應(yīng)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(hào)，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(dāng)今增長最快的激光器類型之一，主要是因?yàn)殡S著光纖激光器已逐漸成為材料加工應(yīng)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(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域，例如光動(dòng)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(dǎo)體激光器材料加工。 HPLD的另一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域是國防工業(yè)，其增長由定向能量武器驅(qū)動(dòng)。 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(dá)65%)。由于這些獨(dú)特的性能，HPLD可以適應(yīng)其迅速增長的各種應(yīng)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(chǎng)&預(yù)測(cè)''的報(bào)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(chǎng)規(guī)模將達(dá)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(duì)于HPLD產(chǎn)品的光學(xué)效率和現(xiàn)場(chǎng)可靠性至關(guān)重要。 下面重點(diǎn)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(yīng)該沒有凹陷，并且發(fā)光面的突出部分應(yīng)小于5-10μm。 為此，貼片機(jī)的貼片精度通常應(yīng)<±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(jī)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(duì)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(shí)現(xiàn)細(xì)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(jī)對(duì)整個(gè)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(tái)，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(hù)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(shí)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?yàn)樗慕Y(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(zhǔn)確共面性也非常關(guān)鍵，因?yàn)樗鼤?huì)影響空洞率和引起應(yīng)力。 因此，缺乏準(zhǔn)確共面性會(huì)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(yīng)力，bar條可能會(huì)發(fā)生翹曲，通常被稱為“微笑”曲線[3]。 長芯片可能會(huì)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(yīng)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(dāng)前，HPLD行業(yè)處于快速發(fā)展過渡狀態(tài)，由于缺乏標(biāo)準(zhǔn)化，生產(chǎn)廠家必須應(yīng)對(duì)需求增長和復(fù)雜多樣的產(chǎn)品封裝形勢(shì)。 由不同供應(yīng)商設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)具有更多的封裝形式以適合不同的應(yīng)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(yīng)對(duì)HPLD應(yīng)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(dòng)貼片機(jī)。 機(jī)器要求包括精度<±1.5μm，可編程力控制，共晶階段的摩擦運(yùn)動(dòng)(在受控力的作用下沿X，Y，Z的微小運(yùn)動(dòng))等特性。 因此，貼片機(jī)供應(yīng)商試圖提供更好的設(shè)備來滿足這些要求。 在這里，MRSI-H-LD 1.5μm全自動(dòng)貼片機(jī)提供了很好的解決方案。

  1.5 μm High-speed Die Bonder 1.5μm高速貼片機(jī)

  MRSI設(shè)計(jì)的針對(duì)HPLD貼片工藝應(yīng)用的MRSI-H-LD 1.5μm全自動(dòng)貼片機(jī)， 機(jī)器精度在3Sigma下為±1.5μm。 因?yàn)橛幸恍┎⑿羞^程可以縮短機(jī)器的循環(huán)時(shí)間，CoS的 UPH通常大于150(取決于應(yīng)用程序)。

  脈沖加熱臺(tái)

  MRSI-H-LD提供了獨(dú)特的脈沖加熱快速升降溫共晶臺(tái)，該加熱臺(tái)有90-95%的氮-氫混合氣體作為保護(hù)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(tái)可編程至最高400°C，共晶面板上溫度均勻。MRSI-H-LD設(shè)計(jì)的是持久而穩(wěn)定的加熱臺(tái)。

  閉環(huán)受力控制和可編程摩擦共晶

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

  MRSI-H-LD貼片機(jī)還提供特殊設(shè)計(jì)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(yīng)用在整個(gè)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(qiáng)度的無空洞共晶貼片。這是實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確共面的絕佳技術(shù)。

  MRSI-H-LD貼片機(jī)獨(dú)有的摩擦共晶解決方案，可以實(shí)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(shí)對(duì)其施加垂直和橫向力的運(yùn)動(dòng)?？删幊痰哪Σ凉簿Х桨妇哂幸粋€(gè)應(yīng)用程序庫用于客戶化定制XYZ和θ的運(yùn)動(dòng)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(shí)現(xiàn)完美的無空洞的共晶工藝。

  在一臺(tái)機(jī)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(jī)具有獨(dú)一無二的獨(dú)特功能，可在運(yùn)動(dòng)中更換吸頭，以處理不同形狀和尺寸的部件，而無需進(jìn)行設(shè)備更換或停機(jī)。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(tái)機(jī)器上完成單管芯片對(duì)基板的CoS，Bar條對(duì)基板的BoS， C-mount封裝，以及其他種類HPLD的封裝。

  4.實(shí)驗(yàn)和性能結(jié)果

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

  A. 機(jī)器精度

  該實(shí)驗(yàn)介紹了驗(yàn)證設(shè)備精度的典型方法。玻璃芯片實(shí)驗(yàn)結(jié)果是基于15個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的樣本量。 X和Y方向上的貼放重復(fù)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(jī)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(duì)于HPLD貼片非常關(guān)鍵。 10個(gè)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(duì)樣品進(jìn)行了超聲掃描顯微鏡(SAM)測(cè)試，以檢測(cè)焊接界面中的空洞百分比。圖3描繪了對(duì)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(jī)器上拍攝的圖像。

  CoS空洞率測(cè)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(jī)器測(cè)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(yán)格的HPLD空洞率指標(biāo)。

  貼片封裝的可重復(fù)性，準(zhǔn)確性和空洞率是HPLD芯片貼片的關(guān)鍵性能指標(biāo)，在這些性能滿足的基礎(chǔ)上，還必須實(shí)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(shí)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(gè)實(shí)驗(yàn)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(yù)沉積的AuSn焊料的 C-mount上。 從9個(gè)單管芯片貼片到C-mount上的結(jié)果表明，在3σ時(shí)芯片懸垂<4.3μm。貼片后測(cè)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(cè)量工具測(cè)量了焊接界面中的空洞百分比。 圖4顯示了從機(jī)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(cè)量。

  C-mount空洞測(cè)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(dá)到了更嚴(yán)格的HPLD指標(biāo)。

  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(dòng)貼片機(jī)進(jìn)行HPLD bar條封裝結(jié)果。用預(yù)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(shè)計(jì)了一種自平衡的吸頭，通過在整個(gè)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(zhǔn)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(jī)械“微笑”曲線在<2μm范圍內(nèi)，這對(duì)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(yīng)用的關(guān)鍵指標(biāo)[4]。

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

  在LD bar的整個(gè)長度上的線性偏移或偏邪是一個(gè)重要的參數(shù)指標(biāo)，因?yàn)長D 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(yīng)小于5μm。 根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，線性偏移測(cè)量值為3.8μm(3σ)，完全在規(guī)定范圍內(nèi)。

  5.  總結(jié)

  實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，MRSI-H-LD貼片機(jī)為解決HPLD的所有管芯貼片工藝難題提供了一個(gè)很好的解決方案。機(jī)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(jī)可以實(shí)現(xiàn)無空洞的共晶工藝。 CoS，COC，BoS的所有封裝都可以在一臺(tái)機(jī)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(jī)獨(dú)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(xiàn)：

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  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