VL020回流爐中半導(dǎo)體激光器芯片In焊接研究

　　0 引言隨著半導(dǎo)體激光器的廣泛應(yīng)用，在雷達(dá).遙控遙測(cè).航空航天等應(yīng)用中對(duì)其叮靠性提出了越來越高的要求.而半導(dǎo)體激光器的芯片焊接工藝對(duì)其可靠性有著直接的影響，腔面爬銦和焊接空洞是In焊接封裝技術(shù)面臨的豐要問題.也是最大挑戰(zhàn).ln焊接時(shí)將管芯焊在熱沉之上，而有源區(qū)距離熱沉只有幾微米，如果焊料太多，受熱時(shí)會(huì)發(fā)生緩慢的攀移，使半導(dǎo)體激光器腔而爬銦，導(dǎo)致激光器退化.如果焊料太少，就會(huì)出現(xiàn)焊接窄洞問題，將影響焊接的機(jī)械性能.導(dǎo)熱.導(dǎo)電性能，并且增大熱阻，衰減壽命，甚至失效，因此，選擇合適的焊料和焊接技術(shù)至關(guān)重要.本文針對(duì)周內(nèi)廣泛應(yīng)用的808 nm高功率半導(dǎo)體激光器在普通焊接過程中暴露出的無還原氣體保護(hù).空洞率高.定位精度差等許多影響成品率的問題進(jìn)行了改進(jìn)，使用Centrotherm公司的VL020真空燒結(jié)設(shè)備深人研究了真空燒結(jié)時(shí)所需的焊接夾具和焊接工藝曲線，降低了焊接空洞率.提高了焊接的成品率.

　　1 影響焊接質(zhì)量的因素目前，大功率半導(dǎo)體激光器多采用P面燒結(jié)，以實(shí)現(xiàn)良好的散熱.因而激光器芯片P面金屬化質(zhì)量直接影響燒結(jié)的質(zhì)量，同時(shí)，熱沉和芯片的前期處理.In焊料厚度和芯片表面的壓力等參數(shù)也必須要充分重視，并采取相應(yīng)措施，加以嚴(yán)格控制.

　　1.1 激光器芯片P面金屬化要求激光器芯片P面襯底一般生長(zhǎng)Ti-Pl-Au,當(dāng)金層在基片上附著力低，合金不好時(shí)，則會(huì)發(fā)生起層現(xiàn)象，嚴(yán)重影響燒結(jié)的質(zhì)量;當(dāng)金層不夠致密且較薄時(shí)，在Au和In浸潤(rùn)時(shí)，沒有足夠的Au與In結(jié)合反應(yīng)，所以，激光器芯片P面金屬化質(zhì)量直接影響燒結(jié)的質(zhì)量.

　　1.2熱沉和芯片的前期處理可焊性.附著力.表血粗糙度和鍍層均勻性等特性決定激光器芯片P面金屬化和熱沉的質(zhì)量，如果這些特性不好，就會(huì)導(dǎo)致In焊料流淌不均勻.芯片的燒結(jié)面積不足進(jìn)而產(chǎn)生李洞現(xiàn)象.因此，應(yīng)選擇激光器P面金屬化良好的芯片.同時(shí)，激光器芯片在投入使用前必須進(jìn)行嚴(yán)格處理，不潔凈的激光器芯片會(huì)造成枉燒結(jié)過程中產(chǎn)生Au/In合金浸潤(rùn)不完全現(xiàn)象，從而影響燒結(jié)的效果.另外，熱沉和焊料長(zhǎng)時(shí)間存放，其表面的氧化層會(huì)很厚，焊料熔化后留下的氧化膜會(huì)存燒結(jié)后形成空洞.因此本實(shí)驗(yàn)使用德同PINK公司的V6一G等離子清洗機(jī)，將焊接表面的雜質(zhì)用等離子轟山，同時(shí)為了熱沉.芯片和焊料的氧化程度可以降到最低，本文在燒結(jié)過程中向VL020真空焊接設(shè)備爐腔內(nèi)充人少量氫氣以還原部分氧化物.

　　1.3 In厚度問題激光器芯片粘貼J:藝過程中，焊料被擠m的餐和芯片卜所施加的力受焊料層厚度的影響.In焊接時(shí)，In焊料既不能太厚也不能太薄.如果太厚，In焊料受熱時(shí)則會(huì)發(fā)生緩慢的攀移，導(dǎo)致腔面爬In;如果太薄，就會(huì)出現(xiàn)焊接窄洞問題，將影響焊接后的導(dǎo)熱.導(dǎo)電性能，增大熱阻，衰減壽命，甚至失效.與此同時(shí)，半導(dǎo)體激光器芯片的溫度和焊料層熱應(yīng)力也受到焊料層厚度的影響，In焊料太厚將會(huì)影響激光器芯片的散熱In焊料太薄，又會(huì)發(fā)生熱失配而引起芯片斷裂，閎此，為了提高器件封裝的可靠性，要在溫度.熱應(yīng)力和整體封裝厚度之間進(jìn)行權(quán)衡來選取適當(dāng)?shù)暮噶蠈雍穸?

