蘆鵬，劉國軍

摘 要：文章選取AuSn過渡熱沉替代原來的In焊料，克服了In焊料引起的器件壽命使用偏低、針對激光器結(jié)溫影響大等缺點，并對過渡熱沉的結(jié)構(gòu)設(shè)計和焊接工藝做了進一步研究，設(shè)計出新型AuSn過渡熱沉的焊裝結(jié)構(gòu)。經(jīng)過結(jié)溫—漏電流測試可以得到更為優(yōu)良的散熱效果，外推壽命從6 134 h提高到20 363 h，提高了器件的可靠性。

關(guān)鍵詞：大功率半導體激光器;AuSn;過渡熱沉;結(jié)溫

現(xiàn)如今，大功率半導體激光器獲得迅速發(fā)展，在各種占空比下，其峰值功率越來越高，連續(xù)工作時功率越來越大。

改善大功率半導體激光器的散熱是提升半導體激光器大功率可靠性與壽命的關(guān)鍵因素之一，并一直是人們關(guān)注的焦點之一[1]。激光器的工作壽命強烈依賴于激光器的工作溫度及熱阻。在大功率半導體激光器的商業(yè)應用過程中，始終伴隨著各種熱阻的改善。本文針對管芯焊接工藝中散熱不良的問題，對原有的熱沉結(jié)構(gòu)進行改良，設(shè)計制備了新型AuSn材料作為過渡熱沉結(jié)構(gòu)。

1 半導體激光器芯片熱沉技術(shù)

芯片焊接是關(guān)系半導體激光器電阻特性與熱特性的關(guān)鍵工藝，直接影響器件的可靠性和工作壽命。

半導體激光器的散熱直接關(guān)系到制作半導體激光器性能的好壞和成敗。目前，半導體激光器最主要的散熱方式是通過熱沉散熱。隨著半導體激光器功率的逐漸提高，處于長時間工作狀態(tài)的激光器對于芯片與熱沉之間的熱膨脹系數(shù)匹配性、導熱性、導電性等性能有了進一步要求，激光器芯片與熱沉的粘結(jié)工藝成為熱沉技術(shù)的關(guān)鍵。

采用激光器硬焊料成為將來的發(fā)展趨勢，新型的AuSn（80%Au +20%Sn）焊料是目前大功率激光器應用的熱點，而AuSn焊料作為過渡熱沉，使用時的焊層結(jié)構(gòu)是AuSn焊料研究中的難點[2]。

現(xiàn)在焊裝大功率半導體激光器時采用金錫預成型片（過渡熱沉片），預成型片能夠確保焊料的精確用量和準確位置，以達到在最低成本情況下獲得最佳質(zhì)量[3]。

2 新型AuSn熱沉結(jié)構(gòu)設(shè)計

在原AuSn焊接結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，為獲得更好的散熱效果，對焊接層結(jié)構(gòu)進行了新的設(shè)計。受到歐姆接觸工藝研究的啟發(fā)，在芯片-AuSn-Cu熱沉的焊接層設(shè)計中加入了阻擋層Pt/Au的設(shè)計，以免Au的浸入。Pt/Au在其中還起到阻擋Sn擴散的作用，其具體效果與貼片時選用的溫度有關(guān)。經(jīng)過多次試驗調(diào)節(jié)Au/Pt的單層厚度和結(jié)構(gòu)，設(shè)計出新的AuSn熱沉結(jié)構(gòu)（見圖1）。

圖1 新型AuSn焊接結(jié)構(gòu)示意

由圖2可知，與原來使用的熱沉性能測試對比，新熱沉在同樣的結(jié)溫溫度（Tj）條件下具有更好的漏電流（Ids）控制，而且這種優(yōu)勢隨著Tj的增大而更為明顯，新熱沉具有更好的散熱特性。

圖2 新舊熱沉性能對比

3 實驗

3.1 器件壽命考核實驗

將使用原有AuSn熱沉技術(shù)制備的大功率半導體激光器與使用新設(shè)計AuSn結(jié)構(gòu)熱沉技術(shù)制備的大功率半導體激光器分為A，B兩組進行壽命考核實驗，如表1所示。

