管式爐中半導體激光器巴條Au80Sn20焊料封裝研究

袁慶賀， 張秋月， 井紅旗*， 仲 莉， 劉素平， 馬驍宇

(1. 中國科學院半導體研究所 光電子器件國家工程中心， 北京 100083;2. 中國科學院大學 材料科學與光電技術學院， 北京 100049)

1 引 言

隨著半導體激光技術的進步和應用領域的不斷擴展，大功率半導體激光器的應用覆蓋了眾多領域，成為光電子器件的核心。由于大功率半導體激光器具有體積小、質量輕、轉換效率高、易于調制等優點[1-2]，被廣泛應用于通訊與存儲、激光醫療與美容、激光打標與切割、材料加工和軍事等領域[3-4]。相比于傳統的固體和氣體激光器，半導體激光器具有較高的電光轉換效率，最高達80%[5]， 但在工作時仍會產生大量的熱，若不將這些多余的熱量及時散出，會嚴重影響器件的光電特性、空間特性和可靠性[6-10]，因此對半導體激光器的封裝工藝提出了較高的要求。

為了提高大功率半導體激光器巴條的可靠性及使用壽命，采用金錫焊料取代銦焊料作為封裝焊料。Au80Sn20焊料屬于硬焊料，其抗疲勞、抗蠕變性能優異，屈服強度高，導熱性能好，無需助焊劑，也不存在嚴重的電遷移現象[11]，廣泛應用于氣密封裝、射頻和微波封裝、發光二極管封裝等[12]。本文以本實驗室現有的百瓦級GaAs基半導體激光器巴條為基礎，在管式爐中進行封裝實驗，深入研究了不同燒結時間和爐管溫度對燒結質量的影響，為使用管式爐進行半導體激光器巴條批量生產提供實踐參考。

2 實驗過程

2.1 管式爐介紹

如圖1所示，管式爐被廣泛應用于材料或化學實驗室，在真空或其他氣氛條件下燒結新材料。管式爐加熱溫區配備有熱電偶、數顯式智能調節器(PID)和可控硅組成的閉環控制系統，采用高精度SCR控制器，精度為±1 ℃，并具有51段程序，可實現自動精確控溫，操作方便。

圖1 管式爐示意圖Fig.1 Tube furnace schematic

2.2 芯片制作

利用AIXTRON MOCVD設備，在GaAs襯底上生長出應變量子阱大光腔808 nm激光器外延片，量子阱采用InGaAs材料，波導層和限制層采用具有不同Al組分的AlGaAs材料，外延層結構見圖2。生長完成的外延片經光刻、金屬化、減薄等工藝，做成具有19個發光區的半導體激光器巴條，填充因子為40%，腔長1 mm，前后腔面分別鍍增透膜和高反膜，單巴條脈沖條件下輸出功率大于100 W。

圖2 外延結構Fig.2 Epitaxial structure

2.3 燒結工藝

本實驗采用雙面金錫焊料燒結封裝半導體激光器巴條，結構如圖3所示。從圖中可以看出，共有5層結構，從下至上依次為WCu熱沉、Au80Sn20焊料、半導體激光器巴條、Au80Sn20焊料、WCu熱沉。將上述結構依照次序放置到本實驗室自行設計的燒結夾具上，放入管式爐進行燒結。

實驗過程中，為防止元器件在高溫下發生氧化，燒結時爐管內通入保護氣氮氣，氮氣的流量為0.2 L/min。金錫合金的熔點在共晶溫度附近對金錫配比非常敏感，當金的組分比重大于80%時，隨著金組分比重的增加，熔點急劇提高。在燒結過程中被焊件金層的微量金熔入焊料，會使熔點迅速上升而凝固，不會使管芯移位，能夠承受隨后在相對低的溫度下的后續組裝工藝[13]。需要特別注意的是，應防止過量的金熔入焊料，不然會導致凝固點明顯上升，引入較大焊裝應力。通過前期的研究可以發現，當爐體設定溫度較低(<650 ℃)時，焊料不能完全融化，導致焊接質量差；而爐體設定溫度較高(>750 ℃)時，將造成芯片有源區損傷，導致結電壓偏小甚至短路。本文燒結實驗首先在680，700，720 ℃3個溫度(均指爐體設定溫度，實際燒結溫度應略高于AuSn焊料熔點，約280 ℃)條件下進行，固定燒結時間為100 s，然后根據不同溫度下燒結樣品的檢測結果，確定最優燒結溫度。在最優燒結溫度下，分析不同燒結時間對燒結質量的影響，采用的燒結時間分別為80,90,100 s。

