4-1 晶粒黏著製程
4-1-1 封裝焊料資訊
半導體雷射晶粒封裝近年都使用 AuSn 的硬式焊料。Au 與 Sn 的合金比例在 重量百分比為(80/20)，原子百分比為（70.5/29.5）時有個 280 較低溫的共熔 溫度，因此透過讓操作溫度瞬間超過共熔溫度與快速降溫低於共熔溫度。可讓 AuSn 共熔之後再固化，因此黏著住雷射元件。圖 4.1 為 AuSn 相圖（Phase Diadgram）。從相圖中我們可以觀察出不同 AuSn 的比例會影響最後的共熔溫度。
而不同 AuSn 比例存在不同的 Phaser。表 4.1 為 AuSn 合金可能存在的不同 Phase 其 Sn 的原子比例、熔點、合金形式[24]。另外雷射元件的金屬(Ti、Pt、Ni、Au) 在共熔過程中也影響了整體 Solder Joint 的比例組成。因此我們可以預見真實的 Solder Joint 在各金屬含量分佈是不均勻的。
AuSn 在共熔結束完固化時，會形成 與 此兩種 phase。 phase 在低於 190 時，會形成 phase。這種 phase 提供了整體 solder Joint 有較低應力與較 好的熱傳導性。而 比起 雖有較好的濕潤性 ，但在應力與散熱沒有 比 好。因此對於一個好的 AuSn 封裝，Solder Joint 中心以 為主、而 靠近 solder Joint。
圖 4.1：AuSn Phase Diagram
36 中間層 Solder 的品質。儀器主面板處有 Bonding Height 可供調整下壓高度，正 常下壓點來說，在下壓桿接觸表面之後會有卡擦聲，我們判定這種下壓為 Over drive，代表吸嘴頭有正確下壓至樣品上。
（2）在進行實驗之前，首先要確認幾個封裝條件參數。此機台 Bonding Force 調整位於機台背殼後方的大型旋轉砝碼，藉由旋轉砝碼對於力臂的遠近來調整下 壓力，下壓力約在 2g-250g 皆可調整。Bonding Temp.控制來自於機台 Pulse Heat System，此瞬間加熱範圍最大可達 1200 ，我們定義藉由此控制儀表板控 制待溫溫度、加熱溫度、加熱時間、降溫溫度。
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（3）當正確設定完實驗參數時，置放 Sample 至 Gel-Pack 盒上，機台中心 置放處可供 Gel-Pack 盒真空吸附。再經由上方吸嘴頭將 Chip 與 Submount or Platform 置放至左側 Work holder。即可下壓進行加熱。
圖 4.2：EDB80-P 晶粒黏著系統機台全貌圖
圖 4.3：晶粒黏著系統操作流程圖
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圖 4.4 為 Bonding Process 的溫度控制示意圖。使用 Watlow F4 Series 溫度 控制儀控制整體 Bonding Process 變化。首先必須設定從室溫爬升至待溫所需的 時間與溫度，接著設定實際爬升至 Bonding Temp.的溫度與加熱速率、以及待溫 在 Bonding Temp.的時間秒數，與最後降溫過程。Watlow F4 Series 可設定多次 連續控溫設定，因此操作者可設定最後 Jump 至特定設定，以進行大量元件測試。
圖 4.4：Bonding Process Temperature Control 示意圖
（二）封裝 chip 資訊
圖 4.5 為本論文使用的封裝元件資訊圖，我們使用廠商所提供的 Sample A，
尺寸為 250 x 600 ，垂直雷射結構為 GaAsP 當主動層的 808 High Power Broad Area Laser Diodes。
圖 4.5：封裝元件 Sample A 資訊圖
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（三）Submount 資訊
我們使用 AlN 作為 Submount，熱傳導係數約 170(W/mK)。 Submount 上 方會有金屬化 Ti/Pt/Au，其厚為 0.1 0.2 * 。大小長寬高如表 4.2。
表 4.2 中我們將封裝類型分為 Mount1、2、3，其中 Mount 1、2 兩組的 AuSn 已 經鍍上去，Mount 1 的 AuSn 長寬 1320 *720 ，Mount 為 1340 *620 與 1340 *260 。晶粒黏著方式主要分成兩種，第一種為 Chip 直接黏著至 Mount 1、2 組如圖 4.6，第二種以 Solder platform 方式黏著，如圖 4.7。我們主 要使用 Mount3 做大量元件測試。
Mount type Photo/information 長( ) 寬( ) 高( )
Mount 1 1320 1320 210
Mount2 1460 1120 630
Mount3 Solder Platform 500 500 25 AlN Submount 1320 1320 200 表 4-2：封裝 submount 類型資訊表
EEL Bonding EEL +Solder(AuSn)/Submount
圖 4.6：Mount 1、2 Bonding 示意圖 Laser light
