[敏感詞]研制出的大功率和短波激光led燈珠在810nm波長時,該led燈珠的[敏感詞]輸出功率為100mW。它要求在實際工作條件下達(dá)到高可靠指標(biāo)(MTTF應(yīng)超過5000h)。為了保證高可靠性,該led燈珠內(nèi)采用了長空腔和金剛石子支架。
在試生產(chǎn)期間,經(jīng)過溫度循環(huán)之后,一些樣品發(fā)生了光電失效。失效樣品的破壞性物理分析(DPA)顯示,led燈珠芯片上的裂紋把芯片分成兩部分。因此,空腔受到芯片裂紋的破壞而導(dǎo)致失效。
調(diào)查發(fā)現(xiàn)
調(diào)查了產(chǎn)生裂紋的工序和原因,重復(fù)了激光led燈珠原來的組裝工序,對每個工序中的樣品作了檢驗,以觀測芯片裂紋。經(jīng)過芯片鍵合和合金工序之后,檢驗人員在多數(shù)選用的樣品中都發(fā)現(xiàn)了裂紋,認(rèn)為那些裂紋是在芯片鍵合和合金工序中產(chǎn)生的。
在芯片鍵合和合金工序中,激光led燈珠芯片被鍵合到Au-Sn焊接的子支架上,這就要求加熱和冷卻。這樣,在該工序中產(chǎn)生了子支架與芯片之間的熱應(yīng)力。因此,研究人員實施了熱應(yīng)力分析,以弄清裂紋產(chǎn)生的原因。
分析顯示,在金剛石子支架上早早就產(chǎn)生了裂紋,因為金剛石的線性膨脹與芯片中的GaAs的有很大差別。這樣就證實了金剛石是裂紋產(chǎn)生的主要因素。
這些結(jié)果澄清了光電失效過程:
由于在芯片鍵合和合金工序中金剛石子支架上的熱應(yīng)力作用,芯片與金剛石子支架之間的邊緣產(chǎn)生了微型裂紋,該裂紋一直擴(kuò)展到芯片上。裂紋是那么微小,以致于未造成失效。
由于溫度循環(huán)試驗中的熱應(yīng)力作用,微型裂紋不斷增大,大到足以破壞芯片空腔的程度,最后造成光電失效。
在空間用大功率激光led燈珠中實現(xiàn)高可靠性的方法
工作溫度的升高會大大加速激光led燈珠可靠性的劣化。為了保證器件的高可靠性,必須防止芯片有源層的溫度升高。
有兩種方法用來實現(xiàn)器件的溫度控制:
一種是采用長空腔。增加芯片空腔的長度可減小電流密度。這種激光led燈珠的芯片空腔的長度定為1200μm。
另一種方法是采用金剛石子支架。金剛石的導(dǎo)熱性高于硅(Si)的導(dǎo)熱性,因而可改善熱輻射效率。金剛石和Si的熱特性于表1顯示。
光電失效
經(jīng)過溫度循環(huán)試驗之后,發(fā)現(xiàn)一些樣品出現(xiàn)光電失效。這些樣品在試驗之前已通過目檢和光電特性評價試驗。研究人員發(fā)現(xiàn),該器件的輻射不會隨工作電流
的大小而發(fā)生線性變化。他們用光學(xué)顯微鏡觀測失效樣品中的芯片,發(fā)現(xiàn)芯片上的一條裂紋把芯片分成兩部分。
產(chǎn)生裂紋的工序的調(diào)查
為了弄清產(chǎn)生芯片裂紋的工序,研究人員重復(fù)了先前的組裝工序,然后對每個工序中所選的樣品作目檢,以觀測裂紋。通過蝕刻芯片可觀測到內(nèi)部裂紋,觀測結(jié)果如下:
(1)在芯片鍵合與合金工序之前,芯片上沒有裂紋;
(2)在芯片鍵合與合金工序之后,在多數(shù)選用的樣品中都觀測到芯片裂紋(包括內(nèi)部裂紋);
(3)在溫度循環(huán)試驗之前,已經(jīng)有內(nèi)部微型裂紋的芯片上未發(fā)現(xiàn)光電失效;
(4)溫度循環(huán)之后則發(fā)現(xiàn)樣品失效。
這些結(jié)果弄清了裂紋產(chǎn)生的工序以及從裂紋產(chǎn)生到光電失效的工序:
(1)在芯片鍵合和合金過程中產(chǎn)生了芯片裂紋;
(2)在芯片鍵合和合金過程中產(chǎn)生的芯片裂紋太小,以致于未導(dǎo)致失效。但由于溫度循環(huán)中的熱應(yīng)力作用,裂紋不斷增大,穿過發(fā)射線條,最終導(dǎo)致光電失效。
芯片裂紋的原因調(diào)查
研究人員發(fā)現(xiàn),在芯片鍵合與合金工序中芯片上產(chǎn)生微型裂紋。芯片鍵合與合金工序包括加熱和冷卻。他們已注意到芯片鍵合與合金工序中的熱應(yīng)力是產(chǎn)生裂紋的主要原因。因此,他們對制作的模型作了熱應(yīng)力分析。
通過分析和計算,得出如下結(jié)果:
(1)芯片內(nèi)產(chǎn)生了張力;具有金剛石和硅支架的芯片內(nèi)邊緣的應(yīng)變分別為0.09%和0.03% ;
(2)金剛石承受的應(yīng)力是硅的3倍,分別為1.2×10^9dyn·cm2 和1.2×10^9dyn·cm2。
上述結(jié)果可推論出下列可能性:
(1)張力影響到冷卻過程中的芯片,因此,芯片上會產(chǎn)生裂紋;
(2)芯片裂紋可能在熱應(yīng)力[敏感詞]的邊緣上產(chǎn)生;
(3)金剛石子支架上承受的熱應(yīng)力比硅子支架上的高,因此,金剛石子支架的芯片較早產(chǎn)生裂紋。
這些結(jié)果論證了子支架與芯片之間的熱應(yīng)力導(dǎo)致芯片失效,金剛石與GaAs的線性膨脹系數(shù)之間顯著差別是芯片裂紋產(chǎn)生的主要因素。
結(jié)論
這些調(diào)查結(jié)果已弄清了下列芯片裂紋產(chǎn)生的機(jī)理:
(1)由于在芯片鍵合和合金過程中的熱應(yīng)力作用,芯片與子支架之間的邊緣上產(chǎn)生的裂紋太小,以致于未導(dǎo)致失效。
(2)由于溫度循環(huán)中的熱應(yīng)力作用,裂紋不斷增大和破壞了空腔,最后導(dǎo)致光電失效。