半導體激光陣列LDA芯片作為大功率半導體激光器的核心部件，其封裝質量直接決定了半導體激光器的可靠性。本文采用Flexfilm探針式臺階儀結合探針掃描法測量 Smile 效應，能夠對LDA芯片批量化封裝的生產過程中芯片 Smile 效應進行實時的在線監(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 效應抑制

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半導體激光陣列器件工作時，各個發(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別的位移，從而導致 LDA 器件整體發(fā)光彎曲，稱之為Smile 效應。

典型的 LDA 器件 Smile 效應

Smile 效應降低了 LDA 器件的光束質量，已成為阻礙大功率半導體激光器進一步發(fā)展的最大障礙。因此，Smile效應抑制技術成為 LDA 芯片封裝中最為關鍵的技術之一。而Smile 效應測量技術與 Smile 效應抑制技術密切相關，對Smile 效應大小的測量研究至關重要。

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臺階儀測量原理

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LDA 器件的 Smile 效應可以等同為芯片本身的彎曲，而且芯片 N 面經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，本實驗采用測量精度為±0.01μm的臺階儀，通過機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 效應測量結果。

臺階儀測量LDA N面起伏原理圖

臺階儀測量原理：安裝在一個彈性軸承上的掃描探針（stylus）與LDA 芯片 N 面接觸并施加一個恒定的壓力（3x10??N），探針沿芯片慢軸方向進行掃描。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，最終導致經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。光斑位置的變化會引起光電探測器上電壓的變化，經過臺階儀信號處理系統(tǒng)的模數轉換后，就能重現 LDA 芯片 N 面的起伏。

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臺階儀測量實驗研究

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本實驗使用臺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 效應的近似結果，與采用傳統(tǒng)光學方法測量器件 Smile 效應的精確結果進行對比。

用臺階儀自帶的校準標樣對臺階儀進行校準。為了提高測量結果的準確性，在保證設備使用安全的前提下（探針掃描軌跡不超出芯片范圍），應選擇盡可能長的掃描長度。本實驗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)域對臺階儀測量結果的影響。將芯片沿腔長方向等分為 A、B、C 三個測量區(qū)域，比較三個區(qū)域上測量結果的區(qū)別。結果表明，三個區(qū)域上所得測量結果無明顯差異。

LDA 芯片 N 面測量區(qū)域劃分

三個區(qū)域臺階儀測量結果對比

本實驗中，分別使用臺階儀和光學方法測量了 16 個 LDA 器件的 Smile 效應。對比了兩種方法測量的 Smile 效應形態(tài)，兩者完全一致。任取其中三個器件對比 Smile 形態(tài)對比。

臺階儀測量 Smile 形態(tài)（左）與光學方法測量 Smile 形態(tài)（右）對比

對各個器件用兩種方法測得的 Smile 效應的大小進行對比。

兩種方法測量 Smile 效應大小的結果

兩種方法測量 Smile 效應大小的差值

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

使用臺階儀探針掃描法測量 Smile 效應，不僅能夠準確地測量 LDA 器件 Smile 效應的形態(tài)，而且能夠充分地估計 Smile 效應的大小，實際的 Smile 效應大小與測量結果相差小于 1μm，且不會超出測量結果。該技術可以十分方便地集成在LDA 芯片封裝的流水線中，實現對芯片焊接 Smile 效應的在線實時檢測，從而確保芯片焊接工藝穩(wěn)定，提高良品率。

Flexfilm探針式臺階儀

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在半導體、光伏、LED、MEMS器件、材料等領域，表面臺階高度、膜厚的準確測量具有十分重要的價值，尤其是臺階高度是一個重要的參數，對各種薄膜臺階參數的精確、快速測定和控制，是保證材料質量、提高生產效率的重要手段。

• 配備500W像素高分辨率彩色攝像機
• 亞埃級分辨率，臺階高度重復性1nm
• 360°旋轉θ平臺結合Z軸升降平臺
• 超微力恒力傳感器保證無接觸損傷精準測量

費曼儀器目前產品已廣泛應用于半導體行業(yè)，研發(fā)的Flexfilm探針式臺階儀可以精確、快速實現對芯片焊接 Smile 效應的在線實時檢測，從而達到監(jiān)測芯片焊接工藝穩(wěn)定性、提高封裝成品率的目的，填補了該工程應用領域的技術空白。

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原文參考：《大功率半導體激光陣列芯片封裝關鍵技術研究》

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