井紅旗，倪羽茜，劉啟坤，仲 莉，孔金霞，王 鑫，劉素平，馬驍宇

(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)

1 引 言

隨著半導體芯片技術(shù)和光學技術(shù)的發(fā)展，半導體激光器的輸出功率不斷提高，被廣泛應(yīng)用于通信與光儲存、軍事應(yīng)用、材料加工、激光醫(yī)療、美容等領(lǐng)域[1-3]。隨著輸出功率的上升，半導體激光器的光學特性、輸出功率以及可靠性等都由其封裝質(zhì)量決定。影響半導體激光器封裝質(zhì)量的因素有很多，如熱沉結(jié)構(gòu)、焊料選擇、焊接曲線等。為了有效提高半導體激光器的可靠性，利用金錫代替銦作為封裝焊料是一個可靠途徑。AuSn20合金熔點是280℃，廣泛應(yīng)用于氣密封裝[4]、射頻和微波封裝[5]、發(fā)光二極管封裝[6]等方面。

以往大多數(shù)研究基本都集中在制備金錫合金[7]、優(yōu)化金錫共晶合金鑄態(tài)組織[8]以及研究Au/Sn固態(tài)擴散和界面反應(yīng)機理[9-10]，但對于其對器件實際的具體的影響鮮有報道，本文對AuSn焊料組分比對大功率半導體激光器性能的影響進行了深入研究。

2 實 驗

2.1 芯片制作

利用RIXTRON MOCVD設(shè)備，在GaAs襯底上生長出應(yīng)變量子阱大光腔975nm激光器外延片，量子阱采用GaInAs材料，波導層和限制層采用AlGaAs材料，外延層結(jié)構(gòu)見圖1。生長好的外延片通過光刻、金屬化、減薄等工藝，做成發(fā)光區(qū)寬度100μm、填充因子20% 的圓片，再將圓片解理成4.5mm 腔長的激光器長條，前后腔面分別鍍增透膜和高反膜，最后解理成寬0.5mm 的管芯。

2.2 過渡熱沉的制作

為了滿足應(yīng)用和封裝的需求，設(shè)計出AlN過渡熱沉，見圖2。AlN過渡熱沉除了AuSn焊料層外，主要由上鍍薄金層的銅層、AlN陶瓷層、下鍍薄金層的銅層3部分組成。各層尺寸都經(jīng)過了精心計算，有利于滿足封裝要求。在各組分參數(shù)相同的條件下，AlN層厚度最大，熱導率比銅低。

由于生產(chǎn)工藝的誤差，AlN過渡熱沉上AuSn焊料的組分都有少許浮動，如果誤差過大，封裝后測試結(jié)果差別很大。按AuSn焊料中Au組分比重的高低分為3類，其金組分的差別如表1所示。

圖2 AlN過渡熱沉Fig.2 AlN transition heat sink

表1 不同Au組分的AlN過渡熱沉Tab.1 AlN transition heat sink of different Au content

2.3 器件封裝

器件采用Fineplacer femto激光二極管精密定位系統(tǒng)進行封裝，優(yōu)化封裝曲線，快速升溫，找到最佳的封裝穩(wěn)定時間，凝固前快速冷卻，凝固后自然降溫，減小由于封裝引入的應(yīng)力，提高器件的可靠性。貼片時要求芯片與熱沉焊料邊緣平齊，防止芯片縮進熱沉導致焊料擋光，也要防止芯片突出較大，導致散熱不良，降低器件的可靠性。

3 器件的測試與分析

3.1 封裝后的外貌

圖3是3類AlN過渡熱沉封裝半導體激光器的外貌圖。

第一類 第二類 第三類

圖3 3類AlN過渡熱沉封裝半導體激光器的外貌圖
Fig.3 Surface morphology of the semiconductor laser with AlN transition heat sink

3類AlN過渡熱沉燒結(jié)條件基本相同，但是第三類AlN過渡熱沉燒結(jié)完后，凝固后的焊料區(qū)偏向于有坑洼現(xiàn)象的銀白色，而第一類和第二類AlN過渡熱沉燒結(jié)完后，呈現(xiàn)黑亮的均勻顏色。在燒結(jié)中焊料熔化后，第三類AlN過渡熱沉焊料流動性明顯不暢，凝固后，有疑似小顆粒物形成，會嚴重影響芯片和焊料的粘結(jié)質(zhì)量，從而影響激光器的性能。

3.2 空洞

X射線檢測[11]是一種利用X射線技術(shù)觀察、研究和檢驗樣品表面或內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷的無損傷實驗方法，根據(jù)不同材料對X射線具有不同的吸收率和透射率，X射線通過樣品后，利用衰減后的射線強度來檢測樣品內(nèi)部缺陷。GaAs功率芯片與AlN過渡熱沉上的Cu基板通過AuSn共晶焊后，利用VJELECTRONIX X射線檢測儀測定樣品的空洞，見圖4。

圖4 樣品的空洞Fig.4 Void of the samples

結(jié)果顯示，第一類和第二類AlN過渡熱沉封裝的半導體激光器器件X射線檢測圖中，顏色均勻，基本沒有空洞；第三類AlN過渡熱沉封裝的器件，出現(xiàn)一定量的白色小空洞。由此可見，第一類和第二類AlN過渡熱沉表面的AuSn焊料和GaAs管芯P面的Au層潤濕性較好，最后形成均勻的共晶組織，而第三類的AuSn焊料未與GaAs管芯P面達到較好的潤濕，形成了帶有隱患的空洞，勢必影響器件測試性能。

