管式炉中半导体激光器巴条Au80Sn20焊料封装研究

袁庆贺， 张秋月， 井红旗*， 仲 莉， 刘素平， 马骁宇

(1. 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;2. 中国科学院大学 材料科学与光电技术学院， 北京 100049)

1 引 言

随着半导体激光技术的进步和应用领域的不断扩展，大功率半导体激光器的应用覆盖了众多领域，成为光电子器件的核心。由于大功率半导体激光器具有体积小、质量轻、转换效率高、易于调制等优点[1-2]，被广泛应用于通讯与存储、激光医疗与美容、激光打标与切割、材料加工和军事等领域[3-4]。相比于传统的固体和气体激光器，半导体激光器具有较高的电光转换效率，最高达80%[5]， 但在工作时仍会产生大量的热，若不将这些多余的热量及时散出，会严重影响器件的光电特性、空间特性和可靠性[6-10]，因此对半导体激光器的封装工艺提出了较高的要求。

为了提高大功率半导体激光器巴条的可靠性及使用寿命，采用金锡焊料取代铟焊料作为封装焊料。Au80Sn20焊料属于硬焊料，其抗疲劳、抗蠕变性能优异，屈服强度高，导热性能好，无需助焊剂，也不存在严重的电迁移现象[11]，广泛应用于气密封装、射频和微波封装、发光二极管封装等[12]。本文以本实验室现有的百瓦级GaAs基半导体激光器巴条为基础，在管式炉中进行封装实验，深入研究了不同烧结时间和炉管温度对烧结质量的影响，为使用管式炉进行半导体激光器巴条批量生产提供实践参考。

2 实验过程

2.1 管式炉介绍

如图1所示，管式炉被广泛应用于材料或化学实验室，在真空或其他气氛条件下烧结新材料。管式炉加热温区配备有热电偶、数显式智能调节器(PID)和可控硅组成的闭环控制系统，采用高精度SCR控制器，精度为±1 ℃，并具有51段程序，可实现自动精确控温，操作方便。

图1 管式炉示意图Fig.1 Tube furnace schematic

2.2 芯片制作

利用AIXTRON MOCVD设备，在GaAs衬底上生长出应变量子阱大光腔808 nm激光器外延片，量子阱采用InGaAs材料，波导层和限制层采用具有不同Al组分的AlGaAs材料，外延层结构见图2。生长完成的外延片经光刻、金属化、减薄等工艺，做成具有19个发光区的半导体激光器巴条，填充因子为40%，腔长1 mm，前后腔面分别镀增透膜和高反膜，单巴条脉冲条件下输出功率大于100 W。

图2 外延结构Fig.2 Epitaxial structure

2.3 烧结工艺

本实验采用双面金锡焊料烧结封装半导体激光器巴条，结构如图3所示。从图中可以看出，共有5层结构，从下至上依次为WCu热沉、Au80Sn20焊料、半导体激光器巴条、Au80Sn20焊料、WCu热沉。将上述结构依照次序放置到本实验室自行设计的烧结夹具上，放入管式炉进行烧结。

实验过程中，为防止元器件在高温下发生氧化，烧结时炉管内通入保护气氮气，氮气的流量为0.2 L/min。金锡合金的熔点在共晶温度附近对金锡配比非常敏感，当金的组分比重大于80%时，随着金组分比重的增加，熔点急剧提高。在烧结过程中被焊件金层的微量金熔入焊料，会使熔点迅速上升而凝固，不会使管芯移位，能够承受随后在相对低的温度下的后续组装工艺[13]。需要特别注意的是，应防止过量的金熔入焊料，不然会导致凝固点明显上升，引入较大焊装应力。通过前期的研究可以发现，当炉体设定温度较低(<650 ℃)时，焊料不能完全融化，导致焊接质量差；而炉体设定温度较高(>750 ℃)时，将造成芯片有源区损伤，导致结电压偏小甚至短路。本文烧结实验首先在680，700，720 ℃3个温度(均指炉体设定温度，实际烧结温度应略高于AuSn焊料熔点，约280 ℃)条件下进行，固定烧结时间为100 s，然后根据不同温度下烧结样品的检测结果，确定最优烧结温度。在最优烧结温度下，分析不同烧结时间对烧结质量的影响，采用的烧结时间分别为80,90,100 s。