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EEL Bonding EEL +Solder Platform(AuSn) +Submount
圖 4.7：Mount 3 Bonding 示意圖 Mount3 的方式做封裝。由於 Mount 所選用的 Solder Platform 厚度較厚，實際進 行封裝時共熔態雖然 AuSn 雖不會溢出影響雷射鏡面，但另兩側 AuSn 容易接觸 雷射元件兩端，P-side down 封裝因此而容易 Short。因此我們大多使用 P-side up 先進行封裝條件測試。等測試至 Bonding Window 時再使用 Mount 1 與 2 的封 裝。
根據圖 4.4 的 Bonding Process 示意圖。我們設定 Soak Waiting time 為 5sec
（即為 Bonding time）。原因是雖然較久的 Bonding 共熔時間可以有較好或較均 勻的 solder Joint 品質。但雷射元件持續在高溫近 300 下難免會造成效率下降 與特性劣化之情形，為了確保雷射不因此影響效率，所以設定 5sec。Standby Temp.設定為 200 ，Ramp rate 升溫速度為 1000 =16.67 /sec。使用的
Laser light
41 乎沒完全黏著在 Submount 上。因此雷射光性類似與 unbonded sample 一樣，很 快地到達了熱飽和（Thermal Rollover）。
溫度過高的 Bonding Temp.也會使 Solder Joint 品質受到影響，乃是因為 Solder 在高溫共熔過了一定的共熔溫度，會導致 solder 會與雷射鏡面黏著至一 起[11]，進而影響雷射效率。與高溫封裝條件有類似的情形為使用過於大的下壓 射光性所看到的熱飽和（Thermal Rollover）現象，主要為我們使用 P side up 的 封裝、雷射光性溫度參數、Submount 大小與散熱性所控制。因此不能由簡單觀 察出雷射光性來確定中間 Solder Joint 的好壞。因此若要確定 solder Joint 優劣的 方法大多是使用破壞性方法，將雷射元件推離，並且量測推離面之 SEM/EDX，
用元素含量去確定 solder Joint 的好壞[11]。這樣的破壞性方法雖然是非常直觀 的方法，但以方便性與損壞元件的角度來看並不是最佳的方法，另外也會做長時 間的定電流或定功率燒測實驗，來觀察雷射光性下降或電流上升的趨勢。這樣的 方法也需要花大量的時間來完成。
因此我們使用 T3ster 暫態熱電阻量測來確定 Solder Joint 兩側界面的熱阻大 小來確定在 Bonding Window 中封裝條件與 solder Joint 優劣關係。一顆元件通 常量測僅需 10 分鐘至 20 分鐘，並且對雷射元件本身傷害極小，中間僅高電流 測試幾十秒的時間。我們將會在第五章討論這些量測結果與比較。
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圖 4.8：低 Bonding Temp.元件推離表面圖
圖 4.9：Bonding Window 內元件推離表面圖
圖 4.10：封裝條件對於雷射光性之影響
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4-2 LIV 量測系統
4-2-1 LIV 量測
本論文使用的 Current Source 為 Keithley 2520 Pulsed Laser Diode Test System。操作範圍如圖 4.11，可提供 Pulse Operation 5A 與 CW Operation 1A。
其中 2520 Testhead 部份提供 detector 與 current source 同步 Pulse 操作與收光。
為了能量測高功率雷射的光強度，我們必須使用積分球妥善地將雷射光完整收光，
才能量測到較為精準的雷射光性。我們使用 Si-detector 來收光，已安裝至小型 積分球，安裝圖如圖 4.12，經由 ThorLab 的 Powermeter 做 power 校正，其衰 減係數約為 75 倍。整體的 LIV 量測系統架構如圖 4.13，使用 ILX_LDT 5525 做 控溫。
圖 4.11：Keithley 2520 操作極限示意圖
圖 4.12：積分球與量測平台架設圖
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(4-1)
(4-2)
圖 4.13：LIV 量測系統4-2-2 溫度參數萃取量測
使用 ILX_LDT 5525 可控制銅座的溫度，進行變溫 LIV 量測。公式(3-12)與 (3-13)經過數學整理可獲得(4-1)與(4-2)。因此可獲得溫度參數 、 。變溫量 測圖為圖 4.14，溫度參數萃取圖為圖 4.15
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圖 4.14：SampleB 變溫 LIV 圖
圖 4.15：SampleB 溫度參數萃取圖
46 度靈敏係數（TSP , Temperature Sensitive Parameters）如圖 4.16。