A組與B組工藝完成并經(jīng)過初測后，各選出5組器件（每組5只）進行老化試驗。壽命數(shù)據(jù)擬合計算結(jié)果得出：A組半導體激光器的外推壽命t=6 134 h;B組半導體激光器的外推壽命t=20 363 h。由對比結(jié)果可見，技術(shù)改進后的大功率半導體激光器壽命大大提高。

3.2 結(jié)果分析

將老化試驗后的芯片截斷，結(jié)果發(fā)現(xiàn)A組多只器件不同程度上出現(xiàn)了熱沉金屬層粘附力下降乃至剝落的現(xiàn)象。其中，A組個別器件老化初期失效，表現(xiàn)為歐姆接觸金屬層剝落，分析為后期老化試驗中與AuSn配合的過渡金屬層不合理造成的。金錫合金在共晶溫度附近的熔點對成分敏感，當金的比例比大于80%，隨著金的增加，熔點急劇提高會帶來負面影響。在焊接過程中鍍層的金會浸入焊料，過厚的鍍金層、過薄的預成型焊片和過長的焊接時間都會增加金浸入焊料的概率，從而造成熔點上升，焊接層孔洞和焊料外溢，最終降低焊接界面的強度并形成金屬層剝落的現(xiàn)象。

另有A組其他管芯失效出現(xiàn)在測試時間1 000 h，階段后觀察為焊料中間出現(xiàn)空隙或空洞現(xiàn)象。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的器件一般在老化實驗的后期失效，說明隨著老化試驗進行，激光器工作溫度提高，鍍層中的Au隨溫度升高擴散現(xiàn)象越發(fā)明顯，同樣發(fā)生了金組分變化而產(chǎn)生空洞現(xiàn)象，最終造成器件的失效。

對比試驗中B組沒有此類現(xiàn)象發(fā)生，說明AuSn熱沉結(jié)構(gòu)更為合理，并對激光器的中長期壽命具有重要影響，可靠性也更高。

4 結(jié)語

（1）為克服In焊料引起的器件壽命使用偏低、對激光器結(jié)溫影響大等缺點，選取AuSn過渡熱沉替代原來的In焊料，并對過渡熱沉的結(jié)構(gòu)設(shè)計和焊接工藝做了進一步研究，設(shè)計出新型AuSn過渡熱沉的焊裝結(jié)構(gòu)，經(jīng)過結(jié)溫—漏電流測試可以得到更為優(yōu)良的散熱效果。

（2）將不同結(jié)構(gòu)的AuSn熱沉應用于大功率半導體激光器老化試驗測試，得到的器件外推壽命從6 134 h提高到20 363 h，從而提高了器件的可靠性。

作者簡介：蘆鵬（1977— ），男，吉林長春人，副教授，博士;研究方向：半導體光電子學。

[參考文獻]

[1]房俊宇，石琳琳，張賀，等.石墨片作輔助熱沉的高功率半導體激光器熱傳導特性[J].發(fā)光學報，2019（7）：907-914.

[2]戴瑋，李嘉強，曹劍，等.CVD金剛石熱沉封裝高功率半導體激光器的熱特性[J].光電子·激光，2019（3）：227-233.

[3]范嗣強.大功率半導體激光器熱沉技術(shù)的研究現(xiàn)狀[J].激光雜志，2018（2）：14-19.

Research on heat sink technology of high-power semiconductor laser

Lu Peng1， Liu Guojun2

（1.School of Optoelectronic Engineering， Changzhou Institute of Technology， Changzhou 213032， China; 2.State Key Laboratory of High-Power Semiconductor Laser， Changchun University of Science and Technology， Changchun 130022， China）

Abstract：In this paper， AuSn heat sink is selected to replace the original in solder to overcome the shortcomings of solder， such as low device life and great influence on laser junction temperature， and a new welding structure of AuSn heat sink is designed. Through the test of junction temperature and leakage current， better heat dissipation effect can be obtained. The extrapolation life can be increased from 6 134 hour to 20 363 hour， the reliability of the device is improved.

Key words：high power semiconductor laser; AuSn; transition heat sink; junction temperature