第４Ｏ卷第２期 ２０１７年４月 长春理工大学学报（自然科学版） Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆＣｈａｎｇｃｈｕｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆＳｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｅｄｉｔｉｏｎ） Ｖｏ１．４０ Ｎｏ．２ Ａｐｒ．２０１７ ＡｕＳｎ焊料预热温度对 高功率半导体激光器封装质量影响的研究 赵梓涵 ，王宪涛 ，王海卫 （１．长春理工大学机电工程学院，长春１３００２２；２．长春长理光学精密机械有限公司，长春１３００２２） 摘要：为提高高功率半导体激光器封装质量，对ＡｕＳｎ焊料预热温度进行研究。通过分析ＡｕＳｎ焊料共晶原理，建立四组 不同预热温度的ＡｕＳｎ焊料封装试验。通过对比不同预热温度下封装器件的光电参数，光谱特性及ＳＥＭ检测效果。对实验 结果进行分析。实验结果表明ＡｕＳｎ焊料的预热温度对高功率半导体激光器封装质量有重要影响，并得出ＡｕＳｎ焊料预热温 度在２３５℃时高功率半导体激光器的封装质量最为理想。 关键词：ＡｕＳｎ焊料；预热温度；半导体激光器；封装质量 中图分类号：ＴＧ１１５．６＋２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７２－９８７０（２０１７）Ｏ２一Ｏ０７８一Ｏ４ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｈＬｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ Ａ－ｕＳｎ Ｓｏｌｄｅｒ Ｐｒｅｈｅａｔｉｎｇ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｐｏｗｅｒ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｌａｓｅｒ ＺＨＡ０ Ｚｉｈａｎ ．ＷＡＮＧ Ｘｉａｎｔａｏ ．ＷＡＮＧ Ｈａｉｗｅｉ （１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｔｒｏｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ １３００２２； ２．Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ ＣＳＴ Ｏｐｔｉｃｓ ａｎｄ Ｆｉｎｅ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ １３００２２） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｐａｃｋａｇｉｎｇ ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ ｈｉｇｈ ｐｏｗｅｒ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｌａｓｅｒ，ｔｈｅ ｐｒｅｈｅａｔｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｆ ＡｕＳｎ ｓｏｌｄｅｒ ｗａｓ ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｂｙ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｔｈｅ ｅｕｔｅｃｔｉｃ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ＡｕＳｎ ｓｏｌｄｅｒ，ｆｏｕｒ ｇｒｏｕｐｓ ｏｆ ＡｕＳｎ ｓｏｌｄｅｒ ｐａｃｋａｇｉｎｇ ｅｘ— ｐｅｒｉｍｅｎｔ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｐｒｅｈｅａｔｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ ｗｅｒｅ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｗｅｒｅ ｖｅｒｉｆｉｅｄ ｂｙ ｃｏｍｐａｒｉｎｇ ｔｈｅ ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｔｈｅ ｓｐｅｃｔｒａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｎｄ ｔｈｅ ＳＥＭ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐａｃｋａｇｅｄ ｄｅｖｉｃｅｓ ｗｉｔｈ ｄｉ卜 ｆｅｒｅｎｔ ｐｒｅｈｅａｔｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｐｒｅｈｅａｔｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｆ ＡｕＳｎ ｓｏｌｄｅｒ ｈａｄ ａｎ ｉｍ— ｐｏｒｔａｎｔ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｎ ｔｈｅ ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ ｈｉｇｈ ｐｏｗｅｒ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｌａｓｅｒ ｐａｃｋａｇｉｎｇ，ａｎｄ ｉｔ ｗａｓ ｃｏｎｃｌｕｄｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ＡｕＳｎ ｓｏｌ— ｄｅｒ ｐｒｅｈｅａｔｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｔ ２３５￣Ｃ ｐａｃｋａｇｉｎｇ ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ ｈｉｇｈ ｐｏｗｅｒ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｌａｓｅｒｓ ｗａｓ ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｉｄｅａ１． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＡｕＳｎ ｓｏｌｄｅｒ；ｐｒｅｈｅａｔｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ；ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｌａｓｅｒ；ｐａｃｋａｇｉｎｇ ｑｕａｌｉｔｙ 近年来高功率半导体激光器凭借其体积小、重 率半导体激光器将会发展成为人们生活中不可或缺 量轻、电光转换效率高、性能稳定和寿命长等优点， 的东西 。 已经成为光电行业中最具有发展前途的产品，被广 随着半导体技术的发展，对高功率半导体激光 泛应用于工业、通讯、军事、医疗和材料处理等领 器输出功率的要求越来越高，但半导体激光器的光 域…。随着半导体材料外延生长技术、量子阱结构 学特性、输出功率以及可靠性等都由半导体激光器 优化技术、低欧姆接触技术、低热阻和低应力封装技 封装质量决定。影响激光器封装质量好坏的因素有 术的飞速发展，加上半导体激光工业加工应用和大 很多，如焊料的选择，焊料的厚度，焊接的位置，热沉 的结构，焊接的温度、时间、压力等。