圖3 半導體激光器巴條燒結結構示意圖Fig.3 Schematic diagram of soldered structure of semiconductor laser bars

3 器件測試與分析

3.1 X射線檢測

利用本實驗室現有的VJ Electronix公司生產的X射線檢測設備，對封裝完成的大功率半導體激光器巴條進行X射線檢測。通過X射線檢測，可以直接觀測到燒結后的焊料是否完全熔化，熱沉與巴條是否充分浸潤，降溫后有無空洞的存在，從而判斷各條件下燒結質量的好壞。對燒結時間為100 s、爐體設定溫度分別為680，700，720 ℃3個條件下的樣品進行X射線檢測，結果如圖4所示。

金錫二元相圖較為復雜，存在大量中間相，在接近共晶配比處，AuSn合金由金錫中間相δ(AuSn)和密排六方相ζ(Au5Sn)組成[14]。由圖4(a)可以看出，在燒結時間為100 s、爐體設定溫度為680 ℃時，有大面積空洞出現。這是由于低溫燒結時焊料熔化時間短，合金反應不充分，Au和Sn兩種原子未能得到充分擴散和結晶，形成密集分布的晶粒團簇，從而導致焊料分布不均勻，有大量空洞產生[15]。當爐體設定溫度上升至700 ℃時，從圖4(b)中可以看出，焊料已經完全融化且與巴條浸潤良好，結構致密，沒有空洞產生，表面也比較平坦光滑，說明此時燒結溫度適中。在爐體設定溫度為720 ℃高溫過燒時，由于合金晶粒在高溫下的不斷生長，會形成較大尺寸的枝狀晶，如圖4(c)所示，最終焊料層內部出現較大的顆粒，形成較粗糙的表面形貌。因此，爐體溫度設定為700 ℃是適合的燒結溫度。

圖4 爐體設定溫度。(a)680 ℃，(b)700 ℃，(c)720 ℃，燒結時間100 s。Fig.4 Furnace set temperature. (a) 680 ℃. (b) 700 ℃. (c) 720 ℃. Soldered time 100 s.

3.2 光電特性

在3.1中，通過X射線檢測，對樣品的形貌進行了初步的分析，可以發現爐管溫度太高或太低都會導致極薄的焊料層表面出現較大的顆粒，形成較粗糙的表面形貌，致使半導體激光器巴條燒結質量較差。因此在接下來的工作中，主要針對爐體設定溫度為700 ℃時，不同燒結時間下的樣品進行測試分析。

燒結時間是影響半導體激光器的燒結質量的一個重要因素，對不同燒結時間下封裝的半導體激光器巴條樣品，利用大功率半導體激光器參數測試儀(測試條件為：管座溫度25 ℃，脈沖寬度200 μs，重復頻率50 Hz)，測量額定輸出功率為100 W時的其他光電參數，詳細結果見表1。

表1給出了爐體設定溫度700 ℃，燒結時間分別為100，90，80 s樣品的光電特性參數。從表中可以看出，燒結時間分別為100，90，80 s的樣品的閾值電流分別為21.1，19.1，20.2 A，百瓦級輸出時的斜率效率分別為1.14，1.16，1.14 W/A，燒結時間為90 s的樣品的閾值電流和斜率效率均優于燒結時間為100 s和80 s的樣品。從表1中可以發現，燒結時間分別為100 s和80 s的樣品，百瓦級功率輸出時的斜率效率均為1.14 W/A，且閾值電流分別為21.1 A和20.2 A，但燒結時間為100 s的樣品的輸出功率卻略高于燒結時間為80 s的樣品，這與閾值電流和輸出功率的對應關系相矛盾，考慮是由于測試誤差引起的。燒結時間為90 s的樣品的微分電阻最小，為5.2 mΩ，相應地其光電轉換效率也最高，為48.7%。同時，從表1中可以得出，隨著燒結時間的增加，半導體激光器巴條的平均結電壓降低，考慮是由于燒結時間過長，導致引入較大的應力，對器件有源區造成了損傷。

表1 100 W半導體激光器巴條光電參數Tab.1 Optoelectronic parameters of 100 W semiconductor laser bars

圖5 封裝前和爐體溫度700 ℃，不同燒結時間光譜圖。(a)封裝前；(b)80 s；(c)90 s；(d)100 s。Fig.5 Pre-packaged and furnace temperature 700 ℃, spectra of different soldering times. (a) Pre-package. (b) 80 s. (c) 90 s. (d) 100 s.

