淺談大功率半導體激光器列陣封裝技術

徐萌萌+尉潔

摘 要：現如今，科學和信息技術高速發展，大功率半導體激光器列陣在工業、軍事、醫療等諸多領域都有重要的應用。大功率半導體激光器陣列可廣泛用于激光加工、激光測距、激光存儲、激光顯示、激光照明、激光醫療等。半導體激光芯片外延生長技術大功率半導體激光器的發展與其外延芯片結構的研究設計緊密相關。近年來，美、德等國家在此方面投入巨大，并取得了重大進展。對大功率半導體激光器陣列封裝技術的研究，可以增大器件性能和轉換效率，具有重大意義。

關鍵字：“大功率”；“半導體激光器”；“列陣”；“激光”；“芯片”

1 管芯（bar）封裝

在半導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系到管芯的導電、導熱、焊接強度等。這個封裝過程對半導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、焊料燒結過程中產生的空洞等對焊料性能有很大影響，焊料是管芯的導電導熱通道，焊料性能的好壞直接影響到管芯的工作，影響半導體激光器列陣的壽命和可靠性。

在半導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。金屬之間會生成復雜的金屬間化合物（IMC），對bar的封裝有較大影響。半導體激光器列陣在工作時，熱沉提供良好的散熱條件。但大功率半導體激光器列陣產生的熱量很大，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散現象，產生IMC，由于IMC在列陣存放和工作時的過度生長和熱疲勞，會對焊料結的可靠性產生不利的影響。由于IMC易碎的特性會使焊料焊接處機械強度變弱或導致界面的分層。它們對激光器的壽命和可靠性會產生影響。

2 焊料空洞

半導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鍵的問題。因為焊料直接和管芯接觸，是管芯和熱沉之間的導電和導熱通道。半導體激光器列陣工作時電流可高達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，要求焊料有好的導電性、抗電遷移性。半導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熱性和抗熱遷移性。熱量不能及時地傳導出去，就會積聚在焊料附近，產生大的溫度梯度而發生熱遷移，在焊料中產生空洞，嚴重影響了焊料的導熱性和導電性，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導致焊料熔化，使管芯脫離熱沉而損毀激光器。所以，焊料要有好的導電性、導熱性、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生，空洞和裂隙會影響管芯焊接強度，影響焊料的導電導熱。

焊料在燒結過程中產生的空洞對列陣的壽命和可靠性有很大影響?？斩从绊懞噶系膶щ娦院蛯嵝?，熱量會在空洞附近聚集，影響列陣的散熱，使管芯的溫度升高。在燒結的過程中，當焊料變成液體時，這些物質就會在焊料表面形成一層固體膜，會阻止焊料和管芯的鍵合。所以，在大功率半導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系是一項有意義的工作。

3 半導體激光器的封裝

在半導體激光器列陣的封裝過程中，bar的封裝是最關鍵的封裝步驟，bar封裝的好壞關系到整個封裝的成敗。bar的封裝質量直接關系到列陣的壽命。在這個過程中，封裝直接影響bar的散熱、導電、焊接強度等。焊料的選擇、制作過程、封裝過程都是值得研究的問題。在半導體激光器列陣的封裝中，用于封裝的焊料與管芯、熱沉會生成復雜的IMC。金錫焊料各成分之間也會生成IMC。在封裝過程中形成的IMC及焊料本身的一些其它問題，會在焊料中產生空洞和裂隙。

研究bar封裝時焊料中空洞和裂隙的形成原因與發展變化過程，研究焊料中的空洞與列陣壽命和可靠性的關系。觀察空洞的發展變化情況，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。通過對空洞引起的電流大小及分布的變化、導熱性、浸潤性、焊接強度的變化等的分析，研究空洞對焊料性能的影響。尋找合適的方法抑制空洞和裂隙的形成，減少對列陣的危害，提高列陣的可靠性。

4 結束語

在科學技術高速發展的今天，研究大功率半導體陣列封裝技術具有切實可行的意義。大功率半導體激光器列陣可直接用于軍事領域，如激光引信、激光測距、激光通信、激光照明等。大功率半導體激光器列陣可以取代傳統的加工手段，直接應用于材料的微區熱處理、精密焊接。大功率半導體激光器列陣在高速印刷領域可以取代傳統的鹵素燈光源，壽命會更高、可靠性更好，并且有利于環境保護和適用于現代的高分辨率圖像的印刷。

參考文獻

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. 功能材料與器件學報， 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，半導體物理學，北京，電子工業出版社，2008

