覆Ag層對(duì)用于LD封裝的In焊料性能的影響

王永平，程?hào)|明，伏桂月，張 勇，盧小可，張微微

（鄭州大學(xué)物理工程學(xué)院，鄭州 450000）

1 引言

隨著技術(shù)的進(jìn)步，LD的轉(zhuǎn)換效率以及輸出功率也不斷提高，這就對(duì)器件的封裝技術(shù)提出了更高的要求，尤其對(duì)焊料的研發(fā)與選用提出了新的挑戰(zhàn)。由于LD管芯一般是P面朝下貼裝在熱沉上的，有源區(qū)距熱沉距離很小，所以在封裝過程中，焊料對(duì)管芯的性能有決定性的影響。

用于LD封裝的焊料一般是In焊料和Au80Sn20焊料，In焊料為軟焊料，具有良好的塑性形變和濕潤特性，可以很好地濕潤大多數(shù)金屬，而且可以緩解芯片與熱沉膨脹系數(shù)的不匹配，被廣泛應(yīng)用于LD器件的封裝。但I(xiàn)n在燒結(jié)過程中易氧化，可在In焊料表面鍍一層Ag作為保護(hù)層，由圖1可知在In wt.97%時(shí)形成熔點(diǎn)為144℃的共晶合金AgIn2，Ag的加入有效地降低了焊點(diǎn)熔點(diǎn)溫度[6～9]。本文從Ag層厚度和降溫速率對(duì)內(nèi)部In焊料性能的影響做了系統(tǒng)的分析。

圖1 Ag-In二元相圖

2 樣品的制備

為研究Ag層對(duì)In焊料性能的影響，我們分三次分別在Si基底上用真空蒸發(fā)的方法鍍覆有Ag層200nm、400nm、600nm的In焊料各三片。對(duì)三種樣品分別在峰值溫度為180℃的空氣環(huán)境下進(jìn)行模擬回流處理，所有樣品均在峰值溫度下保持1min，最后使樣品分別在冷風(fēng)加速冷卻、自然冷卻和5℃/min的速率下冷卻至室溫。對(duì)所有樣品進(jìn)行掃描電子顯微鏡表面形態(tài)觀察和XRD成分分析。

3 結(jié)果與討論

使用X’Pert PRO型X射線衍射分析儀對(duì)樣品進(jìn)行了成份分析，得到了三種樣品在不同冷卻速率下的XRD圖譜，如圖2～圖4。

由圖2我們可以看出，在Ag層厚度為200nm時(shí)，三種不同的冷卻速率下，樣品均出現(xiàn)了氧化物In2O3的峰值，說明了Ag層為200nm時(shí)，焊料在空氣環(huán)境下加熱發(fā)生了氧化，此時(shí)的Ag層厚度還不足以防止焊料在空氣環(huán)境下回流時(shí)氧化現(xiàn)象的發(fā)生。

在Ag層為400nm的樣品中，如圖3所示，冷風(fēng)加速降溫和自然降溫的情況下，XRD測(cè)試中只出現(xiàn)了In和AgIn2的峰值，說明Ag層為400nm時(shí)，在上述兩種條件下內(nèi)部的In焊料已得到了很好的保護(hù)。但在5℃/min的速率冷卻的情況下，仍然看到了In2O3的峰值。

圖4為Ag層厚度為600nm時(shí)的XRD圖譜，從圖中可以看到，樣品在三種不同冷卻速率下，均沒有出現(xiàn)In2O3，說明此時(shí)Ag層已完全達(dá)到在空氣環(huán)境下焊接而不氧化的效果，但此時(shí)的金屬間化合物AgIn2的厚度也是最厚的。

