AuSn焊料預熱溫度對高功率半導體激光器封裝質量影響的研究

趙梓涵，王憲濤，，王海衛

（1.長春理工大學 機電工程學院，長春 130022；2.長春長理光學精密機械有限公司，長春 130022）

AuSn焊料預熱溫度對高功率半導體激光器封裝質量影響的研究

趙梓涵1，王憲濤1，2，王海衛2

（1.長春理工大學 機電工程學院，長春 130022；2.長春長理光學精密機械有限公司，長春 130022）

為提高高功率半導體激光器封裝質量，對AuSn焊料預熱溫度進行研究。通過分析AuSn焊料共晶原理，建立四組不同預熱溫度的AuSn焊料封裝試驗。通過對比不同預熱溫度下封裝器件的光電參數，光譜特性及SEM檢測效果，對實驗結果進行分析。實驗結果表明AuSn焊料的預熱溫度對高功率半導體激光器封裝質量有重要影響，并得出AuSn焊料預熱溫度在235℃時高功率半導體激光器的封裝質量最為理想。

AuSn焊料；預熱溫度；半導體激光器；封裝質量

近年來高功率半導體激光器憑借其體積小、重量輕、電光轉換效率高、性能穩定和壽命長等優點，已經成為光電行業中最具有發展前途的產品，被廣泛應用于工業、通訊、軍事、醫療和材料處理等領域［1］。隨著半導體材料外延生長技術、量子阱結構優化技術、低歐姆接觸技術、低熱阻和低應力封裝技術的飛速發展，加上半導體激光工業加工應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、體積小的半導體激光器得到了飛速發展，高功率半導體激光器將會發展成為人們生活中不可或缺的東西［2］。

隨著半導體技術的發展，對高功率半導體激光器輸出功率的要求越來越高，但半導體激光器的光學特性、輸出功率以及可靠性等都由半導體激光器封裝質量決定。影響激光器封裝質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，熱沉的結構，焊接的溫度、時間、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行了分析，簡單介紹了AuSn焊接過程［3］。楊揚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焊料的預熱溫度著手，對半導體激光器封裝質量的影響展開分析。

1 焊料設計及不同實驗條件

1.1 過渡熱沉的選擇

半導體激光器采用如圖1所示的C封裝結構，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。設計的AuSn焊料層厚度為5μm，組分是Au80Sn20（質量比），并在上面制備一層0.3μm的Pt防止焊料層的氧化。

圖1 半導體激光器封裝結構

1.2 實驗原理及條件設定

AuSn焊料焊接機理是Sn先融化，然后液態的Sn去溶解固態的Au，并最終在278℃共晶溫度下形成液態的AuSn合金，當溫度低于共晶溫度時發生共晶反應生成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Au組分的重要決定因素，而Sn的融化取決于預熱溫度的選擇。

設定四種不同的預熱溫度進行試驗對比，分別為230℃、235℃、240℃、245℃。采用半自動貼片機進行焊接，工藝條件為：預熱時間5sec，加熱溫度300℃，壓力20g。

2 測試結果與討論

2.1 光電參數

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

表1 808nm-5W半導體激光器光電參數

由表1可看出AuSn焊料的預熱溫度在235℃時，808nm-5W半導體激光器光電參數值最為理想。

2.2 光譜特性

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

其中，ΔEHH(ε)為應變引起的禁帶寬度變化，ε為封裝引入的有源區材料的應變。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中的數值

表2 半導體材料的應變參數

將數值代入（1）式可得

808nm半導體激光器，其激射波長由禁寬度決定，表達式為：［6］

而ΔEHH(ε)是由于熱應變導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

根據胡克（Hooke）定律，在各向同性介質中應力和應變的關系

其中，σ為激光器受到的應力作用，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）聯立可得熱應力與波長漂移關系式為根據公式（6）可以計算出半導體激光器的熱應力。為了測得激光器封裝產生的應力，需要對封裝前后的激光器光譜進行對比。測試條件為25℃，脈沖電流測試，電流為5A，為了比對AuSn焊料預熱溫度對激光器熱應力的影響，本實驗共做了四組比對。

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AuSn焊料預熱溫度為230℃時，封裝后的半導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。根據公式（6）得到封裝后的熱應力為σ1=231MPa。

圖2 AuSn焊料預熱溫度為230℃時光譜曲線對比圖

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AuSn焊料預熱溫度為235℃時，封裝后的半導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。根據公式（6）得到封裝后的熱應力為σ2=169MPa。

圖3 AuSn焊料預熱溫度為235℃時光譜曲線對比圖

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AuSn焊料預熱溫度為240℃時，封裝后的半導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。根據公式（6）得到封裝后的熱應力為σ3=270MPa。

圖4 AuSn焊料預熱溫度為240℃時光譜曲線對比圖

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AuSn焊料預熱溫度為245℃時，封裝后的半導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。根據公式（6）得到封裝后的熱應力為σ4= 307MPa。

圖5 AuSn焊料預熱溫度為245℃時光譜曲線對比圖

根據以上四組數據對比，可以看出AuSn焊料的預熱溫度在235℃時，808nm-5W半導體激光器熱應力值最為理想。

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焊料預熱溫度封裝后的半導體激光器進行焊接效果檢測。

圖6 AuSn焊料預熱溫度230℃時SEM圖

當AuSn焊料預熱溫度為230℃時焊接層剖面如圖6所示，可以看到在焊接層中有細小的空洞。

圖7 AuSn焊料預熱溫度235℃時SEM圖

當AuSn焊料預熱溫度為235℃時焊接層剖面如圖7所示，可以看到焊料層中基本沒有空洞出現。

圖8 AuSn焊料預熱溫度240℃時SEM圖

當AuSn焊料預熱溫度為240℃時焊接層剖面如圖8所示，可以看到在焊接層中空洞變大。

圖9 AuSn焊料預熱溫度245℃時SEM圖

當AuSn焊料預熱溫度為245℃時焊接層剖面如圖9所示，可以看到在焊接層中出現較多的空洞。

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

2.4 討論

通過以上三組測試可以看出激光器封裝質量的好壞與AuSn焊料預熱溫度有著密切的聯系，原因是AuSn焊料焊接時Sn先融化，然后液態的Sn去溶解固態的Au，當預熱溫度不足時，液態Sn無法完全溶解固態的Au，會導致焊接出現空洞，熱應力偏大。當預熱溫度過高時，AuSn發生共晶反應生成AuSn中間相δ（AuSn）和密排六方相ζ（Au5Sn），也會導致焊接出現空洞，熱應力更大，電參數值不理想。以上數據顯示當AuSn焊料預熱溫度為235℃時激光器的封裝效果最為理想。

3 結論

通過對不同AuSn焊料預熱溫度制備的高功率半導體激光器進行試驗對比，發現AuSn焊料預熱溫度對高功率半導體激光器的封裝質量有著密切的關系，并得出AuSn焊料預熱溫度在235℃時高功率半導體激光器的封裝質量最為理想的結論。

［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.高功率單管半導體激光器封裝技術研究［D］.天津：河北工業大學，2013.

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

［4]揚揚，孫素娟，李沛旭，等.燒結溫度對AuSn焊料薄膜及封裝激光器性能的影響［J］.半導體制造技術，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.半導體激光器.第一版［M］.北京：電子工業出版社，2002：1-335.

［7]趙梓涵.808nm高功率半導體激光器封裝技術研究［D］.長春：長春理工大學，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年度吉林省企業技術改造和結構調整（技術創新工程）專項資金

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