周 勇， 王 琦， 高 翔， 高俊腱， 陶春燕， 郝明明*

（1. 廣東工業(yè)大學(xué) 材料與能源學(xué)院，廣東 廣州 510006；2. 北京大學(xué) 東莞光電研究院，廣東 東莞 523822；3. 廣東工業(yè)大學(xué) 信息與工程學(xué)院，廣東 廣州 510006）

1 引 言

GaN 基材料是一種直接帶隙發(fā)光材料，由于其具有高禁帶寬度、高熱導(dǎo)率、高電子遷移率等特點(diǎn)，所以在各種電子器件和光電器件中應(yīng)用十分廣泛，也吸引了越來越多科學(xué)工作者對其展開研究［1-3］。與氮化鎵基發(fā)光二極管（Light Emitting Diode，LED）相比，氮化鎵基激光器（Laser Diode，LD）的方向性好、亮度高、顏色純，在激光加工、激光顯示、激光醫(yī)療、高密度光學(xué)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、海洋資源、大氣探測以及水下通訊等方面有著巨大的應(yīng)用前景［4-7］。但是高功率藍(lán)光半導(dǎo)體激光器的研制難度非常大，研究過程主要有兩個(gè)環(huán)節(jié)：半導(dǎo)體激光器芯片的生產(chǎn)技術(shù)和封裝技術(shù)。因?yàn)榉庋b質(zhì)量對器件的輸出功率、光束質(zhì)量、壽命影響巨大，所以封裝技術(shù)需要解決器件在工作時(shí)散熱差的問題和巴條與熱沉由于熱膨脹系數(shù)不匹配帶來的應(yīng)力問題。

目前國內(nèi)外在高功率單管藍(lán)光半導(dǎo)體激光器的封裝技術(shù)研究上都取得了一定的成績。2020年，日本的NICHIA 公司，采用TO90 的封裝方式，成功制備波長455 nm、連續(xù)工作條件下輸出光功率5.67 W 的單管藍(lán)光半導(dǎo)體激光器［8］。2022年，中國科學(xué)院蘇州納米所通過優(yōu)化封裝結(jié)構(gòu)，采用雙面封裝的方式，成功制備了熱阻為6.7 K/W，在工作電流6 A 的情況下，室溫連續(xù)工作光輸出功率7.5 W 的單管藍(lán)光半導(dǎo)體激光器［9］。對于藍(lán)光半導(dǎo)體激光器巴條封裝技術(shù)的研究，國外的研究機(jī)構(gòu)主要有OSRAM，LASERLINE 等。2020年，OSRAM 設(shè)計(jì)并優(yōu)化了藍(lán)光半導(dǎo)體激光器巴條芯片，通過主動(dòng)冷卻的封裝方式，獲得了50 W 的輸出光功率，斜率效率約為1.9 A/W［10］。而國內(nèi)對巴條的研究主要集中在以砷化鎵為代表的近紅外波段8xx nm和9xx nm 系列的半導(dǎo)體激光器［11-12］，藍(lán)光半導(dǎo)體激光器巴條的研究還未見報(bào)道。所以目前要獲得高功率、高亮度的藍(lán)光半導(dǎo)體激光器主要還是通過串聯(lián)多個(gè)單管芯片，采用空間合束、偏振合束、光纖耦合等方式來提高輸出功率［13］。對比單巴條、多巴條線陣和面陣輸出，多單管耦合輸出不僅增大了工藝難度，提高了生產(chǎn)成本，同時(shí)也對散熱也提出了更高的要求［14］。因此本文對藍(lán)光半導(dǎo)體激光器單巴條的封裝技術(shù)展開研究是非常有意義的。

本文利用金錫硬焊料將藍(lán)光半導(dǎo)體激光芯片共晶鍵合在銅鎢過渡熱沉，通過優(yōu)化焊接溫度、焊接壓力及焊接時(shí)間獲得最優(yōu)的貼片條件，在此條件下封裝的器件，熱阻最低，閾值電流最小，電光轉(zhuǎn)換效率最高。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 封裝結(jié)構(gòu)

