浅谈大功率半导体激光器列阵封装技术

徐萌萌+尉洁

摘 要：现如今，科学和信息技术高速发展，大功率半导体激光器列阵在工业、军事、医疗等诸多领域都有重要的应用。大功率半导体激光器阵列可广泛用于激光加工、激光测距、激光存储、激光显示、激光照明、激光医疗等。半导体激光芯片外延生长技术大功率半导体激光器的发展与其外延芯片结构的研究设计紧密相关。近年来，美、德等国家在此方面投入巨大，并取得了重大进展。对大功率半导体激光器阵列封装技术的研究，可以增大器件性能和转换效率，具有重大意义。

关键字：“大功率”；“半导体激光器”；“列阵”；“激光”；“芯片”

1 管芯（bar）封装

在半导体激光器列阵的封装过程中，管芯封装管芯封装的好坏直接关系到管芯的导电、导热、焊接强度等。这个封装过程对半导体激光器列阵寿命和可靠性有巨大影响。在封装过程中，焊料与其它金属层生成的金属间化合物、焊料烧结过程中产生的空洞等对焊料性能有很大影响，焊料是管芯的导电导热通道，焊料性能的好坏直接影响到管芯的工作，影响半导体激光器列阵的寿命和可靠性。

在半导体激光器列阵的制作过程中，管芯上要制作Ti/Pt/Au、Au/Ge/Ni等欧姆接触层，无氧铜上要镀Ni和Au。金属之间会生成复杂的金属间化合物（IMC），对bar的封装有较大影响。半导体激光器列阵在工作时，热沉提供良好的散热条件。但大功率半导体激光器列阵产生的热量很大，管芯温度仍然很高。这种情况下合金焊料各成分之间、焊料和芯片上的金属层之间存在扩散现象，产生IMC，由于IMC在列阵存放和工作时的过度生长和热疲劳，会对焊料结的可靠性产生不利的影响。由于IMC易碎的特性会使焊料焊接处机械强度变弱或导致界面的分层。它们对激光器的寿命和可靠性会产生影响。

2 焊料空洞

半导体激光器列阵的封装中，用于管芯（bar）焊接的焊料的选取与制备过程是极其关键的问题。因为焊料直接和管芯接触，是管芯和热沉之间的导电和导热通道。半导体激光器列阵工作时电流可高达100A。这些电流通过焊料流入管芯，而通过的横截面只有1mm×10mm。焊料要承受很高的电流密度，要求焊料有好的导电性、抗电迁移性。半导体激光器列阵热能散出的通道也是焊料，所以焊料要有良好的导热性和抗热迁移性。热量不能及时地传导出去，就会积聚在焊料附近，产生大的温度梯度而发生热迁移，在焊料中产生空洞，严重影响了焊料的导热性和导电性，使列阵管芯温度升高。如果使用低温焊料，热量过多地聚集在焊料上会导致焊料熔化，使管芯脱离热沉而损毁激光器。所以，焊料要有好的导电性、导热性、抗电迁移、抗热迁移能力，在焊料制备过程中要尽量减少空洞和裂隙的产生，空洞和裂隙会影响管芯焊接强度，影响焊料的导电导热。

焊料在烧结过程中产生的空洞對列阵的寿命和可靠性有很大影响。空洞影响焊料的导电性和导热性，热量会在空洞附近聚集，影响列阵的散热，使管芯的温度升高。在烧结的过程中，当焊料变成液体时，这些物质就会在焊料表面形成一层固体膜，会阻止焊料和管芯的键合。所以，在大功率半导体激光器列阵封装过程中，研究空洞和列阵寿命及可靠性的关系是一项有意义的工作。

3 半导体激光器的封装

在半导体激光器列阵的封装过程中，bar的封装是最关键的封装步骤，bar封装的好坏关系到整个封装的成败。bar的封装质量直接关系到列阵的寿命。在这个过程中，封装直接影响bar的散热、导电、焊接强度等。焊料的选择、制作过程、封装过程都是值得研究的问题。在半导体激光器列阵的封装中，用于封装的焊料与管芯、热沉会生成复杂的IMC。金锡焊料各成分之间也会生成IMC。在封装过程中形成的IMC及焊料本身的一些其它问题，会在焊料中产生空洞和裂隙。

