陳 華， 李 靜， 周興林， 呂悅晶

(武漢科技大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院， 湖北 武漢 430081)

封裝熱應(yīng)力致半導(dǎo)體激光器“Smile”效應(yīng)的抑制方法

陳 華*， 李 靜， 周興林， 呂悅晶

(武漢科技大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院， 湖北 武漢 430081)

封裝熱應(yīng)力所致smile效應(yīng)是陣列封裝大功率半導(dǎo)體激光器中普遍存在的問(wèn)題。為解決這一問(wèn)題，本文在研究smile效應(yīng)產(chǎn)生機(jī)理的基礎(chǔ)上，提出采用錯(cuò)溫封裝技術(shù)和熱沉預(yù)應(yīng)力封裝技術(shù)降低smile效應(yīng)的措施。以某808 nm水平陣列封裝半導(dǎo)體激光器為例，采用仿真分析的辦法研究了上述技術(shù)的可行性和有效性。仿真分析表明，采用傳統(tǒng)封裝技術(shù)，在恢復(fù)至室溫22 ℃后，芯片smile值約為39.36 μm，采用封裝前升高芯片溫度至429 ℃的錯(cuò)溫封裝技術(shù)，可以將smile值降至1.9 μm；若采用熱沉預(yù)應(yīng)力技術(shù)，對(duì)熱沉的兩個(gè)端面沿長(zhǎng)邊方向分別施加190 N 的拉力，可以將smile值降至0.35 μm。結(jié)果表明，這兩種封裝措施是有效的。錯(cuò)溫封裝技術(shù)和熱沉預(yù)應(yīng)力封裝技術(shù)具有易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，其中熱沉預(yù)應(yīng)力技術(shù)對(duì)于各種smile效應(yīng)類型和不同的smile值都可以調(diào)整和修正。

半導(dǎo)體激光器； smile效應(yīng)； 熱應(yīng)力； 錯(cuò)溫封裝； 預(yù)應(yīng)力

1 引 言

陣列封裝大功率半導(dǎo)體激光器在工作時(shí)存在各發(fā)光單元不在一條直線上的現(xiàn)象，這種整體發(fā)光彎曲的現(xiàn)象被稱為激光器的“smile”效應(yīng)[1]。smile效應(yīng)會(huì)顯著影響激光器的光束質(zhì)量[2-4]，成為限制半導(dǎo)體激光器光束直接應(yīng)用的重要因素。要減小半導(dǎo)體激光器的近場(chǎng)非線性、提高激光器光束質(zhì)量，抑制smile效應(yīng)是關(guān)鍵[5]。

減小smile效應(yīng)的一個(gè)途徑是改進(jìn)半導(dǎo)體激光器陣列的封裝工藝[6]，如優(yōu)化焊接回流曲線[7]、優(yōu)化焊料和熱沉的材料及厚度[8]、在芯片出光位置耦合光學(xué)校正系統(tǒng)[9]等。王淑娜等[5]通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)對(duì)比的方法研究smile效應(yīng)的特征及其與溫度之間的關(guān)系，總結(jié)出smile效應(yīng)主要來(lái)自于：(1)芯片與熱沉之間材料的不匹配，即熱應(yīng)力導(dǎo)致的芯片彎曲；(2)封裝前加工導(dǎo)致的芯片彎曲。根據(jù)芯片彎曲的方向不同，激光器工作過(guò)程中smile效應(yīng)可能隨著芯片溫度升高而變大或減小。

鑒于smile效應(yīng)的重要性，本文首先通過(guò)理論和仿真分析研究了封裝熱應(yīng)力致smile效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理。結(jié)果表明，smile效應(yīng)產(chǎn)生的根本原因在于焊接后冷卻過(guò)程中芯片和熱沉的收縮變形彼此形成了約束?；诖耍岢隽藚f(xié)調(diào)芯片與熱沉的變形量不一致問(wèn)題的解決思路。分別研究了錯(cuò)溫封裝技術(shù)和熱沉預(yù)應(yīng)力封裝技術(shù)對(duì)于減小smile效應(yīng)的可行性和有效性。仿真驗(yàn)證表明，封裝熱應(yīng)力所致的smile值為39.35 μm，采用封裝前升高芯片溫度至429 ℃的錯(cuò)溫封裝技術(shù)，可以將smile值降至1.9 μm；若采用熱沉預(yù)應(yīng)力技術(shù)，對(duì)熱沉的兩個(gè)端面沿長(zhǎng)邊方向分別施加190 N的拉力，可以將smile值降至0.35 μm。這兩種封裝策略都具有易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，其中預(yù)應(yīng)力封裝技術(shù)對(duì)于各種smile效應(yīng)類型和不同的smile值都可以調(diào)整和修正，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

