半導(dǎo)體激光陣列LDA芯片作為大功率半導(dǎo)體激光器的核心部件，其封裝質(zhì)量直接決定了半導(dǎo)體激光器的可靠性。本文采用Flexfilm探針式臺(tái)階儀結(jié)合探針掃描法測量 Smile 效應(yīng)，能夠?qū)DA芯片批量化封裝的生產(chǎn)過程中芯片 Smile 效應(yīng)進(jìn)行實(shí)時(shí)的在線監(jiān)測，從而保障封裝工藝的穩(wěn)定性，提高封裝良品率。

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Smile 效應(yīng)抑制

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半導(dǎo)體激光陣列器件工作時(shí)，各個(gè)發(fā)光單元的位置不在一條直線上，而是在快軸方向上存在微米級(jí)別的位移，從而導(dǎo)致 LDA 器件整體發(fā)光彎曲，稱之為Smile 效應(yīng)。

典型的 LDA 器件 Smile 效應(yīng)

Smile 效應(yīng)降低了 LDA 器件的光束質(zhì)量，已成為阻礙大功率半導(dǎo)體激光器進(jìn)一步發(fā)展的最大障礙。因此，Smile效應(yīng)抑制技術(shù)成為 LDA 芯片封裝中最為關(guān)鍵的技術(shù)之一。而Smile 效應(yīng)測量技術(shù)與 Smile 效應(yīng)抑制技術(shù)密切相關(guān)，對(duì)Smile 效應(yīng)大小的測量研究至關(guān)重要。

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臺(tái)階儀測量原理

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LDA 器件的 Smile 效應(yīng)可以等同為芯片本身的彎曲，而且芯片 N 面經(jīng)過磨拋后表面粗糙度小于 0.1μm，所以可以用芯片 N 面的起伏來近似表征芯片本身的彎曲。基于上述原理，本實(shí)驗(yàn)采用測量精度為±0.01μm的臺(tái)階儀，通過機(jī)械接觸式掃描的方法來測量焊接完成后 LDA 芯片 N 面的起伏，作為器件的 Smile 效應(yīng)測量結(jié)果。

臺(tái)階儀測量LDA N面起伏原理圖

臺(tái)階儀測量原理：安裝在一個(gè)彈性軸承上的掃描探針（stylus）與LDA 芯片 N 面接觸并施加一個(gè)恒定的壓力（3x10??N），探針沿芯片慢軸方向進(jìn)行掃描。隨著芯片 N 面的起伏變化，使得與軸承相連的反射鏡的角度發(fā)生變化，最終導(dǎo)致經(jīng)反射鏡反射后打在光電探測器上的激光光斑的位置發(fā)生變化。光斑位置的變化會(huì)引起光電探測器上電壓的變化，經(jīng)過臺(tái)階儀信號(hào)處理系統(tǒng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換后，就能重現(xiàn) LDA 芯片 N 面的起伏。

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臺(tái)階儀測量實(shí)驗(yàn)研究

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本實(shí)驗(yàn)使用臺(tái)階儀測量焊接在熱沉上的 LDA 芯片的 N 面起伏，以作為器件 Smile 效應(yīng)的近似結(jié)果，與采用傳統(tǒng)光學(xué)方法測量器件 Smile 效應(yīng)的精確結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

用臺(tái)階儀自帶的校準(zhǔn)標(biāo)樣對(duì)臺(tái)階儀進(jìn)行校準(zhǔn)。為了提高測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，在保證設(shè)備使用安全的前提下（探針掃描軌跡不超出芯片范圍），應(yīng)選擇盡可能長的掃描長度。本實(shí)驗(yàn)中選取的掃描長度為 9.2mm。

首先需要研究 LDA 芯片 N 面上不同測量區(qū)域?qū)ε_(tái)階儀測量結(jié)果的影響。將芯片沿腔長方向等分為 A、B、C 三個(gè)測量區(qū)域，比較三個(gè)區(qū)域上測量結(jié)果的區(qū)別。結(jié)果表明，三個(gè)區(qū)域上所得測量結(jié)果無明顯差異。

LDA 芯片 N 面測量區(qū)域劃分

三個(gè)區(qū)域臺(tái)階儀測量結(jié)果對(duì)比

本實(shí)驗(yàn)中，分別使用臺(tái)階儀和光學(xué)方法測量了 16 個(gè) LDA 器件的 Smile 效應(yīng)。對(duì)比了兩種方法測量的 Smile 效應(yīng)形態(tài)，兩者完全一致。任取其中三個(gè)器件對(duì)比 Smile 形態(tài)對(duì)比。

臺(tái)階儀測量 Smile 形態(tài)（左）與光學(xué)方法測量 Smile 形態(tài)（右）對(duì)比

對(duì)各個(gè)器件用兩種方法測得的 Smile 效應(yīng)的大小進(jìn)行對(duì)比。

兩種方法測量 Smile 效應(yīng)大小的結(jié)果

兩種方法測量 Smile 效應(yīng)大小的差值

用臺(tái)階儀測量的 Smile 值與用傳統(tǒng)光學(xué)方法測量的Smile 值十分接近，且臺(tái)階儀的測量結(jié)果均大于光學(xué)方法的測量結(jié)果。除一組測試數(shù)據(jù)的差值為 1.3μm 外，其余 15 組測試結(jié)果的差值均小于 1μm。

使用臺(tái)階儀探針掃描法測量 Smile 效應(yīng)，不僅能夠準(zhǔn)確地測量 LDA 器件 Smile 效應(yīng)的形態(tài)，而且能夠充分地估計(jì) Smile 效應(yīng)的大小，實(shí)際的 Smile 效應(yīng)大小與測量結(jié)果相差小于 1μm，且不會(huì)超出測量結(jié)果。該技術(shù)可以十分方便地集成在LDA 芯片封裝的流水線中，實(shí)現(xiàn)對(duì)芯片焊接 Smile 效應(yīng)的在線實(shí)時(shí)檢測，從而確保芯片焊接工藝穩(wěn)定，提高良品率。

Flexfilm探針式臺(tái)階儀

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在半導(dǎo)體、光伏、LED、MEMS器件、材料等領(lǐng)域，表面臺(tái)階高度、膜厚的準(zhǔn)確測量具有十分重要的價(jià)值，尤其是臺(tái)階高度是一個(gè)重要的參數(shù)，對(duì)各種薄膜臺(tái)階參數(shù)的精確、快速測定和控制，是保證材料質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率的重要手段。

• 配備500W像素高分辨率彩色攝像機(jī)
• 亞埃級(jí)分辨率，臺(tái)階高度重復(fù)性1nm
• 360°旋轉(zhuǎn)θ平臺(tái)結(jié)合Z軸升降平臺(tái)
• 超微力恒力傳感器保證無接觸損傷精準(zhǔn)測量

費(fèi)曼儀器目前產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體行業(yè)，研發(fā)的Flexfilm探針式臺(tái)階儀可以精確、快速實(shí)現(xiàn)對(duì)芯片焊接 Smile 效應(yīng)的在線實(shí)時(shí)檢測，從而達(dá)到監(jiān)測芯片焊接工藝穩(wěn)定性、提高封裝成品率的目的，填補(bǔ)了該工程應(yīng)用領(lǐng)域的技術(shù)空白。

#LDA封裝 #半導(dǎo)體測試 #工藝優(yōu)化#臺(tái)階儀測量

原文參考：《大功率半導(dǎo)體激光陣列芯片封裝關(guān)鍵技術(shù)研究》

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