图3 半导体激光器巴条烧结结构示意图Fig.3 Schematic diagram of soldered structure of semiconductor laser bars

3 器件测试与分析

3.1 X射线检测

利用本实验室现有的VJ Electronix公司生产的X射线检测设备，对封装完成的大功率半导体激光器巴条进行X射线检测。通过X射线检测，可以直接观测到烧结后的焊料是否完全熔化，热沉与巴条是否充分浸润，降温后有无空洞的存在，从而判断各条件下烧结质量的好坏。对烧结时间为100 s、炉体设定温度分别为680，700，720 ℃3个条件下的样品进行X射线检测，结果如图4所示。

金锡二元相图较为复杂，存在大量中间相，在接近共晶配比处，AuSn合金由金锡中间相δ(AuSn)和密排六方相ζ(Au5Sn)组成[14]。由图4(a)可以看出，在烧结时间为100 s、炉体设定温度为680 ℃时，有大面积空洞出现。这是由于低温烧结时焊料熔化时间短，合金反应不充分，Au和Sn两种原子未能得到充分扩散和结晶，形成密集分布的晶粒团簇，从而导致焊料分布不均匀，有大量空洞产生[15]。当炉体设定温度上升至700 ℃时，从图4(b)中可以看出，焊料已经完全融化且与巴条浸润良好，结构致密，没有空洞产生，表面也比较平坦光滑，说明此时烧结温度适中。在炉体设定温度为720 ℃高温过烧时，由于合金晶粒在高温下的不断生长，会形成较大尺寸的枝状晶，如图4(c)所示，最终焊料层内部出现较大的颗粒，形成较粗糙的表面形貌。因此，炉体温度设定为700 ℃是适合的烧结温度。

图4 炉体设定温度。(a)680 ℃，(b)700 ℃，(c)720 ℃，烧结时间100 s。Fig.4 Furnace set temperature. (a) 680 ℃. (b) 700 ℃. (c) 720 ℃. Soldered time 100 s.

3.2 光电特性

在3.1中，通过X射线检测，对样品的形貌进行了初步的分析，可以发现炉管温度太高或太低都会导致极薄的焊料层表面出现较大的颗粒，形成较粗糙的表面形貌，致使半导体激光器巴条烧结质量较差。因此在接下来的工作中，主要针对炉体设定温度为700 ℃时，不同烧结时间下的样品进行测试分析。

烧结时间是影响半导体激光器的烧结质量的一个重要因素，对不同烧结时间下封装的半导体激光器巴条样品，利用大功率半导体激光器参数测试仪(测试条件为：管座温度25 ℃，脉冲宽度200 μs，重复频率50 Hz)，测量额定输出功率为100 W时的其他光电参数，详细结果见表1。

表1给出了炉体设定温度700 ℃，烧结时间分别为100，90，80 s样品的光电特性参数。从表中可以看出，烧结时间分别为100，90，80 s的样品的阈值电流分别为21.1，19.1，20.2 A，百瓦级输出时的斜率效率分别为1.14，1.16，1.14 W/A，烧结时间为90 s的样品的阈值电流和斜率效率均优于烧结时间为100 s和80 s的样品。从表1中可以发现，烧结时间分别为100 s和80 s的样品，百瓦级功率输出时的斜率效率均为1.14 W/A，且阈值电流分别为21.1 A和20.2 A，但烧结时间为100 s的样品的输出功率却略高于烧结时间为80 s的样品，这与阈值电流和输出功率的对应关系相矛盾，考虑是由于测试误差引起的。烧结时间为90 s的样品的微分电阻最小，为5.2 mΩ，相应地其光电转换效率也最高，为48.7%。同时，从表1中可以得出，随着烧结时间的增加，半导体激光器巴条的平均结电压降低，考虑是由于烧结时间过长，导致引入较大的应力，对器件有源区造成了损伤。

表1 100 W半导体激光器巴条光电参数Tab.1 Optoelectronic parameters of 100 W semiconductor laser bars

图5 封装前和炉体温度700 ℃，不同烧结时间光谱图。(a)封装前；(b)80 s；(c)90 s；(d)100 s。Fig.5 Pre-packaged and furnace temperature 700 ℃, spectra of different soldering times. (a) Pre-package. (b) 80 s. (c) 90 s. (d) 100 s.

