大功率半导体激光器热沉技术研究

芦鹏，刘国军

摘 要：文章选取AuSn过渡热沉替代原来的In焊料，克服了In焊料引起的器件寿命使用偏低、针对激光器结温影响大等缺点，并对过渡热沉的结构设计和焊接工艺做了进一步研究，设计出新型AuSn过渡热沉的焊装结构。经过结温—漏电流测试可以得到更为优良的散热效果，外推寿命从6 134 h提高到20 363 h，提高了器件的可靠性。

关键词：大功率半导体激光器;AuSn;过渡热沉;结温

现如今，大功率半导体激光器获得迅速发展，在各种占空比下，其峰值功率越来越高，连续工作时功率越来越大。

改善大功率半导体激光器的散热是提升半导体激光器大功率可靠性与寿命的关键因素之一，并一直是人们关注的焦点之一[1]。激光器的工作寿命强烈依赖于激光器的工作温度及热阻。在大功率半导体激光器的商业应用过程中，始终伴随着各种热阻的改善。本文针对管芯焊接工艺中散热不良的问题，对原有的热沉结构进行改良，设计制备了新型AuSn材料作为过渡热沉结构。

1 半导体激光器芯片热沉技术

芯片焊接是关系半导体激光器电阻特性与热特性的关键工艺，直接影响器件的可靠性和工作寿命。

半导体激光器的散热直接关系到制作半导体激光器性能的好坏和成败。目前，半导体激光器最主要的散热方式是通过热沉散热。随着半导体激光器功率的逐渐提高，处于长时间工作状态的激光器对于芯片与热沉之间的热膨胀系数匹配性、导热性、导电性等性能有了进一步要求，激光器芯片与热沉的粘结工艺成为热沉技术的关键。

采用激光器硬焊料成为将来的发展趋势，新型的AuSn（80%Au +20%Sn）焊料是目前大功率激光器应用的热点，而AuSn焊料作为过渡热沉，使用时的焊层结构是AuSn焊料研究中的难点[2]。

现在焊装大功率半导体激光器时采用金锡预成型片（过渡热沉片），预成型片能够确保焊料的精确用量和准确位置，以达到在最低成本情况下获得最佳质量[3]。

2 新型AuSn热沉结构设计

在原AuSn焊接结构基础上，为获得更好的散热效果，对焊接层结构进行了新的设计。受到欧姆接触工艺研究的启发，在芯片-AuSn-Cu热沉的焊接层设计中加入了阻挡层Pt/Au的设计，以免Au的浸入。Pt/Au在其中还起到阻挡Sn扩散的作用，其具体效果与贴片时选用的温度有关。经过多次试验调节Au/Pt的单层厚度和结构，设计出新的AuSn热沉结构（见图1）。

图1 新型AuSn焊接结构示意

由图2可知，与原来使用的热沉性能测试对比，新热沉在同样的结温温度（Tj）条件下具有更好的漏电流（Ids）控制，而且这种优势随着Tj的增大而更为明显，新热沉具有更好的散热特性。

图2 新旧热沉性能对比

3 实验

3.1 器件寿命考核实验

将使用原有AuSn热沉技术制备的大功率半导体激光器与使用新设计AuSn结构热沉技术制备的大功率半导体激光器分为A，B两组进行寿命考核实验，如表1所示。

A组与B组工艺完成并经过初测后，各选出5组器件（每组5只）进行老化试验。寿命数据拟合计算结果得出：A组半导体激光器的外推寿命t=6 134 h;B组半导体激光器的外推寿命t=20 363 h。由对比结果可见，技术改进后的大功率半导体激光器寿命大大提高。

3.2 结果分析

将老化试验后的芯片截断，结果发现A组多只器件不同程度上出现了热沉金属层粘附力下降乃至剥落的现象。其中，A组个别器件老化初期失效，表现为欧姆接触金属层剥落，分析为后期老化试验中与AuSn配合的过渡金属层不合理造成的。金锡合金在共晶温度附近的熔点对成分敏感，当金的比例比大于80%，随着金的增加，熔点急剧提高会带来负面影响。在焊接过程中镀层的金会浸入焊料，过厚的镀金层、过薄的预成型焊片和过长的焊接时间都会增加金浸入焊料的概率，从而造成熔点上升，焊接层孔洞和焊料外溢，最终降低焊接界面的强度并形成金属层剥落的现象。

另有A组其他管芯失效出现在测试时间1 000 h，阶段后观察为焊料中间出现空隙或空洞现象。出现这种现象的器件一般在老化实验的后期失效，说明随着老化试验进行，激光器工作温度提高，镀层中的Au随温度升高扩散现象越发明显，同样发生了金组分变化而产生空洞现象，最终造成器件的失效。

对比试验中B组没有此类现象发生，说明AuSn热沉结构更为合理，并对激光器的中长期寿命具有重要影响，可靠性也更高。

4 结语

（1）为克服In焊料引起的器件寿命使用偏低、对激光器结温影响大等缺点，选取AuSn過渡热沉替代原来的In焊料，并对过渡热沉的结构设计和焊接工艺做了进一步研究，设计出新型AuSn过渡热沉的焊装结构，经过结温—漏电流测试可以得到更为优良的散热效果。

（2）将不同结构的AuSn热沉应用于大功率半导体激光器老化试验测试，得到的器件外推寿命从6 134 h提高到20 363 h，从而提高了器件的可靠性。

作者简介：芦鹏（1977— ），男，吉林长春人，副教授，博士;研究方向：半导体光电子学。

[参考文献]

[1]房俊宇，石琳琳，张贺，等.石墨片作辅助热沉的高功率半导体激光器热传导特性[J].发光学报，2019（7）：907-914.

[2]戴玮，李嘉强，曹剑，等.CVD金刚石热沉封装高功率半导体激光器的热特性[J].光电子·激光，2019（3）：227-233.

[3]范嗣强.大功率半导体激光器热沉技术的研究现状[J].激光杂志，2018（2）：14-19.

Research on heat sink technology of high-power semiconductor laser

Lu Peng1， Liu Guojun2

（1.School of Optoelectronic Engineering， Changzhou Institute of Technology， Changzhou 213032， China; 2.State Key Laboratory of High-Power Semiconductor Laser， Changchun University of Science and Technology， Changchun 130022， China）

Abstract：In this paper， AuSn heat sink is selected to replace the original in solder to overcome the shortcomings of solder， such as low device life and great influence on laser junction temperature， and a new welding structure of AuSn heat sink is designed. Through the test of junction temperature and leakage current， better heat dissipation effect can be obtained. The extrapolation life can be increased from 6 134 hour to 20 363 hour， the reliability of the device is improved.

Key words：high power semiconductor laser; AuSn; transition heat sink; junction temperature