黄波等人采用 效率、体积小的半导体激光器得到了飞速发展，高功 气相淀积法制备了ＡｕＳｎ焊料，并对焊料的焊接效 功率光纤激光器泵浦源的市场需求，具有大功率、高 １－０８ 收稿日期： ２０１６－１ 基金项目： ２０１３年度吉林省企业技术改造和结构调整（技术创新工程）专项资金 作者简介： 赵梓涵（１９８９一），男，硕士研究生，Ｅ—ｍａｉｌ：ｚｈａｏｚｉｈａｎ２００８＠ｑｑ．ｃｏｍ 通讯作者： 王宪涛（１９６７－），男，博士，研究员，Ｅ－ｍａｉｌ：ｗｘｔ＠ｃｕｓｔ．ｅｄｕ．ｃｎ 第２期 赵梓涵，等：ＡｕＳｎ焊料预热温度对高功率半导体激光器封装质量影响的研究 ７９ 果进行了分析，简单介绍了ＡｕＳｎ焊接过程口 。杨扬 数测试，测试条件为：测试电流５Ａ，连续电流；激光 等人研究了不同焊接温度下ＡｕＳｎ焊料的形貌、物 器采用水冷散热，温度２０ｏｃ；积分球采样。测试结果 相组成以及对封装激光器的性能影响心 。本文从 如表１所示。 ＡｕＳｎ焊料的预热温度着手，对半导体激光器封装质 表１ ８０８ｎｍ－５Ｗ半导体激光器光电参数 量的影响展开分析。 １焊料设计及不同实验条件 １．１过渡热沉的选择 半导体激光器采用如图１所示的ｃ封装结构， 芯片采用ｆｌｉｐｃｈｉｐ形式封装。激光器芯片先焊接在 过渡热沉上，然后再封装到Ｃ－ｍｏｕｎｔ上。在过渡热 沉的选择上，选择ＡＬＮ这一热膨胀系数与芯片材料 ＧａＡｓ更为匹配的材料作为８０８ｎｍ激光器的过渡热 沉。设计的ＡｕＳｎ焊料层厚度为５ ｍ，组分是 Ａｕ８０Ｓｎ２０（质量比），并在上面制备一层０．３ ｍ的Ｐｔ 防止焊料层的氧化。 图１ 半导体激光器封装结构 １．２实验原理及条件设定 ＡｕＳｎ焊料焊接机理是Ｓｎ先融化，然后液态的 Ｓｎ去溶解固态的Ａｕ，并最终在２７８￣（２共晶温度下形 成液态的ＡｕＳｎ合金，当温度低于共晶温度时发生 共晶反应生成ＡｕＳｎ中间相￣（ＡｕＳｎ）和密排六方相１＝ （Ａｕ５Ｓｎ）。Ｓｎ融化是否充分是决定ＡｕＳｎ合金共晶 液化后固态Ａｕ组分的重要决定因素，而Ｓｎ的融化 取决于预热温度的选择。 设定四种不同的预热温度进行试验对比，分别 为２３０￣（２、２３５￣（２、２４０￣（２、２４５￣（２。采用半自动贴片机 进行焊接，工艺条件为：预热时间５ｓｅｃ，加热温度 ３００￣Ｃ，压力２０ｇ。 ２测试结果与讨论 ２．１光电参数 由于ＡｕＳｎ焊料的预热温度对高功率半导体激 光器的热应力有影响，所以对不同预热温度的ＡｕＳｎ 焊料封装的８０８ｎｍ－５Ｗ半导体激光器进行光电参 由表１可看出ＡｕＳｎ焊料的预热温度在２３５￣（２ 时，８０８ｎｍ－５Ｗ半导体激光器光电参数值最为理想。 ２．２光谱特性 由芯片和热沉焊接过程中的残余热应力作为封 装应力的主要来源，建立应力模型。应变引起的禁 带宽度变化可表示为 △ＥＨＨ（￡）＝ 口蕊Ｃｌｌ－－Ｃ１２＋ｂ Ｃｌｌ －－￣２ Ｃ１２ ］（１） ＋其中，ＡＥＨＨ（ｓ）为应变引起的禁带宽度变化，￡为封 装引入的有源区材料的应变。Ｃ１１和Ｃｌ２为弹性模 量，ａ和ｂ分别为静压形变势和切变形变势。 ８０８ｎｍ激光器芯片材料为ＧａＡｓ，ＧａＡｓ的ａ，ｂ 和Ｃ１１和ｃ１２可采用表２中的数值 表２半导体材料的应变参数 将数值代人（１）式可得 ＡＥＨＨ（ｅ）＝２．１５３９￣ （２） ８０８ｎｍ半导体激光器，其激射波长由禁宽度决 定，表达式为： Ｅ：毕 Ａ （３） 而ＡＥＨＨ（￣）是由于热应变导致的禁带宽度的 变化，即ＡＥＨＨ（Ｅ）为封装前后的禁带宽度的变化 值，表示为 ＡＥＨＨ（￡）：Ｅｂｅｆ一 ： 一 （４） Ａｂｅｌ ＾ａｆｔ 根据胡克（Ｈｏｏｋｅ）定律，在各向同性介质中应 力和应变的关系 ＝Ｃｌ￡ （５） 其中， 为激光器受到的应力作用，Ｃ为芯片的杨氏 模量，ＧａＡｓ的杨氏模量为８５ＧＰａ。由式（２），式（４） 和式（５）联立可得热应力与波长漂移关系式为 长春理工大学学报（ｆｌ然科学版） ＝（、×（ ｌ，ｃｆ 一 丝）／２．