AuSn焊料組分對半導體激光器件性能的影響

井紅旗，倪羽茜，劉啟坤，仲 莉，孔金霞，王 鑫，劉素平，馬驍宇

(中國科學院半導體研究所 光電子器件國家工程中心，北京 100083)

1 引 言

隨著半導體芯片技術和光學技術的發展，半導體激光器的輸出功率不斷提高，被廣泛應用于通信與光儲存、軍事應用、材料加工、激光醫療、美容等領域[1-3]。隨著輸出功率的上升，半導體激光器的光學特性、輸出功率以及可靠性等都由其封裝質量決定。影響半導體激光器封裝質量的因素有很多，如熱沉結構、焊料選擇、焊接曲線等。為了有效提高半導體激光器的可靠性，利用金錫代替銦作為封裝焊料是一個可靠途徑。AuSn20合金熔點是280℃，廣泛應用于氣密封裝[4]、射頻和微波封裝[5]、發光二極管封裝[6]等方面。

以往大多數研究基本都集中在制備金錫合金[7]、優化金錫共晶合金鑄態組織[8]以及研究Au/Sn固態擴散和界面反應機理[9-10]，但對于其對器件實際的具體的影響鮮有報道，本文對AuSn焊料組分比對大功率半導體激光器性能的影響進行了深入研究。

2 實 驗

2.1 芯片制作

利用RIXTRON MOCVD設備，在GaAs襯底上生長出應變量子阱大光腔975nm激光器外延片，量子阱采用GaInAs材料，波導層和限制層采用AlGaAs材料，外延層結構見圖1。生長好的外延片通過光刻、金屬化、減薄等工藝，做成發光區寬度100μm、填充因子20% 的圓片，再將圓片解理成4.5mm 腔長的激光器長條，前后腔面分別鍍增透膜和高反膜，最后解理成寬0.5mm 的管芯。

2.2 過渡熱沉的制作

為了滿足應用和封裝的需求，設計出AlN過渡熱沉，見圖2。AlN過渡熱沉除了AuSn焊料層外，主要由上鍍薄金層的銅層、AlN陶瓷層、下鍍薄金層的銅層3部分組成。各層尺寸都經過了精心計算，有利于滿足封裝要求。在各組分參數相同的條件下，AlN層厚度最大，熱導率比銅低。

由于生產工藝的誤差，AlN過渡熱沉上AuSn焊料的組分都有少許浮動，如果誤差過大，封裝后測試結果差別很大。按AuSn焊料中Au組分比重的高低分為3類，其金組分的差別如表1所示。

圖2 AlN過渡熱沉Fig.2 AlN transition heat sink

表1 不同Au組分的AlN過渡熱沉Tab.1 AlN transition heat sink of different Au content

2.3 器件封裝

器件采用Fineplacer femto激光二極管精密定位系統進行封裝，優化封裝曲線，快速升溫，找到最佳的封裝穩定時間，凝固前快速冷卻，凝固后自然降溫，減小由于封裝引入的應力，提高器件的可靠性。貼片時要求芯片與熱沉焊料邊緣平齊，防止芯片縮進熱沉導致焊料擋光，也要防止芯片突出較大，導致散熱不良，降低器件的可靠性。

3 器件的測試與分析

3.1 封裝后的外貌

圖3是3類AlN過渡熱沉封裝半導體激光器的外貌圖。

第一類 第二類 第三類

圖3 3類AlN過渡熱沉封裝半導體激光器的外貌圖
Fig.3 Surface morphology of the semiconductor laser with AlN transition heat sink

3類AlN過渡熱沉燒結條件基本相同，但是第三類AlN過渡熱沉燒結完后，凝固后的焊料區偏向于有坑洼現象的銀白色，而第一類和第二類AlN過渡熱沉燒結完后，呈現黑亮的均勻顏色。在燒結中焊料熔化后，第三類AlN過渡熱沉焊料流動性明顯不暢，凝固后，有疑似小顆粒物形成，會嚴重影響芯片和焊料的粘結質量，從而影響激光器的性能。

3.2 空洞

X射線檢測[11]是一種利用X射線技術觀察、研究和檢驗樣品表面或內部結構缺陷的無損傷實驗方法，根據不同材料對X射線具有不同的吸收率和透射率，X射線通過樣品后，利用衰減后的射線強度來檢測樣品內部缺陷。GaAs功率芯片與AlN過渡熱沉上的Cu基板通過AuSn共晶焊后，利用VJELECTRONIX X射線檢測儀測定樣品的空洞，見圖4。

圖4 樣品的空洞Fig.4 Void of the samples

結果顯示，第一類和第二類AlN過渡熱沉封裝的半導體激光器器件X射線檢測圖中，顏色均勻，基本沒有空洞；第三類AlN過渡熱沉封裝的器件，出現一定量的白色小空洞。由此可見，第一類和第二類AlN過渡熱沉表面的AuSn焊料和GaAs管芯P面的Au層潤濕性較好，最后形成均勻的共晶組織，而第三類的AuSn焊料未與GaAs管芯P面達到較好的潤濕，形成了帶有隱患的空洞，勢必影響器件測試性能。

