徐萌萌+尉潔

摘 要：現(xiàn)如今，科學和信息技術(shù)高速發(fā)展，大功率半導體激光器列陣在工業(yè)、軍事、醫(yī)療等諸多領(lǐng)域都有重要的應用。大功率半導體激光器陣列可廣泛用于激光加工、激光測距、激光存儲、激光顯示、激光照明、激光醫(yī)療等。半導體激光芯片外延生長技術(shù)大功率半導體激光器的發(fā)展與其外延芯片結(jié)構(gòu)的研究設(shè)計緊密相關(guān)。近年來，美、德等國家在此方面投入巨大，并取得了重大進展。對大功率半導體激光器陣列封裝技術(shù)的研究，可以增大器件性能和轉(zhuǎn)換效率，具有重大意義。

關(guān)鍵字：“大功率”；“半導體激光器”；“列陣”；“激光”；“芯片”

1 管芯（bar）封裝

在半導體激光器列陣的封裝過程中，管芯封裝管芯封裝的好壞直接關(guān)系到管芯的導電、導熱、焊接強度等。這個封裝過程對半導體激光器列陣壽命和可靠性有巨大影響。在封裝過程中，焊料與其它金屬層生成的金屬間化合物、焊料燒結(jié)過程中產(chǎn)生的空洞等對焊料性能有很大影響，焊料是管芯的導電導熱通道，焊料性能的好壞直接影響到管芯的工作，影響半導體激光器列陣的壽命和可靠性。

在半導體激光器列陣的制作過程中，管芯上要制作Ti/Pt/Au、Au/Ge/Ni等歐姆接觸層，無氧銅上要鍍Ni和Au。金屬之間會生成復雜的金屬間化合物（IMC），對bar的封裝有較大影響。半導體激光器列陣在工作時，熱沉提供良好的散熱條件。但大功率半導體激光器列陣產(chǎn)生的熱量很大，管芯溫度仍然很高。這種情況下合金焊料各成分之間、焊料和芯片上的金屬層之間存在擴散現(xiàn)象，產(chǎn)生IMC，由于IMC在列陣存放和工作時的過度生長和熱疲勞，會對焊料結(jié)的可靠性產(chǎn)生不利的影響。由于IMC易碎的特性會使焊料焊接處機械強度變?nèi)趸驅(qū)е陆缑娴姆謱?。它們對激光器的壽命和可靠性會產(chǎn)生影響。

2 焊料空洞

半導體激光器列陣的封裝中，用于管芯（bar）焊接的焊料的選取與制備過程是極其關(guān)鍵的問題。因為焊料直接和管芯接觸，是管芯和熱沉之間的導電和導熱通道。半導體激光器列陣工作時電流可高達100A。這些電流通過焊料流入管芯，而通過的橫截面只有1mm×10mm。焊料要承受很高的電流密度，要求焊料有好的導電性、抗電遷移性。半導體激光器列陣熱能散出的通道也是焊料，所以焊料要有良好的導熱性和抗熱遷移性。熱量不能及時地傳導出去，就會積聚在焊料附近，產(chǎn)生大的溫度梯度而發(fā)生熱遷移，在焊料中產(chǎn)生空洞，嚴重影響了焊料的導熱性和導電性，使列陣管芯溫度升高。如果使用低溫焊料，熱量過多地聚集在焊料上會導致焊料熔化，使管芯脫離熱沉而損毀激光器。所以，焊料要有好的導電性、導熱性、抗電遷移、抗熱遷移能力，在焊料制備過程中要盡量減少空洞和裂隙的產(chǎn)生，空洞和裂隙會影響管芯焊接強度，影響焊料的導電導熱。

焊料在燒結(jié)過程中產(chǎn)生的空洞對列陣的壽命和可靠性有很大影響。空洞影響焊料的導電性和導熱性，熱量會在空洞附近聚集，影響列陣的散熱，使管芯的溫度升高。在燒結(jié)的過程中，當焊料變成液體時，這些物質(zhì)就會在焊料表面形成一層固體膜，會阻止焊料和管芯的鍵合。所以，在大功率半導體激光器列陣封裝過程中，研究空洞和列陣壽命及可靠性的關(guān)系是一項有意義的工作。

3 半導體激光器的封裝

在半導體激光器列陣的封裝過程中，bar的封裝是最關(guān)鍵的封裝步驟，bar封裝的好壞關(guān)系到整個封裝的成敗。bar的封裝質(zhì)量直接關(guān)系到列陣的壽命。在這個過程中，封裝直接影響bar的散熱、導電、焊接強度等。焊料的選擇、制作過程、封裝過程都是值得研究的問題。在半導體激光器列陣的封裝中，用于封裝的焊料與管芯、熱沉會生成復雜的IMC。金錫焊料各成分之間也會生成IMC。在封裝過程中形成的IMC及焊料本身的一些其它問題，會在焊料中產(chǎn)生空洞和裂隙。

