淺談大功率半導(dǎo)體激光器列陣封裝技術(shù)

徐萌萌+尉潔

摘 要：現(xiàn)如今，科學(xué)和信息技術(shù)高速發(fā)展，大功率半導(dǎo)體激光器列陣在工業(yè)、軍事、醫(yī)療等諸多領(lǐng)域都有重要的應(yīng)用。大功率半導(dǎo)體激光器陣列可廣泛用于激光加工、激光測(cè)距、激光存儲(chǔ)、激光顯示、激光照明、激光醫(yī)療等。半導(dǎo)體激光芯片外延生長技術(shù)大功率半導(dǎo)體激光器的發(fā)展與其外延芯片結(jié)構(gòu)的研究設(shè)計(jì)緊密相關(guān)。近年來，美、德等國家在此方面投入巨大，并取得了重大進(jìn)展。對(duì)大功率半導(dǎo)體激光器陣列封裝技術(shù)的研究，可以增大器件性能和轉(zhuǎn)換效率，具有重大意義。

關(guān)鍵字：“大功率”；“半導(dǎo)體激光器”；“列陣”；“激光”；“芯片”

1 管芯（bar）封裝

在半導(dǎo)體激光器列陣的封裝過程中，管芯封裝管芯封裝的好壞直接關(guān)系到管芯的導(dǎo)電、導(dǎo)熱、焊接強(qiáng)度等。這個(gè)封裝過程對(duì)半導(dǎo)體激光器列陣壽命和可靠性有巨大影響。在封裝過程中，焊料與其它金屬層生成的金屬間化合物、焊料燒結(jié)過程中產(chǎn)生的空洞等對(duì)焊料性能有很大影響，焊料是管芯的導(dǎo)電導(dǎo)熱通道，焊料性能的好壞直接影響到管芯的工作，影響半導(dǎo)體激光器列陣的壽命和可靠性。

在半導(dǎo)體激光器列陣的制作過程中，管芯上要制作Ti/Pt/Au、Au/Ge/Ni等歐姆接觸層，無氧銅上要鍍Ni和Au。金屬之間會(huì)生成復(fù)雜的金屬間化合物（IMC），對(duì)bar的封裝有較大影響。半導(dǎo)體激光器列陣在工作時(shí)，熱沉提供良好的散熱條件。但大功率半導(dǎo)體激光器列陣產(chǎn)生的熱量很大，管芯溫度仍然很高。這種情況下合金焊料各成分之間、焊料和芯片上的金屬層之間存在擴(kuò)散現(xiàn)象，產(chǎn)生IMC，由于IMC在列陣存放和工作時(shí)的過度生長和熱疲勞，會(huì)對(duì)焊料結(jié)的可靠性產(chǎn)生不利的影響。由于IMC易碎的特性會(huì)使焊料焊接處機(jī)械強(qiáng)度變?nèi)趸驅(qū)е陆缑娴姆謱印Ｋ鼈儗?duì)激光器的壽命和可靠性會(huì)產(chǎn)生影響。

2 焊料空洞

半導(dǎo)體激光器列陣的封裝中，用于管芯（bar）焊接的焊料的選取與制備過程是極其關(guān)鍵的問題。因?yàn)楹噶现苯雍凸苄窘佑|，是管芯和熱沉之間的導(dǎo)電和導(dǎo)熱通道。半導(dǎo)體激光器列陣工作時(shí)電流可高達(dá)100A。這些電流通過焊料流入管芯，而通過的橫截面只有1mm×10mm。焊料要承受很高的電流密度，要求焊料有好的導(dǎo)電性、抗電遷移性。半導(dǎo)體激光器列陣熱能散出的通道也是焊料，所以焊料要有良好的導(dǎo)熱性和抗熱遷移性。熱量不能及時(shí)地傳導(dǎo)出去，就會(huì)積聚在焊料附近，產(chǎn)生大的溫度梯度而發(fā)生熱遷移，在焊料中產(chǎn)生空洞，嚴(yán)重影響了焊料的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性，使列陣管芯溫度升高。如果使用低溫焊料，熱量過多地聚集在焊料上會(huì)導(dǎo)致焊料熔化，使管芯脫離熱沉而損毀激光器。所以，焊料要有好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、抗電遷移、抗熱遷移能力，在焊料制備過程中要盡量減少空洞和裂隙的產(chǎn)生，空洞和裂隙會(huì)影響管芯焊接強(qiáng)度，影響焊料的導(dǎo)電導(dǎo)熱。