3.3 光譜特性

選用3類AlN過渡熱沉封裝完成后，分別抽取3個樣品，利用測試設備測試樣品的光譜，冷卻水溫度 23 ℃，發光功率10 W，結果如圖5所示。

圖5中，A1、A2、A3代表第一類AlN過渡熱沉封裝器件的光譜，B1、B2、B3代表第二類的光譜，C1、C2、C3代表第三類的光譜。半導體激光器性能測試結果顯示：第一類平均波長為972.3 nm，第二類平均波長為973.4 nm，第三類平均波長為977.9 nm。第一類和第二類的波長基本一致，而第三類的波長比第一類的波長長約5 nm，說明第三類AlN過渡熱沉封裝器件產生較多熱量，導致禁帶寬度變化，激光器波長出現嚴重漂移。

圖5 樣品的光譜特性Fig.5 Spectral characteristics of the samples

3.4 熱阻測試

根據 JEDEC 標準，半導體器件熱阻定義如下[12-14]：

(1)

其中，Tj表示器件在穩態工作時的結溫；T0代表初始溫度；Pt代表熱功率；ΔT為結溫升高。

根據半導體PN結正向導通壓降與溫度呈正比關系[13]，電學法選取半導體 PN 結正向導通壓降作為溫敏參數，在升溫或降溫的過程中，快速測量器件的結電壓得到瞬態溫度曲線，利用結構函數方法，構造RC網絡模型，進行數值疊加運算，得到各層結構的熱阻。

本實驗利用半導體激光器熱特性分析儀，測試結果如表2所示。

表2 熱阻測試數據Tab.2 Thermal resistance test data

測試結果顯示：第一類AlN過渡熱沉封裝的半導體激光器熱阻平均值是2.080 K/W，第二類的熱阻平均值是2.180 K/W，第三類的熱阻平均值是2.403 K/W。在三類AlN過渡熱沉封裝的器件中，第三類的熱阻值最大，比第一類高出0.323 K/W。

圖6 金錫二元合金平衡相圖Fig.6 Phase diagram of Au-Sn binary alloy

根據金錫二元合金平衡相圖[15-16]，金錫合金Au20Sn是由ζ′-Au5Sn相和-AuSn相組成的共晶組織，見圖6。在非平衡凝固過程中，先析出高熔點ζ-Au5Sn初生相。溫度升高發生共晶反應，生成ζ-Au5Sn和-AuSn相的層片結構；溫度降至190 ℃左右時，部分-AuSn被消耗發生包析反應，形成ζ′-Au5Sn初生相與ζ′-Au5Sn共晶相，其中ζ′-Au5Sn初生相呈樹枝狀。如果金含量過低，-AuSn初生相形核率降低，增加了ζ′-Au5Sn初生相的生成概率，造成合金凝固組織成分偏析。而ζ′-Au5Sn相比-AuSn相HV硬度偏高，雖變形抗力較強，但是降低了初生相與共晶基體間的變形協調力，直接導致合金熱特性降低。從金屬學原理分析，形成合金的層片組織越精細越均勻，球化效果越好，合金的熱性能越好[17]。而ζ′-Au5Sn初生相呈現粗大的樹枝狀，嚴重破壞了合金的均勻性，從而降低了合金的熱特性。這樣就很好解釋了第三類AlN過渡熱沉封裝的半導體激光器熱阻偏高，是由于焊料中金含量過低，形成的樹枝狀的ζ′-Au5Sn初生相嚴重影響了器件的熱特性。

3.5 器件老化與分析

圖7為樣品經過連續電流 12 A、溫度 25 ℃、500 h老化的壽命退火曲線。

圖7 樣品的壽命退化曲線Fig.7 Life degradation curves of the samples

由圖7可以看出，第三類AlN過渡熱沉封裝的半導體激光器C1、C2、C3都過早失效，而第一類和第二類熱沉封裝的器件功率較穩定，變化率在 5%以內。說明第三類AlN過渡熱沉封裝的器件熱特性較差。

4 結 論

本文主要研究不同配比AuSn焊料的AlN過渡熱沉及封裝半導體激光器特性。從外貌看，金組分比重較低的第三類AlN過渡熱沉封裝出的器件的共晶顏色明顯不同于第一類和第二類，有疑似小顆粒泡產生；X射線無損檢測空洞缺陷，第三類AlN過渡熱沉比第一類和第二類封裝出的器件空洞缺陷多出較多；光譜測試顯示，第一類和第二類AlN過渡熱沉封裝出的器件的波長基本一致，而第三類比第一類封裝的器件波長紅移約5 nm；壽命實驗顯示，第三類AlN過渡熱沉封裝出的器件過早失效。因此，AlN過渡熱沉上的AuSn焊料中，Au組分比重要在一定的范圍之內，大于72%，小于80%，否則都會偏離共晶最佳條件，最終影響封裝器件的性能，這為以后AlN過渡熱沉的生產者和使用者提供了參考依據。

參 考 文 獻：

[1] 馬曉宇，王俊，劉素平.國內大功率半導體激光器研究及應用現狀 [J].紅外與激光工程, 2008, 37(2):189-194.

