應用于大功率激光器單管和Bar條芯片封裝的貼片解決方案

  原文發(fā)表于Laser Focus World 2020第二期2月18號，此版本與原文略有不同

      1. Introduction 前言

  高功率激光二極管(HPLD)是當今增長最快的激光器類型之一，主要是因為隨著光纖激光器已逐漸成為材料加工應用的首選工具，用于光纖激光的泵浦光源需求不斷增長。 HPLD還廣泛地應用于醫(yī)療領(lǐng)域，例如光動力療法，激光美容和外科手術(shù)，以及包括涂覆，3D打印，切割和焊接在內(nèi)的直接半導體激光器材料加工。 HPLD的另一個應用領(lǐng)域是國防工業(yè)，其增長由定向能量武器驅(qū)動。 HPLD提供的波長范圍是400nm至2000nm，光輸出功率范圍為1W至300 + W是任何其他激光器所無法比擬的， [1]，其在最小的體積內(nèi)具有最高的電光(EO)轉(zhuǎn)換效率(高達65%)。由于這些獨特的性能，HPLD可以適應其迅速增長的各種應用。根據(jù)分析師Nilushi Wijeyasinghe博士“2019-2029年激光二極管和直接二極管激光器：技術(shù)，市場&預測''的報告顯示，到2029年，激光二極管和直接二極管激光器的全球市場規(guī)模將達到139.85億美元，其中激光二極管占119.52億美元，直接二極管激光器占20.33億美元。

  2. 關(guān)鍵工藝的挑戰(zhàn)

  貼片工藝是HPLD制造中最關(guān)鍵的封裝步驟。 在此過程中，采用金-錫共晶貼片工藝將單管或Bar條芯片連接到散熱基板。 芯片和散熱基板之間的接合通常是使用共晶貼片技術(shù)的金錫(AuSn)焊料。 HPLD芯片可以是單管激光芯片，也可以是多管的bar條激光芯片。 貼片工藝對于HPLD產(chǎn)品的光學效率和現(xiàn)場可靠性至關(guān)重要。 下面重點介紹此關(guān)鍵過程的一些挑戰(zhàn)：

  高精度：

  HPLD在單管或bar條芯片的發(fā)光面與散熱器基板邊緣之間具有高精度的位置要求。 通常，貼片后結(jié)果從發(fā)光面到基板邊緣應該沒有凹陷，并且發(fā)光面的突出部分應小于5-10μm。 為此，貼片機的貼片精度通常應<±2.5μm。 而激光管芯和襯底的邊緣也可能具有<1μm的公差。 因此，機器的精度必須<±1.5μm。

  共晶質(zhì)量：

  除了位置精度外，回流工藝中的溫度曲線對于HPLD貼片工藝也非常關(guān)鍵。 在共晶過程中，需要特別注意在芯片和散熱基板之間實現(xiàn)細微，均勻且無空洞的共晶界面，以便有效且均勻地散熱。 這就要求貼片機對整個貼片區(qū)域具有精確而均勻的共晶回流溫度控制。HPLD貼片過程需要具有快速升溫/降溫的可編程均勻共晶加熱臺，并且共晶期間的溫度必須保持穩(wěn)定。 加熱階段還必須具有保護氣體覆蓋，以防止共晶表面氧化，從而獲得良好的鋟潤性，并在冷卻時形成無空洞的界面。

  共面性&無空洞：

  隨著HPLD芯片功率的增加，單管芯片變得更長，某些芯片尺寸長寬比也變得越來越大，例如長寬比>10。Bar條類的HPLD是極具挑戰(zhàn)性的，因為它的結(jié)合表面積大，放大了鍵合后的特性缺陷，如空洞率%和Bar條傾斜角度。。 HPLD單管或bar條芯片與散熱基板之間的準確共面性也非常關(guān)鍵，因為它會影響空洞率和引起應力。 因此，缺乏準確共面性會影響HPLD產(chǎn)品的性能和可靠性。 如果沒有良好的共面性控制，由于共晶后在bar條中形成的殘余應力，bar條可能會發(fā)生翹曲，通常被稱為“微笑”曲線[3]。 長芯片可能會產(chǎn)生散熱不均的情況，從而沿單管芯片長度方向產(chǎn)生熱應力。 在共晶回流期間，各種尺寸的單管芯片或激光bar芯片需要不同的貼合力和精確的受力控制。

  高混合&快速生產(chǎn)

  當前，HPLD行業(yè)處于快速發(fā)展過渡狀態(tài)，由于缺乏標準化，生產(chǎn)廠家必須應對需求增長和復雜多樣的產(chǎn)品封裝形勢。 由不同供應商設計的工業(yè)HPLD-單管芯片到基板(CoS)，和Bar條到基板(BoS)有很多變化。 HPLD封裝設計具有更多的封裝形式以適合不同的應用。因此，高混合生產(chǎn)是HPLD制造的又一重大挑戰(zhàn)。

