半導體激光器封裝工藝的優化

何聰華

摘? 要：半導體激光器的封裝通常通過外部熱源對半導體激光器及其載板進行加熱，載板上的焊料熔融情況與加熱封裝工藝息息相關，其直接影響了半導體激光器工作的穩定性以及壽命。本文通過Minitab軟件設計4因素3水平的正交試驗，研究了外部熱源鐳射能量、鐳射高度、鐳射的Defocus散焦和Au80wt%/Sn20wt%的AuSn焊料厚度對半導體激光器封裝工藝的影響并對其進行初步優化，且通過小批量樣品驗證了該工藝參數的可行性，為半導體激光器的封裝工藝提供技術參考。

關鍵詞：半導體激光器? 封裝工藝? Minitab? 正交試驗

圖書分類號：TP206? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2021）01（a）-0063-06

Abstract： Semiconductor laser diode packaging is usually heated by external heat source to the semiconductor laser and its carrier plate. The melting of solder on the carrier plate is closely related to the heating and packaging technology， which directly affects the stability and life of the semiconductor laser. Orthogonal test 4 factors and 3 levels is design by software Minitab for the parameters optimization of external laser power， shot height， defocus and Au80wt%/Sn20wt% AuSn thickness. The feasibility of the process parameters is verified by small batch samples， which provides technical reference for the packaging process of semiconductor laser.

Key Words： Semiconductor laser diode; Packaging technology;? Minitab; Orthogonal test

半導體激光器具有體積小、重量輕、波長覆蓋范圍廣、易于商業生產等獨特優勢，已成為了當代光電子領域的核心器件，被廣泛應用于通訊與光儲存、材料加工、激光醫療和激光打標等國防與民用的諸多領域 [1]。半導體器件工作時通常會源源不斷地產生熱量，熱量的積累會引起器件內部溫度的上升，內部結溫過高會導致器件失效甚至損壞[2]。半導體激光器在工作過程中若熱量的產生速度大于散熱的速度，就會引起閾值電流變大、電光轉換效率減小、輸出功率變低及壽命縮短。散熱良好與否已經成為半導體激光器性能穩定的一項非常重要的因素[3]，散熱性能良好與否又與封裝工藝息息相關。

而當前主流的封裝焊料通常采用具有良好的抗熱疲勞性質、較高的熱導率和極佳穩定性的金錫共晶焊接材料[4]。如何通過試驗設計優化半導體激光器的封裝工藝，使金錫能充分融合、減少氣孔，形成可靠的金錫共晶體對半導體激光器的性能和壽命有極其重要的意義。

1? 試驗設計

半導體激光器的封裝過程與傳統的封裝工藝類似，如圖1所示：來自晶圓前道工藝的晶圓（Wafer）通過劃片工序后，被切割為小的晶片（Die），然后將切割好的晶片貼裝到相應的載板（Substrate）[5]。本試驗設計目的在于對半導體激光器封裝工藝進行初步優化。影響其封裝工藝的因素有：鐳射能量、鐳射在載板上照射的高度，如圖2、鐳射Defocus散焦距離和金錫焊料厚度（金錫成分比例為Au80%，Sn20%）。用Minitab軟件設計4因素3水平試驗表L9（34），如表1所示。以半導體激光器與載板之間的剪切力>300gf，以及測試剪切力后用圖像處理軟件對分離面圖像進行二值化，計算熔融面積的百分比>90%作為評判標準，試驗結果如表2所示。

鐳射在載板上照射的高度定義為載板底面為參照水平面，即零位。

2? 數據分析

2.1 田口分析

田口分析如表3所示。根據經驗，為了減少鐳射對半導體激光器的損壞，鐳射能量（kW）宜低不宜高;從成本上考慮，焊料厚度（um）宜薄不宜厚。但從數據分析結果來看，信噪比響應越大越好，均值響應越小越好，標準差響應越小越好。故最佳組合理論上應該是1（3）-1（2）-2-3，其中有個別因子都包含了兩個最優水平，為此，單看信噪比、均值響應和標準差并未能得出最佳組合。

2.2 各因子的交互作用

圖3熔融%交互作用和圖4剪切力（gf）交互作用可以看出各因子的交互作用：鐳射能量（kW），Defocus散焦（um）斜率絕對值都比較大，故其對熔融%，剪切力（gf）的影響起主導作用。鐳射高度（um）和焊料厚度（um）斜率相對小，故對熔融%， 剪切力（gf）的影響相對沒那么明顯。

2.3 標準化效應分析

從圖5熔融%標準化效應的Parato圖、圖6剪切力（gf）的標準化效應的Pareto圖可以看出，鐳射能量（kW），Defocus散焦（um）對熔融%影響顯著，對剪切力（gf）并不那么顯著。

2.4 響應變量優化

利用Minitab的響應變量優化器對各因子進行初次優化組合。由優化結果圖7可見，當鐳射能量0.30kW，鐳射高度180um，Defocus 0.0um，焊料厚度4.0um時，合意性D：0.8337。其中，熔融%的合意性d=0.97747，y=0.9968。當鐳射能量0.30kW，鐳射高度180um，Defocus 0.0um，焊料厚度4.0um時，熔融率>98%，剪切力（gf） >350gf，與試驗目的吻合。

2.5 試驗驗證

采用工藝參數鐳射能量0.30kW，鐳射高度180um，Defocus 0.0um，焊料厚度4.0um，對20個產品進行測試，測試結果如表4所示：驗證結果熔融率和剪切力（gf）都是100%符合試驗設計的理論要求。

3? 結語

通過使用Minitab對半導體激光器的封裝工藝進行初步優化，當鐳射能量0.30kW，鐳射高度180um，Defocus 0.0um，焊料厚度4.0um的時候，可以獲得符合行業要求的金錫共晶熔融率和剪切力（gf）。但對于金錫焊料厚度4.0um這個工藝參數，從成本上考慮，還是有繼續優化的需求。可以通過顯著性分析刪除不顯著項重新建立新的分析模型，經過多次反復建立新模型并進行分析，一般都能得到一個滿意的回歸方程并得到合適的95%置信區間和95%預測區間。此外，還可以通過諸如ANSYS等仿真軟件預測在不同封裝工藝參數下的半導體激光器的熱特性[6]，使整個實驗設計具備可預測性。總之，科學的試驗設計可使工藝開發、工藝改善有章可循，有數據有真相，大大減少了對老員工工作經驗的依賴，提高了企業的生產率和產品質量，降低了人力成本。

參考文獻

[1] 張哲銘.半導體激光器封裝應力研究[D].長春：長春理工大學，2018.

[2] 胡文華，徐成，徐健，等.基于Icepak的小外形封裝結構熱設計和分析[J].電子與封裝，2018（11）：1.

[3] 劉云，晏長嶺，楊靜航，等.不同焊料對微盤腔半導體激光器散熱的影響[J].應用物理，2019，9（2）：87-93.

[4] 史超.半導體封裝工藝中金錫共晶焊料性質和制備方法研究[J].世界有色金屬，2018（2）：216.

[5] 楊宏強，全球半導體封裝載板市場格局研究[J].印制電路信息，2018（7）：6.

[6] 張曉磊.基于ANSYS的半導體激光器熱特性研究[D].長春：長春理工大學，2018.