2 熱應(yīng)力致smile效應(yīng)機(jī)理

激光器芯片經(jīng)過(guò)復(fù)雜工藝制成后需要通過(guò)焊接的方式將其固定在熱沉上。焊接過(guò)程中，熱沉和芯片被置于焊接爐內(nèi)升溫，待整體溫度達(dá)到焊料熔點(diǎn)后將二者連接起來(lái)，其基本流程如圖1所示[10-12]。

圖1 芯片焊接流程

由于材料的熱脹冷縮作用，冷卻至室溫后的芯片內(nèi)部將產(chǎn)生應(yīng)力。若將芯片和熱沉簡(jiǎn)化為一維形狀，則自由狀態(tài)下芯片和熱沉的收縮量分別為：

(1)

其中，ΔL1、ΔL2分別表示自由狀態(tài)下芯片和熱沉的長(zhǎng)度收縮量；α1、α2分別表示芯片和熱沉材料的熱膨脹系數(shù)；L表示二者長(zhǎng)邊的長(zhǎng)度；T1、T2分別表示焊接溫度和室溫。從公式可以看出，不同熱膨脹系數(shù)的材料，冷卻后其收縮量也不同。由于焊料的焊接作用，芯片和熱沉的收縮受到約束，從而在冷卻后產(chǎn)生了內(nèi)應(yīng)力和變形。

以808nm傳導(dǎo)冷卻封裝的高功率半導(dǎo)體激光器陣列為研究對(duì)象來(lái)闡述上述問(wèn)題。水平陣列封裝的激光器陣列包含20個(gè)發(fā)光單元，每個(gè)發(fā)光單元寬100μm，腔長(zhǎng)2mm，25%填充因子，芯片的長(zhǎng)度為10mm，長(zhǎng)邊為出光端。芯片結(jié)構(gòu)如圖2所示[13]，從上往下依次為P極金屬端/SiO2絕緣區(qū)、P-外延層、有源區(qū)(發(fā)光區(qū))、N-外延層、GaAs基體，然后通過(guò)In焊料作為過(guò)渡焊接材料焊接到銅熱沉上。其中有源區(qū)為出光區(qū)域，也是激光器工作過(guò)程中產(chǎn)生熱量的集中區(qū)域，其厚度約為0.01μm；P-外延層、N-外延層的厚度約為1μm；P極金屬端/SiO2絕緣區(qū)厚度約為0.2μm；GaAs基體厚度約為120μm；In焊料厚度約為5μm。

激光器芯片通過(guò)材料選擇、外延片生長(zhǎng)、腐蝕度和寬度都非常小，將芯片模型合理簡(jiǎn)化為圖3所示，仿真時(shí)忽略從有源區(qū)向熱沉反方向的熱量散失[14]，以有源區(qū)的變形情況代替發(fā)光單元的smile效應(yīng)。

圖2 水平封裝半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematicdiagramofasemiconductorlaserdiodearray光刻、電極制作、封裝等工藝制成[11]，具有復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和材料組成，因此詳細(xì)的芯片建模非常困難?？紤]到芯片各層的厚度幾何尺寸相對(duì)于長(zhǎng)

圖3 簡(jiǎn)化的半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)

仿真分析用到的材料屬性見(jiàn)表1。建立1/4軸對(duì)稱模型，選芯片的長(zhǎng)、寬方向的中間平面為對(duì)稱面，觀察有源區(qū)長(zhǎng)邊邊緣(亦即出光面)的變形情況。取焊接溫度為180 ℃，室溫為22 ℃。

表1 半導(dǎo)體激光器材料屬性

對(duì)比仿真分析了直接將芯片和熱沉各自升溫至180 ℃再降至室溫后二者的變形情況(即自由狀態(tài)下的變形)以及模擬焊接作用，在180 ℃將芯片和熱沉通過(guò)焊料連接到一起后再降至室溫后二者的變形情況(即焊接后的變形)。