  3. 貼片方案

  為了應對HPLD應用中的這些貼片工藝的挑戰(zhàn)，生產(chǎn)商需要一種超高精度，高速，高度靈活的全自動貼片機。 機器要求包括精度<±1.5μm，可編程力控制，共晶階段的摩擦運動(在受控力的作用下沿X，Y，Z的微小運動)等特性。 因此，貼片機供應商試圖提供更好的設備來滿足這些要求。 在這里，MRSI-H-LD 1.5μm全自動貼片機提供了很好的解決方案。

  1.5 μm High-speed Die Bonder 1.5μm高速貼片機

  MRSI設計的針對HPLD貼片工藝應用的MRSI-H-LD 1.5μm全自動貼片機， 機器精度在3Sigma下為±1.5μm。 因為有一些并行過程可以縮短機器的循環(huán)時間，CoS的 UPH通常大于150(取決于應用程序)。

  脈沖加熱臺

  MRSI-H-LD提供了獨特的脈沖加熱快速升降溫共晶臺，該加熱臺有90-95%的氮-氫混合氣體作為保護氣，可用于防止結(jié)合表面的氧化。采用化合共晶材料使貼片過程的溫度最低化，該典型溫度通常約為315℃。 加熱臺可編程至最高400°C，共晶面板上溫度均勻。MRSI-H-LD設計的是持久而穩(wěn)定的加熱臺。

  閉環(huán)受力控制和可編程摩擦共晶

  MRSI-H-LD貼片機提供的是具有實時閉環(huán)力反饋和具有可調(diào)節(jié)功能的可編程焊頭，可實現(xiàn)對III-V族半導體器件的精細化處理，按器件類型對貼合力進行編程，這意味著每個大尺寸高功率激光芯片可以通過其獨有的編程和控制力來吸取和放置。

  MRSI-H-LD貼片機還提供特殊設計的自平衡調(diào)節(jié)吸頭工具，該工具可保持良好均勻的粘結(jié)力，并且排出空氣，減少空洞。該應用在整個芯片表面上施加均勻的粘結(jié)力，從而產(chǎn)生具有高芯片剪切強度的無空洞共晶貼片。這是實現(xiàn)準確共面的絕佳技術(shù)。

  MRSI-H-LD貼片機獨有的摩擦共晶解決方案，可以實現(xiàn)粘接面無空洞，解決共面難題。摩擦共晶是在將芯片放置到基板上的過程中同時對其施加垂直和橫向力的運動?？删幊痰哪Σ凉簿Х桨妇哂幸粋€應用程序庫用于客戶化定制XYZ和θ的運動參數(shù)，可根據(jù)不同的芯片和基板條件完美地共面。在任何條件下都可以實現(xiàn)完美的無空洞的共晶工藝。

  在一臺機器上靈活無切換的完成單管及Bar條芯片的貼片

  MRSI-H-LD貼片機具有獨一無二的獨特功能，可在運動中更換吸頭，以處理不同形狀和尺寸的部件，而無需進行設備更換或停機。該系統(tǒng)提供行業(yè)領(lǐng)先的產(chǎn)出量和出色的靈活性，能夠在一臺機器上完成單管芯片對基板的CoS，Bar條對基板的BoS， C-mount封裝，以及其他種類HPLD的封裝。

  4.實驗和性能結(jié)果

  以下介紹使用MRSI-H-LD貼片機的實驗和結(jié)果。以玻璃芯片檢查機器的精密性能。試驗完成了芯片對基板CoS，Bar條對基板BoS， C-mount封裝的貼片工藝。并測量了芯片鍵合關(guān)鍵位置精度結(jié)果，以及測試了空洞率的%結(jié)果和HPLD bar條芯片的平面度輪廓。

  A. 機器精度

  該實驗介紹了驗證設備精度的典型方法。玻璃芯片實驗結(jié)果是基于15個數(shù)據(jù)點的樣本量。 X和Y方向上的貼放重復性分別為<1 μm和0.5 μm(@3σ)。

  Figure 1: X和Y玻璃芯片貼放數(shù)據(jù)

  B. Chip-on-Submount (CoS)

  MRSI-H-LD貼片機還具有芯片倒裝功能，并且可以完成腔面朝上和腔面朝下的工藝。 本節(jié)介紹了腔面朝上的CoS貼片方法，以下是典型的工藝要求。 在圖2中，CoS尺寸從A(激光光發(fā)射面)到C(AuSn層表面邊緣)是激光芯片懸伸，這對于HPLD貼片非常關(guān)鍵。 10個CoS貼片結(jié)果顯示，共晶貼片后精度為<±3 μm @3σ，無凹陷，突出量<4 μm。

Figure 2:  圖中顯示了關(guān)鍵的貼片尺寸

  除了幾何位置分析之外，我們還對樣品進行了超聲掃描顯微鏡(SAM)測試，以檢測焊接界面中的空洞百分比。圖3描繪了對單管激光芯片(4mm x500μmx120μm)AuSn共晶貼片到AlN基板在Sonoscan D-9000系列C-SAM機器上拍攝的圖像。

