程东明1，马凤英1，段智勇1，王立军2、3

（1、郑州大学物理工程学院电子科学与技术系，郑州 450052；2、中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 长春 130031；3、中国科学院激发态物理开放实验室，长春 130031）

1 引言

半导体激光器阵列及叠阵引起了研究人员的广泛兴趣和关注，在半导体激光器及叠阵的研制过程中，焊料的选择在阵列及叠阵的封装过程中至关重要，因为焊料与激光器管芯直接接触，焊料的质量直接影响到激光器的寿命和热传导。目前用于半导体激光器组装的焊料一般分为两种：软焊料和硬焊料，但这两种焊料都有其优点和缺点，金属铟是常用的软焊料，它具有良好的延展性，因此广泛应用于单管激光器的封装[1-2]，然而，对于半导体激光器阵列，纯铟焊料焊接时并不理想，半导体激光器阵列组装时，由于阵列面积比单管面积大，所以需要烧结的时间长，在烧结过程中铟易氧化，从而在表面形成氧化膜，这层氧化膜的熔点很高，一般的烧结温度不会使焊料熔化，管芯就会焊接不上，如提高烧结温度，使氧化膜熔化，激光器管芯在这个温度就会损坏，而且铟还有一个致命的弱点，在高温烧结时，铟会长出须状物，即铟须，铟须会蔓延在激光器谐振腔的表面，如果铟须使上下电极导通，激光器就会短路，或铟须阻挡激光器发光，大量热量集中于激光器谐振腔表面，使腔面烧毁，这会导致激光器损坏。

激光器封装过程中也会使用金-锡合金[3]，但是这种合金延展性较差，因为大功率的半导体激光器阵列工作时，管芯的温度会很高，而激光器管芯和焊料的热膨胀系数差别很大，当激光器工作时，激光器管芯和焊料之间的热膨胀系数差异将导致激光器管芯的损坏[4-5]。所以急需研制一种能克服以上缺点的焊料。

2 焊料的研制

我们利用溅射和热蒸发的方法制作这种焊料，焊料具有以下特性：良好的延展性、不易氧化、不易生长铟须、易于制造。首先，选出抛光良好的铜质热沉，并且清洗干净、烘干、在铜质热沉的表面溅射40nm的钨；其次，在其上镀30nm的镍和3μm的金；接着蒸发1.5μm的铟，之后，依次蒸发8层40nm金和40nm铟的组合，其中金和铟交替蒸发，然后是1.5μm的金层，再蒸发另外8层40nm金和40nm的铟的组合，最后一层是蒸发400nm的铜。图1为多层焊料的结构，图2为焊料蒸发到玻璃上的实物图。

在烧结时，16层金-铟层组合将形成金-铟合金。当铟变为液态时，液体铟与金层接触最为紧密，铟会与1.5μm厚的金发生反应，形成化合物AuIn2。发生这种化学反应时，实际上生成了节点，使其熔点比纯铟高，但是，焊料中间1.5μm的金层并不熔化，这样铟熔化时不会过度膨胀，从而避免了焊料在烧结时流到激光器腔面上，最外层金属铜能防止铟的氧化，因为铜铟在烧结时会形成不易氧化的合金，这可以从铜-铟的相图看出，图3为In-Cu的相图[6]。

铟含量为59.5%-100%的合金是由化合物Cu11In0与固化温度为153℃的铟组成的混合物[7]，当合金中的铟含量减至59.5%时，合金的熔点从153℃升至310℃，即化合物Cu11In9的熔点，对铜-铟薄膜组合的研究表明，铜与铟在室温下即可发生反应，形成过渡状态的铜-铟合金，结果，铟-铜合金转变为铟-铟化铜，后者是一种状态稳定的化合物，将热沉从真空室中移出，使其暴露在空气中后，外层的铜-铟层可以防止内部的铟层发生氧化。

利用这种焊料，我们成功地进行了808nm半导体激光器阵列的组装（见图4），研制的阵列脉冲功率达100W，叠阵的输出功率为600W。

图5为我们研制的阵列的输出功率曲线，图6为我们研制的阵列的光谱图。

3 结论

所研制的合金状态稳定，可以防止铟的氧化和铟须生成，并且焊接牢固，通过使用这种焊料，我们成功地组装了峰值功率为100W的半导体激光器阵列，功率为600W的叠阵。