3.3 光譜特性

選用3類AlN過渡熱沉封裝完成后，分別抽取3個樣品，利用測試設(shè)備測試樣品的光譜，冷卻水溫度 23 ℃，發(fā)光功率10 W，結(jié)果如圖5所示。

圖5中，A1、A2、A3代表第一類AlN過渡熱沉封裝器件的光譜，B1、B2、B3代表第二類的光譜，C1、C2、C3代表第三類的光譜。半導體激光器性能測試結(jié)果顯示：第一類平均波長為972.3 nm，第二類平均波長為973.4 nm，第三類平均波長為977.9 nm。第一類和第二類的波長基本一致，而第三類的波長比第一類的波長長約5 nm，說明第三類AlN過渡熱沉封裝器件產(chǎn)生較多熱量，導致禁帶寬度變化，激光器波長出現(xiàn)嚴重漂移。

圖5 樣品的光譜特性Fig.5 Spectral characteristics of the samples

3.4 熱阻測試

根據(jù) JEDEC 標準，半導體器件熱阻定義如下[12-14]：

(1)

其中，Tj表示器件在穩(wěn)態(tài)工作時的結(jié)溫；T0代表初始溫度；Pt代表熱功率；ΔT為結(jié)溫升高。

根據(jù)半導體PN結(jié)正向?qū)▔航蹬c溫度呈正比關(guān)系[13]，電學法選取半導體 PN 結(jié)正向?qū)▔航底鳛闇孛魠?shù)，在升溫或降溫的過程中，快速測量器件的結(jié)電壓得到瞬態(tài)溫度曲線，利用結(jié)構(gòu)函數(shù)方法，構(gòu)造RC網(wǎng)絡(luò)模型，進行數(shù)值疊加運算，得到各層結(jié)構(gòu)的熱阻。

本實驗利用半導體激光器熱特性分析儀，測試結(jié)果如表2所示。

表2 熱阻測試數(shù)據(jù)Tab.2 Thermal resistance test data

測試結(jié)果顯示：第一類AlN過渡熱沉封裝的半導體激光器熱阻平均值是2.080 K/W，第二類的熱阻平均值是2.180 K/W，第三類的熱阻平均值是2.403 K/W。在三類AlN過渡熱沉封裝的器件中，第三類的熱阻值最大，比第一類高出0.323 K/W。

圖6 金錫二元合金平衡相圖Fig.6 Phase diagram of Au-Sn binary alloy

根據(jù)金錫二元合金平衡相圖[15-16]，金錫合金Au20Sn是由ζ′-Au5Sn相和-AuSn相組成的共晶組織，見圖6。在非平衡凝固過程中，先析出高熔點ζ-Au5Sn初生相。溫度升高發(fā)生共晶反應(yīng)，生成ζ-Au5Sn和-AuSn相的層片結(jié)構(gòu)；溫度降至190 ℃左右時，部分-AuSn被消耗發(fā)生包析反應(yīng)，形成ζ′-Au5Sn初生相與ζ′-Au5Sn共晶相，其中ζ′-Au5Sn初生相呈樹枝狀。如果金含量過低，-AuSn初生相形核率降低，增加了ζ′-Au5Sn初生相的生成概率，造成合金凝固組織成分偏析。而ζ′-Au5Sn相比-AuSn相HV硬度偏高，雖變形抗力較強，但是降低了初生相與共晶基體間的變形協(xié)調(diào)力，直接導致合金熱特性降低。從金屬學原理分析，形成合金的層片組織越精細越均勻，球化效果越好，合金的熱性能越好[17]。而ζ′-Au5Sn初生相呈現(xiàn)粗大的樹枝狀，嚴重破壞了合金的均勻性，從而降低了合金的熱特性。這樣就很好解釋了第三類AlN過渡熱沉封裝的半導體激光器熱阻偏高，是由于焊料中金含量過低，形成的樹枝狀的ζ′-Au5Sn初生相嚴重影響了器件的熱特性。

3.5 器件老化與分析

圖7為樣品經(jīng)過連續(xù)電流 12 A、溫度 25 ℃、500 h老化的壽命退火曲線。

圖7 樣品的壽命退化曲線Fig.7 Life degradation curves of the samples

由圖7可以看出，第三類AlN過渡熱沉封裝的半導體激光器C1、C2、C3都過早失效，而第一類和第二類熱沉封裝的器件功率較穩(wěn)定，變化率在 5%以內(nèi)。說明第三類AlN過渡熱沉封裝的器件熱特性較差。

4 結(jié) 論

本文主要研究不同配比AuSn焊料的AlN過渡熱沉及封裝半導體激光器特性。從外貌看，金組分比重較低的第三類AlN過渡熱沉封裝出的器件的共晶顏色明顯不同于第一類和第二類，有疑似小顆粒泡產(chǎn)生；X射線無損檢測空洞缺陷，第三類AlN過渡熱沉比第一類和第二類封裝出的器件空洞缺陷多出較多；光譜測試顯示，第一類和第二類AlN過渡熱沉封裝出的器件的波長基本一致，而第三類比第一類封裝的器件波長紅移約5 nm；壽命實驗顯示，第三類AlN過渡熱沉封裝出的器件過早失效。因此，AlN過渡熱沉上的AuSn焊料中，Au組分比重要在一定的范圍之內(nèi)，大于72%，小于80%，否則都會偏離共晶最佳條件，最終影響封裝器件的性能，這為以后AlN過渡熱沉的生產(chǎn)者和使用者提供了參考依據(jù)。

參 考 文 獻：

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