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高功率二极管激光器封装的多层焊接技术——InSn合金
发布时间:2018-12-25 丨 阅读次数:134

对于高功率二极管激光器的封装 ,关键在于掌握低热阻技术、低欧姆接触技术以及高效冷却技术 ,以便有效降低芯片工作时废热的积累 ,提高激光器的输出功率和工作寿命。特别是近几年来 ,半导体激光器芯片的生产技术突飞猛进 ,单条连续阵列的输出功率达到 60W ,准连续已到 100W ,热效应对器件的影响随之增大 ,如何将产生的废热及时排出已成为封装工艺的首要问题。而芯片与热沉、冷却器及电极各界面之间联接的热阻和接触电阻对器件有效散热起着重要作用 ,为了获得最小的界面热阻和接触电阻 ,各界面需采用焊接技术连接 ,其中芯片与热沉间的连结最为关键。同时 ,由于芯片本身的条件限制 ,焊接必须采用低温焊料 ,因此选用In 作为芯片与热沉间的第一层焊料 ,温度较低的 In2Sn 合金作为热沉与水冷器间的第二层焊接。

1  焊料分析

通常 ,用于焊接的焊料分为硬焊料和软焊料两种 ,硬焊料具有良好的抗疲劳性和高的热导率。但是 ,硬焊料一般具有较强的弹性形变 ,它可使焊接的两种金属界面因热膨胀不匹配而产生热应力 ;软焊料则具有较好的塑性形变。为了使器件具有良好的散热性 ,主要采用具有高热导率和电导率的无氧铜作为热沉 ,将芯片焊接

到铜热沉上 ,而铜的热膨胀系数为KCu = 1. 78 ×10 - 6mm/ ℃,与二极管芯片的材料砷化镓( GaAs) 的热膨胀系数 KGaAs = 5. 9 ×10 - 6mm/ ℃相差很大 ,这样热膨胀系数的不匹配而产生的应力很容易导致焊层的暗线缺陷 ,甚至会拉裂芯片。因此 ,焊料必须具有低的熔点 ,有效释放应力的能力 ,良好的塑性形变和浸润性等。目前 ,在工业中应用最广泛的软焊料仍是铅锡(Pb2Sn) 合金 ,铅锡合金具有明显的热疲劳性 ,并具有很强的除垢性能。在高温下处于熔化状态时 ,锡快速将芯片表面的金膜完全融解 ,形成 Au2Sn 合金 ,这种“除垢效应”使金、锡快速互熔形成合金 ,可能会影响金膜与芯片间的结合质量。纯 In 作为焊料 ,具有良好的导热性、塑性变形性和热应力释放能力 ,并且与金有良好的浸润性 ,因此选用 In 焊接芯片是一种较为理想的途径。而在次热沉与水冷器间选择了熔点更低的 In2Sn 合金 ,以便进行第二次焊接时 In 焊料不被熔化 ,保证第一次的焊接质量。

2  焊料的制备  

为了防止无氧铜的氧化以及保证良好的焊接性能 ,在热沉上利用溅射镀膜的方式沉积 Ni , Au 多层膜 ,然后在 Au 层上蒸发沉积 In 焊料。由于 In 极易氧化 In 焊料的制备有着特殊的要求 必须对基片进行镀前的清洗处理。为了避免 In 受真空室内残余气体的污染(特别是 In 的氧化) ,获得充分的真空条件 ,使真空室内蒸汽分子的平均自由程远大于蒸距 ,以减少蒸汽分子与其它气体分子碰撞的机会。气体分子的平均自由程为

式中 : p 是气体压强 ; k 为玻尔兹曼常数 ; T 为热力学温度 ; d 为气体分子直径。其碰撞几率

由于镀膜机本身条件限制 ,其极限真空度只能达到 1 ×10 - 5Pa。同时 ,考虑到膜的厚度与蒸距的关系

式中 : h 为膜厚 ; r 为蒸距 ;θ为蒸发源法线与接收面间连线的夹角 ;β为接收面的法线与蒸发方向的夹角 ;ρ为膜材密度 ; m 为蒸发速率。

因此 ,选择蒸距为 55mm 进行镀膜 ,在实验中通过对真空度(工作真空度小于 2 ×10 - 4Pa) 、蒸发温度的控制 ,获得了具有金属光泽、表面均匀的 In 薄膜。经过多次焊接实验得到 ,膜厚度为 7μm 时达到最佳的焊接状态。图 1 为高精密度台阶仪对沉积的 In 焊料进行测量的结果 ,从图 1 中可以看到 ,膜厚 7. 2μm ,均匀性控制在 ±0. 4μm 以内。

