为晋升激光器封装的靠得住性，从机械应力、热应力及电应力等影响激光器利用寿命的因素出发举行深切阐发。对于共晶焊、金丝键合、静电放电及过电应力毁伤等因素致使掉效的特性举行具体研究，提出了静电放电防护、共晶焊质量检测、金丝键合质量检测、过电应力防护等工艺的改善及预防办法，为提高激光器封装靠得住性提供了必然的参考。

0 弁言

跟着互联网技能的成长，收集数据流量出现发作式增加，对于收集基础举措措施的带宽孕育发生了更年夜的需求。光模块作为毗连各收集节点的焦点器件，高速度、小型化、低功耗等技能标的目的是将来的演进趋向，也将对于激光器的封装工艺精度提出更高的要求。

当前，激光器的利用寿命是影响光模块靠得住性的要害因素，其共晶焊及打线等封装历程是直接与激光器接触的工序。研究半导体激光器的掉效机理，检测掉效并提出改善办法是提高半导体激光器靠得住性的必经之路。本文经由过程阐发激光器的掉效征象，体系阐发了电气过应力（EOS：ElectricalOverStress）毁伤、打线毁伤、共晶不良及静电放电（ESD：ElectrostaticDischarge）毁伤等4种常见的封装掉效征象，并提出了ESD防护、共晶焊质量检测、金丝键合质量检测及EOS防护等工艺的改善及预防办法。

1 激光器的封装运用

当前光模块激光器的封装情势重要分为晶体管形状、盒子形状及板上芯片3种情势，如图1所示。此中，晶体管形状封装是单路旌旗灯号传输的气密封装，重要运用在无线及有线接入收集；盒子形状封装合用在单路或者多路并行旌旗灯号传输的气密封装，重要运用在年夜功率、长间隔传输，如城域网、主干网及数据中央互联等；板上芯片封装属在非气密封装，重要运用在数据中央。

图1 激光器封装情势

2 激光器封装掉效的因素

2.1 激光器贴片

2.1.1 激光器贴片工艺

于封装及事情历程中孕育发生的热应力会影响半导体激光器的机能及靠得住性，应力重要由热沉及激光器芯片之间的热膨胀系数不匹配引起。凡是采用导热率高、热膨胀系低的AlN或者Al2O3陶瓷质料作为过渡质料。光芯片焊接工艺分为导电胶粘接及共晶合金焊接。此中，导电胶银浆的粘接工艺重要用在GaAs激光器、GeSi裸线芯片、InP探测器等贴装，常温具有流动性，需要举行高温烘烤才能固化；与导电胶粘接比拟，共晶焊接具备散热能力好、接触电阻低、焊接强度及靠得住性高的特色，合用在InP激光器与热沉之间的焊接装置。激光器与热沉之间的毗连常采用AuSn焊料，这类焊料身分为80%的Au及20%的Sn，当焊接温度从高温降落到278℃时，熔融的焊料会配合从液态变为固态结晶。

2.1.2 共晶焊不良

激光器芯片与过渡热沉焊接不牢，造成芯片与过渡热沉之间开裂，或者者芯片及过渡热淹没有彻底润湿而孕育发生浮泛，这致使激光器呈现局部热门效应，严峻影响激光器的靠得住性及寿命。焊接浮泛如图2所示。

图2 焊接浮泛

2.2 金丝键合

2.2.1 激光器金丝键合工艺

金丝键合是将25.4 m（1mil）的金丝经由过程线管及线夹穿入键合机劈刀。起首，经由过程送线机构预留必然长度的尾部延长出劈刀顶部，并使用键合机的电子高压打火孕育发生电火花，熔化金线尾端，熔化后的金丝于外貌张力作用下形成球形。其次，锁定好芯片焊点后，于适量的压力及超声波功率作用下将金球键合于激光器芯片的焊盘上，完成第一焊点的键合。再次，劈刀拉弧线后挪动到第二焊点焊盘位置，经由过程球焊劈刀对于金线施加压力完成第二焊点的键合。末了，扯断金线返回到初始位置。金丝键合历程如图3所示。

图3 金丝键合历程

2.2.2 金丝键合不良

于热超声金丝键合历程中，不得当的作使劲轻易对于芯片焊盘下面的半导体质料层造成粉碎。如超声波能量太高、劈刀压力过年夜、焊球太小使劈刀外壁直接作用在芯片焊盘等环境，都可造成电极下方质料破碎问题，如图4所示。

图4 质料破碎

2.3 静电放电/过电应力毁伤征象

当某物体的外貌孕育发生电荷堆积时，一旦该物体与其他物体接触，因为二者间的电位差，就会孕育发生电荷的转移征象，即为ESD。ESD的历程凡是有高电位、强电场及瞬时年夜电流的特色，轻易对于半导体器件造成不成逆的毁伤，而且这类毁伤凡是也很难被发明及判别，还有存于必然的暗藏期及随机性。

EOS毁伤是指所有的过分电性应力。当外界电流或者电压跨越器件的最年夜规范前提时，器件机能会削弱甚至毁坏。凡是造成芯片毁伤的重要历程有晶体管形状封装老化历程、光器件耦合历程及光模块的热插拔历程等。