測量封裝前后峰值波長的變化是半導體激光應力分析的常用手段，因此為了更好地驗證上述結論，即當燒結時間過長時，會引入較大的應力，對器件有源區造成損傷，導致半導體激光器巴條結電壓降低甚至短路，分別測量了焊裝前后的光譜，具體見圖5。圖5(a)表示同一批次、同一片號半導體激光器巴條封裝前的光譜，其峰值波長為808.8 nm，圖5(b)、(c)、(d)表示爐體設定溫度700 ℃，燒結時間分別為80，90，100 s的樣品的光譜，其峰值波長分別為809,811.3,813 nm，紅移量分別為0.2,2.5,4.2 nm。紅移量的多少表示引入應力的大小，紅移越多，說明引入的應力越大，對器件造成的損傷越大[16-17]。從前述內容可知，增加燒結時間，紅移量增加，說明此時引入了較大的應力，對器件有源區造成損傷，與結電壓隨燒結時間的變化相對應，更好地驗證了半體激光器巴條結電壓的降低甚至短路，是由于焊裝應力引起的。

3.3 Smile效應分析

大功率半導體激光器巴條由多個發光區組成，其工作時由于熱應力的存在，導致各發光區不在同一條直線上，這種發光區整體彎曲的現象稱為smile效應[18-19]。smile效應的存在會使光束質量變差。通過分析半導體激光器巴條的smile效應，可以反映出由于封裝工藝所引入應力的大小，對優化封裝參數起重要作用。

直接測量10 mm 長度的發光單元在垂直于 P-N 結方向發生的偏移量d<10 μm是非常困難的，因此采用對半導體激光器巴條發光腔面成像放大的方法[20]。測量系統如圖6所示，典型快軸準直鏡(FAC)透鏡[21]有效焦距小于1 mm，快軸方向準直光束，光束全寬0.8 mm，發散角5 mrad，準直后光束包含了95%的激光能量，對出射激光在慢軸方向無影響，焦距為fc。柱面鏡對慢軸進行一定程度準直，最后半導體激光器巴條發光圖案成像在接收屏上。實驗中對 smile 效應在接收屏上的像Δy進行觀察記錄。

半導體激光器巴條實際smile 效應的大小Δy0可利用下列公式[22]計算得出：

fc/Δy0=z/Δy，

(1)

式(1)中，z為屏與快軸準直鏡之間的距離。

圖6 半導體激光器巴條smile測量系統Fig.6 Semiconductor laser bar smile measurement system

根據上述半導體激光器巴條smile測量系統，對爐體設定溫度700 ℃，燒結時間分別為100,90,80 s 3個條件下的樣品進行測試，測試結果如圖7所示。

圖7 爐體設定溫度700 ℃，燒結時間100 s(a)、90 s(b)、80 s(c)的smile效應成像。Fig.7 Smile effect imaging of furnace set temperature 700 ℃ and soldered time 100 s(a)， 90 s(b)， 80 s(c).

通過分析接收屏上像的彎曲，利用式(1) 計算相應半導體激光器巴條的的實際彎曲值。實驗時快軸準直透鏡的焦距fc=0.9 mm，屏與快軸準直鏡之間的距離z=1 200 mm。經計算可得，爐體設定溫度700 ℃，燒結時間為100,90,80 s的smile效應值分別為45,7.5,13.5 μm。從上述的計算結果可知，燒結時間100 s的樣品smile效應值為80 s的6倍，而燒結時間為90 s的樣品smile效應值約為80 s的2倍，與2.2中半導體激光器巴條的結電壓隨燒結時間的增加而降低相對應。從圖中可以看出，燒結時間過長會引入較大的應力，不僅會對半導體激光器巴條造成損傷，而且會影響其光學特性。

綜合分析3.2與3.3，管式爐中半導體激光器巴條封裝，適合的工藝條件為爐體設定溫度700 ℃，燒結時間90 s，可以得到較高的封裝質量。

4 結 論

本文對大功率半導體激光器巴條的燒結工藝進行研究，通過管式爐進行燒結實驗，對比分析了不同溫度、不同時間對燒結質量的影響。實驗結果表明，當溫度過低時焊料不能完全融化，致使有大量空洞產生；溫度過高會對半導體激光器巴條產生損傷，導致結電壓偏低甚至短路。根據smile效應檢測結果可知，燒結時間過長或過短均會產生巨大應力，導致光學特性嚴重惡化。在管式爐中進行半導體激光器巴條燒結適合的工藝條件為爐體設定溫度700 ℃，燒結時間90 s。該結果為以后的半導體激光器的產業化生產提供了重要的參考依據。