研究bar封裝時焊料中空洞和裂隙的形成原因與發(fā)展變化過程，研究焊料中的空洞與列陣壽命和可靠性的關(guān)系。觀察空洞的發(fā)展變化情況，分析空洞周圍成分與其它部位成分的差異，研究空洞的成因。通過對空洞引起的電流大小及分布的變化、導熱性、浸潤性、焊接強度的變化等的分析，研究空洞對焊料性能的影響。尋找合適的方法抑制空洞和裂隙的形成，減少對列陣的危害，提高列陣的可靠性。

4 結(jié)束語

在科學技術(shù)高速發(fā)展的今天，研究大功率半導體陣列封裝技術(shù)具有切實可行的意義。大功率半導體激光器列陣可直接用于軍事領(lǐng)域，如激光引信、激光測距、激光通信、激光照明等。大功率半導體激光器列陣可以取代傳統(tǒng)的加工手段，直接應用于材料的微區(qū)熱處理、精密焊接。大功率半導體激光器列陣在高速印刷領(lǐng)域可以取代傳統(tǒng)的鹵素燈光源，壽命會更高、可靠性更好，并且有利于環(huán)境保護和適用于現(xiàn)代的高分辨率圖像的印刷。

參考文獻

1. Goran S. Matijasevic， Chen Y. Wang， Chin C. Lee.Void free bonding of large silicon dice using gold-tin alloys.IEEE Transactions on Components and Manufacturing Technology， 1990，32（4），1128-1134.

2.Lakhi Goenka and Achyuta Achari. Void formation in flip-chip solder bumps-partⅠ. IEEE/CPMT Intl Electronics Manufacturing Technology Symposium ，1995，14-19.

3.王鐵兵，施建中，謝曉明. Au/In等溫凝固焊接失效模式研究. 功能材料與器件學報， 2001，7（1）， 85-89.

4.Zirong Tang， Frank G.Shi. Effects of preexisting voids on electromigration failure of flip chip solder bumps.Microelectronics Journal 32， 2001，605-613.

5.劉恩科，朱秉生，羅晉生，半導體物理學，北京，電子工業(yè)出版社，2008

作者簡介

徐萌萌（1997-），女，漢族，鄭州大學物理工程學院電子科學與技術(shù)2014級學生。

尉潔（1996-），女，漢族，鄭州大學物理工程學院測控技術(shù)與儀器2014級學生。

徐萌萌 尉潔

摘 要：現(xiàn)如今，科學和信息技術(shù)高速發(fā)展，大功率半導體激光器列陣在工業(yè)、軍事、醫(yī)療等諸多領(lǐng)域都有重要的應用。大功率半導體激光器陣列可廣泛用于激光加工、激光測距、激光存儲、激光顯示、激光照明、激光醫(yī)療等。半導體激光芯片外延生長技術(shù)大功率半導體激光器的發(fā)展與其外延芯片結(jié)構(gòu)的研究設(shè)計緊密相關(guān)。近年來，美、德等國家在此方面投入巨大，并取得了重大進展。對大功率半導體激光器陣列封裝技術(shù)的研究，可以增大器件性能和轉(zhuǎn)換效率，具有重大意義。

關(guān)鍵字：“大功率”；“半導體激光器”；“列陣”；“激光”；“芯片”

1 管芯（bar）封裝

在半導體激光器列陣的封裝過程中，管芯封裝管芯封裝的好壞直接關(guān)系到管芯的導電、導熱、焊接強度等。這個封裝過程對半導體激光器列陣壽命和可靠性有巨大影響。在封裝過程中，焊料與其它金屬層生成的金屬間化合物、焊料燒結(jié)過程中產(chǎn)生的空洞等對焊料性能有很大影響，焊料是管芯的導電導熱通道，焊料性能的好壞直接影響到管芯的工作，影響半導體激光器列陣的壽命和可靠性。

在半導體激光器列陣的制作過程中，管芯上要制作Ti/Pt/Au、Au/Ge/Ni等歐姆接觸層，無氧銅上要鍍Ni和Au。金屬之間會生成復雜的金屬間化合物（IMC），對bar的封裝有較大影響。半導體激光器列陣在工作時，熱沉提供良好的散熱條件。但大功率半導體激光器列陣產(chǎn)生的熱量很大，管芯溫度仍然很高。這種情況下合金焊料各成分之間、焊料和芯片上的金屬層之間存在擴散現(xiàn)象，產(chǎn)生IMC，由于IMC在列陣存放和工作時的過度生長和熱疲勞，會對焊料結(jié)的可靠性產(chǎn)生不利的影響。由于IMC易碎的特性會使焊料焊接處機械強度變?nèi)趸驅(qū)е陆缑娴姆謱?。它們對激光器的壽命和可靠性會產(chǎn)生影響。

