AuSn焊料组分对半导体激光器件性能的影响

2018-06-06 09:21井红旗倪羽茜刘启坤孔金霞刘素平马骁宇
发光学报 2018年6期
关键词:焊料共晶热阻

井红旗,倪羽茜,刘启坤,仲 莉,孔金霞,王 鑫,刘素平,马骁宇

(中国科学院半导体研究所 光电子器件国家工程中心,北京 100083)

1 引 言

随着半导体芯片技术和光学技术的发展,半导体激光器的输出功率不断提高,被广泛应用于通信与光储存、军事应用、材料加工、激光医疗、美容等领域[1-3]。随着输出功率的上升,半导体激光器的光学特性、输出功率以及可靠性等都由其封装质量决定。影响半导体激光器封装质量的因素有很多,如热沉结构、焊料选择、焊接曲线等。为了有效提高半导体激光器的可靠性,利用金锡代替铟作为封装焊料是一个可靠途径。AuSn20合金熔点是280℃,广泛应用于气密封装[4]、射频和微波封装[5]、发光二极管封装[6]等方面。

以往大多数研究基本都集中在制备金锡合金[7]、优化金锡共晶合金铸态组织[8]以及研究Au/Sn固态扩散和界面反应机理[9-10],但对于其对器件实际的具体的影响鲜有报道,本文对AuSn焊料组分比对大功率半导体激光器性能的影响进行了深入研究。

2 实 验

2.1 芯片制作

利用RIXTRON MOCVD设备,在GaAs衬底上生长出应变量子阱大光腔975nm激光器外延片,量子阱采用GaInAs材料,波导层和限制层采用AlGaAs材料,外延层结构见图1。生长好的外延片通过光刻、金属化、减薄等工艺,做成发光区宽度100μm、填充因子20% 的圆片,再将圆片解理成4.5mm 腔长的激光器长条,前后腔面分别镀增透膜和高反膜,最后解理成宽0.5mm 的管芯。

2.2 过渡热沉的制作

为了满足应用和封装的需求,设计出AlN过渡热沉,见图2。AlN过渡热沉除了AuSn焊料层外,主要由上镀薄金层的铜层、AlN陶瓷层、下镀薄金层的铜层3部分组成。各层尺寸都经过了精心计算,有利于满足封装要求。在各组分参数相同的条件下,AlN层厚度最大,热导率比铜低。

由于生产工艺的误差,AlN过渡热沉上AuSn焊料的组分都有少许浮动,如果误差过大,封装后测试结果差别很大。按AuSn焊料中Au组分比重的高低分为3类,其金组分的差别如表1所示。

图2 AlN过渡热沉Fig.2 AlN transition heat sink

表1 不同Au组分的AlN过渡热沉Tab.1 AlN transition heat sink of different Au content

2.3 器件封装

器件采用Fineplacer femto激光二极管精密定位系统进行封装,优化封装曲线,快速升温,找到最佳的封装稳定时间,凝固前快速冷却,凝固后自然降温,减小由于封装引入的应力,提高器件的可靠性。贴片时要求芯片与热沉焊料边缘平齐,防止芯片缩进热沉导致焊料挡光,也要防止芯片突出较大,导致散热不良,降低器件的可靠性。

3 器件的测试与分析

3.1 封装后的外貌

图3是3类AlN过渡热沉封装半导体激光器的外貌图。

第一类 第二类 第三类

图3 3类AlN过渡热沉封装半导体激光器的外貌图
Fig.3 Surface morphology of the semiconductor laser with AlN transition heat sink

3类AlN过渡热沉烧结条件基本相同,但是第三类AlN过渡热沉烧结完后,凝固后的焊料区偏向于有坑洼现象的银白色,而第一类和第二类AlN过渡热沉烧结完后,呈现黑亮的均匀颜色。在烧结中焊料熔化后,第三类AlN过渡热沉焊料流动性明显不畅,凝固后,有疑似小颗粒物形成,会严重影响芯片和焊料的粘结质量,从而影响激光器的性能。

3.2 空洞

X射线检测[11]是一种利用X射线技术观察、研究和检验样品表面或内部结构缺陷的无损伤实验方法,根据不同材料对X射线具有不同的吸收率和透射率,X射线通过样品后,利用衰减后的射线强度来检测样品内部缺陷。GaAs功率芯片与AlN过渡热沉上的Cu基板通过AuSn共晶焊后,利用VJELECTRONIX X射线检测仪测定样品的空洞,见图4。

图4 样品的空洞Fig.4 Void of the samples

结果显示,第一类和第二类AlN过渡热沉封装的半导体激光器器件X射线检测图中,颜色均匀,基本没有空洞;第三类AlN过渡热沉封装的器件,出现一定量的白色小空洞。由此可见,第一类和第二类AlN过渡热沉表面的AuSn焊料和GaAs管芯P面的Au层润湿性较好,最后形成均匀的共晶组织,而第三类的AuSn焊料未与GaAs管芯P面达到较好的润湿,形成了带有隐患的空洞,势必影响器件测试性能。

