高功率半导体激光器Au-Sn焊料制备与焊装工艺研究

论文摘要

通常应用In、Pb-Sn合金等软焊料焊装的高功率半导体激光器及其列阵会产生蔓延和电迁移,同时存在抗疲劳性差的缺点,又由于制作工艺、材料性质以及温升和热应力等使得器件易于发生弯曲、翘曲和变形,而严重影响器件的工作性能和寿命。本论文从高功率半导体激光器的热特性和焊装技术两方面展开,以高功率量子阱半导体激光器为研究对象,针对半导体激光器的材料和结构特点,设计并实验解决激光器的焊装工艺和散热。主要内容如下:1、对高功率量子阱半导体激光器外延层朝下焊装的方式进行了热分析,得到其热分布和热阻参数,讨论了结构和工艺条件对激光器热特性的影响。2、设计了用AlN陶瓷作为激光器芯片与铜热沉间过渡匹配的次热沉Au-Sn合金作为焊料的新的焊装结构。利用实验室现有条件,自行配制了Au的电镀液,自行设计制作了电镀装置,研究了酸性镀液电镀均匀平整厚Au层的最佳条件,获得了良好的电镀效果,满足了焊装所需厚Au层的要求。3、利用磁控溅射和电镀结合热蒸发真空镀膜方法,制备了焊装所需多层金属膜,根据实验所获得的优化工艺参数将多层金属膜镀覆到AlN次热沉上;研究了激光器焊装中Au-Sn合金的烧结工艺,优化了烧结的工艺条件。4、利用实验室的半导体激光器综合测试表征系统,对烧结后的高功率量子阱半导体激光器进行了I-V、P-I特性测试,计算了激光器的热阻,确认了我们所开发的烧结工艺的有效性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• §1.1 半导体激光器的发展历史
• §1.2 高功率半导体激光器的优点和应用
• §1.3 高功率半导体激光器的国内外发展现状和趋势
• §1.4 高功率半导体激光器的封装散热技术
• §1.5 本论文主要工作及研究目的
• 第二章 高功率半导体激光器阵列的关键技术问题
• §2.1 量子阱激光器外延结构的优化设计
• §2.2 高功率激光器阵列条的优化设计
• §2.3 腔面镀膜技术
• §2.4 低阻欧姆接触技术
• §2.5 高效散热技术
• §2.6 封装技术
• §2.7 激光器的制作工艺流程
• §2.8 本章小结
• 第三章 半导体激光器的热特性
• §3.1 单管半导体激光器的热特性分析
• §3.2 线阵半导体激光器的热分析
• §3.3 测量激光器温升的实验方法
• §3.4 系统热阻的计算
• §3.5 温度对激光器性能的影响
• §3.6 温度与激光器结构设计、工艺的关系
• §3.7 本章小结
• 第四章 半导体激光器的焊装工艺
• §4.1 芯片焊接方法及机理
• §4.2 失效模式分析
• §4.3 焊接质量的检验
• §4.4 焊接不良原因及相应措施
• §4.5 热沉的分类和选择
• §4.6 焊料的分类和选择
• §4.7 金锡合金焊料的制备
• §4.8 半导体激光器的焊装
• §4.9 本章小结
• 第五章 实验数据分析与讨论
• §5.1 Au的电镀效果及其改进
• §5.2 Sn的蒸镀效果及其改进
• §5.3 Au-Sn合金焊料焊装单管激光器的烧结实验及改进
• §5.4 Au-Sn合金焊料焊装激光器有源区温升和热阻的测定
• §5.5 本章小结
• 第六章 结束语
• §6.1 全文总结
• §6.2 本论文的创新点
• §6.3 下一步工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和申请的专利