  CoS空洞率測試的Sonoscan結(jié)果

  左圖是經(jīng)過處理的圖像，右圖是使用Sonoscan D-9000 C-SAM機器測量的原始圖像，該表顯示了空洞率百分比的結(jié)果。 如表中所示，貼片后的空洞率超過了MIL-STD 883K方法2030.2規(guī)范，并且還通過了更嚴格的HPLD空洞率指標。

  貼片封裝的可重復性，準確性和空洞率是HPLD芯片貼片的關(guān)鍵性能指標，在這些性能滿足的基礎(chǔ)上，還必須實現(xiàn)快速交付。 在此示例中，采用了典型的共晶貼片工藝溫度曲線，總循環(huán)時間在23秒或> 150UPH的范圍內(nèi)。

  C. 單管芯片到 C-Mount的封裝

  本節(jié)概述了在將單管LD芯片粘合到由CuW制成的 C-mount封裝上獲得的結(jié)果。 在這個實驗中，將尺寸為2mm x500μmx0.12μm的LD單管芯片貼裝到尺寸為6.35mm x 2.18mm x 6.86mm(L xW x H)帶有預沉積的AuSn焊料的 C-mount上。 從9個單管芯片貼片到C-mount上的結(jié)果表明，在3σ時芯片懸垂<4.3μm。貼片后測量關(guān)鍵的參數(shù)均在規(guī)格范圍內(nèi)。

  除了貼片的精度，我們也使用SAM和Sonoscan D-9000系列測量工具測量了焊接界面中的空洞百分比。 圖4顯示了從機器拍攝的圖像。 左邊是經(jīng)過處理的圖像，右邊是原始圖像，下表是空洞百分比的測量。

  C-mount空洞測試的Sonoscan結(jié)果

  空洞百分比的結(jié)果總結(jié)體現(xiàn)在表4中。貼片后空洞百分比超過了MIL-STD 883K方法2030.2規(guī)范，達到了更嚴格的HPLD指標。

  D. Laser Bar on Submount 激光Bar條到基板的封裝

  本節(jié)概述了使用MRSI-H-LD全自動貼片機進行HPLD bar條封裝結(jié)果。用預沉積的AuSn焊料將HPLD bar條樣品貼裝在CuW基座上。HPLD bar條尺寸為10mm x 2mm x130μm(L xW x H)，CuW底座尺寸為10.6mm x 4.0mm x 0.25mm(L xW x H)。

  MRSI-H-LD設計了一種自平衡的吸頭，通過在整個貼片表面上施加均勻的壓力來降“低微”笑曲線效果，從而保持了激光芯片與基板的準確共面。圖5顯示了已封裝的激光bar條的平面度輪廓。在發(fā)出激光出射的前端面邊緣處，平坦度在130μm±1μm的范圍內(nèi)，機械“微笑”曲線在<2μm范圍內(nèi)，這對于AuSn共晶貼片是可接受的。低微笑曲線可提供更高的光束質(zhì)量，因此是所有高功率應用的關(guān)鍵指標[4]。

  Figure 5: 用VR5000 3D表面輪廓儀測量的HPLD bar條的平坦度輪廓(由Keyence提供)

  在LD bar的整個長度上的線性偏移或偏邪是一個重要的參數(shù)指標，因為LD bar 的聚焦光束大小將因該偏移而變化[4]。 通常，laser bar的邊緣到邊緣的線性偏移應小于5μm。 根據(jù)實驗結(jié)果，線性偏移測量值為3.8μm(3σ)，完全在規(guī)定范圍內(nèi)。

  5.  總結(jié)

  實驗結(jié)果表明，MRSI-H-LD貼片機為解決HPLD的所有管芯貼片工藝難題提供了一個很好的解決方案。機器玻璃芯片精度為<1 μm @ 3 sigma，優(yōu)于規(guī)格的1.5 μm @ 3 sigma，COS和 C-mount貼片的懸伸分別小于4和4.3 μm，而且Bar條的線性偏移為3.8 μm (優(yōu)于<5 μm規(guī)格)。空洞率%結(jié)果表明，MRSI-H-LD貼片機可以實現(xiàn)無空洞的共晶工藝。 CoS，COC，BoS的所有封裝都可以在一臺機器上完成。 典型的單管激光芯片到基板(CoS)的UPH> 150。 MRSI-H-LD貼片機獨特的功能組合為大批量和高混合HPLD封裝生產(chǎn)提供了完美的貼片解決方案。

  參考文獻：

  1. Victor Rossin, et. al, “Chapter 5: Laser Diode Basics and Single-emitter performance”, High-Power Laser Handbook, Injeyan, Goodno -McGraw Hill, 2011.

  2. Hans-Georg Treusch, Rajiv Pandey, “Chapter 6: High-Power Diode Laser Arrays”, High-Power Laser Handbook, Injeyan, Goodno -McGraw Hill, 2011.

  3. Xingsheng Liu, et. al, “Chapter 4: Thermal Stress in High Power Semiconductor Lasers” Packaging of High Power Semiconductor Lasers, Springer Science, 2015

  4. Peter Loosen, Alexander Knitsch “Chapter 4: Incoherent Beam Superposition and Stacking” High Power Diode Lasers: Technology and Applications,– Springer Science Series, 2007