金锡焊料在大功率半导体激光器中的应用

金锡焊料在大功率半导体激光器中的应用

大功率半导体激光器具有体积小，质量小，结构简单，亮度高，寿命长等优点，已广泛应用于在汽车、电子、机械、航空、钢铁等行业中。具体而言，大功率半导体激光器的应用主要分为以下4个的方面：1）作为其它激光器的泵浦源；2）激光加工；3）医疗与美容；4）军事装备。

（大功率激光器应用行业图片）

大功率半导体激光器的电光转换效率通常在50~70%，意味着在工作中接近一半的能量将以热能的形式耗散，这对激光器的散热能力提出了挑战。如果不能及时排出废热，激光器的出光效率将随之下降，进而导致输出光功率减小。在大功率半导体激光器封装工艺中，芯片的烧结质量激光器的散热能力影响很大，常用的焊料品种主要为铟焊料（In/In97Ag3）和金锡焊料（Au80Sn20），两者的物理性质如下：

Au80Sn20焊料的热膨胀系数与芯片（GaAs 6.5×10^-6/℃）更相近，而铟焊料则由于其质软的特性可以缓冲芯片烧结时的应力。但是在可靠性及寿命上，采用Au80Sn20焊料烧结的芯片显示出显著的优越性。两种焊料封装的激光器在老化过程中的功率变化如下图^[1]所示。可以看到，Au80Sn20焊料封装的激光器功率较为稳定，而铟焊料封装器件多数失效。

激光器在高温长时间工作时，铟焊料内部将出现空洞导致封装热阻提高，进而劣化激光器散热性能引起功率下降。此外在这一过程中，铟焊料还存在“爬铟”现象，沿芯片侧面攀爬、迁移的焊料可能会导致漏电或器件性能退化。作为对比，Au80Sn20焊料则不会有类似失效模式。

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参考文献

[1] 房玉锁,李成燕,牛江丽,王媛媛,任永学,安振峰.焊料体系对高功率半导体激光器性能的影响[J].世界有色金属,2017(03):142-144.