半导体激光器金锡封装合金动态演变及失效机理研究

Profile of Au80/Sn20 solder alloy mounting surface directly decides the effective heat transfer between laser diode and the heat sink, thus affects stability, reliability and service lifetime of diode laser. Conventionally, the laser diode needs to be disassembled before the mounting surface can be examined, thus optical mirror damage. This project employs ultrasonic scanning microscopy to detect fractures inside Au80/Sn20 solder alloy mounting without damaging the laser diode. So, dynamic changing process of fractures like voids and flaws can be studied, as such fractures grow through time and thermal shock. The mechanism of catastrophic optical mirror damage of emitter surface caused by fractures in Au80/Sn20 solder alloy mounting is revealed. Physics model is built to study failure mechanism of Au80/Sn20 solder alloy caused by thermal shock. Based on the physics model, stability, reliability and service lifetime can be predicted. The implementation of this project provides important reference for optimization of key process parameters of Au80/Sn20 solder alloy sealing and improvement of sealing quality.

金锡合金封装界面形貌直接决定半导体激光器芯片与热沉的有效散热接触，进而影响器件的稳定性、可靠性和寿命。传统封装界面检测对器件采用物理破坏的方式，检测过程对器件造成了永久性损伤。本项目提出采用超声波扫描显微成像法，在不损伤器件的前提下检测、采集金锡合金内部封装形貌，进而研究金锡合金中空洞、微裂纹等缺陷随热循环、时效等因素演变的动力学过程，揭示金锡合金缺陷引起器件局部应力聚集的机理。建立金锡封装合金缺陷诱发界面应力集中与半导体激光器芯片失效之间的内在规律关系，从而对半导体激光器的稳定性、可靠性和寿命进行表征。项目实施可以优化金锡合金封装的关键工艺参数，并为改善半导体激光器芯片封装质量提供重要实验与理论支撑。

金锡合金焊料脆性较高，杨氏弹性模量较大，具有一系列不同于铟等软焊料的特质。研究金锡合金封装界面的失效机制，是提高激光二极管的稳定性、可靠性和寿命的必要手段之一，具有巨大的应用价值。目前，研究热点主要集中在制备高质量、低氧化的金锡合金预成型片和在热沉上镀制金锡合金膜层；对于金锡合金失效机理较少进行深入系统研究。因此，迫切需要开展半导体激光器金锡封装合金动态演变及失效机理研究。传统封装界面检测对器件采用物理破坏的方式，检测过程对器件造成了永久性损伤，对器件的失效老化分析突然终止，不利于对失效模型的进一步验证分析。本项目提出采用超声波扫描显微成像法，在不损伤器件的前提下检测、采集金锡合金内部封装形貌，进而研究金锡合金中空洞、微裂纹等缺陷随热循环、时效等因素演变的动力学过程，揭示金锡合金缺陷引起器件局部应力聚集的机理。建立金锡封装合金缺陷诱发界面应力集中与半导体激光器芯片失效之间的内在规律关系，从而对半导体激光器的稳定性、可靠性和寿命进行表征。项目实施可以优化金锡合金封装的关键工艺参数，并为改善半导体激光器芯片封装质量提供重要实验与理论支撑。