MA X Y, WANG J, LIU S P.Present situation of investigations and applications in high power semiconductor lasers [J].InfraredLaserEng., 2008, 37(2):189-194.(in Chinese)

[2] 井紅旗，仲莉，倪羽茜, 等.高功率密度激光二極管疊層散熱結構的熱分析 [J].發光學報, 2016, 37(1):81-87.

JING H Q，ZHONG L, NI Y X,etal..Thermal analysis of high power density laser diode stack cooling structure [J].Chin.J.Lumin., 2016, 37(1):81-87.(in Chinese)

[3] JING H Q, ZHONG L, NI Y X,etal..Design and simulation of a novel high-efficiency cooling heat-sink structure using fluid-thermodynamics [J].J.Semicond., 2015, 36(10):102006.

[4] SEO Y H, KANG T G, CHO Y H,etal..Locally heated low temperature wafer level MEMS packaging with closed-loop AuSn solder-lines [C],ASME2002InternationalMechenicalEngineeringCongressandExposition,NewOrlean,USA，2002:17-22.

[5] CHEN M J, PHAM A V H, EVERS N A,etal..Design and development of a package using LCP for RF/microwave MEMS switches [J].IEEETrans.onMicrowaveTheoryTech., 2006, 54(11):4009-4015.

[6] ITOH M, SASAKI J, UDA A.Use of AuSn solder bumps in three-dimensional passive aligned packaging of LD/PD arrays on Si optical benches [C].46thElectronicComponentsTechnologyConference,Orlando,USA, 1996:1-7.

[7] 羅雁波，謝宏潮，李敏． 金錫合金釬料研究現狀 [J].有色金屬，2002, 54(7):23-26．

LUO Y B, XIE H C, LI M.Preparation of Au-Sn alloy for solder filler metal [J].Nonfer,Met., 2002, 54(7):23-26.(in Chinese)

[8] YAMADA T, MIURA K, KAJIHARA M,etal..Kinetics of reactive diffusion between Au and Sn during annealing at solid-state temperatures [J].Mater.Sci.Eng.A, 2005, 390(1-2):118-126．

[9] 胡潔瓊, 謝明, 張吉明, 等.Au-Sn金屬間化合物的第一性原理研究 [J].物理學報, 2013, 62(24):247102.

HU J Q, XIE M, ZHANG J M,etal..First principles study of Au-Sn intermetallic compounds [J].ActaPhys.Sinica，2013, 62(24):247102.(in Chinese)

[10] 張威, 王春青, 閻勃晗.AuSn 釬料及鍍層界面金屬間化合物的演變 [J].稀有金屬材料與工程, 2006, 35(7):1143-1145.

ZHANG W, WANG C Q, YAN B H.Evolution of intermetallic compound at the interface between AuSn solder and metallization layer [J].RareMet.Mater.Eng., 2006, 35(7):1143-1145.(in Chinese)

[11] 李良海，仝良玉，葛秋玲.AuSn共晶焊接層空洞對陶瓷封裝熱阻的影響 [J].電子與封裝, 2015, 15(4):5-8.

LI L H, TONG L Y, GE Q L.The influence of gold-tin eutectic-welding voids on the thermal resistance of ceramic package [J].Electron.Pack., 2015, 15(4):5-8.(in Chinese)

[12] 倪羽茜，井紅旗，孔金霞，等.高功率半導體激光器陶瓷封裝散熱性能研究 [J].發光學報, 2016, 37(5):561-566.

NI Y X, JING X Q, KONG J X,etal..Thermal performance of high-power semiconductor laser packaged by ceramic submount [J].Chin.J.Lumin., 2016, 37(5):561-566.(in Chinese)

[13] NI Y X, MA X Y, JING H Q,etal..Finite element analysis of expansion-matched submounts for highpower laser diodes packaging [J].J.Semicond., 2016, 37(6):064005-1-5.

[14] DONG S, SHI W F, YAN B Q,etal..The research on temperature distribution of GaN-based blue laser diode [J].Solid-StateElectron., 2015, 109:25-28.

[15] CIULIK J, NOTIS M R.The Au Sn phase diagram [J].J.AlloysCompd., 1993, 191(1):71-78.

[16] 宋佳佳，郭德燕，鄧超, 等.孕育形核處理對金錫共晶合金鑄態凝固組織的影響 [J].稀有金屬材料與工程, 2013, 42(4):756-760.

SONG J J, GUO D Y, DENG C,etal..Effect of incubated nucleation treatment on solidification microstructure of Au-Sn eutectic alloy [J].RareMet.Mater.Eng., 2013, 42(4):756-760.(in Chinese)

[17] TAN Q B, DENG C, MAO Y,etal..Evolution of primary phases and high-temperature compressive behaviors of as-cast AuSn20 alloys prepared by different solidification pathways [J].GoldBull., 2011, 44(1):27-35.