LD具有高转换效率,体积小,可靠性高等特点被广泛应用,但是高功率LD芯片制造工艺复杂,价格贵,外延、芯片、封装等的缺陷影响着器件的成品率。
激光器的失效模式
1 主要失效特性
LD失效的三个时间段:
早期失效、偶然失效、损耗失效
早期失效的原因:芯片制造工艺缺陷、焊接失效、芯片端面绝缘层失效。损耗失效的原因:芯片制造工艺水平的限制,使得器件老化、疲劳。
2 失效模式分析
电极退化
电极失效主要表现两个方面:1 高功率二极管工作电流很大,焊料层随着电流方向扩散到半导体材料内,形成暗点缺陷,在大电流作用下,造成局部热积累,作为上电极的薄铜片极容易被烧毁。造成激光器COD。2 GaAs与热沉材料热匹配性差,焊接温度应力引起焊层内部缺陷或开裂,导致器件电极退化,
欧姆接触主要是焊接面造成LD失效,是封装工艺中最主要的失效模式:
分为两种:1 焊接空隙;2 PN结短路。
高功率LD的热载很大,功率60w的线阵激光器,其工作废热可到80w。因此极小的空隙也可能导致器件过热失效。造成空隙的因素:热沉加工的平整度差,焊料制备过程中产生杂质,热沉金属化中形成大的颗粒。另一方面,为了良好的散热,芯片P面朝下,出光面和焊层距离很近,如果焊料太厚或者焊层不均匀,焊接过程中,容易从焊层中挤出焊料颗粒,造成PN结短而失效。
腔面退化
腔面退化是LD区别于微电子器件的一个主要失效模式。腔面功率密度可以达到数mW/cm2.且有源区材料含有铝或In元素。Al、In在高功率密度下可以融化或再结晶,导致腔面的破坏,这种由于制造工艺缺陷造成的器件失效属于内缺陷。是芯片设计制造工艺不成熟形成的,主要表现:暗线缺陷、腔面COD。
环境污染
是LD失效的外界因素,它主要由于一些偶然因素导致LD灾难性失效,包括电浪涌、灰尘颗粒、静电、水汽污染等。
失效统计分析:
高功率激光LD失效主要集中在焊接、焊料制备、芯片工艺三个方面。
三种失效随着老化时间延长表现不同趋势: 焊接、焊料制备引起的时下主要集中在器件早期失效过程中,而芯片本身制造工艺缺陷引起的失效主要集中在损耗失效期间,从失效统计来看,焊接空隙占比30%; PN结短路29%,腔面退化17%、电极退化9%、环境因素7%等几个方面。
如何改善:精确控制焊料厚度和均匀性、厚度控制在5~7um,遏制焊接空隙、PN结短路失效。不断优化焊接工艺\确定最佳焊接温度和时间,精确控制升温\降温时间\有效释放焊接应力,都可以提高LD的寿命。
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