研究bar封装时焊料中空洞和裂隙的形成原因与发展变化过程，研究焊料中的空洞与列阵寿命和可靠性的关系。观察空洞的发展变化情况，分析空洞周围成分与其它部位成分的差异，研究空洞的成因。通过对空洞引起的电流大小及分布的变化、导热性、浸润性、焊接强度的变化等的分析，研究空洞对焊料性能的影响。寻找合适的方法抑制空洞和裂隙的形成，减少对列阵的危害，提高列阵的可靠性。

4 结束语

在科学技术高速发展的今天，研究大功率半导体阵列封装技术具有切实可行的意义。大功率半导体激光器列阵可直接用于军事领域，如激光引信、激光测距、激光通信、激光照明等。大功率半导体激光器列阵可以取代传统的加工手段，直接应用于材料的微区热处理、精密焊接。大功率半导体激光器列阵在高速印刷领域可以取代传统的卤素灯光源，寿命会更高、可靠性更好，并且有利于环境保护和适用于现代的高分辨率图像的印刷。

参考文献

1. Goran S. Matijasevic， Chen Y. Wang， Chin C. Lee.Void free bonding of large silicon dice using gold-tin alloys.IEEE Transactions on Components and Manufacturing Technology， 1990，32（4），1128-1134.

2.Lakhi Goenka and Achyuta Achari. Void formation in flip-chip solder bumps-partⅠ. IEEE/CPMT Intl Electronics Manufacturing Technology Symposium ，1995，14-19.

3.王铁兵，施建中，谢晓明. Au/In等温凝固焊接失效模式研究. 功能材料与器件学报， 2001，7（1）， 85-89.

4.Zirong Tang， Frank G.Shi. Effects of preexisting voids on electromigration failure of flip chip solder bumps.Microelectronics Journal 32， 2001，605-613.

5.刘恩科，朱秉生，罗晋生，半导体物理学，北京，电子工业出版社，2008

作者简介

徐萌萌（1997-），女，汉族，郑州大学物理工程学院电子科学与技术2014级学生。

尉洁（1996-），女，汉族，郑州大学物理工程学院测控技术与仪器2014级学生。

徐萌萌 尉洁

摘 要：现如今，科学和信息技术高速发展，大功率半导体激光器列阵在工业、军事、医疗等诸多领域都有重要的应用。大功率半导体激光器阵列可广泛用于激光加工、激光测距、激光存储、激光显示、激光照明、激光医疗等。半导体激光芯片外延生长技术大功率半导体激光器的发展与其外延芯片结构的研究设计紧密相关。近年来，美、德等国家在此方面投入巨大，并取得了重大进展。对大功率半导体激光器阵列封装技术的研究，可以增大器件性能和转换效率，具有重大意义。

关键字：“大功率”；“半导体激光器”；“列阵”；“激光”；“芯片”

1 管芯（bar）封装

在半导体激光器列阵的封装过程中，管芯封装管芯封装的好坏直接关系到管芯的导电、导热、焊接强度等。这个封装过程对半导体激光器列阵寿命和可靠性有巨大影响。在封装过程中，焊料与其它金属层生成的金属间化合物、焊料烧结过程中产生的空洞等对焊料性能有很大影响，焊料是管芯的导电导热通道，焊料性能的好坏直接影响到管芯的工作，影响半导体激光器列阵的寿命和可靠性。

在半导体激光器列阵的制作过程中，管芯上要制作Ti/Pt/Au、Au/Ge/Ni等欧姆接触层，无氧铜上要镀Ni和Au。金属之间会生成复杂的金属间化合物（IMC），对bar的封装有较大影响。半导体激光器列阵在工作时，热沉提供良好的散热条件。但大功率半导体激光器列阵产生的热量很大，管芯温度仍然很高。这种情况下合金焊料各成分之间、焊料和芯片上的金属层之间存在扩散现象，产生IMC，由于IMC在列阵存放和工作时的过度生长和热疲劳，会对焊料结的可靠性产生不利的影响。由于IMC易碎的特性会使焊料焊接处机械强度变弱或导致界面的分层。它们对激光器的寿命和可靠性会产生影响。

