原文發表於(yu) Laser Focus World 2020第二期2月18號，此版本與(yu) 原文略有不同

  作者：MRSI Systems 周利民 limin.zhou@mycronic.com; www.mrsisystems.com.

      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(wei) 隨著光纖激光器已逐漸成為(wei) 材料加工應用的首選工具，用於(yu) 光纖激光的泵浦光源需求不斷增長。 HPLD還廣泛地應用於(yu) 醫療領域，例如光動力療法，激光美容和外科手術，以及包括塗覆，3D打印，切割和焊接在內(nei) 的直接半導體(ti) 激光器材料加工。 HPLD的另一個(ge) 應用領域是國防工業(ye) ，其增長由定向能量武器驅動。 HPLD提供的波長範圍是400nm至2000nm，光輸出功率範圍為(wei) 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(ti) 積內(nei) 具有最高的電光(EO)轉換效率(高達65%)。由於(yu) 這些獨特的性能，HPLD可以適應其迅速增長的各種應用。根據分析師Nilushi Wijeyasinghe博士“2019-2029年激光二極管和直接二極管激光器：技術，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模將達到139.85億(yi) 美元，其中激光二極管占119.52億(yi) 美元，直接二極管激光器占20.33億(yi) 美元。

  2. 關(guan) 鍵工藝的挑戰

  貼片工藝是HPLD製造中最關(guan) 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。 貼片工藝對於(yu) HPLD產(chan) 品的光學效率和現場可靠性至關(guan) 重要。 下麵重點介紹此關(guan) 鍵過程的一些挑戰：

  高精度：

  HPLD在單管或bar條芯片的發光麵與(yu) 散熱器基板邊緣之間具有高精度的位置要求。 通常，貼片後結果從(cong) 發光麵到基板邊緣應該沒有凹陷，並且發光麵的突出部分應小於(yu) 5-10μm。 為(wei) 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。

  共晶質量：

  除了位置精度外，回流工藝中的溫度曲線對於(yu) HPLD貼片工藝也非常關(guan) 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細微，均勻且無空洞的共晶界麵，以便有效且均勻地散熱。 這就要求貼片機對整個(ge) 貼片區域具有精確而均勻的共晶回流溫度控製。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台，並且共晶期間的溫度必須保持穩定。 加熱階段還必須具有保護氣體(ti) 覆蓋，以防止共晶表麵氧化，從(cong) 而獲得良好的鋟潤性，並在冷卻時形成無空洞的界麵。

  共麵性&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是極具挑戰性的，因為(wei) 它的結合表麵積大，放大了鍵合後的特性缺陷，如空洞率%和Bar條傾(qing) 斜角度。。 HPLD單管或bar條芯片與(yu) 散熱基板之間的準確共麵性也非常關(guan) 鍵，因為(wei) 它會(hui) 影響空洞率和引起應力。 因此，缺乏準確共麵性會(hui) 影響HPLD產(chan) 品的性能和可靠性。 如果沒有良好的共麵性控製，由於(yu) 共晶後在bar條中形成的殘餘(yu) 應力，bar條可能會(hui) 發生翹曲，通常被稱為(wei) “微笑”曲線[3]。 長芯片可能會(hui) 產(chan) 生散熱不均的情況，從(cong) 而沿單管芯片長度方向產(chan) 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製。

  高混合&快速生產(chan)

  當前，HPLD行業(ye) 處於(yu) 快速發展過渡狀態，由於(yu) 缺乏標準化，生產(chan) 廠家必須應對需求增長和複雜多樣的產(chan) 品封裝形勢。 由不同供應商設計的工業(ye) 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(chan) 是HPLD製造的又一重大挑戰。

  3. 貼片方案

  為(wei) 了應對HPLD應用中的這些貼片工藝的挑戰，生產(chan) 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，可編程力控製，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。 在這裏，MRSI-H-LD 1.5μm全自動貼片機提供了很好的解決(jue) 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(wei) ±1.5μm。 因為(wei) 有一些並行過程可以縮短機器的循環時間，CoS的 UPH通常大於(yu) 150(取決(jue) 於(yu) 應用程序)。

  脈衝(chong) 加熱台

  MRSI-H-LD提供了獨特的脈衝(chong) 加熱快速升降溫共晶台，該加熱台有90-95%的氮-氫混合氣體(ti) 作為(wei) 保護氣，可用於(yu) 防止結合表麵的氧化。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(wei) 315℃。 加熱台可編程至最高400°C，共晶麵板上溫度均勻。MRSI-H-LD設計的是持久而穩定的加熱台。

  閉環受力控製和可編程摩擦共晶

  MRSI-H-LD貼片機提供的是具有實時閉環力反饋和具有可調節功能的可編程焊頭，可實現對III-V族半導體(ti) 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(ge) 大尺寸高功率激光芯片可以通過其獨有的編程和控製力來吸取和放置。

  MRSI-H-LD貼片機還提供特殊設計的自平衡調節吸頭工具，該工具可保持良好均勻的粘結力，並且排出空氣，減少空洞。該應用在整個(ge) 芯片表麵上施加均勻的粘結力，從(cong) 而產(chan) 生具有高芯片剪切強度的無空洞共晶貼片。這是實現準確共麵的絕佳技術。