作者簡介

徐萌萌（1997-），女，漢族，鄭州大學物理工程學院電子科學與技術2014級學生。

尉潔（1996-），女，漢族，鄭州大學物理工程學院測控技術與儀器2014級學生。

徐萌萌 尉潔

摘 要：現如今，科學和信息技術高速發展，大功率半導體激光器列陣在工業、軍事、醫療等諸多領域都有重要的應用。大功率半導體激光器陣列可廣泛用于激光加工、激光測距、激光存儲、激光顯示、激光照明、激光醫療等。半導體激光芯片外延生長技術大功率半導體激光器的發展與其外延芯片結構的研究設計緊密相關。近年來，美、德等國家在此方面投入巨大，并取得了重大進展。對大功率半導體激光器陣列封裝技術的研究，可以增大器件性能和轉換效率，具有重大意義。

關鍵字：“大功率”；“半導體激光器”；“列陣”；“激光”；“芯片”

1 管芯（bar）封裝

在半導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系到管芯的導電、導熱、焊接強度等。這個封裝過程對半導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、焊料燒結過程中產生的空洞等對焊料性能有很大影響，焊料是管芯的導電導熱通道，焊料性能的好壞直接影響到管芯的工作，影響半導體激光器列陣的壽命和可靠性。

在半導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。金屬之間會生成復雜的金屬間化合物（IMC），對bar的封裝有較大影響。半導體激光器列陣在工作時，熱沉提供良好的散熱條件。但大功率半導體激光器列陣產生的熱量很大，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散現象，產生IMC，由于IMC在列陣存放和工作時的過度生長和熱疲勞，會對焊料結的可靠性產生不利的影響。由于IMC易碎的特性會使焊料焊接處機械強度變弱或導致界面的分層。它們對激光器的壽命和可靠性會產生影響。

2 焊料空洞

半導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鍵的問題。因為焊料直接和管芯接觸，是管芯和熱沉之間的導電和導熱通道。半導體激光器列陣工作時電流可高達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，要求焊料有好的導電性、抗電遷移性。半導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熱性和抗熱遷移性。熱量不能及時地傳導出去，就會積聚在焊料附近，產生大的溫度梯度而發生熱遷移，在焊料中產生空洞，嚴重影響了焊料的導熱性和導電性，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導致焊料熔化，使管芯脫離熱沉而損毀激光器。所以，焊料要有好的導電性、導熱性、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生，空洞和裂隙會影響管芯焊接強度，影響焊料的導電導熱。

焊料在燒結過程中產生的空洞對列陣的壽命和可靠性有很大影響。空洞影響焊料的導電性和導熱性，熱量會在空洞附近聚集，影響列陣的散熱，使管芯的溫度升高。在燒結的過程中，當焊料變成液體時，這些物質就會在焊料表面形成一層固體膜，會阻止焊料和管芯的鍵合。所以，在大功率半導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系是一項有意義的工作。

3 半導體激光器的封裝

在半導體激光器列陣的封裝過程中，bar的封裝是最關鍵的封裝步驟，bar封裝的好壞關系到整個封裝的成敗。bar的封裝質量直接關系到列陣的壽命。在這個過程中，封裝直接影響bar的散熱、導電、焊接強度等。焊料的選擇、制作過程、封裝過程都是值得研究的問題。在半導體激光器列陣的封裝中，用于封裝的焊料與管芯、熱沉會生成復雜的IMC。金錫焊料各成分之間也會生成IMC。在封裝過程中形成的IMC及焊料本身的一些其它問題，會在焊料中產生空洞和裂隙。

研究bar封裝時焊料中空洞和裂隙的形成原因與發展變化過程，研究焊料中的空洞與列陣壽命和可靠性的關系。觀察空洞的發展變化情況，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。通過對空洞引起的電流大小及分布的變化、導熱性、浸潤性、焊接強度的變化等的分析，研究空洞對焊料性能的影響。尋找合適的方法抑制空洞和裂隙的形成，減少對列陣的危害，提高列陣的可靠性。

4 結束語

在科學技術高速發展的今天，研究大功率半導體陣列封裝技術具有切實可行的意義。大功率半導體激光器列陣可直接用于軍事領域，如激光引信、激光測距、激光通信、激光照明等。大功率半導體激光器列陣可以取代傳統的加工手段，直接應用于材料的微區熱處理、精密焊接。大功率半導體激光器列陣在高速印刷領域可以取代傳統的鹵素燈光源，壽命會更高、可靠性更好，并且有利于環境保護和適用于現代的高分辨率圖像的印刷。

參考文獻

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. 功能材料與器件學報， 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，半導體物理學，北京，電子工業出版社，2008

作者簡介

徐萌萌（1997-），女，漢族，鄭州大學物理工程學院電子科學與技術2014級學生。

尉潔（1996-），女，漢族，鄭州大學物理工程學院測控技術與儀器2014級學生。