AuSn焊料组分对半导体激光器件性能的影响

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。

参 考 文 献：

[1] 马晓宇，王俊，刘素平.国内大功率半导体激光器研究及应用现状 [J].红外与激光工程, 2008, 37(2):189-194.

MA X Y, WANG J, LIU S P.Present situation of investigations and applications in high power semiconductor lasers [J].InfraredLaserEng., 2008, 37(2):189-194.(in Chinese)

[2] 井红旗，仲莉，倪羽茜, 等.高功率密度激光二极管叠层散热结构的热分析 [J].发光学报, 2016, 37(1):81-87.

JING H Q，ZHONG L, NI Y X,etal..Thermal analysis of high power density laser diode stack cooling structure [J].Chin.J.Lumin., 2016, 37(1):81-87.(in Chinese)

[3] JING H Q, ZHONG L, NI Y X,etal..Design and simulation of a novel high-efficiency cooling heat-sink structure using fluid-thermodynamics [J].J.Semicond., 2015, 36(10):102006.

[4] SEO Y H, KANG T G, CHO Y H,etal..Locally heated low temperature wafer level MEMS packaging with closed-loop AuSn solder-lines [C],ASME2002InternationalMechenicalEngineeringCongressandExposition,NewOrlean,USA，2002:17-22.

[5] CHEN M J, PHAM A V H, EVERS N A,etal..Design and development of a package using LCP for RF/microwave MEMS switches [J].IEEETrans.onMicrowaveTheoryTech., 2006, 54(11):4009-4015.

[6] ITOH M, SASAKI J, UDA A.Use of AuSn solder bumps in three-dimensional passive aligned packaging of LD/PD arrays on Si optical benches [C].46thElectronicComponentsTechnologyConference,Orlando,USA, 1996:1-7.

[7] 罗雁波，谢宏潮，李敏． 金锡合金钎料研究现状 [J].有色金属，2002, 54(7):23-26．

LUO Y B, XIE H C, LI M.Preparation of Au-Sn alloy for solder filler metal [J].Nonfer,Met., 2002, 54(7):23-26.(in Chinese)

[8] YAMADA T, MIURA K, KAJIHARA M,etal..Kinetics of reactive diffusion between Au and Sn during annealing at solid-state temperatures [J].Mater.Sci.Eng.A, 2005, 390(1-2):118-126．

[9] 胡洁琼, 谢明, 张吉明, 等.Au-Sn金属间化合物的第一性原理研究 [J].物理学报, 2013, 62(24):247102.

HU J Q, XIE M, ZHANG J M,etal..First principles study of Au-Sn intermetallic compounds [J].ActaPhys.Sinica，2013, 62(24):247102.(in Chinese)

[10] 张威, 王春青, 阎勃晗.AuSn 钎料及镀层界面金属间化合物的演变 [J].稀有金属材料与工程, 2006, 35(7):1143-1145.

ZHANG W, WANG C Q, YAN B H.Evolution of intermetallic compound at the interface between AuSn solder and metallization layer [J].RareMet.Mater.Eng., 2006, 35(7):1143-1145.(in Chinese)

[11] 李良海，仝良玉，葛秋玲.AuSn共晶焊接层空洞对陶瓷封装热阻的影响 [J].电子与封装, 2015, 15(4):5-8.

LI L H, TONG L Y, GE Q L.The influence of gold-tin eutectic-welding voids on the thermal resistance of ceramic package [J].Electron.Pack., 2015, 15(4):5-8.(in Chinese)

[12] 倪羽茜，井红旗，孔金霞，等.高功率半导体激光器陶瓷封装散热性能研究 [J].发光学报, 2016, 37(5):561-566.

NI Y X, JING X Q, KONG J X,etal..Thermal performance of high-power semiconductor laser packaged by ceramic submount [J].Chin.J.Lumin., 2016, 37(5):561-566.(in Chinese)

[13] NI Y X, MA X Y, JING H Q,etal..Finite element analysis of expansion-matched submounts for highpower laser diodes packaging [J].J.Semicond., 2016, 37(6):064005-1-5.

[14] DONG S, SHI W F, YAN B Q,etal..The research on temperature distribution of GaN-based blue laser diode [J].Solid-StateElectron., 2015, 109:25-28.

[15] CIULIK J, NOTIS M R.The Au Sn phase diagram [J].J.AlloysCompd., 1993, 191(1):71-78.

[16] 宋佳佳，郭德燕，邓超, 等.孕育形核处理对金锡共晶合金铸态凝固组织的影响 [J].稀有金属材料与工程, 2013, 42(4):756-760.

SONG J J, GUO D Y, DENG C,etal..Effect of incubated nucleation treatment on solidification microstructure of Au-Sn eutectic alloy [J].RareMet.Mater.Eng., 2013, 42(4):756-760.(in Chinese)

[17] TAN Q B, DENG C, MAO Y,etal..Evolution of primary phases and high-temperature compressive behaviors of as-cast AuSn20 alloys prepared by different solidification pathways [J].GoldBull., 2011, 44(1):27-35.