摘要

为提升激光器封装的可靠性，从机械应力、热应力和电应力等影响激光器使用寿命的因素出发进行深入分析。对共晶焊、金丝键合、静电放电和过电应力损伤等因素导致失效的特征进行详细研究，提出了静电放电防护、共晶焊质量检测、金丝键合质量检测、过电应力防护等工艺的改善和预防措施，为提高激光器封装可靠性提供了一定的参考。

0 引言

随着互联网技术的发展，网络数据流量呈现爆发式增长，对网络基础设施的带宽产生了更大的需求。光模块作为连接各网络节点的核心器件，高速率、小型化、低功耗等技术方向是未来的演进趋势，也将对激光器的封装工艺精度提出更高的要求。

当前，激光器的使用寿命是影响光模块可靠性的关键因素，其共晶焊和打线等封装过程是直接与激光器接触的工序。研究半导体激光器的失效机理，检测失效并提出改善措施是提高半导体激光器可靠性的必经之路。本文通过分析激光器的失效现象，系统分析了电气过应力（EOS：ElectricalOverStress）损伤、打线损伤、共晶不良和静电放电（ESD：ElectrostaticDischarge）损伤等4种常见的封装失效现象，并提出了ESD防护、共晶焊质量检测、金丝键合质量检测和EOS防护等工艺的改善和预防措施。

1 激光器的封装应用

当前光模块激光器的封装形式主要分为晶体管外形、盒子外形和板上芯片3种形式，如图1所示。其中，晶体管外形封装是单路信号传输的气密封装，主要应用于无线和有线接入网络；盒子外形封装适用于单路或多路并行信号传输的气密封装，主要应用于大功率、长距离传输，如城域网、骨干网和数据中心互联等；板上芯片封装属于非气密封装，主要应用于数据中心。

图1　激光器封装形式

2 激光器封装失效的因素

2.1 激光器贴片

2.1.1 激光器贴片工艺

在封装和工作过程中产生的热应力会影响半导体激光器的性能和可靠性，应力主要由热沉和激光器芯片之间的热膨胀系数不匹配引起。通常采用导热率高、热膨胀系低的AlN或Al2O3陶瓷材料作为过渡材料。光芯片焊接工艺分为导电胶粘接和共晶合金焊接。其中，导电胶银浆的粘接工艺主要用于GaAs激光器、GeSi裸线芯片、InP探测器等贴装，常温具备流动性，需要进行高温烘烤才能固化；与导电胶粘接相比，共晶焊接具有散热能力好、接触电阻低、焊接强度和可靠性高的特点，适用于InP激光器与热沉之间的焊接装配。激光器与热沉之间的连接常采用AuSn焊料，这种焊料成分为80%的Au和20%的Sn，当焊接温度从高温下降到278℃时，熔融的焊料会共同从液态变为固态结晶。

2.1.2 共晶焊不良

激光器芯片与过渡热沉焊接不牢，造成芯片与过渡热沉之间开裂，或者芯片和过渡热沉没有完全润湿而产生空洞，这导致激光器出现局部热点效应，严重影响激光器的可靠性和寿命。焊接空洞如图2所示。

图2　焊接空洞

2.2 金丝键合

2.2.1 激光器金丝键合工艺

金丝键合是将25.4μm（1mil）的金丝通过线管和线夹穿入键合机劈刀。首先，通过送线机构预留一定长度的尾部延伸出劈刀顶部，并利用键合机的电子高压打火产生电火花，融化金线尾端，融化后的金丝在表面张力作用下形成球形。其次，锁定好芯片焊点后，在适当的压力和超声波功率作用下将金球键合在激光器芯片的焊盘上，完成第一焊点的键合。再次，劈刀拉弧线后移动到第二焊点焊盘位置，通过球焊劈刀对金线施加压力完成第二焊点的键合。最后，扯断金线返回到初始位置。金丝键合过程如图3所示。

图3　金丝键合过程

2.2.2 金丝键合不良

在热超声金丝键合过程中，不恰当的作用力容易对芯片焊盘下面的半导体材料层造成破坏。如超声波能量过高、劈刀压力过大、焊球过小使劈刀外壁直接作用于芯片焊盘等情况，均可造成电极下方材料破碎问题，如图4所示。

图4　材料破碎

2.3 静电放电/过电应力损伤现象

当某物体的表面产生电荷聚集时，一旦该物体与其他物体接触，由于两者间的电位差，就会产生电荷的转移现象，即为ESD。ESD的过程通常有高电位、强电场和瞬时大电流的特点，容易对半导体器件造成不可逆的损伤，并且这种损伤通常也很难被发现和判别，还存在一定的潜伏期和随机性。

EOS损伤是指所有的过度电性应力。当外界电流或电压超过器件的最大规范条件时，器件性能会减弱甚至损坏。通常造成芯片损伤的主要过程有晶体管外形封装老化过程、光器件耦合过程和光模块的热插拔过程等。