圖4(a)、(b)、(c)是獲得焊接后激光器冷卻至室溫后的應(yīng)力分布和變形情況。分析中不考慮芯片本身在焊接前的形變以及在冷卻過(guò)程中銦焊料的延展作用而產(chǎn)生的塑性變形，因此仿真分析結(jié)果是理論值。

從圖4(a)、(b)、(c)仿真結(jié)果可以看出，冷卻至室溫后激光器陣列發(fā)生了變形，產(chǎn)生了上凸型的smile效應(yīng)。圖4(d)統(tǒng)計(jì)了芯片、熱沉在兩種狀態(tài)下在X軸方向(即垂直P(pán)N結(jié)方向)的變形量。圖4(d)中的數(shù)據(jù)表明，在自由狀態(tài)下將芯片和熱沉升溫至焊接溫度再冷卻至室溫，二者本身在垂直P(pán)N結(jié)方向的變形量接近為0；焊接后芯片的變形曲線和熱沉的變形曲線基本一致，芯片產(chǎn)生的smile值為39.35 μm，熱沉上邊緣在垂直P(pán)N結(jié)方向的最大變形量為39.36 μm。對(duì)比分析結(jié)果表明，熱應(yīng)力導(dǎo)致的芯片smile效應(yīng)是由于芯片與熱沉的收縮變形受到約束而產(chǎn)生的，約束產(chǎn)生的原因主要在于芯片、焊料和熱沉的熱膨脹系數(shù)不一致，而焊接應(yīng)力的集中區(qū)也在芯片和熱沉的連接區(qū)域，即焊料層。

圖4 封裝熱應(yīng)力致激光器變形分析。(a) 激光器應(yīng)力分布；(b) 激光器變形結(jié)果；(c) 激光器在X向的變形(垂直P(pán)N節(jié)方向)分布；(d) 芯片和熱沉在X向的變形量。

Fig.4 Analysis of laser diode array deformation caused by thermal stress during soldering. (a) Stress distribution in laser diode array. (b) Deformation of the laser diode array. (c) Laser diode array deformation inXdirection. (d) Deformations of chip and heat sink inXdirection.

現(xiàn)有的技術(shù)研究主要集中于芯片與熱沉的線膨脹系數(shù)匹配問(wèn)題，即從協(xié)調(diào)熱膨脹系數(shù)不一致問(wèn)題入手，包括低熔點(diǎn)焊料的研發(fā)；以及焊接工藝的研究，包括焊接回流曲線的改進(jìn)。

如上所述，焊接smile產(chǎn)生的根本原因在于芯片和熱沉的收縮變形受約束。因此，可以從協(xié)調(diào)芯片與熱沉的變形量不一致問(wèn)題入手解決焊接熱應(yīng)力致芯片變形問(wèn)題，這也是一個(gè)創(chuàng)新的解決問(wèn)題的思路。

3 減小smile效應(yīng)的對(duì)策

3.1 錯(cuò)溫封裝技術(shù)

在同樣的溫度變化量下，熱沉由于熱膨脹系數(shù)大于芯片，從而收縮變形被約束，芯片則受到拉伸。為此，提出“錯(cuò)溫封裝”技術(shù)。所謂錯(cuò)溫封裝技術(shù)，是指在封裝時(shí)將芯片和熱沉置于不同的溫度。通過(guò)合理設(shè)計(jì)芯片的焊接初始溫度，可以達(dá)到降低smile效應(yīng)的目的。技術(shù)原理表述如下：

(2)

其中α1、α2、L的定義和上文一致，ΔT1表示芯片的焊接溫差，ΔT0表示安裝焊料焊接需求熱沉的焊接溫差。公式兩邊分別表示芯片長(zhǎng)邊的變形量、熱沉沿芯片長(zhǎng)邊方向的變形量。公式兩邊相等表示通過(guò)溫差控制從而使芯片和熱沉的變形量一致。由于焊接溫度是一定的，所以熱沉的焊接溫差ΔT0是已知量。因而可得：

(3)

以第2章的仿真條件為例，α1取基體熱膨脹系數(shù)，為6.4E-6/℃；α2取Cu的熱膨脹系數(shù)，為16.5E-6/℃。ΔT0=180 ℃-22 ℃=158 ℃，則ΔT1=407.3 ℃，即芯片的焊接初始溫度為429.3 ℃。

