准连续半导体激光叠阵金锡焊料自动化封装关键技术研究

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随着半导体激光器的不断发展与进步,大功率半导体激光器在工业加工、信息处理及国防尖端技术领域中的应用越来越向高层次和高精密方向发展。其中,准连续半导体激光叠阵具有结构紧凑、焊接强度高、峰值功率高、寿命长等优点,尤其是以热传导为主的散热冷却方式,在准连续工作模式下,产生的废热少,无腐蚀沉积,工作环境温度范围大,特别受到航空航天及国防军事等重要领域的青睐,是近些年国内外大功率半导体激光器发展的重要方向。  但是,目前国内外对准连续半导体激光叠阵的封装研究基本上局限于传统的人工手工集成,特制夹具制作,整体一次回流成型。这种方法不仅耗费人力而且效率低,由于对准精度难以掌控,焊接质量差,整体组装成品率低,其方法局限了叠阵封装的自动化、精准化,并制约了叠阵的光电性能和寿命特征。如今迈进工业自动化3.0时代,针对以上不足,提出利用全自动微米级腔面对准焊接设备,采用光学方法对准腔面和热沉,实现半导体激光叠阵的自动化高精准封装。  机械自动化高精准封装技术可以弥补传统封装缺陷,但不可避免涉及到阵列逐步校准,需要多次回流焊接。所以在多次回流焊接中,选择适当的半导体激光器焊接材料并研究其在多次回流焊接作用下的微观演变及对激光器影响的问题是实现自动化高精准封装的关键因素。  本论文从准连续半导体激光器叠阵的自动化高精准封装关键技术出发,选择金锡合金材料进行微观及宏观上的实验研究。首先,本文论述了金属间化合物以及金属间扩散的理论基础,从微观状态下原子的扩散迁移中分析了金属元素的扩散类型和扩散机制。  其次,使用光学显微镜、扫描电镜(SEM)及能谱测试仪(EDS)研究了多次回流焊中AuSn合金焊层的微观演变机制,并对AuSn合金焊料中的物相变化及柯肯达尔空洞的形成与演变过程进行了合理的测量和解释。分析了AuSn合金焊料中物相变化及柯肯达尔空洞对半导体激光器封装的不利因素,总结了Au/Sn金属原子扩散不平衡带来的焊接质量影响,为AuSn材料的焊接可靠性及激光器的封装技术提供了理论依据。  最后,通过对多次回流焊中的每个回流阶段进行芯片Smile测试、出光功率测试及波长温漂测试,在宏观上表征了多次回流焊的叠阵封装技术中金锡特性变化对器件封装应力、光电特性、散热性能的影响。为实际应用中提高半导体激光叠阵的光电特性和寿命特征奠定基础,为准连续半导体激光叠阵的自动化高精准封装提供关键技术支撑,具有非常重要的理论价值和现实意义。
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