圖 4.17 為一般利用順向偏壓值作為熱阻量測手法，會藉由低電流 操作先
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圖 4.16：TSP 量測結果
圖 4.17：順向偏壓法量測之示意圖
圖 4.18：Sample A Broad Area LD 升溫曲線
need time scale sec Measure
順向偏壓讀值上升 所取得溫度變化量 可看成元件熱經過多久
時間與環境達熱平衡
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(4-5)
(4-6)
(4-7)
圖 4.19 為整體 T3ster 量測流程。量測分為前段流程包括 TSP 量測與圖 4.17 中三步驟的電流調變以量測出接面電壓改變。後段流程將量測到的升溫曲線帶入 數值運算的 T3ster 軟體之中。程式利用 Foster RC model 去逼近真實量測結果，把升溫曲線函數等效成多組連續 RC stage 串接。如圖 4.20 所示當只有一組 RC stage 的狀況，數學式為(4-5)。時間常數 ，其定義為某溫度經過此 Stage 上升或下降為原溫度之 66%的時間。
(4-6)與(4-7)為多組離散 RC stage 串接與連
續積分串接。其中連續積分情形符合我們量測升溫曲線的結果。因此只要解出(4-7)的 R 再利用所對的時間常數就可解出熱容 C，因此就可以畫出元件的暫態
熱阻與熱容圖形。圖 4.19：T3ster 量測流程
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圖 2.4.5.(b)多組 RC stage，為一離散和。圖 2.4.5.(c)為連續積分之狀況，R(t)頻 譜為連續頻譜。
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圖 4.21：反摺積運算得到的 R(z)頻譜
但本身 Foster RC 的等效模型運算是用數值的方式去逼近原始曲線，不具備 物理意義。因此要將 Foster RC 模型轉換成 Cauer Model（圖 4.22），才能用物理 圖像去解釋每層的熱阻熱容。在擁有物理圖像模型之中。熱阻熱容的觀念，可易 於類比成電阻電容的特性。
圖 4.22：Foster RC model 轉換成 Cauer RC model
根據圖 4.19 的 T3ster 量測流程，我們藉由量測 TSP 與高低電流切換加上 T3ster 高時間解析度的量測，可獲得元件的升溫曲線。再將元件升溫曲線丟進 T3ster 專用的計算程式，根據上述的數學轉換手法得到暫態 R-C 曲線（熱阻-熱 容曲線）。根據之前的數學運算，我們知道 RC= ，為一時間常數。此圖形的每 點 RC 相乘，則可得到所對的時間常數，因此每個時間常數節點會有一組暫態熱 容熱阻值，由於熱源的轉移從晶片接面傳導到散熱基座，因此我們可以藉由這些 時間常數點得知元件結構之中哪個部份熱阻較大，對整體散熱影響最大。
圖 4.23 之中 RC 曲線中斜率較大的區域為塊材區（Bulk），可以看見熱阻熱 容同時的上升，當熱流傳導至任一塊材之中傳導時，熱容值上升。因此塊材的材 料特性（密度、比熱、熱傳導係數）決定每個塊材區熱容上升量。當熱傳導至最 外層的環境時，熱容量急遽上升。RC 曲線中斜率平緩的區域為界面區(interface)，
由於界面之間並不存在熱容量儲存熱，並且界面有許多表面缺陷，這些缺陷會增 加額外的熱阻。
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圖 4.24：暫態 RC 曲線與一次微分曲線
圖 4.25：熱傳導與 R 曲線分佈示意圖
圖 4.26 為[12]利用三種不同晶粒黏著方法，比較 RC 曲線與 曲線定量出 熱阻值。熱阻值越低代表界面品質越好。由於晶片本身熱容熱阻較低，因此在曲 線之中幾乎只在原點(Rth=0)看到元件資訊。因此對於微型元件來說， 曲線第 一 Peak 區（熱流進入 Bulk 區，熱流面積穩定上升）幾乎貼齊原點。因此第一個 Peak 點與第二個 Peak 點中間的熱阻為晶片與 Solder 之間的界面熱阻。當此阻值 越低，代表界面上的缺陷與空穴越少。而第二個 Peak 值與第三個 Peak 值之間為 Solder 與 Submount 之間的界面熱阻。
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圖 4.26：藉由 RC, 曲線定量分析晶粒黏著品質好壞
因此我們結合[11]與[12]，使用 T3ster 暫態熱電阻量測，去定量晶粒黏著封 裝製程中的界面缺陷，並且是以封裝條件去比較差異。提供了一個新的非破壞性 檢測封裝好壞的方法。其量測接線圖為圖 4.27，由於半導體雷射元件簡易封裝 完之後，底部 Submount 為絕緣體。因此我們使用雙探針方式下探針，其探針座
因此我們結合[11]與[12]，使用 T3ster 暫態熱電阻量測，去定量晶粒黏著封 裝製程中的界面缺陷，並且是以封裝條件去比較差異。提供了一個新的非破壞性 檢測封裝好壞的方法。其量測接線圖為圖 4.27，由於半導體雷射元件簡易封裝 完之後，底部 Submount 為絕緣體。因此我們使用雙探針方式下探針，其探針座