VCSEL芯片封装  VCSEL Die Packaging

VCSEL芯片：垂直腔面发射激光器 （VCSEL） 是顶部发射源，可以在切割、分拣和包装之前进行晶圆探测。这使得VCSEL可以很容易地封装成许多不同的外形尺寸。

VCSEL 芯片有多种尺寸。用于小型接近传感器的单孔径VCSEL芯片的尺寸为~200um，而VCSEL电源阵列的长度几乎可以达到2 mm。芯片制造后，晶圆被减薄至 ~100 um 厚度，然后进行测试、切割和分选成单个芯片。

标准VCSEL芯片是垂直导电的，阳极位于顶部焊盘上，阴极是底部基板。VCSEL芯片的顶部和底部均采用专有的金属化堆栈，以减少欧姆接触损耗，提高金属化附着力，并防止封装组装前的氧化。在芯片的顶部（阳极）和底部（阴极）上涂上一层 2μm 厚的金作为最终金属化层，以提高引线键合、芯片粘附和热扩散的可靠性。焊盘集成在芯片顶部，用于连接直径为 1 mil （25 μm）的引线焊。小型VCSEL芯片的焊盘区域宽度和长度为80-100um，用于单引线键合。高功率VCSEL具有较长的焊盘区域，连接多个引线键合。

VCSEL 芯片设计为符合标准工业可靠性标准的坚固耐用。还进行高温高湿度测试，85°C和85%的相对湿度下进行了测试。作为合格类型的测试。产品满足各种操作条件下的光电性能。

固晶（die attach ）：芯片贴装方法必须考虑性能和环境因素，以确保VCSEL以合理的成本按预期运行。芯片贴装的主要目的是VCSEL芯片和键合基板之间的导电性和导热性。然而，具有更高导热性和粘接稳定性的芯片贴装材料通常更昂贵，并且可能需要非常规的生产设备。此外，如果额外的加工需要在芯片键合后进行二次回流焊，则某些芯片粘接材料不兼容。对于低功率（<50 mW）VCSEL，首选导电银基环氧树脂作为芯片贴装材料。导电环氧树脂是一种具有成本效益的方法，与大多数模具装配线兼容，因为该材料在低温（

高功率VCSEL芯片具有更高的光功率，因此需要改进的导热芯片贴装材料，以确保封装后的高性能。对于高功率VCSEL应用，建议使用无压烧结银，并且在中等（~200°C）温度下易于点胶和固化。最终的烧结银芯片连接导致导热系数水平>100 W/mK。

推荐使用：

1． FP-6000-HP3，半烧结银胶,光通信(TEC相关元件的 粘接固化)/电子元件高导电、高导 热需求适用高功率导热 固晶应用）

2． FP-6100-HP9（TEC相关元件的 粘接固化)/电子元件高导电、高导 热需求适用高功率导热 固晶应用）

3． FP-5300-A6（黏接一般中小型半导体晶片,应用于高导热应 应用需求(MRT L3-260）

4． FP-5200TC-2（黏接一般中小型半导体晶片,应用于高导热应 应用需求(MRTL3-260）

5． FP-5300TC-20A黏接一般中小型半导体晶片,应用于高导热应 应用需求(MRTL3-260）

6． FP-1725-B5（可靠性高，在不同的表面上附著力好）

指紋辨识模組(VCSEL)/ 微機電模組(MEMS)

根据最终用途考虑，还可以考虑其他芯片贴装方法。共晶AuSn焊料因其高电导率（>50 W/mK）、高耐腐蚀性和高屈服强度而成为高功率激光二极管应用中最常用的附着材料之一。然而，这种无助焊剂焊料需要通过非传统方法应用，并且需要高熔化温度（~280°C）才能进行回流焊。由于额外的制造复杂性，除非需要高耐环境性，否则通常不建议将AuSn用于VCSEL芯片附件。

导电环氧树脂、烧结银和 AuSn 焊料都与二次焊料回流工艺兼容。与传统焊料不同，这些材料在传统焊料回流温度（~260°C）下不会液化，以确保芯片在任何额外加工过程中不会移动。为了保证最佳的热和电特性，应确保芯片贴装材料以最佳方式分配以覆盖VCSEL阴极。填充不足将导致空隙，从而降低VCSEL的性能和粘接可靠性，而过度填充将导致银迁移，从而可能在VCSEL的阳极（顶部）和阴极（底部）上产生电气短路。键合力也很重要，以避免过度挤压芯片粘接材料。因此，适当的键合力取决于特定的芯片贴装方法，因此需要仔细调整，以在基板和VCSEL芯片之间形成最佳的粘接厚度(bond line thickness)。

键合：wirebond导线端接，建议所有VCSEL芯片产品采用标准的金球线键合工艺。正确的键合球尺寸对于牢固地连接到芯片上的引线键合焊盘至关重要。直径为 1mil（25 μm） 的金线键合。所有引线键合或任何金属键合连接均应在VCSEL芯片上的指定键合区域内。该区域之外的引线键合会损坏有源VCSEL或芯片边缘的氮化物钝化层。因此，必须避免在此过程中出现焊盘外粘接短路。

引线键合设备必须进行适当的调整，以确保足够的引线键合强度，同时最大限度地减少对VCSEL芯片的损坏。劈刀对周围材料产生的过大引线键合力会导shuntingleakage and/or junction 损坏。由于引线键合设备制造商数量众多，劈刀设计众多，很难给出一个普遍有效的引线键合工艺参数指南。

灌封：通常是用于低功耗光电元件的常用方法，用于保护芯片和引线键合在二次贴装免受任何机械损坏。选择封装材料的准则取决于所需的热稳定性、透射性能、气体/湿度渗透性以及与VCSEL芯片的折射率匹配。在选择合适的铸造化合物时，应考虑其不含任何腐蚀性化学品或成分，并且不会产生可能导致封装VCSEL芯片损坏的腐蚀性化合物。

用于光电器件的材料包括环氧树脂、有机硅和混合材料，它们结合了这两种材料的优点。环氧树脂材料用于大多数VCSEL封装，因为它在封装时有低释气特性。

有机硅具有固有的高热稳定性和辐射稳定性，但它们释气性使其在焊料回流焊或热冲击过程中更容易受到腐蚀性环境和基于湿度产生的“爆米花”效应的影响。

此外，封装的选择需要考虑产品可能经历的预期温度范围。在高温下，如果封装材料比VCSEL芯片更大的速度膨胀。封装和芯片之间可能发生分层。从而导致产品开路和灾难性故障。虽然低温通常不是问题，但极端情况可能会导致玻璃化转变温度高的材料出现封装开裂。

总结：VCSEL封装方法可能会影响其初始和整个生命周期的电气和光学性能。了解VCSEL芯片的物理和光学特性有助于确保激光二极管在芯片处理和组装后在应用的整个生命周期内按预期工作。了解涉及激光二极管集成的各种保护外壳设计，用于提高传统光电芯片封装的高性能和可靠性。为了帮助客户进行激光产品的集成，我们提出了关于VCSEL芯片封装的建议，包括芯片拾取、芯片贴装和引线键合规格。这些建议确保了预期的光输出功率、足够的散热和足够的机械强度，以满足最终应用的需求。