半導(dǎo)體器件壽命測(cè)試

在對(duì)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(duì)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(duì)數(shù)正態(tài)分布，對(duì)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(duì)數(shù)值，σ為對(duì)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差，基于此，可準(zhǔn)確描述對(duì)數(shù)正態(tài)分布。

中值壽命對(duì)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(jiǎn)單計(jì)算得到，它決定于對(duì)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(duì)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(duì)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(zhǎng)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(cè)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(duì)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。