與單管激光器相比，目前單巴條激光器的封裝結(jié)構(gòu)主要有三種結(jié)構(gòu)，如圖1 所示［15-16］：微通道液體冷卻（Micro-Channel Cooling，MCC）和宏通道液體冷卻（Macro-Channel Cooling，MaCC）、傳導(dǎo)冷卻半導(dǎo)體激光器（Conduction-cooled Semiconductor laser， CS）。MCC 和MaCC 器件從外觀上來看，并無區(qū)別，上中下層分別都是負(fù)極、絕緣層、正極，主要區(qū)別則是MCC 正極熱沉中散熱通道設(shè)計(jì)不同。如圖1（d）所示，MCC 器件正極熱沉是由五層非常薄的銅箔制成，而MaCC 器件正極熱沉為一片銅，前者的散熱效率遠(yuǎn)高于后者，可以在高占空比或者高功率條件下工作，后者則在低占空比或者較低功率下工作。CS 器件與前兩者相比結(jié)構(gòu)較簡單，如圖1（c）所示，它主要是依靠底座熱沉進(jìn)行冷卻傳導(dǎo)散熱，底座熱沉通常為銅，為了提高其散熱能力，CS 器件的熱沉尺寸比激光器芯片的尺寸要大，本文選擇的封裝形式為CS 結(jié)構(gòu)。

圖1 三種封裝結(jié)構(gòu)Fig.1 Three packaging structures

對于半導(dǎo)體激光器的封裝技術(shù)而言，焊料的選擇非常重要［17-18］。常用軟焊料主要有銦焊料、錫膏等；硬焊料主要有金錫合金焊料。本文所選用的硬焊料是預(yù)制在過渡熱沉上的Au80Sn20焊料（熔點(diǎn)280 ℃）、軟焊料則使用的是Sn96.5Ag3.0Cu0.5（SAC305，熔點(diǎn)217～227 ℃）。SAC305 無鉛錫膏的熱導(dǎo)率為67 W/（m·K），銦焊料的熱導(dǎo)率為83.7 W/（m·K），雖然前者的熱導(dǎo)率比后者低，但是前者的濕潤性比后者好，且焊后焊點(diǎn)空洞率低，有著優(yōu)良的可靠性。

高功率半導(dǎo)體激光器在工作時(shí)，有源區(qū)會(huì)產(chǎn)生大量的熱，如果不及時(shí)將熱量傳導(dǎo)出去，那么將會(huì)降低器件的輸出功率，縮短器件的使用壽命，因此實(shí)驗(yàn)使用熱導(dǎo)率高的銅合金作為散熱熱沉；同時(shí)還應(yīng)該考慮芯片與熱沉的熱膨脹系數(shù)匹配程度。實(shí)驗(yàn)所使用的氮化鎵基藍(lán)光半導(dǎo)體激光器巴條具有21 個(gè)發(fā)光單元，每個(gè)發(fā)光單元的發(fā)光寬度為30 μm，填充因子為7.5%，腔長1.2 mm，前后腔面分別鍍增透膜和高反膜。氮化鎵的熱膨脹系數(shù)為5.59×10-6/K，W90Cu10合金熱沉膨脹系數(shù)為6.5×10-6/K，兩者差異不大，因此選擇W90Cu10合金作為過渡熱沉，可減少熱失配帶來的熱應(yīng)力，由于實(shí)驗(yàn)使用的Au80Sn20（熱膨脹系數(shù)為16×10-6/K）焊料是預(yù)制在銅鎢過渡熱沉上，厚度比較薄而且具有很好的延展性，可以釋放部分殘余應(yīng)力，所以焊料與芯片之間熱膨脹系數(shù)不匹配帶來的應(yīng)力可以忽略不計(jì)。器件封裝結(jié)構(gòu)如圖2 所示，從上到下依次為負(fù)極熱沉、AlN 絕緣片、氮化鎵基藍(lán)光巴條、預(yù)制Au80Sn20焊料的銅鎢過渡熱沉、SAC305 無鉛錫膏、銅熱沉。

