王 昭,呂文強,譚 昊,高松信,武德勇

(1.中國工程物理研究院應(yīng)用電子學(xué)研究所,四川 綿陽 621900；2.中國工程物理研究院高能激光科學(xué)與技術(shù)重點實驗室,四川 綿陽,621900)

·激光應(yīng)用技術(shù)·

高功率二極管激光器Au80Sn20焊料焊接實驗研究

王 昭1,2,呂文強1,2,譚 昊1,2,高松信1,2,武德勇1,2

(1.中國工程物理研究院應(yīng)用電子學(xué)研究所,四川 綿陽 621900；2.中國工程物理研究院高能激光科學(xué)與技術(shù)重點實驗室,四川 綿陽,621900)

半導(dǎo)體激光器封裝工藝過程對于激光器的輸出特性、壽命等性能有重要影響,其中焊料的選擇和焊接工藝是最關(guān)鍵的因素。本文采用磁控濺射的方法,在WCu熱沉上制備了Au80Sn20合金焊料,取代了傳統(tǒng)的In焊料,并對焊接工藝進(jìn)行了改進(jìn)。國外沉積的和我們制備的Au80Sn20合金焊料焊接DL芯片后的性能參數(shù)很接近。充分說明雙靶分層濺射鍍膜可以實現(xiàn)二極管激光器的封裝要求,從而為優(yōu)化半導(dǎo)體激光器制備工藝和提高半導(dǎo)體激光器的性能奠定基礎(chǔ)。

Au80Sn20合金焊料；高功率二極管激光器；焊接；磁控濺射

1 引 言

高功率半導(dǎo)體激光器具有較高的電光轉(zhuǎn)化效率,但是仍會有一部分電功率以熱能的方式輸出,隨著激光器工作時間的延長,這部分熱能將不斷積累,如果不能將這部分熱量及時散掉,將直接影響激光器的輸出功率和使用壽命。因此,在半導(dǎo)體激光器制備過程中,通常采用降低激光器熱阻、加強熱沉與冷卻器效率、優(yōu)化焊裝性能等方法有效地將激光器工作時產(chǎn)生的余熱及時排出,由于激光器與熱沉之間通過焊料來連接,焊料的物理特性與焊裝可靠性將直接影響激光器性能[1-2]。

Au80Sn20共晶合金與傳統(tǒng)的In焊料相比,其抗疲勞、抗蠕變性能優(yōu)異,屈服強度高,導(dǎo)熱性能好,熔點低,也不存在嚴(yán)重的電遷移現(xiàn)象,熱導(dǎo)率略低于In焊料,完全滿足于高功率DL的封裝。但是由于Au80Sn20焊料的熔點高、延展性非常差,對焊接工藝要求非常苛刻[3]。本文將重點對Au80Sn20焊料的制備工藝、焊接工藝以及封裝后激光器的性能進(jìn)行研究。

2 封裝工藝設(shè)計

2.1 磁控濺射法制備Au80Sn20合金焊料

在制備Au80Sn20 焊料前,需要對WCu 熱沉進(jìn)行進(jìn)行金屬化處理。焊料制備過程中分別在WCu 熱沉上交替濺射Au 層和Sn 層,通過摸索Au 和Sn 的濺射速率,并合理控制濺射時間就可以得到整體組分比接近80∶20 的Au80Sn20 焊料。濺射時靶材的純度為99.99%,濺射前真空系統(tǒng)所能達(dá)到的真空度大于8×10-4Pa,濺射氣體采用純度為99.99%的Ar[4-5]。

對于雙靶分層濺射,當(dāng)Au和Sn的重量比是4∶1時,由下面的公式可以計算出Au層和Sn層的厚度比為1.513∶1。

(1)

式中,x為Au與Sn的厚度比；mAu為Au的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；ρAu為Au的密度；mSn為Sn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；ρSn為Sn的密度。

Au80Sn20焊料磁控濺射工藝條件為:Au層0.45μm,Sn層0.3μm輪流室溫濺射,先濺射8層,總厚度約6μm,使用模擬熱沉做基底,載波片做陪片,層結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 雙靶濺射層結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 焊接工藝

焊接過程中我們采用了WCu次熱沉作為過渡層使其與DL芯片熱膨脹系數(shù)匹配,DL芯片與WCu之間采用Au80Sn20焊料,WCu與銅熱沉之間采用In焊料焊接。先進(jìn)行bar條和WCu次熱沉之間的焊接,然后再進(jìn)行WCu與銅熱沉間的焊接。通過優(yōu)化焊接工藝,得到良好的焊接結(jié)果。封裝工藝流程圖如圖2所示。

