VL020回流爐中半導體激光器芯片In焊接研究

　　0 引言隨著(zhù)半導體激光器的廣泛應用，在雷達.遙控遙測.航空航天等應用中對其?？啃蕴岢隽嗽絹?lái)越高的要求.而半導體激光器的芯片焊接工藝對其可靠性有著(zhù)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(wèn)題.也是最大挑戰.ln焊接時(shí)將管芯焊在熱沉之上，而有源區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，使半導體激光器腔而爬銦，導致激光器退化.如果焊料太少，就會(huì )出現焊接窄洞問(wèn)題，將影響焊接的機械性能.導熱.導電性能，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.本文針對周內廣泛應用的808 nm高功率半導體激光器在普通焊接過(guò)程中暴露出的無(wú)還原氣體保護.空洞率高.定位精度差等許多影響成品率的問(wèn)題進(jìn)行了改進(jìn)，使用Centrotherm公司的VL020真空燒結設備深人研究了真空燒結時(shí)所需的焊接夾具和焊接工藝曲線(xiàn)，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，大功率半導體激光器多采用P面燒結，以實(shí)現良好的散熱.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也必須要充分重視，并采取相應措施，加以嚴格控制.

　　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(cháng)Ti-Pl-Au,當金層在基片上附著(zhù)力低，合金不好時(shí)，則會(huì )發(fā)生起層現象，嚴重影響燒結的質(zhì)量;當金層不夠致密且較薄時(shí)，在A(yíng)u和In浸潤時(shí)，沒(méi)有足夠的Au與In結合反應，所以，激光器芯片P面金屬化質(zhì)量直接影響燒結的質(zhì)量.

　　1.2熱沉和芯片的前期處理可焊性.附著(zhù)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 )導致In焊料流淌不均勻.芯片的燒結面積不足進(jìn)而產(chǎn)生李洞現象.因此，應選擇激光器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)行嚴格處理，不潔凈的激光器芯片會(huì )造成枉燒結過(guò)程中產(chǎn)生Au/In合金浸潤不完全現象，從而影響燒結的效果.另外，熱沉和焊料長(cháng)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 )存燒結后形成空洞.因此本實(shí)驗使用德同PINK公司的V6一G等離子清洗機，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，本文在燒結過(guò)程中向VL020真空焊接設備爐腔內充人少量氫氣以還原部分氧化物.

　　1.3 In厚度問(wèn)題激光器芯片粘貼J:藝過(guò)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，導致腔面爬In;如果太薄，就會(huì )出現焊接窄洞問(wèn)題，將影響焊接后的導熱.導電性能，增大熱阻，衰減壽命，甚至失效.與此同時(shí)，半導體激光器芯片的溫度和焊料層熱應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.熱應力和整體封裝厚度之間進(jìn)行權衡來(lái)選取適當的焊料層厚度.

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

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

　　2.1 VL020真空焊接工藝采用德同VL020剎真空焊接設備進(jìn)行燒結工藝.VL020真窄燒結焊接設備是專(zhuān)門(mén)為在多種氣體環(huán)境進(jìn)行燒結，通過(guò)抽真空最大限度地降低氧化物含量.減少奈洞等缺陷而設計的燒結系統，燒結原理和基本流程如下.

　　系統檢測(用于檢測系統足否準備就緒)一加熱平板檢測一抽真窄形成惰性氣體環(huán)境一允人氮氣(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)一加熱至燒結溫度以下并保持(預加熱150℃有助于In焊料達到熱平衡)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)一系統冷卻一抽真宅(僅用于充人氫氣之后)一充人氮氣(置換氫氣，保持真空窒的清潔)一充人壓縮氣體吹水并開(kāi)門(mén)一程序運行結束.

　　2.2夾具和壓力的影響分析設計出新燒結夾具，在燒結的過(guò)程中對管芯施加適當的壓力，解決了燒結過(guò)程中的“縮銦”.焊料不均勻和管芯傾斜等問(wèn)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后管芯腔面的對比圖二可以看到，無(wú)加壓燒結后，由于縮銦造成在管心和熱沉之間的部分區域出現宅洞，大大影響了管芯散熱.而加壓燒結后的管芯和熱沉之問(wèn)結合緊密，In焊料和熱沉之問(wèn)的分界不明顯.

　　對第1組樣品進(jìn)行多次實(shí)驗發(fā)現，壓力的增加有利于實(shí)現Au和In之間的緊密接觸，能使In焊料與Au能夠充分和快速潤濕，提高焊接的質(zhì)量.但是壓力過(guò)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..

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

　　2.3 In厚度的影響分析一般通過(guò)焊層的剪切強度，焊層微觀(guān)結構等性能來(lái)評價(jià)焊層質(zhì)量。本文對第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)驗條件：焊接溫度都為210℃，焊接后保溫時(shí)問(wèn)均為25 s,壓力為35 g,氣氛為氫氣保護，流量為1.5 L/min,實(shí)驗結果如圖3所示;實(shí)驗結果表明，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，剪切強度可近似為0,該結果說(shuō)明如果In層太薄。則對In的氧化在焊接過(guò)程中起主導作用，從而無(wú)法實(shí)現焊接.圖3是不同In層厚度芯片焊接后焊層的剪切強度曲線(xiàn).