用于大功率半导体激光器的Ag-In焊料研究

程东明，伏桂月，朱飒爽，王永平

（郑州大学物理工程学院电子科学与技术系，郑州 450001）

1 引言

在大功率半导体激光器的封装过程中，由于管芯与焊料直接接触，因此焊料的选择与可靠性对激光器来说是应该考虑的重要方面。

焊料可分为软焊料与硬焊料两种。In作为软焊料，自身熔点低，延展性和塑性形变优良，可应用于激光器的焊接，并且当器件工作时产生的热应力较小。由于Ag电导性良好，而In能够有效润湿Ag，同时又能防止In在空气中易被氧化而影响器件工作稳定性。因此，Ag可作为In的保护层，但Ag-In焊料的焊接可靠性值得进一步研究。

2 薄膜制备与结构

为研究Ag-In焊料可靠性，我们在Si基片上利用真空蒸发蒸镀Ag-In薄膜与Ag-In-Ag-In薄膜两种模型，对比其微结构进行说明。

图1 薄膜结构图

3 分析与讨论

通过扫描电镜（图2）我们发现：Ag-In薄膜表面各个微粒形态各异，相邻分布，其间隙清晰可见；Ag-In-Ag-In薄膜的微粒分布密集，形态各异，且表面间隙很小。

图2 Ag-In薄膜与Ag-In-Ag-In薄膜在扫描电镜不同倍数下的图像

通过两种实验结果对比，我们发现间隙的存在可能由两个原因共同作用产生。一方面，根据扩散动力学，Ag-In薄膜的厚度较小，Ag颗粒与其接触的In颗粒发生互扩散运动的同时伴随着新产物的生成，导致表面微粒成分与结构的改变。

图3 样品XRD测试图谱

我们通过XRD测试比对标准谱（如图3）分析发现，在样品中In被保护的同时，有AgIn2物质的存在，可以证明Ag与In的内部发生互扩散反应，生成的界面化合物的微结构与Ag-In薄膜微结构共同作用的外在表象即间隙的形成。而Ag-In-Ag-In薄膜由于在Ag-In薄膜间隙存在基础之上，再次蒸发蒸镀Ag-In薄膜，间隙大部分被填充，并且Ag-In薄膜覆盖底层薄膜，致使两层的Ag-In薄膜形成紧密排列结构。但是Ag-In的互扩散反应仍然存在，产生的间隙也依然存在（如图2），但是两层薄膜可有效抑制大量间隙的存在。

另一方面，由于蒸镀过程中，由热动力学我们可知：焊料受热蒸发至Si基底上，由于薄膜内部热运动剧烈，导致微粒内部热应力增大，当薄膜冷却至室温时，内部热运动逐渐趋缓，致使颗粒在某一处位置逐渐趋于稳定状态，因此会造成颗粒的积聚分布不均，也会导致间隙的存在。

4 结论

通过对Ag-In和Ag-In-Ag-In薄膜微结构的讨论分析，我们得出多层的Ag-In薄膜结构可以控制间隙的大量生成，同时Ag对In的抗氧化保护确实有效，可以降低In焊料封装器件的不稳定性甚至提高其使用寿命。

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