2 焊料空洞

半导体激光器列阵的封装中，用于管芯（bar）焊接的焊料的选取与制备过程是极其关键的问题。因为焊料直接和管芯接触，是管芯和热沉之间的导电和导热通道。半导体激光器列阵工作时电流可高达100A。这些电流通过焊料流入管芯，而通过的横截面只有1mm×10mm。焊料要承受很高的电流密度，要求焊料有好的导电性、抗电迁移性。半导体激光器列阵热能散出的通道也是焊料，所以焊料要有良好的导热性和抗热迁移性。热量不能及时地传导出去，就会积聚在焊料附近，产生大的温度梯度而发生热迁移，在焊料中产生空洞，严重影响了焊料的导热性和导电性，使列阵管芯温度升高。如果使用低温焊料，热量过多地聚集在焊料上会导致焊料熔化，使管芯脱离热沉而损毁激光器。所以，焊料要有好的导电性、导热性、抗电迁移、抗热迁移能力，在焊料制备过程中要尽量减少空洞和裂隙的产生，空洞和裂隙会影响管芯焊接强度，影响焊料的导电导热。

焊料在烧结过程中产生的空洞对列阵的寿命和可靠性有很大影响。空洞影响焊料的导电性和导热性，热量会在空洞附近聚集，影响列阵的散热，使管芯的温度升高。在烧结的过程中，当焊料变成液体时，这些物质就会在焊料表面形成一层固体膜，会阻止焊料和管芯的键合。所以，在大功率半导体激光器列阵封装过程中，研究空洞和列阵寿命及可靠性的关系是一项有意义的工作。

3 半导体激光器的封装

在半导体激光器列阵的封装过程中，bar的封装是最关键的封装步骤，bar封装的好坏关系到整个封装的成败。bar的封装质量直接关系到列阵的寿命。在这个过程中，封装直接影响bar的散热、导电、焊接强度等。焊料的选择、制作过程、封装过程都是值得研究的问题。在半导体激光器列阵的封装中，用于封装的焊料与管芯、熱沉会生成复杂的IMC。金锡焊料各成分之间也会生成IMC。在封装过程中形成的IMC及焊料本身的一些其它问题，会在焊料中产生空洞和裂隙。

研究bar封装时焊料中空洞和裂隙的形成原因与发展变化过程，研究焊料中的空洞与列阵寿命和可靠性的关系。观察空洞的发展变化情况，分析空洞周围成分与其它部位成分的差异，研究空洞的成因。通过对空洞引起的电流大小及分布的变化、导热性、浸润性、焊接强度的变化等的分析，研究空洞对焊料性能的影响。寻找合适的方法抑制空洞和裂隙的形成，减少对列阵的危害，提高列阵的可靠性。

4 结束语

在科学技术高速发展的今天，研究大功率半导体阵列封装技术具有切实可行的意义。大功率半导体激光器列阵可直接用于军事领域，如激光引信、激光测距、激光通信、激光照明等。大功率半导体激光器列阵可以取代传统的加工手段，直接应用于材料的微区热处理、精密焊接。大功率半导体激光器列阵在高速印刷领域可以取代传统的卤素灯光源，寿命会更高、可靠性更好，并且有利于环境保护和适用于现代的高分辨率图像的印刷。

参考文献

1. Goran S. Matijasevic， Chen Y. Wang， Chin C. Lee.Void free bonding of large silicon dice using gold-tin alloys.IEEE Transactions on Components and Manufacturing Technology， 1990，32（4），1128-1134.

2.Lakhi Goenka and Achyuta Achari. Void formation in flip-chip solder bumps-partⅠ. IEEE/CPMT Intl Electronics Manufacturing Technology Symposium ，1995，14-19.

3.王铁兵，施建中，谢晓明. Au/In等温凝固焊接失效模式研究. 功能材料与器件学报， 2001，7（1）， 85-89.

4.Zirong Tang， Frank G.Shi. Effects of preexisting voids on electromigration failure of flip chip solder bumps.Microelectronics Journal 32， 2001，605-613.

5.刘恩科，朱秉生，罗晋生，半导体物理学，北京，电子工业出版社，2008

作者简介

徐萌萌（1997-），女，汉族，郑州大学物理工程学院电子科学与技术2014级学生。

尉洁（1996-），女，汉族，郑州大学物理工程学院测控技术与仪器2014级学生。