１５３９ ＾；Ｉｎ （６） 第四组ｌ光谱曲线埘比如图５：未封装的芯片测 得峰值波长为７９５．６ｎｍ，如图５中系列１ 当ＡｕＳｎ 焊料预热温度为２４５％，Ｉｔ￣，封装后的半导体激光器在 相同条件下测得的光谱如图５巾系列２．波长为 根据公式（６）可以 锋…半导体激光器的热应力。 为ｒ测得激光器封装产生的应力，需要对封装 前后的激光器光谱进行对比 测试条件为２５℃，脉 ７９９．６ｎｍ根据公式（６）何ｑ－Ｉｌｉｌｌｅ装后的热应力为 ．Ｉ 冲电流测试．电流为５Ａ，为了比对ＡｕＳｎ焊料预热温 ３０７ＭＰａ 度对激）匕器热应力的影响，本实验共做了四组比对。 第一组光谱ｆ｝ｆ『线对比如网２：未封装的芯片测 得峰值波长为７９５．８ｎｍ，如图２巾系列ｌ 当ＡｕＳｎ焊 料预热温度为２３０￣Ｃ１１￣，封装后的半导体激光器在相 同条件下测得的光谱如网２巾系列２，波长为７９８．８ｎｍ 根据公式（６）得到封装后的热应力为 ＝２３１ＭＰａ ７９２ ７９４ ７９６ ７９８ 一８ｌ帅８０２ ８０４ ８【１ 系州Ｉ一－系列２ 图５ ＡｕＳｎ焊料预热温度为２４５。Ｃ时光谱曲线对比图 根据以Ｉ 四组数据埘比，可以看ｔＰ，ＡｕＳｎ焊料 的预热温度 ２３５￣（７１１ ８０８ｎｍ－ＳＷ半导体激光器 ， ｎ ， １９１ｌ ／‘， ／‘Ｈ’ Ｉ ¨Ｉ Ｊ Ｉｌ２ １１，４ Ｉ 热应力值最为理想、 ２．３ ＳＥＭ效果检测 通过扫描电子显微镜（ＳＥＭ）对以上Ｉ７ＬＩ组不 一系列ｌ一一最州２ 图２ ＡｕＳｎ焊料预热温度为２３０。Ｃ时光谱曲线对比图 第二绀光潜ｆ｝｝１线对比如罔３：未封装ａ 心Ｉ－Ｉ－片测 得峰值波Ｋ为７９５．９ｎｍ，如图３【十】系列ｌ 当ＡｕＳｎ焊 ＡｕＳｎ焊料预热温度封装后的半 体激光器进行焊 接效果检测 料预热温度为２３５ｕ【、时，封装后的半导体激光器 相 Ⅲ条件下测得的光谱如网３中系列２，波长为７９８．１ｎｍ 据公式（６）得到封装后的热应力为 ！＝１６９ＭＰａ ７９２ 一７９４ ７９６ ７９８ ８００ ｇ０２ ８０４ ８ｎ６ Ｈｌ埽 系列ｌ一一系列２ 图６ ＡｕＳｎ焊料预热温度２３０。Ｃ时ＳＥＭ图 图３ ＡｕＳｎ焊料预热温度为２３５。Ｃ时光谱曲线对比图 ｛ＡｕＳｎ焊料预热温度为２ （） 、时焊接 剖 圳冬１ ６所爪 【ＩＪ‘以看到 焊接层巾 细小的 洲 第 【光谱『¨Ｉ线对比殳¨Ｉ ４：未封装的芯片测 ＡｕＳｎ烘 ｆ ｋ，ｌ ｉｌＨ￣＇似：ｔ－Ｋ为７９５．７ｎｍ，如罔４巾系列１ 料颅热Ⅲｌ ｔ／义ｉｔｌ：为２４（） 、时，封装 的半导体激光器 ｌ卡『１ 条俐：Ｆ测缁的光谱如 ４中系列２，波长为７９９．２ｎｍ 公』Ｉ＝（（ ）得剑埘装后的热心力为 ＝２７０ＭＰａ 图７ ＡｕＳｎ焊料预热温度２３５￣Ｃ时ＳＥＭ图 ７ ＾ ７ｇＳ ） ７‘） —？‘，４ —７９６ ７９Ｒ Ｈ１ １ Ｈ（， ｓｌ＿０ ｓｔｎ 【ｌ８ 采刈Ｉ一一彖 Ｊ 当ＡｕＳｎ焊料预热温度为２ａ；￣ ｖ、时焊接层削向 图４ ＡｕＳｎ焊料预热温度为２４０。Ｃ时光谱曲线对比图 如 ７所示，可以看到焊料层巾 小没仃空ｆｆ， ｛ 第２期 赵悻ｆＩｊｊ．等：Ａｕｓｎ焊料预热温度对高功率半导体激光器封装质量影响的研究 ８１ 大 当预热温度过高时．ＡｕＳｎ发生共品反应生成 ＡｕＳｎ中间￥［Ｉ６（ＡｕＳｎ）和密排六方相（ＡｕｆＳｎ），也 会导致焊接 现空洞，热应力更大，电参数值不理 想 、以上数据显示当ＡｕＳｎ焊料预热温度为２３５％７ 时激光器的封装效果最为理想 ３结论 通过对不同ＡｕＳｎ焊料预热温度制备的高功率 图８ ＡｕＳｎ焊料预热温度２４０￣Ｃ时ＳＥＭ图 半导体激光器进行试验对比，发现ＡｕＳｎ焊料预热 ｒｊ ＡｔｉＳｎ焊料预热温度为２４ｏ￣ｃＭ焊接层剖向 图８所，Ｊ ．可以看到 焊接层【ｆ１空洞变大 温度对高功率半导体激光器的封装质量有着密切的 关系，并得Ｈ｛ＡｕＳｎ焊料预热温度在２３５￣Ｃ时高功率 半导体激光器的封装质量最为理想的结论？ 参考文献 ］ＪＦｒｉｅｄｒｉｃｈ Ｂ．