圖2 200nm Ag層樣品XRD圖譜

圖3 400nm Ag層樣品XRD圖譜

圖4 600nm Ag層樣品XRD圖譜

為進(jìn)一步研究樣品的特性，使用JSM-6700F型掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)樣品進(jìn)行了表面形貌的觀察。圖5～圖7為樣品的SEM圖片，從圖中可以看出覆蓋有Ag的焊料顆粒間隙均很小，從而減少了LD管芯焊接過程中焊料空洞的產(chǎn)生。通過仔細(xì)觀察可以發(fā)現(xiàn)，隨著降溫速率的減小，焊料表面的顆粒逐漸變大。在冷風(fēng)加速冷卻時(shí)所產(chǎn)生的焊料表面顆粒是最細(xì)密的，因?yàn)槔鋮s速率增大，形核率增加，但長大速度變小，這與金相理論相吻合，所以可以得到致密性較好的表面，從而改善了焊料的濕潤特性[1,10]。

冷卻速率過慢，Ag和In有充分的時(shí)間相互擴(kuò)散、形核并生長成較大的晶粒。并且冷卻速率過慢，可使焊料底部In焊料通過液體間的擴(kuò)散而擴(kuò)散到Ag層上面，與氧氣接觸而氧化，這也是圖3氧化物峰值出現(xiàn)的主要因素。

圖5 200nm Ag層樣品SEM圖片

4 總結(jié)

圖6 400nm Ag層樣品SEM圖片

本文通過對(duì)覆蓋不同厚度Ag層的In焊料的研究，得到了覆Ag層In焊料性能的影響。通過以上討論可知：Ag層過薄，對(duì)內(nèi)部In焊料的保護(hù)作用不明顯；而Ag層過厚，在焊接界面形成的金屬間化合物（IMC）過多，IMC層過厚會(huì)增加焊接表面的脆性，從而影響焊接的可靠性，導(dǎo)致器件的使用壽命降低[11,12]。焊料在使用的過程中，冷卻速率也是影響焊接質(zhì)量的關(guān)鍵因素，由SEM圖片可以看出，較快的冷卻速率有利于形成致密且均勻的焊料顆粒，對(duì)提高焊點(diǎn)性能有很大幫助。綜合以上因素并從生產(chǎn)工藝方面考慮，厚度為400nm的Ag層可作為提高In焊料性能的最優(yōu)選擇。

圖7 600nm Ag層樣品SEM圖片

[1] 王輝. 大功率半導(dǎo)體激光器高可靠燒結(jié)技術(shù)研究[J]. 半導(dǎo)體技術(shù)，2007（8）：682-684.

[2] 徐會(huì)武，等. In-Au復(fù)合焊料研究[J].半導(dǎo)體技術(shù)，2009（8）：780-782.

[3] Dong-ming Cheng, et al.Solder with discontinuous melting point in semiconductor laser arrays and stacks[J]. Optics &Laser Technology, 2003,35:61-63.

[4] T Laurila, V Vuorinen, J K Kivilahti. Interfacial reactions between lead-free solders and common base materials[J].Materials Science and Engineering R, 2005,49:1-60.

[5] Lu Guoguang, Huang Yun, En Yunfei. Reliability of Indium Solder Die Bonding of High Power cm-Bars[C]. ICEPTHDP,2010.968-972.

[6] J-C Lin et al..Solid–liquid interdiffusion bonding between In-coated silver thick films[J].Thin Solid Films,2002,410:212-221.

[7] Bernhard Gollas et al..Thin layer in situ XRD of electrodeposited Ag/Sn and Ag/In for lowtemperature isothermal diffusion soldering[J]. Intermetallics,2008,16:962-968.

[8] Chin C Lee, William W So. High temperature silverindium joints manufactured at low temperature[J] .Thin Solid Films, 2000,366:196-201.

[9] Kun-Mo Chu et al..A Fluxless Flip-Chip Bonding for VCSEL Arrays Using Silver-Coated Indium Solder Bumps[J].IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRONICS PACKAGING MANUFACTURING, 2004,27(4):246-253.

[10] 劉建影，孫鵬. 無鉛焊料互連及可靠性[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2008.35-77.

[11] Riko I Made et al.. Effect of Bonding Pressure on the Bond Strengths of Low Temperature Ag-In Bonds[C]. IPFA 2008. 119-123.

[12] YEE-WEN YEN et al..Interfacial Reactions Between Pb-Free Solders and In/Ni/Cu Multi-layer Substrates[J].Journal of ELECTRONIC MATERIALS, 2009,38(1):93-99.