AuSn焊料预热温度对高功率半导体激光器封装质量影响的研究

赵梓涵，王宪涛，，王海卫

（1.长春理工大学 机电工程学院，长春 130022；2.长春长理光学精密机械有限公司，长春 130022）

AuSn焊料预热温度对高功率半导体激光器封装质量影响的研究

赵梓涵1，王宪涛1，2，王海卫2

（1.长春理工大学 机电工程学院，长春 130022；2.长春长理光学精密机械有限公司，长春 130022）

为提高高功率半导体激光器封装质量，对AuSn焊料预热温度进行研究。通过分析AuSn焊料共晶原理，建立四组不同预热温度的AuSn焊料封装试验。通过对比不同预热温度下封装器件的光电参数，光谱特性及SEM检测效果，对实验结果进行分析。实验结果表明AuSn焊料的预热温度对高功率半导体激光器封装质量有重要影响，并得出AuSn焊料预热温度在235℃时高功率半导体激光器的封装质量最为理想。

AuSn焊料；预热温度；半导体激光器；封装质量

近年来高功率半导体激光器凭借其体积小、重量轻、电光转换效率高、性能稳定和寿命长等优点，已经成为光电行业中最具有发展前途的产品，被广泛应用于工业、通讯、军事、医疗和材料处理等领域［1］。随着半导体材料外延生长技术、量子阱结构优化技术、低欧姆接触技术、低热阻和低应力封装技术的飞速发展，加上半导体激光工业加工应用和大功率光纤激光器泵浦源的市场需求，具有大功率、高效率、体积小的半导体激光器得到了飞速发展，高功率半导体激光器将会发展成为人们生活中不可或缺的东西［2］。

随着半导体技术的发展，对高功率半导体激光器输出功率的要求越来越高，但半导体激光器的光学特性、输出功率以及可靠性等都由半导体激光器封装质量决定。影响激光器封装质量好坏的因素有很多，如焊料的选择，焊料的厚度，焊接的位置，热沉的结构，焊接的温度、时间、压力等。黄波等人采用气相淀积法制备了AuSn焊料，并对焊料的焊接效果进行了分析，简单介绍了AuSn焊接过程［3］。杨扬等人研究了不同焊接温度下AuSn焊料的形貌、物相组成以及对封装激光器的性能影响［4］。本文从AuSn焊料的预热温度着手，对半导体激光器封装质量的影响展开分析。

1 焊料设计及不同实验条件

1.1 过渡热沉的选择

半导体激光器采用如图1所示的C封装结构，芯片采用flipchip形式封装。激光器芯片先焊接在过渡热沉上，然后再封装到C-mount上。在过渡热沉的选择上，选择ALN这一热膨胀系数与芯片材料GaAs更为匹配的材料作为808nm激光器的过渡热沉。设计的AuSn焊料层厚度为5μm，组分是Au80Sn20（质量比），并在上面制备一层0.3μm的Pt防止焊料层的氧化。

图1 半导体激光器封装结构

1.2 实验原理及条件设定

AuSn焊料焊接机理是Sn先融化，然后液态的Sn去溶解固态的Au，并最终在278℃共晶温度下形成液态的AuSn合金，当温度低于共晶温度时发生共晶反应生成AuSn中间相δ（AuSn）和密排六方相ζ（Au5Sn）。Sn融化是否充分是决定AuSn合金共晶液化后固态Au组分的重要决定因素，而Sn的融化取决于预热温度的选择。

设定四种不同的预热温度进行试验对比，分别为230℃、235℃、240℃、245℃。采用半自动贴片机进行焊接，工艺条件为：预热时间5sec，加热温度300℃，压力20g。

2 测试结果与讨论

2.1 光电参数

由于AuSn焊料的预热温度对高功率半导体激光器的热应力有影响，所以对不同预热温度的AuSn焊料封装的808nm-5W半导体激光器进行光电参数测试，测试条件为：测试电流5A，连续电流；激光器采用水冷散热，温度20℃；积分球采样。测试结果如表1所示。