3  焊接实验过程

  高功率激光器具有很高的热载 ,为了提高散热效果 ,必须把激光器芯片 P 面向下焊接在铜热沉或水冷器上 ,而这样发光面与焊接面的距离仅为 2μm ,就需要精确控制焊料 In 的厚度、均匀性以及保证精确的焊接温度和准确控制焊接时间。芯片的焊接在惰性气体保护的环境下进行 ,焊接温度为 230 ℃,其过程如图 2 所示。

当In 熔化后 ,熔融的 In 可融解金层 ,从而结晶成为 Au2In 与 Au2In2 等化合物 ,Au2In 合金化合物的熔点比纯 In高 ,这为后面次热沉与水冷器之间的焊接中焊料的选择提供了方便。由于低温焊料 In 的熔点为 157 ℃,次热沉与水冷器之间的焊料可选用熔点较低的 In2Sn (52 %In ,48 %Sn) 合金 ,其熔点为 117 ℃,焊接温度达到 130 ℃时保温 ,使其充分熔解在整个焊接过程中 ,芯片的升温和降温必须是快速的 ,按金相理论 ,加速冷却有利于获得精细致密的晶粒组织结构 ,也有利于形成平滑的接触界面和良好的粘结特性 ,从而达到良好的欧姆接触。

4  焊接质量的检测与分析

  焊接质量一般从两个方面进行检测 :一种是宏观外部结构测试 ,通过高倍显微镜对焊接后的器件观察 ,看焊料是否充分填满了焊接面 ,芯片有没有因匹配不好而拉裂。其焊接状态如图 3 所示。由图 3 可看出 ,焊接状况良好时 ,In 不会溢出污染腔面 ,若焊料太厚 ,溢出的 In 会污染到腔面 ,影响激光器正常发光。另一种是对焊

接内部进行定性的分析 ,由于在焊接过程中可能造成虚焊或局部有气泡 ,从而使局部热阻增大。这种情况极易导致芯片的损坏 ,而显微镜又无法观测到内部情况。因此 ,只有通过激光器运行过程来检测焊接质量 ,首先将检测的样品芯片焊接到一个大热沉上 ,使其散热均匀 ,然后将大热沉安装到一个高效水冷器上 ,水冷器流量015L/ min ,足以排出废热。这样 ,在较高功率的情况下对激光器进行初步老化 ,其老化时间为 50h ,如果器件因焊接不良而造成局部热阻增大 ,在初步老化时间内 ,其功率就会迅速下降 ,严重的可能会造成器件局部损坏而不能发光。同时 ,

光谱线也会由于散热不均导致部分波长漂移 ,从而出现多峰或谱宽加宽的现象。对封装的10 个样品进行了测试 ,其光谱如图 4 所示。

 从光谱图 4 可以看到 ,谱线半高宽都小于 3nm ,未出现多个峰值的现象 ,经过初步老化的样品 ,功率保持不变。因此可以断定 ,激光器散热均匀 ,焊接良好。这表明 ,采用纯 In 作为焊料 ,达到了焊接要求 ,并且得到了较为可靠的焊接质量 ,为以后更高功率激光器的焊接提供了一种可行方案。

5  结 论

  通过对封装工艺中焊接技术的研究得到 :制备 In 膜时的蒸距为 55mm ,工作真空压强小于 2 ×10 - 4Pa 时可抑制 In 的氧化 ,In 膜的厚度控制在 7μm 左右时 ,达到良好的焊接状态。利用 In2Sn 合金作为第二层焊料焊接时 ,焊接温度较低(130 ℃左右) ,不会影响到第一层芯片与热沉的焊接 ,利用多层焊接技术减小了界面热阻和接触电阻 ,这为下一步更高功率面阵封装技术中的多层焊接技术提供了参考依据。


转自:第 5 期 强 激 光 与 粒 子 束 Vol. 15 ,No. 5



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