COD 發生機制及改善方法介紹 3.1 雷射在高功率操作的限制
4.8 封裝製程
4.8.1 黏晶製程
光電元件封裝如雷射二極體的封裝，銲錫的角色是負責電子傳導
(electrical conduction)，機構支撐(mechanical support)及熱的消散管道(heat dissipating channel)等重要工作[4.23]。因此本論文實驗於雷射晶粒封裝時 將採行硬銲錫(hard-solder)的 Au-Sn 合金接合而不是軟銲錫(soft-solder)的 In 或 In-Sn 合金接合。主要是因為 Hard-Solder 具有非常高的降伏強度(yield strength)以及處於相當的應力下是彈性形變(elastic deformation)而不是塑 性形變(plastic deformation) [4.13],[4.23]。由於塑性形變會衍生出熱疲勞 (thermal fatigue) 及 潛 變 (creep) 等 問 題 發 生 [4.34],[4.35],[4.37] ， 因 此 hard-solder 除具有好的熱傳導(thermal conductivity)外，比 soft-solder 還要 有更好的熱疲勞及對潛變的阻抗能力等諸多優點[4.23],[4.36]。所以 整體上 來說採用 Au-Sn 的硬銲錫可以有較好的可靠度[4.36]。本實驗所採用的封 裝方式是採用以 p 面朝下(p-side down)與散熱載具(submount)接合的方 式。此種接合方式的最大好處是可以大幅度減少熱阻抗，因為在活性層所 產生的熱將可以迅速由 p 面方向導往 submount，比由 n 面方向的導熱更有 具效率，因此元件特性，如波長飄移(wavelength shift)，扭結功率(kink power)，臨界電流，斜率效率，可靠度等皆將有所改善[4.26],[4.28]。另外 一 個 必 須 考 量 的 重 要 的 項 目 是 散 熱 載 具 ， 因 此 本 實 驗 採 用 氮 化 鋁 (aluminium nitride,AlN)材料作為散熱載具。其主要原因有兩項：第一項是 熱膨脹係數(thermal coefficient of expansion,TCE)的考量，由於 AlN 的 TCE 為 4.5×10-6/°k，而碳化矽(silicon carbide,SiC)的 TCE 為 3.7×10-6/°k，因此
AlN 的 TCE 與 GaAs 的 5.7×10-6/°k 比較接近，如果使用 AlN 則可有效減 少 在 封 裝 時 因 材 料 間 的 TCE 不 匹 配 而 產 生 熱 應 力 (thermal stress)[4.11][4.37]。第二項原因是熱傳導係數(thermal conductivity)的考 量，目前 AlN 的散熱載具製作水準已有大幅改進，由早期的 170~200W/mk 到現在已有商業化產品的 230~250W/mk 與 SiC 的 193~250W/mk 及氧化铍 (beryllium oxide,BeO)的 260-290W/mk 幾乎已相當接近[4.2],[4.37]-[4.39]。
黏晶(die bonding)程序如下：首先黏晶機將直徑為 5.6mm 的銅製散熱 座(heat sink)預先加熱到 200°C 以上，再以吸嘴吸取(pick)膠膜上的單顆且 正反兩皆面鍍有 Ti/Pt/Au/Pt/AuSn(70wt%-30wt%)銲錫的 AlN 散熱載具。
黏晶機的機械手臂移動到適當定位後放下(Place)將 AlN 散熱載具背面與 heat sink 接合(接合溫度約 250°C 以上)，接著吸嘴吸取(pick)膠膜上的單顆 雷射晶粒並移動到適當定位後放下(place)並輕微下壓與持續加熱(約在 400°C 以上)，此時 AlN 散熱載具正面部分與雷射晶粒接合以形成共晶 (eutitec )接合，當接合完成後立即冷卻降溫，整個 die bonding 程序約在 10 秒之內完成，如圖 4-14 所示。
圖 4-14 完成黏晶接合製程後顯微鏡圖(die/submount/heat-sink 間接合)
4.8.2 打線製程
將 die bonding 完成的樣品進行打線接合(wire bonding)製程，打線接 合採用約 150°C，60kHz 的熱超音波(thermosonic bonding)方式將直徑約 25μm 的金線以結球形-和-楔形(ball-and-wedge bonding)方式接合，於晶粒 端結成球形，在 heat sink 的導線支架上結成楔形[4.11],[4.40]。
4.8.3 封蓋製程
製程的最後是將已完成 die bonding 及 wire bonding 的 5.6mm 直徑 heat sink 加以封蓋(cap sealing)。光電元件封蓋的最主要目的是保持內部的 氣密性(hermetic)，以避免雷射晶粒長期被曝露在有高溫高濕的環境下操 作而造成元件失效。一般外蓋材質是 kover 金屬，在封蓋機內以瞬間放電 放方式與 heat sink 接合。