  MRSI-H-LD貼片機獨有的摩擦共晶解決(jue) 方案，可以實現粘接麵無空洞，解決(jue) 共麵難題。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。可編程的摩擦共晶方案具有一個(ge) 應用程序庫用於(yu) 客戶化定製XYZ和θ的運動參數，可根據不同的芯片和基板條件完美地共麵。在任何條件下都可以實現完美的無空洞的共晶工藝。

  在一台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。該係統提供行業(ye) 領先的產(chan) 出量和出色的靈活性，能夠在一台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.實驗和性能結果

  以下介紹使用MRSI-H-LD貼片機的實驗和結果。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。並測量了芯片鍵合關(guan) 鍵位置精度結果，以及測試了空洞率的%結果和HPLD bar條芯片的平麵度輪廓。

  A. 機器精度

  該實驗介紹了驗證設備精度的典型方法。玻璃芯片實驗結果是基於(yu) 15個(ge) 數據點的樣本量。 X和Y方向上的貼放重複性分別為(wei) <1 μm和0.5 μm(@3σ)。

  Figure 1: X和Y玻璃芯片貼放數據

  B. Chip-on-Submount (CoS)

  MRSI-H-LD貼片機還具有芯片倒裝功能，並且可以完成腔麵朝上和腔麵朝下的工藝。 本節介紹了腔麵朝上的CoS貼片方法，以下是典型的工藝要求。 在圖2中，CoS尺寸從(cong) A(激光光發射麵)到C(AuSn層表麵邊緣)是激光芯片懸伸，這對於(yu) HPLD貼片非常關(guan) 鍵。 10個(ge) CoS貼片結果顯示，共晶貼片後精度為(wei) <±3 μm @3σ，無凹陷，突出量<4 μm。

Figure 2:  圖中顯示了關(guan) 鍵的貼片尺寸

  除了幾何位置分析之外，我們(men) 還對樣品進行了超聲掃描顯微鏡(SAM)測試，以檢測焊接界麵中的空洞百分比。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係列C-SAM機器上拍攝的圖像。

  CoS空洞率測試的Sonoscan結果

  左圖是經過處理的圖像，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果。 如表中所示，貼片後的空洞率超過了MIL-STD 883K方法2030.2規範，並且還通過了更嚴(yan) 格的HPLD空洞率指標。

  貼片封裝的可重複性，準確性和空洞率是HPLD芯片貼片的關(guan) 鍵性能指標，在這些性能滿足的基礎上，還必須實現快速交付。 在此示例中，采用了典型的共晶貼片工藝溫度曲線，總循環時間在23秒或> 150UPH的範圍內(nei) 。

  C. 單管芯片到 C-Mount的封裝

  本節概述了在將單管LD芯片粘合到由CuW製成的 C-mount封裝上獲得的結果。 在這個(ge) 實驗中，將尺寸為(wei) 2mm x500μmx0.12μm的LD單管芯片貼裝到尺寸為(wei) 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(cong) 9個(ge) 單管芯片貼片到C-mount上的結果表明，在3σ時芯片懸垂<4.3μm。貼片後測量關(guan) 鍵的參數均在規格範圍內(nei) 。

  除了貼片的精度，我們(men) 也使用SAM和Sonoscan D-9000係列測量工具測量了焊接界麵中的空洞百分比。 圖4顯示了從(cong) 機器拍攝的圖像。 左邊是經過處理的圖像，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結果

  空洞百分比的結果總結體(ti) 現在表4中。貼片後空洞百分比超過了MIL-STD 883K方法2030.2規範，達到了更嚴(yan) 格的HPLD指標。

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

  本節概述了使用MRSI-H-LD全自動貼片機進行HPLD bar條封裝結果。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(wei) 10mm x 2mm x130μm(L xW x H)，CuW底座尺寸為(wei) 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(ge) 貼片表麵上施加均勻的壓力來降“低微”笑曲線效果，從(cong) 而保持了激光芯片與(yu) 基板的準確共麵。圖5顯示了已封裝的激光bar條的平麵度輪廓。在發出激光出射的前端麵邊緣處，平坦度在130μm±1μm的範圍內(nei) ，機械“微笑”曲線在<2μm範圍內(nei) ，這對於(yu) AuSn共晶貼片是可接受的。低微笑曲線可提供更高的光束質量，因此是所有高功率應用的關(guan) 鍵指標[4]。

  Figure 5: 用VR5000 3D表麵輪廓儀(yi) 測量的HPLD bar條的平坦度輪廓(由Keyence提供)

  在LD bar的整個(ge) 長度上的線性偏移或偏邪是一個(ge) 重要的參數指標，因為(wei) 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於(yu) 5μm。 根據實驗結果，線性偏移測量值為(wei) 3.8μm(3σ)，完全在規定範圍內(nei) 。

  5.  總結

  實驗結果表明，MRSI-H-LD貼片機為(wei) 解決(jue) HPLD的所有管芯貼片工藝難題提供了一個(ge) 很好的解決(jue) 方案。機器玻璃芯片精度為(wei) <1 μm @ 3 sigma，優(you) 於(yu) 規格的1.5 μm @ 3 sigma，COS和 C-mount貼片的懸伸分別小於(yu) 4和4.3 μm，而且Bar條的線性偏移為(wei) 3.8 μm (優(you) 於(yu) <5 μm規格)。空洞率%結果表明，MRSI-H-LD貼片機可以實現無空洞的共晶工藝。 CoS，COC，BoS的所有封裝都可以在一台機器上完成。 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(wei) 大批量和高混合HPLD封裝生產(chan) 提供了完美的貼片解決(jue) 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