圖2 CS 封裝結(jié)構(gòu)Fig.2 CS package structure

2.2 真空共晶回流工藝

采用貼片機(jī)，在氮?dú)夥諊?、貼片壓力相同的情況下，設(shè)置310 ℃，320 ℃，330 ℃三個(gè)溫度進(jìn)行貼片，預(yù)熱溫度設(shè)置為220 ℃，快速升溫速率為6 ℃/s，焊接時(shí)間為40 s，共晶真空回流曲線如圖3 所示。芯片與熱沉之間的焊接質(zhì)量，不但會(huì)影響器件的散熱性能，而且會(huì)降低器件的使用壽命，影響器件的可靠性。

圖3 真空共晶回流曲線Fig.3 Vacuum eutectic reflux curve

3 器件測試與分析

3.1 SEM 檢測

SEM，全稱掃描電子顯微鏡，它的工作原理是用細(xì)聚焦的電子束轟擊樣品表面，通過電子與樣品相互作用產(chǎn)生二次電子、背散射電子等對樣品斷口形貌進(jìn)行觀察和分析。本文使用SEM 對芯片焊料層進(jìn)行表征，意義在于觀看不同焊接溫度對芯片焊接層的焊接質(zhì)量。如果焊接質(zhì)量良好，那么焊料應(yīng)該完全融化，過渡熱沉與激光器巴條充分浸潤，且焊料層均勻沒有空洞產(chǎn)生。圖4 為在SEM 檢測下的AuSn 焊料形貌圖，其中：圖4（a）～4（c）分別對應(yīng)同樣的焊接壓力下，焊接溫度為310 ℃，320 ℃，330 ℃三個(gè)樣品的形貌圖。

圖4 不同貼片溫度下AuSn 焊料SEM 圖Fig.4 SEM of AuSn solder at different bonding temperatures

由圖可以看出，在320 ℃條件下，焊料表面光滑，均勻致密且沒有空洞出現(xiàn)；在310 ℃條件下，由于金錫原子擴(kuò)散不均勻，融化不充分，表面起伏較大，并且產(chǎn)生了空洞；而在330 ℃條件下，由于合金在高溫下不斷生長，最終形成了較大尺寸的樹枝晶，最終導(dǎo)致焊料層出現(xiàn)大的顆粒，形成粗糙的表面形貌。因此貼片機(jī)的焊接溫度設(shè)置為320 ℃是合適的。

3.2 熱阻

在3.1 節(jié)中，通過對芯片進(jìn)行SEM 檢測，對樣品的形貌進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)貼片溫度太高或者太低都會(huì)導(dǎo)致焊料層出現(xiàn)較大的顆粒，從而形成粗糙的表面，使得器件產(chǎn)生空洞。因此，在接下來的實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，主要對焊接溫度為320 ℃的時(shí)候，對不同焊接壓力及焊接時(shí)間下的樣品進(jìn)行測試分析。焊接壓力與焊接時(shí)間是影響高功率半導(dǎo)體激光器焊接質(zhì)量的重要因素，對不同焊接壓力及焊接時(shí)間下封裝的高功率藍(lán)光半導(dǎo)體激光巴條，進(jìn)行熱阻的測量。

通過測量半導(dǎo)體激光器熱阻的大小可以評價(jià)封裝的好壞，目前測試激光器熱阻的方法主要有結(jié)電壓法、熱繪儀法，波長紅移法等。本文使用波長紅移法來測藍(lán)光半導(dǎo)體激光巴條的熱阻。

