功率芯片高导热导电胶接技术研究

金锡焊料(20Sn/80Au)具有较高的导热率,常用于功率器件的焊接。但金锡焊料的焊接温度高,在焊接过程中常会导致砷化镓(GaAs)功率芯片损坏,因此文中选用了一种新型的高导热导电胶代替金锡焊料,将功率芯片粘接在热沉上,并进行相关工艺研究。与金锡焊料相比,高导热导电胶具有相同的散热能力,但生产操作温度可由300℃下降至200℃。文中还研究了高导热导电胶固化参数与胶透率的关系,以及环境试验对芯片剪切力的影响。结果表明,高导热导电胶可以代替金锡焊料,满足功率芯片的散热和连接可靠性要求。     

大功率微波芯片共晶焊接工艺技术

文中采用自动化手段研究了大功率微波芯片共晶焊接技术,分别对影响微波芯片焊接焊透率的预置焊料、温度曲线、氮气保护气氛、摩擦次数等影响因素开展了研究。通过在MoCu 热沉上预置焊料,采用优化的共晶焊接温度曲线,施加一定流量的氮气保护,采用合适的共晶焊接摩擦次数,最终获得了具有良好焊透率的大功率微波芯片共晶焊接模块。焊接位置精度能够控制在(25±5) μm 范围内。文中还完成了焊后大功率微波芯片模块的热循环试验,进行了微波芯片的剪切力测试。试验结果显示共晶焊接焊点剪切力满足GJB 548B—2005 的要求,表明采用优化的工艺参数获得的大功率微波芯片共晶焊接模块具有很高的可靠性。     

高功率半导体激光器列阵封装引入应变的测量

考虑高功率半导体激光器列阵在封装过程中引入的封装应变会影响激光器的功率、波长和可靠性,对激光器封装应变的测量进行了研究。基于激光器输出光的偏振度变化可反映激光器有源区中量子阱的带隙变化,采用电致发光谱法推导了高功率半导体激光器输出的偏振度值与有源区应变值的关系。对800nmGaAsP/GaInP高功率半导体激光器列阵有源区的应变进行了测量,测量结果与有限元模拟计算结果吻合较好。与理论计算出的有源区固有应变的对比结果显示,激光器芯片在封装过程中受到铜热沉的压缩,会将封装应变引入到有源区中,并且激光器中间的封装应变大于边缘的封装应变。另外,激光器有源区的应变起伏比较明显,认为这是由于采用电镀方法制备的铟焊接层中存在缺陷。测量得到的最大封装应变为1.370×10-3,缺陷密度为40.8%。得到的结果表明,激光器偏振度的测量能够正确反映激光器的缺陷和封装应变值,进而可以有效衡量激光器封装质量的好坏。     

光纤激光器泵浦源有限元热分析

泵浦源是光纤激光器的重要部件。半导体激光器（LD）是光纤激光器最常用的泵浦源,温度对其工作的影响非常大。文中采用有限元法（FEM）分析了连续工作和间断工作两种模式下,作为泵浦源的半导体激光器的热特性。试验测试数据与软件仿真结果具有高度的一致性,整体趋势吻合,最大误差不超过5%,验证了仿真模型的正确性和可行性。在此基础上分析了4种工况下泵浦源的温度场和芯片温度变化特性,并进行了散热结构改进的初步研究,发现改变AIN基板和铜热沉的厚度可在一定程度上降低芯片的结温。     

金刚石/铝在微波功率组件中的应用研究

针对大功率微波组件中功率芯片对金刚石/铝等新型热管理材料的应用需求,文中开展了金刚石/铝表面可焊性镀层制备、功率芯片自动金锡共晶焊等工艺研究,制备了散热测试件,测试对比了在工作条件下以金刚石/铝和钼铜为热沉的功率芯片模块的实际散热效果。结果表明：在金刚石/铝表面上制备的Ni/Au 镀层均匀致密,附着力好,焊料在其表面铺展良好,芯片焊透率> 90%;在相同条件下,与钼铜相比,金刚石/铝上的芯片表面最高温度平均降低了6.3 ℃,具有更加优异的散热效果。     

大功率激光二极管列阵的硅基微通道热沉研制

为了提高大功率激光二极管列阵的散热效率以便提高其寿命和波长稳定性,研制了一种封装集成度较高的屋脊式硅基微通道热沉.将田口稳健设计方法用于微通道热沉的优化设计,利用正交试验和信噪比分析实现了参数的稳健优化.以(110)单晶硅作为基片,采用KOH各向异性刻蚀和硅-玻璃-硅三层阳极键合方法制作出了通道宽度约为50 μm的微通道热沉,通道壁面粗糙度优于0.1 μm.采用激光二极管芯片对样品进行了封装和测试,利用砷化镓激光波长的温度漂移系数估算出了中间激光二极管的有源区温升,从而计算出了热沉的热阻.测试结果表明,该微通道热沉的单位面积热阻约为0.070 cm2·K/W,与有限元分析结果基本一致.     