焊料在燒結(jié)過程中產(chǎn)生的空洞對(duì)列陣的壽命和可靠性有很大影響。空洞影響焊料的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，熱量會(huì)在空洞附近聚集，影響列陣的散熱，使管芯的溫度升高。在燒結(jié)的過程中，當(dāng)焊料變成液體時(shí)，這些物質(zhì)就會(huì)在焊料表面形成一層固體膜，會(huì)阻止焊料和管芯的鍵合。所以，在大功率半導(dǎo)體激光器列陣封裝過程中，研究空洞和列陣壽命及可靠性的關(guān)系是一項(xiàng)有意義的工作。

3 半導(dǎo)體激光器的封裝

在半導(dǎo)體激光器列陣的封裝過程中，bar的封裝是最關(guān)鍵的封裝步驟，bar封裝的好壞關(guān)系到整個(gè)封裝的成敗。bar的封裝質(zhì)量直接關(guān)系到列陣的壽命。在這個(gè)過程中，封裝直接影響bar的散熱、導(dǎo)電、焊接強(qiáng)度等。焊料的選擇、制作過程、封裝過程都是值得研究的問題。在半導(dǎo)體激光器列陣的封裝中，用于封裝的焊料與管芯、熱沉?xí)蓮?fù)雜的IMC。金錫焊料各成分之間也會(huì)生成IMC。在封裝過程中形成的IMC及焊料本身的一些其它問題，會(huì)在焊料中產(chǎn)生空洞和裂隙。

研究bar封裝時(shí)焊料中空洞和裂隙的形成原因與發(fā)展變化過程，研究焊料中的空洞與列陣壽命和可靠性的關(guān)系。觀察空洞的發(fā)展變化情況，分析空洞周圍成分與其它部位成分的差異，研究空洞的成因。通過對(duì)空洞引起的電流大小及分布的變化、導(dǎo)熱性、浸潤性、焊接強(qiáng)度的變化等的分析，研究空洞對(duì)焊料性能的影響。尋找合適的方法抑制空洞和裂隙的形成，減少對(duì)列陣的危害，提高列陣的可靠性。

4 結(jié)束語

在科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展的今天，研究大功率半導(dǎo)體陣列封裝技術(shù)具有切實(shí)可行的意義。大功率半導(dǎo)體激光器列陣可直接用于軍事領(lǐng)域，如激光引信、激光測(cè)距、激光通信、激光照明等。大功率半導(dǎo)體激光器列陣可以取代傳統(tǒng)的加工手段，直接應(yīng)用于材料的微區(qū)熱處理、精密焊接。大功率半導(dǎo)體激光器列陣在高速印刷領(lǐng)域可以取代傳統(tǒng)的鹵素?zé)艄庠矗瑝勖鼤?huì)更高、可靠性更好，并且有利于環(huán)境保護(hù)和適用于現(xiàn)代的高分辨率圖像的印刷。

參考文獻(xiàn)

1. Goran S. Matijasevic， Chen Y. Wang， Chin C. Lee.Void free bonding of large silicon dice using gold-tin alloys.IEEE Transactions on Components and Manufacturing Technology， 1990，32（4），1128-1134.

2.Lakhi Goenka and Achyuta Achari. Void formation in flip-chip solder bumps-partⅠ. IEEE/CPMT Intl Electronics Manufacturing Technology Symposium ，1995，14-19.

3.王鐵兵，施建中，謝曉明. Au/In等溫凝固焊接失效模式研究. 功能材料與器件學(xué)報(bào)， 2001，7（1）， 85-89.

4.Zirong Tang， Frank G.Shi. Effects of preexisting voids on electromigration failure of flip chip solder bumps.Microelectronics Journal 32， 2001，605-613.

5.劉恩科，朱秉生，羅晉生，半導(dǎo)體物理學(xué)，北京，電子工業(yè)出版社，2008

作者簡介

徐萌萌（1997-），女，漢族，鄭州大學(xué)物理工程學(xué)院電子科學(xué)與技術(shù)2014級(jí)學(xué)生。

尉潔（1996-），女，漢族，鄭州大學(xué)物理工程學(xué)院測(cè)控技術(shù)與儀器2014級(jí)學(xué)生。