当ESD及EOS对于芯片毁伤严峻时，可经由过程扫描电子显微镜（SEM：ScanningElectronMicro-cope）扫描外不雅看出膜层劈裂或者电极损毁等问题。年夜部门毁坏芯片从外不雅检测没法发明异样，外不雅正常（SEM阐发，如图5所示）。然而，只有对于芯片有源层切片才能发明内部的损毁异样，经由过程透射显微镜不雅察到有源层废弃（如图6所示）。

图5 外不雅正常（SEM阐发）

图6 有源层废弃

3 封装工艺改善及实行

3.1 防静电情况

ESD是天然界不成防止的征象，预防ESD应从避免电荷储蓄积累及让电荷快速放电两方面着手。ESD防护陪同着整个电子产物的出产工艺历程，尤其是激光器的ESD防护等级电压只有300~500V，需要从职员、呆板、包装质料及情况等方方面面消弭静电。静电防护情况如图7所示。

图7 静电防护情况

除了了事情情况的防护外，凡是还有需要对于产物的静电敏感型器件举行电气断绝处置惩罚，更好地避免用户利用历程中孕育发生静电毁伤。发射器件剖面图如图8所示，整个器件外壳都是由金属外壳组成，凡是光纤接头的插芯与后端管芯套之间的毗连处会插手陶瓷绝缘以实现电气断绝。

图8 发射器件剖面图

3.2 共晶贴片工艺

芯片来料查验需确认芯片衬底的金属镀层的粗拙度，正常镀层如图9a所示，而不良镀层如图9b所示。按照实验设计验证成果，金属镀层粗拙的芯片焊料附出力小，没法经由过程调解焊接温度及时间举行优化，贴片后轻易孕育发生剪切力不良。

a 正常镀层

b 异样镀层

图9 衬底金属镀层

差别厂商芯片共晶焊前提极可能差别，需要按照芯片的现实环境制订响应规范。同时，每个批次的芯片也会存于差异，需要举行首件DOE验证评估，全数及格后才可开线。焊接前先把拔取的25PCS芯片样品放于加热台上预热到310℃。当要焊接芯片时，将加热台温度上升到370℃时，金锡焊料将熔融。按照差别的熔融时间分成4s、5s、6s、7s、8s等5个组，焊接完成后再对于每一组5PCS样品别离举行推力实验测试（注：此为粉碎性实验，不成反复举行）。实验规格要求推力年夜在0.98N为及格，成果显示芯片于370℃前提下熔融

时间连续7s后的焊接效果最佳，差别焊接时间的推力值成果如表1所示。

焊接时间太长或者不足，城市引起焊料的浸润性变差，使焊接后的芯片及热沉之间焊料存于孔隙、不匀称或者不上锡等问题，致使芯片推理的剪切力不良，焊料残留环境对于比示用意如图10所示。

图10 粉碎性剪切力实验

3.3 金丝键合工艺

金丝键合工艺参数，需要按照装备特征举行优化设置，打线参数为：时间60~80ms，压力0.16~0.22N，超声能量60~80mW。键协力设置不妥轻易造成金线断裂（如图11a~11c所示）、焊接不安稳（如图11d~11e所示）甚至焊盘脱落（如图11f所示）等问题。

图11 打线不良环境

对于在每一款芯片均需开展首件实验设计验证评估，全数及格后才答应出产。金丝焊接质量要求为：金丝拉力 0.03N@线径25 m；金球推力 0.2N@球径63.5 m。首件验证打线拉力及推力测试成果如表2所示，成果注解，5只样品及格。

3.4 缓启动掩护

禁止对于非热插拔的器件举行带电插拔的操作。激光器老化历程中，上电历程的驱动电流采用毫秒级延时迟缓增长到方针电流，断电时一样采用毫秒级延时迟缓减小到0。经由过程这类方式能有用防止EOS毁伤，消弭上电或者断电历程中的瞬时年夜电流或者年夜电压。电流输出波形如图12所示。

图12 电流输出波形

3.5 加快老化筛选

电子产物的老化历程是对于初期轻易掉效的产物举行筛查的有用手腕，经由过程高温年夜电流加快历程，让产物快速进入不变期事情，出产商出货前可把初期可能掉效的不良品筛选出来。尤其留意的是差别厂商芯片设计差异会致使其老化参数（温度、电流、时间等）存于显著差异，表3所示为5家厂商老化参数比照。

4 竣事语

半导体激光器作为焦点发射器，其晶圆级封装工艺繁杂且后端封装要求严苛。出产历程中的工艺缺陷易致使芯片毁伤，而此类缺陷难以有用检测与筛选，从而会显著增长产物靠得住性危害。本文从芯片封装历程中机械应力（如压力、振动、撞击等）、热应力（温度）、电应力（如电压、电流、功率等）等方面着手，具体阐发了共晶焊的热应力、金丝键合的机械应力、ESD及EOS的电应力等危害，并提出响应的优化及辨认办法，并引入加快老化的筛选机制。从底子上解决了激光器出产制备历程中隐蔽的危害，进一步提高了激光器封装工艺的靠得住性。

转自：功率半导体技能试验室

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