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《高功率二极管激光器封装的多层焊接技术》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、第15卷第5期强激光与粒子束Vol.15,No.52003年5月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSMay,2003文章编号:10014322(2003)05044703高功率二极管激光器封装的多层焊接技术1111,2高松信,武德勇,王骏,唐淳(1.中国工程物理研究院应用电子学研究所,四川绵阳621900;2.浙江大学光电信息工程系,浙江杭州310027)摘要:对高功率二极管封装工艺中的焊接技术进行了研究,掌握了高真空下利用蒸发沉积制备铟(In)焊料的方
2、法,在不加助焊剂的情况下进行了多层焊接实验,并对封装的连续、准连续激光器进行了性能检测。结果表明,利用In和InSn合金的多层焊接技术进行激光器封装的方法是切实可行的。关键词:In焊料;InSn合金;焊接;热沉中图分类号:TN305文献标识码:A对于高功率二极管激光器的封装,关键在于掌握低热阻技术、低欧姆接触技术以及高效冷却技术,以便有[1]效降低芯片工作时废热的积累,提高激光器的输出功率和工作寿命。特别是近几年来,半导体激光器芯片的生产技术突飞猛进,单条连续阵列的输出功率达到60W,准
3、连续已到100W,热效应对器件的影响随之增大,如何将产生的废热及时排出已成为封装工艺的首要问题。而芯片与热沉、冷却器及电极各界面之间联接的热阻和接触电阻对器件有效散热起着重要作用,为了获得最小的界面热阻和接触电阻,各界面需采用焊接技术连接,其中芯片与热沉间的连结最为关键。同时,由于芯片本身的条件限制,焊接必须采用低温焊料,因此选用In作为芯片与热沉间的第一层焊料,温度较低的InSn合金作为热沉与水冷器间的第二层焊接。1焊料分析[2]通常,用于焊接的焊料分为硬焊料和软焊料两种,硬焊料具有良好的抗疲劳性和高的
4、热导率。但是,硬焊料一般具有较强的弹性形变,它可使焊接的两种金属界面因热膨胀不匹配而产生热应力;软焊料则具有较好的塑性形变。为了使器件具有良好的散热性,主要采用具有高热导率和电导率的无氧铜作为热沉,将芯片焊接-6到铜热沉上,而铜的热膨胀系数为KCu=1.7810mm/,与二极管芯片的材料砷化镓(GaAs)的热膨胀系-6数KGaAs=5.910mm/相差很大,这样热膨胀系数的不匹配而产生的应力很容易导致焊层的暗线缺陷,甚至会拉裂芯片。因此,焊料必须具有低的熔点,有效释放应力的能力,良好的塑性形变和浸润性等。
5、目前,在[3]工业中应用最广泛的软焊料仍是铅锡(PbSn)合金,铅锡合金具有明显的热疲劳性,并具有很强的除垢性能。在高温下处于熔化状态时,锡快速将芯片表面的金膜完全融解,形成AuSn合金,这种除垢效应使金、锡快[4]速互熔形成合金,可能会影响金膜与芯片间的结合质量。纯In作为焊料,具有良好的导热性、塑性变形性和热应力释放能力,并且与金有良好的浸润性,因此选用In焊接芯片是一种较为理想的途径。而在次热沉与水冷器间选择了熔点更低的InSn合金,以便进行第二次焊接时In焊料不被熔化,保证第一次的焊接质量。2
6、焊料的制备为了防止无氧铜的氧化以及保证良好的焊接性能,在热沉上利用溅射镀膜的方式沉积Ni,Au多层膜,然后在Au层上蒸发沉积In焊料。由于In极易氧化,In焊料的制备有着特殊的要求,必须对基片进行镀前的清洗处理。为了避免In受真空室内残余气体的污染(特别是In的氧化),获得充分的真空条件,使真空室内蒸汽[5]分子的平均自由程远大于蒸距,以减少蒸汽分子与其它气体分子碰撞的机会。气体分子的平均自由程为2l=kT/2dp(1)式中:p是气体压强;k为玻尔兹曼常数;T为热力学温度;d为气体分子直径。其碰撞几率=N
7、1/N0=1-exp(L/)(2)-5由于镀膜机本身条件限制,其极限真空度只能达到110Pa。同时,考虑到膜的厚度与蒸距的关系收稿日期:20021127;修订日期:20030210基金项目:中国工程物理研究院基金资助课题作者简介:高松信(1975),男,研实,从事半导体激光技术的研究工作;绵阳9191013信箱;Email:xingao995@sohu.com。448强激光与粒子束第15卷2h=mcoscos/r(3)式中:h为
8、膜厚;r为蒸距;为蒸发源法线与接收面间连线的夹角;为接收面的法线与蒸发方向的夹角;为膜材密度;m为蒸发速率。因此,选择蒸距为55mm进行镀膜,在实验中通过对真-4空度(工作真空度小于210Pa)、蒸发温度的控制,获得了具有金属光泽、表面均匀的In薄膜。经过多次焊接实验得到,膜厚度为7m时达到最佳的焊接状态。图1为高精密度台阶仪对沉积的In焊料进行测量的结果,
