程東明，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）

1 引言

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，并且當器件工作時產(chǎn)生的熱應(yīng)力較小。由于Ag電導(dǎo)性良好，而In能夠有效潤濕Ag，同時又能防止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的保護層，但Ag-In焊料的焊接可靠性值得進一步研究。

2 薄膜制備與結(jié)構(gòu)

為研究Ag-In焊料可靠性，我們在Si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，對比其微結(jié)構(gòu)進行說明。

圖1 薄膜結(jié)構(gòu)圖

3 分析與討論

通過掃描電鏡（圖2）我們發(fā)現(xiàn)：Ag-In薄膜表面各個微粒形態(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

通過兩種實驗結(jié)果對比，我們發(fā)現(xiàn)間隙的存在可能由兩個原因共同作用產(chǎn)生。一方面，根據(jù)擴散動力學(xué)，Ag-In薄膜的厚度較小，Ag顆粒與其接觸的In顆粒發(fā)生互擴散運動的同時伴隨著新產(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測試圖譜

我們通過XRD測試比對標準譜（如圖3）分析發(fā)現(xiàn)，在樣品中In被保護的同時，有AgIn2物質(zhì)的存在，可以證明Ag與In的內(nèi)部發(fā)生互擴散反應(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)部熱運動劇烈，導(dǎo)致微粒內(nèi)部熱應(yīng)力增大，當薄膜冷卻至室溫時，內(nèi)部熱運動逐漸趨緩，致使顆粒在某一處位置逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)，因此會造成顆粒的積聚分布不均，也會導(dǎo)致間隙的存在。

4 結(jié)論

通過對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Ag對In的抗氧化保護確實有效，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。

[1] V Simic, Z Marinkoviv.Stability of compounds in thin fi lm metal couples in the course of long ageing at room temperature [J].Thin Solid Film, 1992, 209:181-187.

[2] Blass E.Formation and Coalescence of Bubbles and Droplets[J].International Chemical Engineering, 1990,30（2）.

[3] 伍祥武.含銦焊料的研發(fā)與應(yīng)用[J].企業(yè)科技與發(fā)展，2010（14）.

[4] D S Alles.Trends in laser packaging[A].in Proc.40th Electron.Comp.Technol.Conf., 1990.

[5] A R Mickelson, N R Basavanhally, Y C Lee.Optoelectronic Packaging[M].New York: Wiley, 1997.

[6] Bellcore Reliability Assurance Practices for Optoelectronic Devices in Loop Applications[A].Standard TA-TSY-000 983, Jan.1990.

[7] Jao-Hwa Kuang, Maw-Tyan Sheen.Effect of Temperature Cycling on Joint Strength of PbSn and AuSn Solders in Laser Packages[J].IEE Trans.on Advanced Packaging,2001, 24（4）: 563-568.

[8] J Kim, D Kim, C C Lee.IEEE Transactions on Advanced Packaging.2006: 473.

[9] J W R Tew, X Q Shi, S Yuan.Materials Letters.2004:2 695.

[10] T Yamada, K Miura, M Kajihara, et al.Journal of Material Science.2004: 2 327.