用于大功率半導體激光器的Ag-In焊料研究

程東明，伏桂月，朱颯爽，王永平

（鄭州大學物理工程學院電子科學與技術系，鄭州 450001）

1 引言

在大功率半導體激光器的封裝過程中，由于管芯與焊料直接接觸，因此焊料的選擇與可靠性對激光器來說是應該考慮的重要方面。

焊料可分為軟焊料與硬焊料兩種。In作為軟焊料，自身熔點低，延展性和塑性形變優良，可應用于激光器的焊接，并且當器件工作時產生的熱應力較小。由于Ag電導性良好，而In能夠有效潤濕Ag，同時又能防止In在空氣中易被氧化而影響器件工作穩定性。因此，Ag可作為In的保護層，但Ag-In焊料的焊接可靠性值得進一步研究。

2 薄膜制備與結構

為研究Ag-In焊料可靠性，我們在Si基片上利用真空蒸發蒸鍍Ag-In薄膜與Ag-In-Ag-In薄膜兩種模型，對比其微結構進行說明。

圖1 薄膜結構圖

3 分析與討論

通過掃描電鏡（圖2）我們發現：Ag-In薄膜表面各個微粒形態各異，相鄰分布，其間隙清晰可見；Ag-In-Ag-In薄膜的微粒分布密集，形態各異，且表面間隙很小。

圖2 Ag-In薄膜與Ag-In-Ag-In薄膜在掃描電鏡不同倍數下的圖像

通過兩種實驗結果對比，我們發現間隙的存在可能由兩個原因共同作用產生。一方面，根據擴散動力學，Ag-In薄膜的厚度較小，Ag顆粒與其接觸的In顆粒發生互擴散運動的同時伴隨著新產物的生成，導致表面微粒成分與結構的改變。

圖3 樣品XRD測試圖譜

我們通過XRD測試比對標準譜（如圖3）分析發現，在樣品中In被保護的同時，有AgIn2物質的存在，可以證明Ag與In的內部發生互擴散反應，生成的界面化合物的微結構與Ag-In薄膜微結構共同作用的外在表象即間隙的形成。而Ag-In-Ag-In薄膜由于在Ag-In薄膜間隙存在基礎之上，再次蒸發蒸鍍Ag-In薄膜，間隙大部分被填充，并且Ag-In薄膜覆蓋底層薄膜，致使兩層的Ag-In薄膜形成緊密排列結構。但是Ag-In的互擴散反應仍然存在，產生的間隙也依然存在（如圖2），但是兩層薄膜可有效抑制大量間隙的存在。

另一方面，由于蒸鍍過程中，由熱動力學我們可知：焊料受熱蒸發至Si基底上，由于薄膜內部熱運動劇烈，導致微粒內部熱應力增大，當薄膜冷卻至室溫時，內部熱運動逐漸趨緩，致使顆粒在某一處位置逐漸趨于穩定狀態，因此會造成顆粒的積聚分布不均，也會導致間隙的存在。

4 結論

通過對Ag-In和Ag-In-Ag-In薄膜微結構的討論分析，我們得出多層的Ag-In薄膜結構可以控制間隙的大量生成，同時Ag對In的抗氧化保護確實有效，可以降低In焊料封裝器件的不穩定性甚至提高其使用壽命。

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