表1 808nm-5W半导体激光器光电参数

由表1可看出AuSn焊料的预热温度在235℃时，808nm-5W半导体激光器光电参数值最为理想。

2.2 光谱特性

由芯片和热沉焊接过程中的残余热应力作为封装应力的主要来源，建立应力模型。应变引起的禁带宽度变化可表示为［5］

其中，ΔEHH(ε)为应变引起的禁带宽度变化，ε为封装引入的有源区材料的应变。C11和C12为弹性模量，a和b分别为静压形变势和切变形变势。

808nm激光器芯片材料为GaAs，GaAs的a，b和C11和C12可采用表2中的数值

表2 半导体材料的应变参数

将数值代入（1）式可得

808nm半导体激光器，其激射波长由禁宽度决定，表达式为：［6］

而ΔEHH(ε)是由于热应变导致的禁带宽度的变化，即ΔEHH(ε)为封装前后的禁带宽度的变化值，表示为

根据胡克（Hooke）定律，在各向同性介质中应力和应变的关系

其中，σ为激光器受到的应力作用，C为芯片的杨氏模量，GaAs的杨氏模量为85GPa。由式（2），式（4）和式（5）联立可得热应力与波长漂移关系式为根据公式（6）可以计算出半导体激光器的热应力。为了测得激光器封装产生的应力，需要对封装前后的激光器光谱进行对比。测试条件为25℃，脉冲电流测试，电流为5A，为了比对AuSn焊料预热温度对激光器热应力的影响，本实验共做了四组比对。

第一组光谱曲线对比如图2：未封装的芯片测得峰值波长为795.8nm，如图2中系列1。当AuSn焊料预热温度为230℃时，封装后的半导体激光器在相同条件下测得的光谱如图2中系列2，波长为798.8nm。根据公式（6）得到封装后的热应力为σ1=231MPa。

图2 AuSn焊料预热温度为230℃时光谱曲线对比图

第二组光谱曲线对比如图3：未封装的芯片测得峰值波长为795.9nm，如图3中系列1。当AuSn焊料预热温度为235℃时，封装后的半导体激光器在相同条件下测得的光谱如图3中系列2，波长为798.1nm。根据公式（6）得到封装后的热应力为σ2=169MPa。

图3 AuSn焊料预热温度为235℃时光谱曲线对比图

第三组光谱曲线对比如图4：未封装的芯片测得峰值波长为795.7nm，如图4中系列1。当AuSn焊料预热温度为240℃时，封装后的半导体激光器在相同条件下测得的光谱如图4中系列2，波长为799.2nm。根据公式（6）得到封装后的热应力为σ3=270MPa。

图4 AuSn焊料预热温度为240℃时光谱曲线对比图

第四组光谱曲线对比如图5：未封装的芯片测得峰值波长为795.6nm，如图5中系列1。当AuSn焊料预热温度为245℃时，封装后的半导体激光器在相同条件下测得的光谱如图5中系列2，波长为799.6nm。根据公式（6）得到封装后的热应力为σ4= 307MPa。

