，40℃時，測試并記錄兩組光電參數(shù)及光譜，具體如表1所示。

      結合式（1）計算可得出焊接壓力為0.3N時熱沉溫度為30℃，35℃，40℃時的Rth分別為0.978℃/W，0.950℃/W，0.863℃/W，再取平均值，得出該激光器的熱阻為0.930℃/W。同理可測出焊接壓力分別為0.5N，0.7N時，對應不同熱沉溫度下的兩組光譜光電參數(shù)，計算可得出在焊接壓力為0.5N和0.7N時，激光器的熱阻分別為0.565℃/W，0.575℃/W。由此可知，當焊接溫度與時間一定時，貼片壓力設置在0.5N時，器件的熱阻較低。

       進一步，為研究不同焊接時間對藍光半導體激光器巴條熱阻的影響，在焊接溫度為320℃，焊接壓力為0.5N的情況下，設定五組焊接時間參數(shù)分別為10s，20s，30s，40s，50s進行貼片并測試封裝后器件的熱阻，測試過程同上，最后通過計算得出不同焊接時間與器件熱阻的關系如圖6所示。

       由圖6可知，當焊接溫度與壓力一致時，焊接時間在10s，20s的時候熱阻比較大，主要原因可能是在320℃的時候，即使已經(jīng)達到Au80Sn20焊料的共晶溫度點，但是較短的焊接時間使得焊料未充分融化擴散或流動浸潤，金錫合金未形成均勻的共晶組織，導致巴條與熱沉之間存在空氣間
隙，從而增大了器件的熱阻；而焊接時間在40s時，測得的熱阻最低0.565 ℃/W；隨著焊接時間的延長，在焊接時間為50s時，器件熱阻明顯增大，這是由于長時間的保溫，金錫合金在再結晶溫度附近會發(fā)生再結晶現(xiàn)象，導致晶粒長大，焊料表面變得粗糙，快速冷卻從而引入殘余內應力。

   由上述實驗可知，使用貼片機對藍光半導體激光器巴條進行封裝的合適焊接壓力為0.5N、焊接時間為40s。

3.3 工作特性
     考慮焊接溫度、焊接壓力、焊接時間對高功率藍光半導體激光器巴條的輸出功率、閾值電流等性能影響，對焊接溫度為320℃、焊接時間為40s，焊接壓力分別為0.3 N，0.5 N，0.7 N的樣品進行光電參數(shù)測量。測試條件為底座熱沉通過水冷機控制溫度為16 ℃，在注入電流0~30 A時，記錄樣品的電壓、功率等數(shù)據(jù)，通過Origin繪圖軟件處理后，樣品的光電曲線如圖7所示。

      從圖7可以看出，當焊接溫度與焊接時間一定時、焊接壓力為0.3N時，器件的閾值電流最低為5.5A，輸出光功率平均為27.14W，光電轉換效率最高為19.9%；焊接壓力為0.5N時，器件的閾值電流最低為4.9A，輸出光功率平均為32.21W，光電轉換效率23.3%；而當焊接壓力為0.7N的時候，閾值電流、輸出光功率與光電轉換效率均有下降。這表明，焊接溫度與焊接時間一定時，焊接壓力太小會導致合金晶粒擴散不均勻，產(chǎn)生大量空洞，熱阻變大，這與3.2熱阻測試的結果一致。而當焊接壓力過大時，在高溫下會引入壓應力，從而導致器件的光電性能出現(xiàn)下降的現(xiàn)象，這與文獻關于半導體激光器芯片封裝的應力研究一致。

4  結論
    主要研究了金錫硬焊料及銅鎢過渡熱沉封裝高功率藍光半導體激光器巴條的熱阻及輸出特性，通過實驗優(yōu)化了貼片機的工藝參數(shù)，分析了不同焊接溫度、不同焊接壓力，不同焊接時間對燒結質量以及器件輸出特性的影響。使用波長漂移法測量并分析了器件的熱阻，在焊接溫度為320℃、焊接壓力0.5N、焊接時間為40s的時候，器件的熱阻最低為0.565℃/W。為了進一步驗證器件的性能，還測試了藍光半導體激光器巴條的光電參數(shù)，在注入電流為30A時，閾值電流最小為4.9A，輸出光功率最高為32.21W，最高光電轉換效率達到了23.3%。該結果表明，金錫硬焊料及銅鎢過渡熱沉封裝高功率藍光半導體激光器巴條可以實現(xiàn)高功率的藍光激光輸出，這為以后研究更高功率的藍光半導體激光器提供了參考價值。

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