高功率二极管激光器Au80Sn20焊料焊接实验研究

王 昭,吕文强,谭 昊,高松信,武德勇

(1.中国工程物理研究院应用电子学研究所,四川 绵阳 621900；2.中国工程物理研究院高能激光科学与技术重点实验室,四川 绵阳,621900)

·激光应用技术·

高功率二极管激光器Au80Sn20焊料焊接实验研究

王 昭1,2,吕文强1,2,谭 昊1,2,高松信1,2,武德勇1,2

(1.中国工程物理研究院应用电子学研究所,四川 绵阳 621900；2.中国工程物理研究院高能激光科学与技术重点实验室,四川 绵阳,621900)

半导体激光器封装工艺过程对于激光器的输出特性、寿命等性能有重要影响,其中焊料的选择和焊接工艺是最关键的因素。本文采用磁控溅射的方法,在WCu热沉上制备了Au80Sn20合金焊料,取代了传统的In焊料,并对焊接工艺进行了改进。国外沉积的和我们制备的Au80Sn20合金焊料焊接DL芯片后的性能参数很接近。充分说明双靶分层溅射镀膜可以实现二极管激光器的封装要求,从而为优化半导体激光器制备工艺和提高半导体激光器的性能奠定基础。

Au80Sn20合金焊料；高功率二极管激光器；焊接；磁控溅射

1 引 言

高功率半导体激光器具有较高的电光转化效率,但是仍会有一部分电功率以热能的方式输出,随着激光器工作时间的延长,这部分热能将不断积累,如果不能将这部分热量及时散掉,将直接影响激光器的输出功率和使用寿命。因此,在半导体激光器制备过程中,通常采用降低激光器热阻、加强热沉与冷却器效率、优化焊装性能等方法有效地将激光器工作时产生的余热及时排出,由于激光器与热沉之间通过焊料来连接,焊料的物理特性与焊装可靠性将直接影响激光器性能[1-2]。

Au80Sn20共晶合金与传统的In焊料相比,其抗疲劳、抗蠕变性能优异,屈服强度高,导热性能好,熔点低,也不存在严重的电迁移现象,热导率略低于In焊料,完全满足于高功率DL的封装。但是由于Au80Sn20焊料的熔点高、延展性非常差,对焊接工艺要求非常苛刻[3]。本文将重点对Au80Sn20焊料的制备工艺、焊接工艺以及封装后激光器的性能进行研究。

2 封装工艺设计

2.1 磁控溅射法制备Au80Sn20合金焊料

在制备Au80Sn20 焊料前,需要对WCu 热沉进行进行金属化处理。焊料制备过程中分别在WCu 热沉上交替溅射Au 层和Sn 层,通过摸索Au 和Sn 的溅射速率,并合理控制溅射时间就可以得到整体组分比接近80∶20 的Au80Sn20 焊料。溅射时靶材的纯度为99.99%,溅射前真空系统所能达到的真空度大于8×10-4Pa,溅射气体采用纯度为99.99%的Ar[4-5]。

对于双靶分层溅射,当Au和Sn的重量比是4∶1时,由下面的公式可以计算出Au层和Sn层的厚度比为1.513∶1。

(1)

式中,x为Au与Sn的厚度比；mAu为Au的质量分数；ρAu为Au的密度；mSn为Sn的质量分数；ρSn为Sn的密度。

Au80Sn20焊料磁控溅射工艺条件为:Au层0.45μm,Sn层0.3μm轮流室温溅射,先溅射8层,总厚度约6μm,使用模拟热沉做基底,载波片做陪片,层结构如图1所示。

图1 双靶溅射层结构示意图

2.2 焊接工艺

焊接过程中我们采用了WCu次热沉作为过渡层使其与DL芯片热膨胀系数匹配,DL芯片与WCu之间采用Au80Sn20焊料,WCu与铜热沉之间采用In焊料焊接。先进行bar条和WCu次热沉之间的焊接,然后再进行WCu与铜热沉间的焊接。通过优化焊接工艺,得到良好的焊接结果。封装工艺流程图如图2所示。

