半導(dǎo)體器件壽命測試
0 前言
大功率半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛,其可靠性非常重要,且壽命是衡量可靠性的重要指標(biāo)之一。然而,大功率激光器的工作壽命還沒有一個(gè)國際標(biāo)準(zhǔn)定義,也沒有標(biāo)準(zhǔn)的加速檢測方法。大量長壽命的無Al激光器的高溫加速老化壽命試驗(yàn)也是在假定了激活能的基礎(chǔ)上進(jìn)行的,這樣進(jìn)行試驗(yàn)由于不知道不確定失效的機(jī)理,得到的壽命數(shù)據(jù)也是不能令人信服的。本文基于加速壽命試驗(yàn)的基本概念,參考普通半導(dǎo)體器件壽命測試方法,通過兩次高溫加速老化,繪制激光器的老化曲線,計(jì)算出激活能,然后利用所求的激活能通過統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法,反推出室溫下器件的壽命值。
1 試驗(yàn)與計(jì)算分析
本試驗(yàn)分別在40、80℃下對20只隨機(jī)抽取的波長808 nm的無Al連續(xù)輸出功率為1 W的單管激光器進(jìn)行1.2 A恒流老化。老化前抽出10只在室溫下進(jìn)行P-I-Y測試,如圖1所示。
加速老化試驗(yàn)過程分兩個(gè)方面同時(shí)進(jìn)行,一半器件用半導(dǎo)體激光器功率老化設(shè)備進(jìn)行40℃(不控溫)下的老化,由探測器定時(shí)自動(dòng)采集光功率相對值并由電腦記錄;另外一半放置于溫度設(shè)定為80℃的高低溫試驗(yàn)箱中通過探測器手工定時(shí)采集激光器的功率。兩次試驗(yàn)電流恒定控制為1.2 A。圖2和圖3為老化過程中的功率退化曲線。
試驗(yàn)中規(guī)定相對功率下降30%為激光器失效時(shí)間。40℃下的中位壽命為3 000 h;80℃下的中位壽命為330 h。器件失效從根本上講都是基本的物理化學(xué)過程,而溫度對于許多物理化學(xué)過程來講都是一個(gè)重要因素,溫度升高以后,這些變化過程大大加快,器件失效過程被加速,試驗(yàn)總結(jié)出來阿列尼烏斯(Arrhenius)經(jīng)驗(yàn)公式
式中,L為壽命,Ea為激活能,A為常數(shù),k(8.62×10-5eV/K)為波爾茲曼常數(shù),T為熱力學(xué)溫度。確定了失效模式的激活能以后,就可以得出加速系數(shù)τ。設(shè)室溫T0下壽命為L0,加速試驗(yàn)中溫度T1下壽命為L1,溫度T2下的壽命為L2(T2>T1),則激活能的計(jì)算式為
不同溫度下Ea與τ的關(guān)系如圖4所示,不同溫度下,溫度越高,曲線斜率越大,加速效果越明顯;相同溫度下,激活能越大,加速系數(shù)越大。由于失效機(jī)理不同,激活能也不一樣。
將數(shù)據(jù)代入式(2)、(3)可以解出Ea=0.52 eV/K,τ=25.2(相對于80℃)。進(jìn)而,可以計(jì)算出中值壽命tm=330×25.2=8 320 h。
在對數(shù)正態(tài)分布概率紙上繪制把激光器的加速壽命分布曲線,如圖5所示。橫坐標(biāo)是激光器的壽命,縱坐標(biāo)是累積失效率(A)。通過圖中的點(diǎn)可以近似畫出兩條互相平行的線,這就說明,半導(dǎo)體激光器的壽命分布屬于對數(shù)正態(tài)分布形式,而且加速壽命試驗(yàn)確實(shí)是“真實(shí)有效的”加速了。
一般地,半導(dǎo)體激光器的壽命符合對數(shù)正態(tài)分布,對數(shù)正態(tài)分布的故障概率密度函數(shù)為
式中,μ是中值壽命tm的對數(shù)值,σ為對數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差,基于此,可準(zhǔn)確描述對數(shù)正態(tài)分布。
中值壽命對應(yīng)于圖5中50%器件失效的時(shí)間,標(biāo)準(zhǔn)差σ表示壽命分布的寬度,也容易從圖中經(jīng)過簡單計(jì)算得到,它決定于對數(shù)正態(tài)概率紙上累積失效率曲線的斜率,其計(jì)算公式為
式中t1是累積失效率為16%(精確值為15.87%)時(shí)對應(yīng)的時(shí)間。代人數(shù)據(jù)計(jì)算得出σ=1.1。
得到了中值壽命tm和對數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差σ后就可以計(jì)算出激光器的平均壽命(MTTF)
代入tm=8320,σ=1.1到式(6)中得到MTTF為15 000 h。
2 失效分析
半導(dǎo)體激光器退化主要有以下幾種方式:
①體內(nèi)退化。主要是材料內(nèi)部的雜質(zhì)與缺陷,特別是異質(zhì)結(jié)材料中由于晶格失配所形成的位錯(cuò)能夠在適當(dāng)?shù)臏囟认?ldquo;增殖”,這種位錯(cuò)也會(huì)在晶體中逐漸形成位錯(cuò)線,位錯(cuò)網(wǎng)格。其后果是增加注入載流子的非輻射復(fù)合速率,使閾值不斷增加。這種退化無法直接從腔面直接觀察到,屬于緩慢退化,使激光器功率逐漸降低。由于采用的是無Al材料,有效地抑制了暗線的形成與位錯(cuò)的擴(kuò)展,這種退化較少。
②腔面退化。局部過熱、氧化、腐蝕等因素使腔面遭受損傷,形成更多的表面態(tài),增加表面態(tài)復(fù)合速度,溫度上升,造成熱平衡狀態(tài)遭到破壞,有源區(qū)局部熔化,如圖6(d)甚至遭受毀滅性的破壞(COD),如圖6(e)所示,這種退化是瞬間形成的。
③與燒結(jié)有關(guān)的退化。管芯與載體粘結(jié)特性不好,很容易與載體分離,歐姆接觸不好不僅增加熱耗散功率而降低激光器的效率,而且會(huì)引起局部過熱。使上述接觸電阻進(jìn)一步增加,造成引線脫落等,如圖6(a)、(b)所示;另外,銦焊料過多使在加熱焊接或在后面的加速老化試驗(yàn)中焊料淹浸解理面,而使激光器輸出功率減小或無輸出,如圖6(c)所示。
3 結(jié)論
通過本文闡述的可靠性加速壽命試驗(yàn),嘗試計(jì)算了大功率激光器芯片長期退化過程的綜合激活能Ea的值為0.52 eV,并根據(jù)其值外推了室溫下大功率半導(dǎo)體激光器的平均壽命為15 000 h。壽命測試的結(jié)果是統(tǒng)計(jì)值,試驗(yàn)樣品數(shù)自然越多越準(zhǔn)確。我們共隨機(jī)抽取了20只進(jìn)行試驗(yàn)。對老化后失效的樣品,進(jìn)行了分析發(fā)現(xiàn),除了部分芯片發(fā)生了COD外,封裝過程中焊料的沉積和芯片的焊接工藝也是導(dǎo)致激光器失效的主要因素。
本文著重從壽命角度討論了半導(dǎo)體激光器的可靠性。其實(shí),除了壽命外可靠性的參數(shù)還有很多,例如:早期失效率,早期失效的激活能等,這些都是在做可靠性分析時(shí)需要明確的。