實(shí)現(xiàn)上述條件，需要在傳統(tǒng)的焊接流程基礎(chǔ)上稍作調(diào)整。傳統(tǒng)焊接流程中芯片和熱沉同時(shí)置于一個(gè)焊接爐中升溫至焊接溫度。新的方法則需要將芯片和熱沉置于不同的焊接爐中，分別升溫至各自所需溫度，然后再將芯片移至熱沉所在的焊接爐中完成焊接。由于包含移動(dòng)芯片的過(guò)程，焊接也需要一定的時(shí)間，實(shí)際操作時(shí)芯片溫升要考慮到上述操作過(guò)程中芯片溫度的散失量。

對(duì)上述方法進(jìn)行仿真分析驗(yàn)證，結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 錯(cuò)溫封裝激光器變形分析。(a) 激光器在X向的變形(垂直P(pán)N節(jié)方向)；(b) 芯片和熱沉在X向的變形量。

Fig.5 Analysis of laser diode array deformation with differential temperature soldering. (a) Laser diode array deformation inXdirection. (b) Deformations of chip and heat sink inXdirection.

仿真分析表明，合理設(shè)計(jì)芯片焊接初始溫度，可以將芯片的焊接應(yīng)力所致smile值從39.35 μm降至約1.9 μm，表明錯(cuò)溫封裝法降低封裝熱應(yīng)力是有效的。

3.2 熱沉預(yù)應(yīng)力技術(shù)

錯(cuò)溫封裝技術(shù)需要將芯片溫度預(yù)先升至較高值，過(guò)高溫度會(huì)導(dǎo)致銦焊料氧化，影響焊接效果。如果能結(jié)合減小熱沉變形量的辦法，則芯片所需溫升就可以相應(yīng)減小。為此，研究熱沉預(yù)應(yīng)力技術(shù)。

預(yù)應(yīng)力技術(shù)被廣泛應(yīng)用于道路和橋梁工程中，它是指對(duì)服役期間將要承受拉應(yīng)力的構(gòu)件在施工時(shí)預(yù)先施加壓應(yīng)力，用以抵消或減小外載荷產(chǎn)生的拉應(yīng)力，避免結(jié)構(gòu)破壞。借鑒預(yù)應(yīng)力技術(shù)思路，激光器陣列完成封裝冷卻至室溫后，熱沉的收縮變形受到其表面覆蓋的銦焊料、芯片等材料的約束，長(zhǎng)邊方向總體產(chǎn)生的是壓應(yīng)力，因此可以在芯片短軸端對(duì)熱沉施加平行于長(zhǎng)邊方向的拉力，用拉力產(chǎn)生的拉應(yīng)力抵消或減小熱沉收縮變形所產(chǎn)生的壓應(yīng)力。拉力施加方法如圖6所示。

圖6 熱沉預(yù)應(yīng)力技術(shù)示意圖

Fig.6 Schematic diagram of prestressing force in the heat sink

對(duì)上述方案進(jìn)行仿真驗(yàn)證。根據(jù)熱沉的變形量，計(jì)算獲得Z向拉力約為95 N，由于是1/4對(duì)稱模型，實(shí)際拉力加載在熱沉兩端垂直于長(zhǎng)邊的兩個(gè)端面上，每個(gè)面上的拉力為190 N。圖7為仿真分析結(jié)果。

圖7 預(yù)應(yīng)力封裝激光器變形分析。(a) 激光器應(yīng)力分布；(b) 激光器變形結(jié)果；(c) 激光器在X向的變形(垂直P(pán)N節(jié)方向)分布；(d) 芯片在X向的變形量。

Fig.7 Analysis of laser diode array deformation with prestressing force in the heat sink. (a) Stress distribution in laser diode array. (b) Deformation of the laser diode array. (c) Laser diode array deformation inXdirection. (d) Deformations of chip inXdirection.