图2 封装工艺主流程

3 实验结果与分析

实验采用我们制备的Au80Sn20合金焊料焊接DL芯片,并测试了焊接后的参数(功率,热阻,smile效应,寿命)。实验结果如下。

3.1 光电特性

双靶制备的Au80Sn20合金焊料焊接DL芯片后的光电特性,如图3所示。由图3可以看出:DL的斜率效率约为1.093W/A,在100A工作电流时DL的电光效率为52%。

图3 双靶制备的Au80Sn20合金焊料焊接DL芯片后的光电特性

3.2 热特性

在加载连续电流的条件下,测试了双靶制备的Au80Sn20合金焊料焊接DL芯片后的阈值电流随温度的变化曲线,如图4所示。可以看出,在热沉温度从16.3 ℃增加到29.8 ℃时,阈值电流从20.4A增加到24.31A。

图4 双靶制备的Au80Sn20合金焊料焊接DL芯片后的阈值电流随温度的变化曲线

热阻Rth是芯片PN结相对于热沉或冷却水的温升与热功率的比值[6],即:

(2)

其中,λc为DL的中心波长;TPN为芯片结温;Qth为热功率,其等于电功率减去激光功率。首先得到中心波长随热功率的变化率,然后得到中心波长随结温的变化率。既可求得我们封装的DL相对于冷却水的热阻。在低占空比下(1%)DL的热效应很小,此时DL的结区温度接近冷却水温,可以最大程度降低温漂系数的测量误差。

图5 双靶制备的金锡合金焊料焊接DL芯片后的中心波长随温度与芯片热功率变化曲线

在加载100 Hz/100 μs脉冲电流的条件下,双靶制备的Au80Sn20合金焊料焊接DL芯片后的中心波长随温度的变化曲线与加载连续电流的条件下中心波长随DL芯片热功率变化曲线如图5所示。由图5可以计算出Δλ/ΔT=0.226nm/ ℃,Δλ/ΔQ=0.087nm/W,由式(2)可以计算出芯片激活区相对于冷却水的热阻Rth=0.385 ℃/W,中心波长漂移3.92 nm,结区温度约为42.35 ℃。

3.3 应力特性

在高功率DL工作时,由于各个发光单元不在一条直线上,从而导致DL芯片整体发光弯曲,常被称为“Smile”现象[7-8],严重影响激光器寿命。实验采用双靶制备的Au80Sn20合金焊料焊接DL芯片,对焊接的DL芯片应力变形情况进行了测量,DL芯片出光后,光通过准直透镜和聚焦透镜聚焦在纸板上,通过CCD摄像头记录发光区图像[9],“Smile”效应值的测量采用我们所自行设计的软件进行测量。

图6为双靶制备的Au80Sn20合金焊料焊接DL芯片后的应力特性。从图中可以看出,整个发光单元基本在一条直线上,“Smile”效应值为0.736 μm。

图6 双靶制备的Au80Sn20合金焊料焊接DL芯片后的应力特性

3.4 寿命实验

高功率DL芯片的寿命是反映高功率DL可靠性的重要指标,其测试方法主要采用退化率外推的方法,且规定当电流为恒定值时,当激光光功率下降20%时的时间为激光器的寿命值。

实验对国外沉积和我们制备的Au80Sn20合金焊料焊接的DL芯片进行了寿命测试,每个工艺各抽取4个安装在老化测试平台上,如图7所示。其中激光器芯片为808 nm连续100 W的DL芯片,测试条件为:工作电流100 A,冷却器温度25 ℃,冷却水流量为400 mL/min(3.5 atm)。然后测试其初期老化曲线,以及1000 h的寿命测试曲线。

图7 二极管激光器老化测试平台

图8 DL bar器件的寿命测试曲线

图8为DL bar器件的长期寿命测试曲线,对8个DL bar器件样品进行了1000 h的寿命测试,除编号为分层03的器件在工作650 h后出现快速退化外,其他7个器件均正常退化,根据退化率外推出其寿命在6000～10000 h。