激光器熱阻可以表示為Rth，根據(jù)熱阻的定義：耗散單位熱功率引起的溫升，可用公式（1）來表示：

其中：k為芯片的波長漂移系數(shù)，U1，I1，P1，U2，I2，P2分別為樣品的兩組光電參數(shù)，其中I2＞I1，λ2，λ1分別對應(yīng)注入電流I2和I1時(shí)的波長。

使用波長漂移法測量激光巴條的熱阻。當(dāng)焊接溫度為320 ℃、焊接時(shí)間為40 s 時(shí)，分別記錄焊接壓力為0.3 N，0.5 N，0.7 N，熱沉溫度分別為30 ℃，35 ℃，40 ℃，45 ℃，50 ℃時(shí)，在10 A 工作電流條件下，激光器波長的變化，測試結(jié)果經(jīng)過Origin 擬合處理后如圖5 所示，計(jì)算可得不同焊接壓力下該激光器的波長漂移系數(shù)分別為：0.064 nm/℃，0.060 nm/℃，0.088 nm/℃。

圖5 不同焊接壓力下不同溫度時(shí)的波長變化曲線Fig.5 Wavelength change curve under different bonding pressure and temperature

為了測量激光器熱阻，同時(shí)減少實(shí)驗(yàn)誤差，對焊接壓力為0.3 N 下的樣品分別在熱沉溫度設(shè)定為30 ℃，35 ℃，40 ℃時(shí)，測試并記錄兩組光電參數(shù)及光譜，具體如表1 所示。

表1 0.3 N 焊接壓力下的光譜光電參數(shù)Tab.1 Spectral and photoelectric parameters under 0.3 N bonding pressure

結(jié)合式（1）計(jì)算可得出焊接壓力為0.3 N 時(shí)，熱沉溫度為30 ℃，35 ℃，40 ℃時(shí)的Rth分別為0.978 ℃/W，0.950 ℃/W，0.863 ℃/W，再取平均值，得出該激光器的熱阻為0.930 ℃/W。同理可測出焊接壓力分別為0.5 N，0.7 N 時(shí)，對應(yīng)不同熱沉溫度下的兩組光譜光電參數(shù)，計(jì)算可得出在焊接壓力為0.5 N 和0.7 N 時(shí)，激光器的熱阻分別為0.565 ℃/W，0.575 ℃/W。由此可知，當(dāng)焊接溫度與時(shí)間一定時(shí)，貼片壓力設(shè)置在0.5 N 時(shí)，器件的熱阻較低。

進(jìn)一步，為研究不同焊接時(shí)間對藍(lán)光半導(dǎo)體激光器巴條熱阻的影響，在焊接溫度為320 ℃，焊接壓力為0.5 N 的情況下，設(shè)定五組焊接時(shí)間參數(shù)分別為10 s，20 s，30 s，40 s，50 s 進(jìn)行貼片并測試封裝后器件的熱阻，測試過程同上，最后通過計(jì)算得出不同焊接時(shí)間與器件熱阻的關(guān)系如圖6所示。

圖6 不同焊接時(shí)間與器件熱阻關(guān)系曲線Fig.6 Curve of the relationship between different bonging times and device thermal resistance

由圖6 可知，當(dāng)焊接溫度與壓力一致時(shí)，焊接時(shí)間在10 s，20 s 的時(shí)候熱阻比較大，主要原因可能是在320 ℃的時(shí)候，即使已經(jīng)達(dá)到Au80Sn20 焊料的共晶溫度點(diǎn)，但是較短的焊接時(shí)間使得焊料未充分融化擴(kuò)散或流動(dòng)浸潤，金錫合金未形成均勻的共晶組織，導(dǎo)致巴條與熱沉之間存在空氣間隙，從而增大了器件的熱阻；而焊接時(shí)間在40 s時(shí)，測得的熱阻最低為0.565 ℃/W；隨著焊接時(shí)間的延長，在焊接時(shí)間為50 s 時(shí)，器件熱阻明顯增大，這是由于長時(shí)間的保溫，金錫合金在再結(jié)晶溫度附近會(huì)發(fā)生再結(jié)晶現(xiàn)象，導(dǎo)致晶粒長大，焊料表面變得粗糙，快速冷卻從而引入殘余內(nèi)應(yīng)力。由上述實(shí)驗(yàn)可知，使用貼片機(jī)對藍(lán)光半導(dǎo)體激光器巴條進(jìn)行封裝的合適焊接壓力為0.5 N、焊接時(shí)間為40 s。