3.3 光谱特性

选用3类AlN过渡热沉封装完成后,分别抽取3个样品,利用测试设备测试样品的光谱,冷却水温度 23 ℃,发光功率10 W,结果如图5所示。

图5中,A1、A2、A3代表第一类AlN过渡热沉封装器件的光谱,B1、B2、B3代表第二类的光谱,C1、C2、C3代表第三类的光谱。半导体激光器性能测试结果显示:第一类平均波长为972.3 nm,第二类平均波长为973.4 nm,第三类平均波长为977.9 nm。第一类和第二类的波长基本一致,而第三类的波长比第一类的波长长约5 nm,说明第三类AlN过渡热沉封装器件产生较多热量,导致禁带宽度变化,激光器波长出现严重漂移。

图5 样品的光谱特性Fig.5 Spectral characteristics of the samples

3.4 热阻测试

根据 JEDEC 标准,半导体器件热阻定义如下[12-14]:

(1)

其中,Tj表示器件在稳态工作时的结温;T0代表初始温度;Pt代表热功率;ΔT为结温升高。

根据半导体PN结正向导通压降与温度呈正比关系[13],电学法选取半导体 PN 结正向导通压降作为温敏参数,在升温或降温的过程中,快速测量器件的结电压得到瞬态温度曲线,利用结构函数方法,构造RC网络模型,进行数值叠加运算,得到各层结构的热阻。

本实验利用半导体激光器热特性分析仪,测试结果如表2所示。

表2 热阻测试数据Tab.2 Thermal resistance test data

测试结果显示:第一类AlN过渡热沉封装的半导体激光器热阻平均值是2.080 K/W,第二类的热阻平均值是2.180 K/W,第三类的热阻平均值是2.403 K/W。在三类AlN过渡热沉封装的器件中,第三类的热阻值最大,比第一类高出0.323 K/W。

图6 金锡二元合金平衡相图Fig.6 Phase diagram of Au-Sn binary alloy

根据金锡二元合金平衡相图[15-16],金锡合金Au20Sn是由ζ′-Au5Sn相和-AuSn相组成的共晶组织,见图6。在非平衡凝固过程中,先析出高熔点ζ-Au5Sn初生相。温度升高发生共晶反应,生成ζ-Au5Sn和-AuSn相的层片结构;温度降至190 ℃左右时,部分-AuSn被消耗发生包析反应,形成ζ′-Au5Sn初生相与ζ′-Au5Sn共晶相,其中ζ′-Au5Sn初生相呈树枝状。如果金含量过低,-AuSn初生相形核率降低,增加了ζ′-Au5Sn初生相的生成概率,造成合金凝固组织成分偏析。而ζ′-Au5Sn相比-AuSn相HV硬度偏高,虽变形抗力较强,但是降低了初生相与共晶基体间的变形协调力,直接导致合金热特性降低。从金属学原理分析,形成合金的层片组织越精细越均匀,球化效果越好,合金的热性能越好[17]。而ζ′-Au5Sn初生相呈现粗大的树枝状,严重破坏了合金的均匀性,从而降低了合金的热特性。这样就很好解释了第三类AlN过渡热沉封装的半导体激光器热阻偏高,是由于焊料中金含量过低,形成的树枝状的ζ′-Au5Sn初生相严重影响了器件的热特性。

3.5 器件老化与分析

图7为样品经过连续电流 12 A、温度 25 ℃、500 h老化的寿命退火曲线。

图7 样品的寿命退化曲线Fig.7 Life degradation curves of the samples

由图7可以看出,第三类AlN过渡热沉封装的半导体激光器C1、C2、C3都过早失效,而第一类和第二类热沉封装的器件功率较稳定,变化率在 5%以内。说明第三类AlN过渡热沉封装的器件热特性较差。

4 结 论

本文主要研究不同配比AuSn焊料的AlN过渡热沉及封装半导体激光器特性。从外貌看,金组分比重较低的第三类AlN过渡热沉封装出的器件的共晶颜色明显不同于第一类和第二类,有疑似小颗粒泡产生;X射线无损检测空洞缺陷,第三类AlN过渡热沉比第一类和第二类封装出的器件空洞缺陷多出较多;光谱测试显示,第一类和第二类AlN过渡热沉封装出的器件的波长基本一致,而第三类比第一类封装的器件波长红移约5 nm;寿命实验显示,第三类AlN过渡热沉封装出的器件过早失效。因此,AlN过渡热沉上的AuSn焊料中,Au组分比重要在一定的范围之内,大于72%,小于80%,否则都会偏离共晶最佳条件,最终影响封装器件的性能,这为以后AlN过渡热沉的生产者和使用者提供了参考依据。

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