Ｐｒｅｓｅｎｔ ｌｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎｄｕｓｌｒｉａｌ ａｐｐｌｉｃａ— ］Ｊ １● １● １●。１ｊ １Ｊ ｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｆｕｔｕｒｅ ｐｒｏｓｐｅｃｔｓ ｏｆ ｈｉｇｈ ｐｏｗｅｒ ｄｉｏｄｅ ｌａｓｅｒｓ ］．Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ａｄｘ，ａｎｃｅｄ Ｉ．ａｓｅｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ．ＳＰＩＥ ２００２． 张勇．高功率单管半导体激光器封装技术研究【Ｉ）］．天 图９ ＡｕＳｎ焊料预热温度２４５￣Ｃ时ＳＥＭ图 津：河北ｆ：业大学。２０１３． 黄波，陈金强，杨凯，等．川于大功率半导体激光器封装 的Ａｕ Ｓｎ合金焊料的制备和特性研究［Ｊ］．长春理］ 大 学学报：ｎ然科学版．２００７，３０（３）：１ ４． ＡｕＳｎ焊料预热温度为２４５％＂时焊接层剖面 如Ｉ ９所示，可以看到存焊接层中ｆＩＩ观较多的空洞 、 通过以上四组图片可以看 空洞ｆ¨现、 ２．４讨论 ＡｕＳｎ焊料预热 扬扬，孙素娟．李沛旭，等．烧结温度对ＡｕＳｎ焊料薄膜 及封装激光器性能的影响【Ｊ］．半导体制造技术，２０１５． ４０（１１）：８４０ ８４５． Ｉ．ａｒｒｙ Ａ，Ｓｃｏｔｔ Ｗ．Ｄｉｏｄｅ ｌａｓｅｒ ａｎｄ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｉｎｔｅ— 温度为２３５ｏ（＇￣，ｔ，激光器的封装效果最为理想，没有 ｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ［Ｍ］．ＵＳＡ：Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ＆．Ｓｏｎｓ，１９９５： ３６－３７． 通过以上 组测试可以看Ｈ：激光器封装质量的 好坏 ＡｕＳｎ焊料预热温度有着密切的联系，原闪 是ＡｕＳｎ焊料焊接时Ｓｎ先融化，然后液态的Ｓｎ去溶 解同态的Ａｕ， 与预热温度不足时，液态Ｓｎ无法完全 溶解 态的Ａｕ，会导致焊接出现空洞，热应力偏 江剑平． 导体激光器．第一版［Ｍ］．北京：电子１ 业ｆ“ 版礼．２００２：１－３３５． 赵梓涵．８０８ｎｍ高功率半导体激光器封装技术研究［Ｄ］． 长春：长存理广大学，２０１７． （１ 接第７７页） 及软件包ＩＭＡＱ Ｖｉｓｉｏｎ开发ｆ乜视觉检测平台改变 ［２］余文勇， 绘．机器视觉门动检测技术［Ｍ］．北京：化学 Ｔ业¨｛版社，２０１３：ｌ１９—２０（）． 了传统检测的于段，提高了汽车钣金件检测的效率， 约生产成本的同时保证了加Ｔ件的质量 利用 Ｉ ａ１］Ｖｌ卜＝Ｗ开发的视觉检测系统的检测结果在生产 ［３］ 范壮，王Ｋ利．基于ＩＭＡＱ的 寸 形状枪测方法的研 究［Ｄｊ．哈尔滨：哈尔滨理一Ｔ Ｔ业大学，２００６． ［４］龚生荣，刘纯平．王强．等．数字 像处理与分析ｌＭ］．北 京：清华大学 版神，２００６：５０－５２． 实际应用ｒｆ１符合了检测的要求，达到了预期的检测 效果 参考文献 二抓．激光切割钣金件的孔径视觉检测的研究［Ｄ］ Ｋ存：Ｋ春理１一＿人学，２０１６． ［５］段雨晗＇ｆ’ｒ跃刚．基于机器视觉的微小零ｆｔ：￣ｇ貌检测方 法［Ｊ Ｊ．长存理１：大学学报：自然科学版．２０１５，３８（４）： ２２－２７． ［５］ Ｒａｆ｝１ｅｌ（、．Ｇｏｎｚａｌｅｚ．Ｒｉｃｈａｒｄ Ｅ．Ｗｏｏｄｓ．Ｄｉｇｉｔａｌ ｉｍａｇｅ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ【Ｍ］．北京：电子＿ Ｉ业｛ｌｌ版社，２０１４：２３—２４．