2 焊料空洞

半導體激光器列陣的封裝中，用于管芯（bar）焊接的焊料的選取與制備過程是極其關(guān)鍵的問題。因為焊料直接和管芯接觸，是管芯和熱沉之間的導電和導熱通道。半導體激光器列陣工作時電流可高達100A。這些電流通過焊料流入管芯，而通過的橫截面只有1mm×10mm。焊料要承受很高的電流密度，要求焊料有好的導電性、抗電遷移性。半導體激光器列陣熱能散出的通道也是焊料，所以焊料要有良好的導熱性和抗熱遷移性。熱量不能及時地傳導出去，就會積聚在焊料附近，產(chǎn)生大的溫度梯度而發(fā)生熱遷移，在焊料中產(chǎn)生空洞，嚴重影響了焊料的導熱性和導電性，使列陣管芯溫度升高。如果使用低溫焊料，熱量過多地聚集在焊料上會導致焊料熔化，使管芯脫離熱沉而損毀激光器。所以，焊料要有好的導電性、導熱性、抗電遷移、抗熱遷移能力，在焊料制備過程中要盡量減少空洞和裂隙的產(chǎn)生，空洞和裂隙會影響管芯焊接強度，影響焊料的導電導熱。

焊料在燒結(jié)過程中產(chǎn)生的空洞對列陣的壽命和可靠性有很大影響?？斩从绊懞噶系膶щ娦院蛯嵝?，熱量會在空洞附近聚集，影響列陣的散熱，使管芯的溫度升高。在燒結(jié)的過程中，當焊料變成液體時，這些物質(zhì)就會在焊料表面形成一層固體膜，會阻止焊料和管芯的鍵合。所以，在大功率半導體激光器列陣封裝過程中，研究空洞和列陣壽命及可靠性的關(guān)系是一項有意義的工作。

3 半導體激光器的封裝

在半導體激光器列陣的封裝過程中，bar的封裝是最關(guān)鍵的封裝步驟，bar封裝的好壞關(guān)系到整個封裝的成敗。bar的封裝質(zhì)量直接關(guān)系到列陣的壽命。在這個過程中，封裝直接影響bar的散熱、導電、焊接強度等。焊料的選擇、制作過程、封裝過程都是值得研究的問題。在半導體激光器列陣的封裝中，用于封裝的焊料與管芯、熱沉會生成復雜的IMC。金錫焊料各成分之間也會生成IMC。在封裝過程中形成的IMC及焊料本身的一些其它問題，會在焊料中產(chǎn)生空洞和裂隙。

研究bar封裝時焊料中空洞和裂隙的形成原因與發(fā)展變化過程，研究焊料中的空洞與列陣壽命和可靠性的關(guān)系。觀察空洞的發(fā)展變化情況，分析空洞周圍成分與其它部位成分的差異，研究空洞的成因。通過對空洞引起的電流大小及分布的變化、導熱性、浸潤性、焊接強度的變化等的分析，研究空洞對焊料性能的影響。尋找合適的方法抑制空洞和裂隙的形成，減少對列陣的危害，提高列陣的可靠性。

4 結(jié)束語

在科學技術(shù)高速發(fā)展的今天，研究大功率半導體陣列封裝技術(shù)具有切實可行的意義。大功率半導體激光器列陣可直接用于軍事領(lǐng)域，如激光引信、激光測距、激光通信、激光照明等。大功率半導體激光器列陣可以取代傳統(tǒng)的加工手段，直接應用于材料的微區(qū)熱處理、精密焊接。大功率半導體激光器列陣在高速印刷領(lǐng)域可以取代傳統(tǒng)的鹵素燈光源，壽命會更高、可靠性更好，并且有利于環(huán)境保護和適用于現(xiàn)代的高分辨率圖像的印刷。

參考文獻

1. Goran S. Matijasevic， Chen Y. Wang， Chin C. Lee.Void free bonding of large silicon dice using gold-tin alloys.IEEE Transactions on Components and Manufacturing Technology， 1990，32（4），1128-1134.

2.Lakhi Goenka and Achyuta Achari. Void formation in flip-chip solder bumps-partⅠ. IEEE/CPMT Intl Electronics Manufacturing Technology Symposium ，1995，14-19.

3.王鐵兵，施建中，謝曉明. Au/In等溫凝固焊接失效模式研究. 功能材料與器件學報， 2001，7（1）， 85-89.

4.Zirong Tang， Frank G.Shi. Effects of preexisting voids on electromigration failure of flip chip solder bumps.Microelectronics Journal 32， 2001，605-613.

5.劉恩科，朱秉生，羅晉生，半導體物理學，北京，電子工業(yè)出版社，2008

作者簡介

徐萌萌（1997-），女，漢族，鄭州大學物理工程學院電子科學與技術(shù)2014級學生。

尉潔（1996-），女，漢族，鄭州大學物理工程學院測控技術(shù)與儀器2014級學生。