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(lái)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(wèn)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(wèn)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(guò)程中暴露出的無(wú)還原氣體保護(hù)?？斩绰矢摺６ㄎ痪炔畹仍S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(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(méi)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(guò)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(guò)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(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(dǎo)致腔面爬In;如果太薄，就會(huì)出現(xiàn)焊接窄洞問(wèn)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(lái)選取適當(dāng)?shù)暮噶蠈雍穸取?/span>

1.4芯片表面的壓力設(shè)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(jié)過(guò)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(guò)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(méi)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(guò)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(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(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)猓ń档脱鯕鉂舛龋┏榭詹⒊淙霘錃猓ㄗ鳛檫€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┮怀檎婵眨ǔ槿ズ噶现械臍馀荩M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)猓ㄖ脫Q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(guò)程中對(duì)管芯施加適當(dāng)?shù)膲毫?，解決了燒結(jié)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(jié)后管芯腔面的對(duì)比圖二可以看到，無(wú)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(wèn)結(jié)合緊密，In焊料和熱沉之問(wèn)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(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：

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(guò)焊層的剪切強(qiáng)度，焊層微觀結(jié)構(gòu)等性能來(lái)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(wèn)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(shuō)明如果In層太薄。則對(duì)In的氧化在焊接過(guò)程中起主導(dǎo)作用，從而無(wú)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。

對(duì)第3組6個(gè)樣品分別用 5和8um In層的焊接情況進(jìn)行了比較，結(jié)果如圖4所示。結(jié)果發(fā)現(xiàn)5um鍍In樣晶結(jié)果較好，8 um鍍In樣品發(fā)現(xiàn)腔而出現(xiàn)爬銦現(xiàn)象。

2.4燒結(jié)工藝曲線的影響分析

采用VL020真空燒結(jié)系統(tǒng)可以提高燒結(jié)工藝的一致性，還可以通過(guò)編程方式優(yōu)化燒結(jié)程序。在燒結(jié)程序巾綜合考慮了梯度升溫。峰值溫度。抽真空和梯度降溫等工藝條件，不僅有效去除焊料中間的空間，而且使In焊料與管芯和cu熱沉結(jié)合更緊密。圖5是優(yōu)化后的燒結(jié)曲線示意圖。圖中Q為氣體流量，T為溫度，t為時(shí)間。

在整體封裝過(guò)程中的技術(shù)難點(diǎn)和優(yōu)化工藝：①大功率半導(dǎo)體激光器芯片的焊接過(guò)程中有一個(gè)相對(duì)快速的升。降溫過(guò)程，夾具上面的熱量分布直接受到焊接數(shù)量的影響，而In焊料對(duì)溫度和熔化時(shí)問(wèn)都有嚴(yán)格的要求。時(shí)間過(guò)短，Au/In合金侵潤(rùn)不完全；時(shí)間太長(zhǎng)。In焊料將會(huì)造成腔面爬鋼現(xiàn)象，因此，焊接溫度曲線的優(yōu)化設(shè)計(jì)足一重大技術(shù)難點(diǎn)②關(guān)于夾具設(shè)計(jì)制作，通過(guò)設(shè)計(jì)高精度芯片焊接定位夾具，使其具裝配焊接精度達(dá)到±0.025mm的技術(shù)要求。炙具設(shè)計(jì)克服了通常依賴進(jìn)口價(jià)格昂貴的石墨夾具，自行設(shè)計(jì)的新型材料夾具保證裝配的高精度和快速熱量傳遞，但是加工精度也是一技術(shù)難點(diǎn)。③實(shí)驗(yàn)中在2 mm x 0.1 mm芯片的樣品L.施加35 g的壓力焊接后，芯片有效焊接面積都在98%以上，此壓力完全能滿足芯片焊接的靠性要求，可以作為比較合適的工藝參數(shù)。④實(shí)驗(yàn)中采用焊接溫度為210度焊接后保溫時(shí)間25s壓力35 g，氫氣作為保護(hù)氣，且流量為1.5 L/min時(shí)，最好采用5um層的鍍In樣品焊接。

3 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)半導(dǎo)體激光器芯片的焊接工藝進(jìn)行了深入的研究，實(shí)驗(yàn)解決了真空焊接沒(méi)備焊接中的夾具。設(shè)計(jì)制作技術(shù)難關(guān)。焊接溫度曲線優(yōu)化的難點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：采用VL020真空焊接設(shè)備對(duì)半導(dǎo)體激光器芯片進(jìn)行焊接的過(guò)程中，通過(guò)選取合適的工裝夾具和工藝曲線來(lái)獲得較低的空洞率和較高的成品率是可行的，解決了傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝中存在的窄洞較多和熱阻較大等質(zhì)量隱患，提高產(chǎn)品的可靠性.