圖2 封裝工藝主流程

3 實驗結(jié)果與分析

實驗采用我們制備的Au80Sn20合金焊料焊接DL芯片,并測試了焊接后的參數(shù)(功率,熱阻,smile效應(yīng),壽命)。實驗結(jié)果如下。

3.1 光電特性

雙靶制備的Au80Sn20合金焊料焊接DL芯片后的光電特性,如圖3所示。由圖3可以看出:DL的斜率效率約為1.093W/A,在100A工作電流時DL的電光效率為52%。

圖3 雙靶制備的Au80Sn20合金焊料焊接DL芯片后的光電特性

3.2 熱特性

在加載連續(xù)電流的條件下,測試了雙靶制備的Au80Sn20合金焊料焊接DL芯片后的閾值電流隨溫度的變化曲線,如圖4所示?？梢钥闯?在熱沉溫度從16.3 ℃增加到29.8 ℃時,閾值電流從20.4A增加到24.31A。

圖4 雙靶制備的Au80Sn20合金焊料焊接DL芯片后的閾值電流隨溫度的變化曲線

熱阻Rth是芯片PN結(jié)相對于熱沉或冷卻水的溫升與熱功率的比值[6],即:

(2)

其中,λc為DL的中心波長;TPN為芯片結(jié)溫;Qth為熱功率,其等于電功率減去激光功率。首先得到中心波長隨熱功率的變化率,然后得到中心波長隨結(jié)溫的變化率。既可求得我們封裝的DL相對于冷卻水的熱阻。在低占空比下(1%)DL的熱效應(yīng)很小,此時DL的結(jié)區(qū)溫度接近冷卻水溫,可以最大程度降低溫漂系數(shù)的測量誤差。

圖5 雙靶制備的金錫合金焊料焊接DL芯片后的中心波長隨溫度與芯片熱功率變化曲線

在加載100 Hz/100 μs脈沖電流的條件下,雙靶制備的Au80Sn20合金焊料焊接DL芯片后的中心波長隨溫度的變化曲線與加載連續(xù)電流的條件下中心波長隨DL芯片熱功率變化曲線如圖5所示。由圖5可以計算出Δλ/ΔT=0.226nm/ ℃,Δλ/ΔQ=0.087nm/W,由式(2)可以計算出芯片激活區(qū)相對于冷卻水的熱阻Rth=0.385 ℃/W,中心波長漂移3.92 nm,結(jié)區(qū)溫度約為42.35 ℃。

3.3 應(yīng)力特性

在高功率DL工作時,由于各個發(fā)光單元不在一條直線上,從而導(dǎo)致DL芯片整體發(fā)光彎曲,常被稱為“Smile”現(xiàn)象[7-8],嚴(yán)重影響激光器壽命。實驗采用雙靶制備的Au80Sn20合金焊料焊接DL芯片,對焊接的DL芯片應(yīng)力變形情況進(jìn)行了測量,DL芯片出光后,光通過準(zhǔn)直透鏡和聚焦透鏡聚焦在紙板上,通過CCD攝像頭記錄發(fā)光區(qū)圖像[9],“Smile”效應(yīng)值的測量采用我們所自行設(shè)計的軟件進(jìn)行測量。

圖6為雙靶制備的Au80Sn20合金焊料焊接DL芯片后的應(yīng)力特性。從圖中可以看出,整個發(fā)光單元基本在一條直線上,“Smile”效應(yīng)值為0.736 μm。

圖6 雙靶制備的Au80Sn20合金焊料焊接DL芯片后的應(yīng)力特性

3.4 壽命實驗

高功率DL芯片的壽命是反映高功率DL可靠性的重要指標(biāo),其測試方法主要采用退化率外推的方法,且規(guī)定當(dāng)電流為恒定值時,當(dāng)激光光功率下降20%時的時間為激光器的壽命值。

實驗對國外沉積和我們制備的Au80Sn20合金焊料焊接的DL芯片進(jìn)行了壽命測試,每個工藝各抽取4個安裝在老化測試平臺上,如圖7所示。其中激光器芯片為808 nm連續(xù)100 W的DL芯片,測試條件為:工作電流100 A,冷卻器溫度25 ℃,冷卻水流量為400 mL/min(3.5 atm)。然后測試其初期老化曲線,以及1000 h的壽命測試曲線。

圖7 二極管激光器老化測試平臺

圖8 DL bar器件的壽命測試曲線

圖8為DL bar器件的長期壽命測試曲線,對8個DL bar器件樣品進(jìn)行了1000 h的壽命測試,除編號為分層03的器件在工作650 h后出現(xiàn)快速退化外,其他7個器件均正常退化,根據(jù)退化率外推出其壽命在6000～10000 h。

