半导体激光阵列LDA芯片作为大功率半导体激光器的核心部件，其封装质量直接决定了半导体激光器的可靠性。本文采用Flexfilm探针式台阶仪结合探针扫描法测量 Smile 效应，能够对LDA芯片批量化封装的生产过程中芯片 Smile 效应进行实时的在线监测，从而保障封装工艺的稳定性，提高封装良品率。

1

Smile 效应抑制

flexfilm

半导体激光阵列器件工作时，各个发光单元的位置不在一条直线上，而是在快轴方向上存在微米级别的位移，从而导致 LDA 器件整体发光弯曲，称之为Smile 效应。

典型的 LDA 器件 Smile 效应

Smile 效应降低了 LDA 器件的光束质量，已成为阻碍大功率半导体激光器进一步发展的最大障碍。因此，Smile效应抑制技术成为 LDA 芯片封装中最为关键的技术之一。而Smile 效应测量技术与 Smile 效应抑制技术密切相关，对Smile 效应大小的测量研究至关重要。

2

台阶仪测量原理

flexfilm

LDA 器件的 Smile 效应可以等同为芯片本身的弯曲，而且芯片 N 面经过磨抛后表面粗糙度小于 0.1μm，所以可以用芯片 N 面的起伏来近似表征芯片本身的弯曲。基于上述原理，本实验采用测量精度为±0.01μm的台阶仪，通过机械接触式扫描的方法来测量焊接完成后 LDA 芯片 N 面的起伏，作为器件的 Smile 效应测量结果。

台阶仪测量LDA N面起伏原理图

台阶仪测量原理：安装在一个弹性轴承上的扫描探针（stylus）与LDA 芯片 N 面接触并施加一个恒定的压力（3x10⁻⁴N），探针沿芯片慢轴方向进行扫描。随着芯片 N 面的起伏变化，使得与轴承相连的反射镜的角度发生变化，最终导致经反射镜反射后打在光电探测器上的激光光斑的位置发生变化。光斑位置的变化会引起光电探测器上电压的变化，经过台阶仪信号处理系统的模数转换后，就能重现 LDA 芯片 N 面的起伏。

3

台阶仪测量实验研究

flexfilm

本实验使用台阶仪测量焊接在热沉上的 LDA 芯片的 N 面起伏，以作为器件 Smile 效应的近似结果，与采用传统光学方法测量器件 Smile 效应的精确结果进行对比。

用台阶仪自带的校准标样对台阶仪进行校准。为了提高测量结果的准确性，在保证设备使用安全的前提下（探针扫描轨迹不超出芯片范围），应选择尽可能长的扫描长度。本实验中选取的扫描长度为 9.2mm。

首先需要研究 LDA 芯片 N 面上不同测量区域对台阶仪测量结果的影响。将芯片沿腔长方向等分为 A、B、C 三个测量区域，比较三个区域上测量结果的区别。结果表明，三个区域上所得测量结果无明显差异。

LDA 芯片 N 面测量区域划分

三个区域台阶仪测量结果对比

本实验中，分别使用台阶仪和光学方法测量了 16 个 LDA 器件的 Smile 效应。对比了两种方法测量的 Smile 效应形态，两者完全一致。任取其中三个器件对比 Smile 形态对比。

台阶仪测量 Smile 形态（左）与光学方法测量 Smile 形态（右）对比

对各个器件用两种方法测得的 Smile 效应的大小进行对比。

两种方法测量 Smile 效应大小的结果

两种方法测量 Smile 效应大小的差值

用台阶仪测量的 Smile 值与用传统光学方法测量的Smile 值十分接近，且台阶仪的测量结果均大于光学方法的测量结果。除一组测试数据的差值为 1.3μm 外，其余 15 组测试结果的差值均小于 1μm。

使用台阶仪探针扫描法测量 Smile 效应，不仅能够准确地测量 LDA 器件 Smile 效应的形态，而且能够充分地估计 Smile 效应的大小，实际的 Smile 效应大小与测量结果相差小于 1μm，且不会超出测量结果。该技术可以十分方便地集成在LDA 芯片封装的流水线中，实现对芯片焊接 Smile 效应的在线实时检测，从而确保芯片焊接工艺稳定，提高良品率。

Flexfilm探针式台阶仪

flexfilm

在半导体、光伏、LED、MEMS器件、材料等领域，表面台阶高度、膜厚的准确测量具有十分重要的价值，尤其是台阶高度是一个重要的参数，对各种薄膜台阶参数的精确、快速测定和控制，是保证材料质量、提高生产效率的重要手段。

• 配备500W像素高分辨率彩色摄像机
• 亚埃级分辨率，台阶高度重复性1nm
• 360°旋转θ平台结合Z轴升降平台
• 超微力恒力传感器保证无接触损伤精准测量

费曼仪器目前产品已广泛应用于半导体行业，研发的Flexfilm探针式台阶仪可以精确、快速实现对芯片焊接 Smile 效应的在线实时检测，从而达到监测芯片焊接工艺稳定性、提高封装成品率的目的，填补了该工程应用领域的技术空白。

#LDA封装 #半导体测试 #工艺优化#台阶仪测量

原文参考：《大功率半导体激光阵列芯片封装关键技术研究》

*特别声明：本公众号所发布的原创及转载文章，仅用于学术分享和传递行业相关信息。未经授权，不得抄袭、篡改、引用、转载等侵犯本公众号相关权益的行为。内容仅供参考，如涉及版权问题，敬请联系，我们将在第一时间核实并处理。