　　1.4芯片表面的壓力設(shè)置為了有效減小芯片和熱沉問的焊接空洞，需要在激光器芯片下施加一定的壓力.通過夾具控制壓力大小，同時(shí)多個(gè)芯片批量組裝的問題也得到解決.此外，在燒結(jié)過程中有氣流變化對(duì)夾具定位也防止了芯片移動(dòng)。圖1為實(shí)驗(yàn)采用的不銹鋼夾具，在燒結(jié)過程中該央具為激光器芯片提供定位和壓力，對(duì)芯片表面施加的壓力既不能太大也不能太小，太大會(huì)導(dǎo)致芯片斷裂，太小會(huì)導(dǎo)致焊接后的芯片不平或邊緣沒有焊料浸潤(rùn)而產(chǎn)生守洞現(xiàn)象.

　　2 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析針對(duì)P面金屬化良好的808 nm.半導(dǎo)體激光器芯片，加強(qiáng)熱沉表而的光潔度.平整度以及燒結(jié)前熱沉及芯片灰面的清潔處理二采用真空燒結(jié)工藝制作了四組樣品，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究和分析。對(duì)熱沉樣品首先進(jìn)行預(yù)處理，然后各取6只樣品分別經(jīng)受1,2,3和4組試驗(yàn)。，通過對(duì)實(shí)驗(yàn)后樣品進(jìn)行掃描電子顯微鏡微觀形貌觀察和對(duì)比分析，得到了壓力.In的厚度.工藝曲線與燒結(jié)質(zhì)量的關(guān)系.

　　2.1 VL020真空焊接工藝采用德同VL020剎真空焊接設(shè)備進(jìn)行燒結(jié)工藝.VL020真窄燒結(jié)焊接設(shè)備是專門為在多種氣體環(huán)境進(jìn)行燒結(jié)，通過抽真空最大限度地降低氧化物含量.減少奈洞等缺陷而設(shè)計(jì)的燒結(jié)系統(tǒng)，燒結(jié)原理和基本流程如下.

　　系統(tǒng)檢測(cè)(用于檢測(cè)系統(tǒng)足否準(zhǔn)備就緒)一加熱平板檢測(cè)一抽真窄形成惰性氣體環(huán)境一允人氮?dú)?降低氧氣濃度)抽空并充入氫氣(作為還原氣，防止In焊料被氧化)一加熱至燒結(jié)溫度以下并保持(預(yù)加熱150℃有助于In焊料達(dá)到熱平衡)一迅速升溫加熱至熔點(diǎn)以上(210℃確?？焖偃诨?一抽真空(抽去焊料中的氣泡，盡量減少空穴等缺陷以免降低燒結(jié)質(zhì)量)一充入氫氣(確保焊料與熱沉的緊密接觸并防止焊料氧化)一系統(tǒng)冷卻一抽真宅(僅用于充人氫氣之后)一充人氮?dú)?置換氫氣，保持真空窒的清潔)一充人壓縮氣體吹水并開門一程序運(yùn)行結(jié)束.

　　2.2夾具和壓力的影響分析設(shè)計(jì)出新燒結(jié)夾具，在燒結(jié)的過程中對(duì)管芯施加適當(dāng)?shù)膲毫Γ鉀Q了燒結(jié)過程中的“縮銦”.焊料不均勻和管芯傾斜等問題，改善了管芯的散熱條件.圖2是采用加壓和未采用加壓燒結(jié)后管芯腔面的對(duì)比圖二可以看到，無加壓燒結(jié)后，由于縮銦造成在管心和熱沉之間的部分區(qū)域出現(xiàn)宅洞，大大影響了管芯散熱.而加壓燒結(jié)后的管芯和熱沉之問結(jié)合緊密，In焊料和熱沉之問的分界不明顯.

　　對(duì)第1組樣品進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，壓力的增加有利于實(shí)現(xiàn)Au和In之間的緊密接觸，能使In焊料與Au能夠充分和快速潤(rùn)濕，提高焊接的質(zhì)量.但是壓力過大，芯片可能會(huì)斷裂.在2 mm x0.1 mm芯片的樣品卜，施加35 g的壓力后，如表1所示：

　　#11..

　　大部分樣品抗剪測(cè)試參數(shù)大于 2.0 kg,芯片有效焊接面積都在98%以上，此壓力完個(gè)能滿足芯片焊接的靠性要求.從X射線圖2中可看到，芯片焊接緊密，而且芯片斷裂現(xiàn)象也末出現(xiàn).

　　2.3 In厚度的影響分析一般通過焊層的剪切強(qiáng)度，焊層微觀結(jié)構(gòu)等性能來評(píng)價(jià)焊層質(zhì)量。本文對(duì)第2組6個(gè)樣品分別用 l,3和 5 微米 In層的焊接情況進(jìn)行了比較.實(shí)驗(yàn)條件：焊接溫度都為210℃，焊接后保溫時(shí)問均為25 s,壓力為35 g,氣氛為氫氣保護(hù)，流量為1.5 L/min,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示;實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用5微米的鍍In樣品焊接最好，采用1微米的鍍In樣品焊接最差.對(duì)采用l微米層的鍍In樣晶焊接后施加很小推力，芯片就會(huì)脫落，剪切強(qiáng)度可近似為0,該結(jié)果說明如果In層太薄。則對(duì)In的氧化在焊接過程中起主導(dǎo)作用，從而無法實(shí)現(xiàn)焊接.圖3是不同In層厚度芯片焊接后焊層的剪切強(qiáng)度曲線.