图5 AuSn焊料预热温度为245℃时光谱曲线对比图

根据以上四组数据对比，可以看出AuSn焊料的预热温度在235℃时，808nm-5W半导体激光器热应力值最为理想。

2.3 SEM效果检测

通过扫描电子显微镜（SEM）对以上四组不同AuSn焊料预热温度封装后的半导体激光器进行焊接效果检测。

图6 AuSn焊料预热温度230℃时SEM图

当AuSn焊料预热温度为230℃时焊接层剖面如图6所示，可以看到在焊接层中有细小的空洞。

图7 AuSn焊料预热温度235℃时SEM图

当AuSn焊料预热温度为235℃时焊接层剖面如图7所示，可以看到焊料层中基本没有空洞出现。

图8 AuSn焊料预热温度240℃时SEM图

当AuSn焊料预热温度为240℃时焊接层剖面如图8所示，可以看到在焊接层中空洞变大。

图9 AuSn焊料预热温度245℃时SEM图

当AuSn焊料预热温度为245℃时焊接层剖面如图9所示，可以看到在焊接层中出现较多的空洞。

通过以上四组图片可以看出当AuSn焊料预热温度为235℃时，激光器的封装效果最为理想，没有空洞出现。

2.4 讨论

通过以上三组测试可以看出激光器封装质量的好坏与AuSn焊料预热温度有着密切的联系，原因是AuSn焊料焊接时Sn先融化，然后液态的Sn去溶解固态的Au，当预热温度不足时，液态Sn无法完全溶解固态的Au，会导致焊接出现空洞，热应力偏大。当预热温度过高时，AuSn发生共晶反应生成AuSn中间相δ（AuSn）和密排六方相ζ（Au5Sn），也会导致焊接出现空洞，热应力更大，电参数值不理想。以上数据显示当AuSn焊料预热温度为235℃时激光器的封装效果最为理想。

3 结论

通过对不同AuSn焊料预热温度制备的高功率半导体激光器进行试验对比，发现AuSn焊料预热温度对高功率半导体激光器的封装质量有着密切的关系，并得出AuSn焊料预热温度在235℃时高功率半导体激光器的封装质量最为理想的结论。

［1]Friedrich B.Present technology industrial applications and future prospects of high power diode lasers［C］.In⁃ternational Conference on Advanced Laser Technolo⁃gies.SPIE，2002.

［2]张勇.高功率单管半导体激光器封装技术研究［D］.天津：河北工业大学，2013.

［3]黄波，陈金强，杨凯，等.用于大功率半导体激光器封装的Au-Sn合金焊料的制备和特性研究［J］.长春理工大学学报：自然科学版，2007，30（3）：1-4.

［4]扬扬，孙素娟，李沛旭，等.烧结温度对AuSn焊料薄膜及封装激光器性能的影响［J］.半导体制造技术，2015，40（11）：840-845.

［5]Larry A，Scott W.Diode laser and photonic integrated circuit［M］.USA：John Wiley&Sons，1995：36-37.

［6]江剑平.半导体激光器.第一版［M］.北京：电子工业出版社，2002：1-335.

［7]赵梓涵.808nm高功率半导体激光器封装技术研究［D］.长春：长春理工大学，2017.

Research on Influence of AuSn Solder Preheating Temperature for Packaging Quality of High Power Semiconductor Laser

ZHAO Zihan1，WANG Xiantao1，2，WANG Haiwei2
（1.School of Mechatronical Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022；2.Changchun CST Optics and Fine Mechanics Co.，Ltd，Changchun 130022）

In order to improve the packaging quality of high power semiconductor laser，the preheating temperature of AuSn sol⁃der was studied.By analyzing the eutectic principle of AuSn solder，four groups of AuSn solder packaging experiment with differ⁃ent preheating temperatures were established.The experimental results were verified by comparing the photoelectric parameters，the spectral characteristics and the SEM detection results of the packaged devices with different preheating temperature.The ex⁃perimental results show that the preheating temperature of AuSn solder had an important influence on the quality of high power semiconductor laser packaging，and it was concluded that the AuSn solder preheating temperature at 235℃packaging quality of high power semiconductor lasers was the most ideal.

AuSn solder；preheating temperature；semiconductor laser；packaging quality

TG115.6+2

A

1672-9870（2017）02-0078-04

2016-11-08

2013年度吉林省企业技术改造和结构调整（技术创新工程）专项资金

赵梓涵（1989-），男，硕士研究生，E-mail：zhaozihan2008@qq.com

王宪涛（1967-），男，博士，研究员，E-mail：wxt@cust.edu.cn