二极管失效分析

二极管裂纹失效分析

1、引言

日本空间发展机构（NASDA）正在研制一种大功率和短波激光二极管。在810nm波长时，该二极管的最大输出功率为100mW。它要求在实际工作条件下达到高可靠指标（MTTF应超过5000h）。为了保证高可靠性，该二极管内采用了长空腔和金刚石子支架。

在试生产期间，经过温度循环之后，一些样品发生了光电失效。失效样品的破坏性物理分析（DPA）显示，二极管芯片上的裂纹把芯片分成两部分。因此，空腔受到芯片裂纹的破坏而导致失效。

NASDA调查了产生裂纹的工序和原因，重复了激光二极管原来的组装工序，对每个工序中的样品作了检验，以观测芯片裂纹。经过芯片键合和合金工序之后，检验人员在多数选用的样品中都发现了裂纹，认为那些裂纹是在芯片键合和合金工序中产生的。在芯片键合和合金工序中，激光二极管芯片被键合到Au-Sn焊接的子支架上，这就要求加热和冷却。这样，在该工序中产生了子支架与芯片之间的热应力。因此，研究人员实施了热应力分析，以弄清裂纹产生的原因。分析显示，在金刚石子支架上早早就产生了裂纹，因为金刚石的线性膨胀与芯片中的GaAs的有很大差别。这样就证实了金刚石是裂纹产生的主要因素。这些结果澄清了光电失效过程：

由于在芯片键合和合金工序中金刚石子支架上的热应力作用，芯片与金刚石子支架之间的边缘产生了微型裂纹，该裂纹一直扩展到芯片上。裂纹是那么微小，以致于未造成失效。

1.由于温度循环试验中的热应力作用，微型裂纹不断增大，大到足以破坏芯片空腔的

程度，最后造成光电失效。

2、在空间用大功率激光二极管中实现高可靠性的方法

工作温度的升高会大大加速激光二极管可靠性的劣化。为了保证器件的高可靠性，必须防止芯片有源层的温度升高。有两种方法用来实现器件的温度控制。一种是采用长空腔。增加芯片空腔的长度可减小电流密度。这种激光二极管的芯片空腔的长度定为1200μm。另一种方法是采用金刚石子支架。金刚石的导热性高于硅(Si)的导热性，因而可改善热辐射效率。金刚石和Si的热特性于表1显示。

表1 3种材料的热特性比较

3. 光电失效

经过温度循环试验之后，发现一些样品出现光电失效。这些样品在试验之前已通过目检和光电特性评价试验。研究人员发现，该器件的辐射不会随工作电流的大小而发生线性变化。他们用光学显微镜观测失效样品中的芯片，发现芯片上的一条裂纹把芯片分成两部分。

4、产生裂纹的工序的调查

为了弄清产生芯片裂纹的工序，研究人员重复了先前的组装工序，然后对每个工序中所选的样品作目检，以观测裂纹。通过蚀刻芯片可观测到内部裂纹，观测结果如下：

∙在芯片键合与合金工序之前，芯片上没有裂纹。

∙在芯片键合与合金工序之后，在多数选用的样品中都观测到芯片裂纹

（包括内部裂纹）。

∙在温度循环试验之前，已经有内部微型裂纹的芯片上未发现光电失效。

∙温度循环之后则发现样品失效。

这些结果弄清了裂纹产生的工序以及从裂纹产生到光电失效的工序：

∙在芯片键合和合金过程中产生了芯片裂纹；

∙在芯片键合和合金过程中产生的芯片裂纹太小，以致于未导致失效。

但由于温度循环中的热应力作用，裂纹不断增大，穿过发射线条，

最终导致光电失效。

5、芯片裂纹的原因调查

研究人员发现，在芯片键合与合金工序中芯片上产生微型裂纹。芯片键合与合金工序包括加热和冷却。他们已注意到芯片键合与合金工序中的热应力是产生裂纹的主要原因。因此，他们对制作的模型作了热应力分析。

通过分析和计算，得出如下结果：

∙芯片内产生了张力；具有金刚石和硅支架的芯片内边缘的应变分别为

0.09%he0.03% 。

∙金刚石承受的应力是硅的3倍，分别为1.2×109dyn·cm2 和

1.2×109dyn·cm2。

上述结果可推论出下列可能性：

∙张力影响到冷却过程中的芯片，因此，芯片上会产生裂纹。

∙芯片裂纹可能在热应力最高的边缘上产生。

∙金刚石子支架上承受的热应力比硅子支架上的高，因此，金刚石子支

架的芯片较早产生裂纹。

这些结果论证了子支架与芯片之间的热应力导致芯片失效，金刚石与GaAs的线性膨胀系数之间显著差别是芯片裂纹产生的主要因素。

6．结论

这些调查结果已弄清了下列芯片裂纹产生的机理：

∙由于在芯片键合和合金过程中的热应力作用，芯片与子支架之间的边

缘上产生的裂纹太小，以致于未导致失效。

∙由于温度循环中的热应力作用，裂纹不断增大和破坏了空腔，最后导

致光电失效。

研究人员已认识到长空腔是裂纹产生的一个因素，因此会研究出一种方法来分析芯片中的残存应力。