铜钨异种金属焊接工艺研究

采用真空钎焊方法探讨了铜钨异种金属的焊接工艺，通过EDS、SEM等分析检测方法对焊缝进行了微观检测。结果表明，焊接温度为850℃、保温时间为10 min，配合使用焊接夹具及含有银、铜的焊缝填充材料，通过调整焊接温度、保温时间、加热冷却速率、真空度、焊接压力和焊缝厚度等焊接参数，可以实现对铜钨金属的有效焊接。EDS、SEM等检测方法表明，在焊缝厚度为100μm时，焊接效果最佳。     

68.5 W连续输出1 060 nm波段半导体激光列阵模块

利用InGaAs/InGaAsP应变量子阱外延层材料制作出高功率半导体激光列阵模块。激光芯片宽1 cm,腔长1200 μm,条宽200 μm,填充密度为50%,前后腔面光学膜分别为单层Al₂O₃和Al₂O₃/5(HfO₂/SiO₂)/HfO₂,室温连续输出功率达到68.5 W,器件光谱中心波长为1 059 nm,光谱宽度(FWHM)为9 nm。     

用于大功率激光二极管列阵的硅基微通道热沉研制

将田口稳健设计方法用于面向大功率激光二极管列阵的硅基屋脊式微通道热沉的优化设计,利用正交试验和信噪比分析实现了参数的稳健优化。采用激光二极管条对样品进行了封装和测试。利用砷化镓激光波长的温度漂移系数估算出了中间的激光二极管条的有源区温升。测试结果表明,该微通道热沉的单位面积热阻约为0.070 K•cm2/W,与有限元分析结果基本一致。     

用电镀铜锡合金薄膜实现圆片级气密封装

开发了一种基于电镀铜锡合金薄膜的绝压气压传感器圆片级气密封装技术以降低常规的基于阳极键合气密封装技术的成本及难度。通过实验确定了铜锡合金薄膜的电镀参数,实现了结构参数为:Cr/Cu/Sn(30nm/4μm/4μm)的铜锡合金薄膜;通过共晶键合实验确定圆片级气密封装的参数,进行了基于铜锡材料的气密封装温度实验。通过比较各种不同温度下气密封装的结果,确定了完成圆片级气密封装的条件为:静态压力0.02 MPa,加热温度280°,保持20min。最后,对气密封装效果进行X-射线衍射谱(XRD)、X射线分析、剪切力以及氦气泄露分析等实验研究。XRD分析显示:在键合界面出现了Cu3Sn相,证明形成了很好的键合;X射线分析表明封装面无明显孔洞;剪切力分析给出平均键合强度为9.32 MPa,氦气泄露分析则显示泄露很小。得到的结果表明:基于电镀铜锡合金薄膜可以很好地实现绝压气压传感器的圆片级气密封装。     

热超声倒装键合振动传递与键合强度形成研究

采用多普勒激光振动测量系统，获得了热超声倒装键合过程中工具末端及芯片的振动速度曲线。通过比较分析两条曲线，揭示了热超声倒装键合强度的生成过程：在键合初始阶段，键合界面的相对运动主要发生在芯片金凸点与基板焊盘表面之间，并使其接触表面氧化层和污染层被破坏，裸露出新鲜原子，为金凸点与焊盘间的原子扩散并最终形成键合强度提供条件；随着键合的进行，芯片振动速度开始下降，而工具末端振动速度继续增大（即出现速度分离现象），工具末端和芯片间产生明显相对运动，表明键合强度已产生，芯片金凸点／基板焊盘间的结合力超过工具末端／芯片间的摩擦力；速度分离后芯片与工具末端的振动速度和位移曲线表明了超声振动能量部分耗散在芯片／工具的摩擦上。     

腔外旋转泵浦的Nd∶YAG固体激光器研究

固体激光器的热管理仍然是高功率激光系统发展的一个持续挑战。在激光系统中增益介质和泵浦光之间引入相对运动是一种高效的热管理方案。针对静止泵浦,旋转增益介质泵浦以及泵浦光旋转泵浦3种泵浦方式,借助有限元数值模拟方法分析了Nd∶YAG晶体的温度分布。泵浦光以800 r/min旋转时,在35 W泵浦功率下,使用标准的热沉冷却技术,晶体的最高温度达到约36 ℃,仅增加约16 ℃,这远低于静止泵浦时的142 ℃。实验设计并演示了一种腔外旋转泵浦的Nd∶YAG激光器,得到了12.2 W的1064 nm连续输出,斜率效率为37.2%,这大于静止时的35.1%,实验结果与理论结果相符合。研究表明,腔外旋转泵浦的固体激光器拥有高效的热管理。     

超声波键合能量引导微结构PMMA基片的制作

为了用超声波键合的方法实现微流控芯片的封装,采用选择性键合方式在聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)基片的微沟道两侧设计、制作了能量引导微结构,用热压法在同一PMMA基片上一次成形了凸起的能量引导微结构和凹陷的微沟道。用套刻和湿法腐蚀的方法制作了复合一体化硅模具。通过正交实验,确定了优化后的热压工艺参数。实验结果表明,由于同时存在凹、凸微结构,因此优化后的热压成形温度比传统的热压凹陷结构的成形温度提高15~20 ℃,在温度为140 ℃、保压时间为300 s、压力为1.65 MPa的实验条件下,微结构的复制精度达到了99％。     

压敏电阻的热应力分析及结构优化

为解决SOI压阻式压力传感器敏感芯片上电阻条因热应力堆积导致的断裂问题，通过在电阻条上容易堆积应力的弯折处建立平滑倒角的方式来降低热应力堆积，提高电阻条的热稳定性。利用多物理场耦合分析软件对有无倒角的2种结构进行仿真分析，仿真结果表明：在常压450℃条件下，倒角的存在使得电阻条弯折处的应力比无倒角的结构降低了50%。在300℃测试环境下无倒角电阻发生断裂，而有倒角电阻在300℃测试以及之后的温度测试中结构完好，电压输出正常，表明倒角的设计有助于提高敏感芯片的耐温性，从而提高传感器的热稳定性。