4 结 论

采用磁控溅射的方法在WCu 热沉上制备了Au80Sn20 焊料,代替了传统的In 焊料,并通过优化焊接工艺将DL激光器芯片成功地焊接到Cu热沉上。通过对激光器的性能测试发现,国外沉积的和我们制备的Au80Sn20合金焊料焊接DL芯片其发光功率,转换效率,热阻,“Smile”效应值,寿命都很接近,充分说明双靶分层溅射镀膜可以实现二极管激光器的封装要求。

[1] GAO Songxin,WU Deyong,WANG Jun,et al.Multiplayer bonding technique for high power diode laser package[J].High Power Laser and Particle Beams,2003,15(5):447-449.(in Chinese) 高松信,武德勇,王骏,等.高功率二极管激光器封装的多层焊接技术[J].强激光与粒子束,2003,15(5):447-49.

[2] ZHOU Tao,Tom Bobal,Martin Oud,et al.An introduction to eutectic Au/Sn solder alloy and its preforms in microelectronics/optoelectronic packaging applications[J].Electronics and Packaging,2005,5(8):5-8.(in Chinese) 周涛,汤姆·鲍勃,马丁·奥德,等.金锡焊料及其在电子器件封装领域中的应用[J].电子与封装,2005,5(8):5-8.

[3] Anqiang H,Barbara D.Pulse plating of gold-tin alloys for microelectronic and optoelectronic applications[J].Plating and Surface Finishing,2002,89(11):48-53.

[4] Yoon J W,Chun H S.Reliability evaluation of Au-20Sn flip chip solder bump fabricated by sequential electroplating method with Sn and Au[J].Mater Sci and Engineer A,2008,473(3):119-125.

[5] Chen Y W,Chin C L.A bonding technique for thin GaAs dice with via holes using gold-tin Co and application of gold-tin solder[J].Electronics and Packaging,2004,4(2):24-26.

[6] Okamoto H,Massalski T B.Eds.Phase diagram of binary gold alloy[M].Ohio:ASM Int.,1987.

[7] LIU Zeguang,CHEN Dengquan,LUO Ximing,et al.Property and application of gold-tin solder[J].Electronics Process Technology,2004,4(2):24-26.(in Chinese) 刘泽光,陈登权,罗锡明,等.金锡钎料性能及应用[J].电子与封装,2004,4(2):24-26.

[8] WANG Jingxuan.Progress and influence on diode laser of soldering process[J].Welding Technology,2010,39(9):25-27.(in Chinese) 王静轩.钎焊工艺的改进及其对激光器性能的影响[J].焊接技术,2010,39(9):25-27.

[9] HUANG Bo,CHEN jinqiang,YANG Kai,et al.Fabrication and research of Au-Sn alloys for encapsulating of high power semiconductor laser[J].Journal of Changchun University of Science and Technology,2007,30(3):1-4.(in Chinese) 黄波,陈金强,杨凯,等.用于大功率半导体激光器封装的Au-Sn合金焊料的制备和特性研究[J].长春理工大学学报,2007,30(3):1-4.

Experimental investigation on Au80Sn20 soldering in high power diode laser

WANG Zhao1,2,LÜ Wen-qiang1,2,TAN Hao1,2,GAO Song-xin1,2,WU De-yong1,2

(1.Institute of Applied Electronics,CAEP,Mianyang 621900,China；2.The Key Laboratory of Science and Technology on High Energy Laser,CAEP,Mianyang 621900,China)

Diode laser packaging technology has important influence on laser performances,such as the laser output characteristics and life time,etc,and the choice of solder and welding process are the most critical factors.Au80Sn20 alloy solder was prepared on WCu heat sink by using magnetron sputtering method,and it replaced the traditional In solder,and then the welding process was improved.Comparative study shows that the performance parameters of DL chip welded by Au80Sn20 solder alloy are very close to that of the import deposition.This means that the double-target layered sputter coating can achieve high power diode laser package,which lay the foundation of optimizing the preparation technology of diode laser and improving the performance of diode laser.

Au80Sn20 alloy solder；high power diode laser；soldering；magnetron sputtering

国家自然科学基金重大项目(No.60890201)资助。

王 昭(1987-)，男，硕士研究生，主要从事二极管激光器及应用技术研究。E-mail:wz870815@163.com

2014-11-03

1001-5078(2015)07-0757-04

TN2

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2015.07.005