当ESD和EOS对芯片损伤严重时，可通过扫描电子显微镜（SEM：ScanningElectronMicro-cope）扫描外观看出膜层劈裂或电极损毁等问题。大部分损坏芯片从外观检测无法发现异常，外观正常（SEM分析，如图5所示）。然而，只有对芯片有源层切片才能发现内部的损毁异常，通过透射显微镜观察到有源层烧毁（如图6所示）。

图5　外观正常（SEM分析）

图6　有源层烧毁

3 封装工艺改善和实施

3.1 防静电环境

ESD是自然界不可避免的现象，预防ESD应从防止电荷积聚和让电荷快速放电两方面着手。ESD防护伴随着整个电子产品的生产工艺过程，特别是激光器的ESD防护等级电压只有300~500V，需要从人员、机器、包装材料和环境等各个方面消除静电。静电防护环境如图7所示。

图7　静电防护环境

除了工作环境的防护外，通常还需要对产品的静电敏感型器件进行电气隔离处理，更好地防止用户使用过程中产生静电损伤。发射器件剖面图如图8所示，整个器件外壳都是由金属外壳构成，通常光纤接头的插芯与后端管芯套之间的连接处会加入陶瓷绝缘以实现电气隔离。

图8　发射器件剖面图

3.2 共晶贴片工艺

芯片来料检验需确认芯片衬底的金属镀层的粗糙度，正常镀层如图9a所示，而不良镀层如图9b所示。根据试验设计验证结果，金属镀层粗糙的芯片焊料附着力小，无法通过调整焊接温度和时间进行优化，贴片后容易产生剪切力不良。

a　正常镀层

b　异常镀层

图9　衬底金属镀层

不同厂商芯片共晶焊条件很可能不同，需要根据芯片的实际情况制定相应规范。同时，每一个批次的芯片也会存在差异，需要进行首件DOE验证评估，全部合格后才可开线。焊接前先把选取的25PCS芯片样品放在加热台上预热到310℃。当要焊接芯片时，将加热台温度上升到370℃时，金锡焊料将熔融。根据不同的熔融时间分成4s、5s、6s、7s、8s等5个组，焊接完成后再对每组5PCS样品分别进行推力试验测试（注：此为破坏性试验，不可重复进行）。试验规格要求推力大于0.98N为合格，结果显示芯片在370℃条件下熔融

时间持续7s后的焊接效果最好，不同焊接时间的推力值结果如表1所示。

焊接时间过长或不足，都会引起焊料的浸润性变差，使焊接后的芯片和热沉之间焊料存在孔隙、不均匀或不上锡等问题，导致芯片推理的剪切力不良，焊料残留情况对比示意图如图10所示。

图10　破坏性剪切力试验

3.3 金丝键合工艺

金丝键合工艺参数，需要根据设备特性进行优化设置，打线参数为：时间60~80ms，压力0.16~0.22N，超声能量60~80mW。键合力设置不当容易造成金线断裂（如图11a~11c所示）、焊接不牢固（如图11d~11e所示）甚至焊盘脱落（如图11f所示）等问题。

图11　打线不良情况

对于每款芯片均需开展首件试验设计验证评估，全部合格后才允许生产。金丝焊接质量要求为：金丝拉力>0.03N@线径25μm；金球推力>0.2N@球径63.5μm。首件验证打线拉力和推力测试结果如表2所示，结果表明，5只样品合格。

3.4 缓启动保护

禁止对非热插拔的器件进行带电插拔的操作。激光器老化过程中，上电过程的驱动电流采用毫秒级延时缓慢增加到目标电流，断电时同样采用毫秒级延时缓慢减小到0。通过这种方式能有效避免EOS损伤，消除上电或断电过程中的瞬时大电流或大电压。电流输出波形如图12所示。

图12　电流输出波形

3.5 加速老化筛选

电子产品的老化过程是对早期容易失效的产品进行筛查的有效手段，通过高温大电流加速过程，让产品快速进入稳定期工作，生产商出货前可把早期可能失效的不良品筛选出来。特别注意的是不同厂商芯片设计差异会导致其老化参数（温度、电流、时间等）存在显著差异，表3所示为5家厂商老化参数对照。

4 结束语

半导体激光器作为核心发射器，其晶圆级封装工艺复杂且后端封装要求严苛。生产过程中的工艺缺陷易导致芯片损伤，而此类缺陷难以有效检测与筛选，从而会显著增加产品可靠性风险。本文从芯片封装过程中机械应力（如压力、振动、撞击等）、热应力（温度）、电应力（如电压、电流、功率等）等方面着手，详细分析了共晶焊的热应力、金丝键合的机械应力、ESD和EOS的电应力等风险，并提出相应的优化和识别措施，并引入加速老化的筛选机制。从根本上解决了激光器生产制备过程中隐藏的风险，进一步提高了激光器封装工艺的可靠性。

转自：功率半导体技术实验室

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