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低成本大功率半导体激光器件封装材料

由秦占阳(广东省粤港澳大湾区硬科技创新研究院)投稿

随着大功率半导体激光器件封装技术向多芯片组和表面贴装技术的发展，现有的封装材料已经不能满足日益增长的激光封装基板的需求，需要与SI或GaAs芯片匹配的高导热系数和热膨胀系数的封装基板来避免芯片的热应力损伤。平心而论，目前已经投入使用的陶瓷包装材料有AL2O3、ALN、BeO、SiC等。相比之下，性能更好的金属复合材料可以解决大功率高亮度激光器的封装问题，如CUW、金刚石铜等。开发更好的封装基板材料尤为重要。

目前的封装工艺主要是用焊料片和基板来焊接芯片，容易造成焊料溢出、空洞等问题，导致焊接不良导致激光失效；表面功能薄膜技术解决了芯片与衬底的焊接问题，降低了封装难度，提高了激光器的电光转换效率，从而提高了激光器的成品率和可靠性。

常见的高功率激光器封装中的submount/heat spreader是芯片下面重要的封装材料（图1 高功率半导体激光器器件封装结构）。一般对于submount/heat spreader 来说，典型的尺寸大小为11x2x0.3除却其表面的粗糙度要求一般小于0.05微米，平行度小于5微米。而最难的还是紧挨芯片发光面的棱边R小于1微米，且棱边上不能有任何凸起（图2 金锡膜层铜钨）。众所周知，一般散热材料一般为铜、cuw等软质材料，这个看起来简单的材料不是一般的精密加工技术所能解决，目前中科源升团队对此已有相应的超精密加工方案来解决，但后续还需要提升效率。

图1:大功率半导体激光器件的封装结构

图2:金锡薄膜中的铜和钨

随着电子系统集成度的不断提高，电子封装存在热匹配、热应力、热疲劳、热失效等问题。在这方面，中科盛远的技术团队拥有相应成熟的热管理技术解决方案。由于各种电子材料的热膨胀系数(CTE)不同(图3材料特性参数)，根据数值分析和模拟，可以根据客户的应用定制不同的复合功能薄膜，以满足大功率半导体激光器件的封装要求。

图3:材料特性参数

大功率半导体激光器封装材料的制备有三个核心技术：材料设计、制备技术和表面功能涂层技术。材料设计主要是对包装材料的成分、形状、掺杂浓度、厚度等关键尺寸参数进行综合设计。精细包装材料制备工艺是保证材料特性的关键工艺，从而保证激光性能。工艺中引入的不稳定性、杂质和缺陷是制约大功率器件性能的主要因素。制备技术主要是发展精细的、芯片匹配的热膨胀系数和高热导率的材料加工技术。发展铜钨、钼铜、碳化硅和金刚石铜的加工技术。加工工艺主要包括粗加工、切片、镜面加工等。制备成品率高、缺陷少的大功率器件封装材料。包装材料表面功能涂层技术主要是对包装材料表面金属膜进行综合设计和工艺研究，主要目的是解决激光芯片的焊接腔体和激光的散热问题，实现器件的高电光转换效率。高电光转换效率可以有效减少有源区产生的废热，提高器件在大功率工作时的使用寿命和可靠性。

长期以来，国内大功率半导体器件企业的包装材料都依赖国外进口，导致高 Xi安中科盛远机电科技有限公司自2017年3月成立以来，依托Xi安光精细机械研究所的专业技术和管理团队，致力于大功率半导体激光器件封装材料的研究。目前已开发出数十种不同规格的封装散热材料，得到国内几家大功率半导体激光器件企业的认可。

随着现代电子信息技术的飞速发展，电子产品正朝着小型化、便携化、多功能化的方向发展。电子封装材料和技术使电子器件最终成为功能性产品。已经开发了各种新的包装材料、技术和工艺。电子包装与电子设计和制造一道，正在推动信息社会的发展。在军事、航空航天和高端民用电子器件领域，未来的金属基封装材料将向高性能、低成本、低密度、集成化方向发展，CUW、Sial、SiC、Al合金重量轻、热导率高、CTE匹配前景良好。

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