测量封装前后峰值波长的变化是半导体激光应力分析的常用手段，因此为了更好地验证上述结论，即当烧结时间过长时，会引入较大的应力，对器件有源区造成损伤，导致半导体激光器巴条结电压降低甚至短路，分别测量了焊装前后的光谱，具体见图5。图5(a)表示同一批次、同一片号半导体激光器巴条封装前的光谱，其峰值波长为808.8 nm，图5(b)、(c)、(d)表示炉体设定温度700 ℃，烧结时间分别为80，90，100 s的样品的光谱，其峰值波长分别为809,811.3,813 nm，红移量分别为0.2,2.5,4.2 nm。红移量的多少表示引入应力的大小，红移越多，说明引入的应力越大，对器件造成的损伤越大[16-17]。从前述内容可知，增加烧结时间，红移量增加，说明此时引入了较大的应力，对器件有源区造成损伤，与结电压随烧结时间的变化相对应，更好地验证了半体激光器巴条结电压的降低甚至短路，是由于焊装应力引起的。

3.3 Smile效应分析

大功率半导体激光器巴条由多个发光区组成，其工作时由于热应力的存在，导致各发光区不在同一条直线上，这种发光区整体弯曲的现象称为smile效应[18-19]。smile效应的存在会使光束质量变差。通过分析半导体激光器巴条的smile效应，可以反映出由于封装工艺所引入应力的大小，对优化封装参数起重要作用。

直接测量10 mm 长度的发光单元在垂直于 P-N 结方向发生的偏移量d<10 μm是非常困难的，因此采用对半导体激光器巴条发光腔面成像放大的方法[20]。测量系统如图6所示，典型快轴准直镜(FAC)透镜[21]有效焦距小于1 mm，快轴方向准直光束，光束全宽0.8 mm，发散角5 mrad，准直后光束包含了95%的激光能量，对出射激光在慢轴方向无影响，焦距为fc。柱面镜对慢轴进行一定程度准直，最后半导体激光器巴条发光图案成像在接收屏上。实验中对 smile 效应在接收屏上的像Δy进行观察记录。

半导体激光器巴条实际smile 效应的大小Δy0可利用下列公式[22]计算得出：

fc/Δy0=z/Δy，

(1)

式(1)中，z为屏与快轴准直镜之间的距离。

图6 半导体激光器巴条smile测量系统Fig.6 Semiconductor laser bar smile measurement system

根据上述半导体激光器巴条smile测量系统，对炉体设定温度700 ℃，烧结时间分别为100,90,80 s 3个条件下的样品进行测试，测试结果如图7所示。

图7 炉体设定温度700 ℃，烧结时间100 s(a)、90 s(b)、80 s(c)的smile效应成像。Fig.7 Smile effect imaging of furnace set temperature 700 ℃ and soldered time 100 s(a)， 90 s(b)， 80 s(c).

通过分析接收屏上像的弯曲，利用式(1) 计算相应半导体激光器巴条的的实际弯曲值。实验时快轴准直透镜的焦距fc=0.9 mm，屏与快轴准直镜之间的距离z=1 200 mm。经计算可得，炉体设定温度700 ℃，烧结时间为100,90,80 s的smile效应值分别为45,7.5,13.5 μm。从上述的计算结果可知，烧结时间100 s的样品smile效应值为80 s的6倍，而烧结时间为90 s的样品smile效应值约为80 s的2倍，与2.2中半导体激光器巴条的结电压随烧结时间的增加而降低相对应。从图中可以看出，烧结时间过长会引入较大的应力，不仅会对半导体激光器巴条造成损伤，而且会影响其光学特性。

综合分析3.2与3.3，管式炉中半导体激光器巴条封装，适合的工艺条件为炉体设定温度700 ℃，烧结时间90 s，可以得到较高的封装质量。

4 结 论

本文对大功率半导体激光器巴条的烧结工艺进行研究，通过管式炉进行烧结实验，对比分析了不同温度、不同时间对烧结质量的影响。实验结果表明，当温度过低时焊料不能完全融化，致使有大量空洞产生；温度过高会对半导体激光器巴条产生损伤，导致结电压偏低甚至短路。根据smile效应检测结果可知，烧结时间过长或过短均会产生巨大应力，导致光学特性严重恶化。在管式炉中进行半导体激光器巴条烧结适合的工艺条件为炉体设定温度700 ℃，烧结时间90 s。该结果为以后的半导体激光器的产业化生产提供了重要的参考依据。