仿真分析表明，施加預(yù)應(yīng)力后芯片的焊接應(yīng)力所致smile值從39.35 μm降至約0.35 μm，表明預(yù)應(yīng)力封裝法降低封裝熱應(yīng)力是非常有效的。

預(yù)應(yīng)力封裝法降低smile效應(yīng)的缺點(diǎn)主要表現(xiàn)在預(yù)應(yīng)力會(huì)加大芯片的內(nèi)應(yīng)力，芯片內(nèi)部應(yīng)力一方面會(huì)影響發(fā)光波長(zhǎng)，另一方面過(guò)大的內(nèi)應(yīng)力可能會(huì)損壞芯片[15-16]。熱沉預(yù)應(yīng)力封裝法的優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)靈活，對(duì)于各種smile效應(yīng)，如上凸型smile、下凹型smile都可以調(diào)整，對(duì)于不同的smile值也可以通過(guò)裝調(diào)調(diào)整力的大小加以修正。

4 結(jié) 論

研究了陣列封裝半導(dǎo)體激光器封裝熱應(yīng)力致smile效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理；以808 nm水平陣列封裝半導(dǎo)體激光器為例，通過(guò)仿真分析的辦法驗(yàn)證了封裝熱應(yīng)力致smile效應(yīng)的根本原因在于芯片、焊料和熱沉的熱膨脹系數(shù)不一致而產(chǎn)生的相互約束作用。在此基礎(chǔ)上提出改善smile效應(yīng)的錯(cuò)溫封裝技術(shù)和熱沉預(yù)應(yīng)力技術(shù)。仿真驗(yàn)證表明，封裝熱應(yīng)力所致的smile值為39.35 μm，采用封裝前升高芯片溫度至429 ℃的錯(cuò)溫封裝技術(shù)，可以將smile值降至1.9 μm；若采用熱沉預(yù)應(yīng)力技術(shù)，對(duì)熱沉的兩個(gè)端面沿長(zhǎng)邊方向分別施加190 N的拉力，可以將smile值降至0.35 μm。仿真分析結(jié)果驗(yàn)證了兩種封裝措施對(duì)于降低smile效應(yīng)的有效性。采用錯(cuò)溫封裝技術(shù)，較高的芯片溫度可能會(huì)導(dǎo)致焊料氧化問(wèn)題，熱沉預(yù)應(yīng)力技術(shù)也存在加大芯片內(nèi)應(yīng)力的缺點(diǎn)。將這兩種方法結(jié)合起來(lái)可以獲得最優(yōu)的解決方案。錯(cuò)溫封裝技術(shù)和熱沉預(yù)應(yīng)力封裝技術(shù)都具有易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，其中熱沉預(yù)應(yīng)力技術(shù)對(duì)于各種smile效應(yīng)和不同的smile值都可以調(diào)整和修正。

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陳華(1983-)，女，湖北十堰人，博士，講師，2011年于中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所獲得博士學(xué)位，主要從事LED車前照燈散熱和道路檢測(cè)技術(shù)的研究。

E-mail: chenhua.tyb@126.com

Measures to Reduce Smile Effect of Semiconductor Laser Diode Arrays Caused by Packaging Thermal Stress

CHEN Hua*, LI Jing, ZHOU Xing-lin, LYU Yue-jing

(SchoolofAutomobileandTrafficEngineering,WuhanUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430081,China)

The smile effect caused by thermal stress is a common problem in high power semiconductor laser array packaging. The mechanism of smile effect caused by packaging thermal stress was studied firstly. Then two measures, the differential temperature soldering technique and the prestressing force technique, were putted forward. The feasibility and effectiveness of the above mentioned techniques, were studied through the simulation method for an 808 nm semiconductor laser diode array. Using the traditional soldering technique, the smile effect is about 39.36 μm at 22 ℃. Using the differential temperature soldering technique, increasing the chip’s temperature to 429 ℃ before soldering can reduce the smile effect to 1.9 μm. Using the prestressing force technique, applying a tensile force of 190 N along the long axis direction on each side of the heat sink can reduce the smile effect to 0.35 μm. Both techniques are proved to be effective. The two techniques are easy to implement, and the prestressing force technique can be used to adjust or modify various smile effect types and different smile values.

semiconductor laser diode; smile effect; thermal effect; differential temperature soldering; prestressing force

1000-7032(2017)05-0655-07

2016-12-15；

2017-02-24

湖北省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(2015CFB220)； 湖北省科技支撐計(jì)劃(2014BEC055)； 國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(51578430)； 武漢科技大學(xué)青年科技骨干培育計(jì)劃資助項(xiàng)目 Supported by General Program of Natural Science Foundation of Hubei province(2015CFB220); Hubei Science and Technology Support Program(2014BEC055); General Program of Natural Science Foundation of China(51578430); Youth Science and Technology Backbone Training Program of Wuhan University of Science and Technology

TN248.4

A

10.3788/fgxb20173805.0655

*CorrespondingAuthor,E-mail:chenhua.tyb@126.com