程?hào)|明,伏桂月,朱颯爽,王永平
(鄭州大學(xué)物理工程學(xué)院電子科學(xué)與技術(shù)系,鄭州 450001)
在大功率半導(dǎo)體激光器的封裝過程中,由于管芯與焊料直接接觸,因此焊料的選擇與可靠性對(duì)激光器來說是應(yīng)該考慮的重要方面。
焊料可分為軟焊料與硬焊料兩種。In作為軟焊料,自身熔點(diǎn)低,延展性和塑性形變優(yōu)良,可應(yīng)用于激光器的焊接,并且當(dāng)器件工作時(shí)產(chǎn)生的熱應(yīng)力較小。由于Ag電導(dǎo)性良好,而In能夠有效潤(rùn)濕Ag,同時(shí)又能防止In在空氣中易被氧化而影響器件工作穩(wěn)定性。因此,Ag可作為In的保護(hù)層,但Ag-In焊料的焊接可靠性值得進(jìn)一步研究。
為研究Ag-In焊料可靠性,我們?cè)赟i基片上利用真空蒸發(fā)蒸鍍Ag-In薄膜與Ag-In-Ag-In薄膜兩種模型,對(duì)比其微結(jié)構(gòu)進(jìn)行說明。
圖1 薄膜結(jié)構(gòu)圖
通過掃描電鏡(圖2)我們發(fā)現(xiàn):Ag-In薄膜表面各個(gè)微粒形態(tài)各異,相鄰分布,其間隙清晰可見;Ag-In-Ag-In薄膜的微粒分布密集,形態(tài)各異,且表面間隙很小。
圖2 Ag-In薄膜與Ag-In-Ag-In薄膜在掃描電鏡不同倍數(shù)下的圖像
通過兩種實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比,我們發(fā)現(xiàn)間隙的存在可能由兩個(gè)原因共同作用產(chǎn)生。一方面,根據(jù)擴(kuò)散動(dòng)力學(xué),Ag-In薄膜的厚度較小,Ag顆粒與其接觸的In顆粒發(fā)生互擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的同時(shí)伴隨著新產(chǎn)物的生成,導(dǎo)致表面微粒成分與結(jié)構(gòu)的改變。
圖3 樣品XRD測(cè)試圖譜
我們通過XRD測(cè)試比對(duì)標(biāo)準(zhǔn)譜(如圖3)分析發(fā)現(xiàn),在樣品中In被保護(hù)的同時(shí),有AgIn2物質(zhì)的存在,可以證明Ag與In的內(nèi)部發(fā)生互擴(kuò)散反應(yīng),生成的界面化合物的微結(jié)構(gòu)與Ag-In薄膜微結(jié)構(gòu)共同作用的外在表象即間隙的形成。而Ag-In-Ag-In薄膜由于在Ag-In薄膜間隙存在基礎(chǔ)之上,再次蒸發(fā)蒸鍍Ag-In薄膜,間隙大部分被填充,并且Ag-In薄膜覆蓋底層薄膜,致使兩層的Ag-In薄膜形成緊密排列結(jié)構(gòu)。但是Ag-In的互擴(kuò)散反應(yīng)仍然存在,產(chǎn)生的間隙也依然存在(如圖2),但是兩層薄膜可有效抑制大量間隙的存在。
另一方面,由于蒸鍍過程中,由熱動(dòng)力學(xué)我們可知:焊料受熱蒸發(fā)至Si基底上,由于薄膜內(nèi)部熱運(yùn)動(dòng)劇烈,導(dǎo)致微粒內(nèi)部熱應(yīng)力增大,當(dāng)薄膜冷卻至室溫時(shí),內(nèi)部熱運(yùn)動(dòng)逐漸趨緩,致使顆粒在某一處位置逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài),因此會(huì)造成顆粒的積聚分布不均,也會(huì)導(dǎo)致間隙的存在。
通過對(duì)Ag-In和Ag-In-Ag-In薄膜微結(jié)構(gòu)的討論分析,我們得出多層的Ag-In薄膜結(jié)構(gòu)可以控制間隙的大量生成,同時(shí)Ag對(duì)In的抗氧化保護(hù)確實(shí)有效,可以降低In焊料封裝器件的不穩(wěn)定性甚至提高其使用壽命。
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