3.3 工作特性

考慮焊接溫度、焊接壓力、焊接時(shí)間對高功率藍(lán)光半導(dǎo)體激光器巴條的輸出功率、閾值電流等性能影響，對焊接溫度為320 ℃、焊接時(shí)間為40 s，焊接壓力分別為0.3 N，0.5 N，0.7 N的樣品進(jìn)行光電參數(shù)測量。測試條件為底座熱沉通過水冷機(jī)控制溫度為16 ℃，在注入電流0～30 A 時(shí)，記錄樣品的電壓、功率等數(shù)據(jù)，通過Origin 繪圖軟件處理后，樣品的光電曲線如圖7所示。

圖7 三種焊接壓力下的樣品光電特性曲線Fig.7 Photoelectric characteristic curve under different bonding pressure

從圖7 可以看出，當(dāng)焊接溫度與焊接時(shí)間一定時(shí)、焊接壓力為0.3 N 時(shí)，器件的閾值電流最低為5.5 A，輸出光功率平均為27.14 W，光電轉(zhuǎn)換效率最高為19.9%；焊接壓力為0.5 N 時(shí)，器件的閾值電流最低為4.9 A，輸出光功率平均為32.21 W，光電轉(zhuǎn)換效率23.3%；而當(dāng)焊接壓力為0.7 N 的時(shí)候，閾值電流、輸出光功率與光電轉(zhuǎn)換效率均有下降。這表明，焊接溫度與焊接時(shí)間一定時(shí)，焊接壓力太小會(huì)導(dǎo)致合金晶粒擴(kuò)散不均勻，產(chǎn)生大量空洞，熱阻變大，這與3.2 熱阻測試的結(jié)果一致。而當(dāng)焊接壓力過大時(shí)，在高溫下會(huì)引入壓應(yīng)力，從而導(dǎo)致器件的光電性能出現(xiàn)下降的現(xiàn)象，這與文獻(xiàn)［19］里面關(guān)于半導(dǎo)體激光器芯片封裝的應(yīng)力研究一致。

4 結(jié) 論

主要研究了金錫硬焊料及銅鎢過渡熱沉封裝高功率藍(lán)光半導(dǎo)體激光器巴條的熱阻及輸出特性，通過實(shí)驗(yàn)優(yōu)化了貼片機(jī)的工藝參數(shù)，分析了不同焊接溫度、不同焊接壓力，不同焊接時(shí)間對燒結(jié)質(zhì)量以及器件輸出特性的影響。使用波長漂移法測量并分析了器件的熱阻，在焊接溫度為320 ℃、焊接壓力0.5 N、焊接時(shí)間為40 s 的時(shí)候，器件的熱阻最低為0.565 ℃/W。為了進(jìn)一步驗(yàn)證器件的性能，還測試了藍(lán)光半導(dǎo)體激光器巴條的光電參數(shù)，在注入電流為30 A 時(shí)，閾值電流最小為4.9 A，輸出光功率最高為32.21 W，最高光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了23.3%。該結(jié)果表明，金錫硬焊料及銅鎢過渡熱沉封裝高功率藍(lán)光半導(dǎo)體激光器巴條可以實(shí)現(xiàn)高功率的藍(lán)光激光輸出，這為以后研究更高功率的藍(lán)光半導(dǎo)體激光器提供了參考價(jià)值。