4 結(jié) 論

采用磁控濺射的方法在WCu 熱沉上制備了Au80Sn20 焊料,代替了傳統(tǒng)的In 焊料,并通過優(yōu)化焊接工藝將DL激光器芯片成功地焊接到Cu熱沉上。通過對激光器的性能測試發(fā)現(xiàn),國外沉積的和我們制備的Au80Sn20合金焊料焊接DL芯片其發(fā)光功率,轉(zhuǎn)換效率,熱阻,“Smile”效應(yīng)值,壽命都很接近,充分說明雙靶分層濺射鍍膜可以實現(xiàn)二極管激光器的封裝要求。

[1] GAO Songxin,WU Deyong,WANG Jun,et al.Multiplayer bonding technique for high power diode laser package[J].High Power Laser and Particle Beams,2003,15(5):447-449.(in Chinese) 高松信,武德勇,王駿,等.高功率二極管激光器封裝的多層焊接技術(shù)[J].強激光與粒子束,2003,15(5):447-49.

[2] ZHOU Tao,Tom Bobal,Martin Oud,et al.An introduction to eutectic Au/Sn solder alloy and its preforms in microelectronics/optoelectronic packaging applications[J].Electronics and Packaging,2005,5(8):5-8.(in Chinese) 周濤,湯姆·鮑勃,馬丁·奧德,等.金錫焊料及其在電子器件封裝領(lǐng)域中的應(yīng)用[J].電子與封裝,2005,5(8):5-8.

[3] Anqiang H,Barbara D.Pulse plating of gold-tin alloys for microelectronic and optoelectronic applications[J].Plating and Surface Finishing,2002,89(11):48-53.

[4] Yoon J W,Chun H S.Reliability evaluation of Au-20Sn flip chip solder bump fabricated by sequential electroplating method with Sn and Au[J].Mater Sci and Engineer A,2008,473(3):119-125.

[5] Chen Y W,Chin C L.A bonding technique for thin GaAs dice with via holes using gold-tin Co and application of gold-tin solder[J].Electronics and Packaging,2004,4(2):24-26.

[6] Okamoto H,Massalski T B.Eds.Phase diagram of binary gold alloy[M].Ohio:ASM Int.,1987.

[7] LIU Zeguang,CHEN Dengquan,LUO Ximing,et al.Property and application of gold-tin solder[J].Electronics Process Technology,2004,4(2):24-26.(in Chinese) 劉澤光,陳登權(quán),羅錫明,等.金錫釬料性能及應(yīng)用[J].電子與封裝,2004,4(2):24-26.

[8] WANG Jingxuan.Progress and influence on diode laser of soldering process[J].Welding Technology,2010,39(9):25-27.(in Chinese) 王靜軒.釬焊工藝的改進(jìn)及其對激光器性能的影響[J].焊接技術(shù),2010,39(9):25-27.

[9] HUANG Bo,CHEN jinqiang,YANG Kai,et al.Fabrication and research of Au-Sn alloys for encapsulating of high power semiconductor laser[J].Journal of Changchun University of Science and Technology,2007,30(3):1-4.(in Chinese) 黃波,陳金強,楊凱,等.用于大功率半導(dǎo)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(xué)學(xué)報,2007,30(3):1-4.

Experimental investigation on Au80Sn20 soldering in high power diode laser

WANG Zhao1,2,Lü Wen-qiang1,2,TAN Hao1,2,GAO Song-xin1,2,WU De-yong1,2

(1.Institute of Applied Electronics,CAEP,Mianyang 621900,China；2.The Key Laboratory of Science and Technology on High Energy Laser,CAEP,Mianyang 621900,China)

Diode laser packaging technology has important influence on laser performances,such as the laser output characteristics and life time,etc,and the choice of solder and welding process are the most critical factors.Au80Sn20 alloy solder was prepared on WCu heat sink by using magnetron sputtering method,and it replaced the traditional In solder,and then the welding process was improved.Comparative study shows that the performance parameters of DL chip welded by Au80Sn20 solder alloy are very close to that of the import deposition.This means that the double-target layered sputter coating can achieve high power diode laser package,which lay the foundation of optimizing the preparation technology of diode laser and improving the performance of diode laser.

Au80Sn20 alloy solder；high power diode laser；soldering；magnetron sputtering

國家自然科學(xué)基金重大項目(No.60890201)資助。

王 昭(1987-)，男，碩士研究生，主要從事二極管激光器及應(yīng)用技術(shù)研究。E-mail:wz870815@163.com

2014-11-03

1001-5078(2015)07-0757-04

TN2

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2015.07.005