高功率二极管激光器Au80Sn20焊料制备及焊接工艺研究

摘要

焊料是高功率二极管激光器焊接时用来填充连接处间隙使芯片与热沉牢固结合的填充材料。焊料的可焊性、熔点、强度及杨氏模量、热膨胀系数、热疲劳、蠕变性能等均可影响焊料连接的质量，所以选择合适的焊料是获得可靠封装和连接的关键之一，Au80Sn20合金焊料是一种广泛应用于光电子封装和高可靠性军用电子器件焊接的贵金属焊料，Au80Sn20合金焊料本身强度高，抗氧化性能好，抗热疲劳和蠕变性能优良，熔点低，流动性好，这些优点使得其成为高功率二极管激光器封装的最佳焊料之一。
　　本文从高功率DL的封装技术和热特性两方面展开，针对高功率DL的材料和结构特点，设计并实验解决了Au80Sn20合金焊料的制备与焊接工艺。主要研究内容如下:
　　(1)介绍了高功率DL封装的关键技术，分析了单元二极管激光器的封装结构，确定了用Cu10W90作为DL芯片与铜热沉间热膨胀匹配的过渡次热沉，Au80Sn20合金作为焊料的封装结构，研究了高功率DL的热特性。
　　(2)从基本理论出发结合现有的实验条件，采用磁控溅射单靶和双靶分层溅射的方法制备了Au80Sn20合金焊料，重点分析了两种工艺的技术路线以及对工艺参数的确定，研究了Au80Sn20合金氧化动力学，改进了焊料制备工艺。最后进行了实验及分析，通过实验数据可以得出，无论是Au80Sn20合金靶还是Au靶和Sn靶进行双靶分层溅射镀膜都可以制备Au80Sn20合金焊料，其制备的Au80Sn20合金焊料表面均匀无明显缺陷，结构致密;成分与理论成分接近;熔点与理论熔点接近。
　　(3)完善Au80Sn20合金焊料磁控溅射工艺，通过磁控溅射制备的Au80Sn20合金焊料焊接标准的高功率二极管激光器巴条，研究了不同因素对焊接质量的影响，优化焊接工艺，确定焊接曲线，并对焊接的DL芯片的焊接质量进行了测试。通过实验数据得出，无论是Au80Sn20合金靶还是Au靶和Sn靶进行双靶分层溅射镀膜都可以焊接二极管激光器，其焊接强度大，空洞小。
　　(4)采用进口沉积和我们制备的Au80Sn20合金焊料焊接连续100W标准的DL巴条，并测试其焊接后的参数，从实验结果可以看出无论是进口沉积还是我们制备的Au80Sn20合金焊料焊接DL芯片其发光功率，转换效率，热阻，中心波长，“Smile”效应值，寿命都很接近。说明单靶和双靶两种工艺都可以实现高功率二极管激光器的封装要求。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 高功率DL的应用现状

1．2 高功率DL的国内外发展现状和趋势

1．2．1 国内发展现状

1．2．2 国外发展现状

1．2．3 发展趋势

1．3 课题背景、目的和意义

1．4 本论文主要研究工作

第二章 高功率DL封装的关键技术

2．1 引言

2．2 单元DL激光器封装技术

2．2．1 焊料的选择

2．2．2 焊接技术的选择

2．2．3 热沉的选择

2．2．4 冷却技术的选择

2．3 二极管激光器的热特性

2．4 本章小结

第三章 Au80Sn20合金焊料制备工艺研究

3．1 引言

3．2 Au80Sn20焊料制备方法

3．3 薄膜制备技术

3．3．1 磁控溅射技术

3．4 双靶镀膜工艺探索

3．4．1 工作气体压力的选择

3．4．2 溅射电流(电压)的选择

3．5 单靶镀膜工艺探索

3．5．1 溅射电流(电压)的选择

3．5．2 工作气体压力的选择

3．5．3 合金溅射率

3．6 实验

3．6．1 磁控溅射法制备Au80Sn20合金焊料

3．6．2 Au80Sn20合金的氧化动力学

3．6．3 物理性能测试方法

3．7 实验结果与分析

3．7．1 厚度与粗糙度测试结果

3．7．2 表面形貌与成分测试结果

3．7．3 熔化温度测试结果

3．8 本章小结

第四章 高功率DL焊接实验研究

4．1 引言

4．2 高功率DL的焊接实验

4．2．1 超声波检测

4．2．2 剪切力测量

4．3 实验结果与分析

4．3．1 光电特性

4．3．2 热特性

4．3．3 光谱特性

4．3．4 应力特性

4．3．5 寿命实验

4．4 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 全文总结

5．2 主要技术创新点

5．3 工作展望

致谢

参考文献

A．攻读硕士学位期间发表的学术论文

B．攻读硕士学位期间参加的学术活动