高功率 808 nm VCSEL 阵列做完衬底转移和封装后表面经常出现不规律凸起。这些凸起肉眼难辨却直接拉低器件寿命。在相关的研究论文中对 5 mm×5 mm、808 nm 的衬底转移阵列做了长脉冲老化与失效分析。三类被记录的异常——表面不规律凸起、焊料层空洞、激射暗点——分处器件不同层次。三者最后走的却是同一条路热聚集。光子湾3D共聚焦显微镜不接触样品一次扫描能把整片 5 mm×5 mm 表面变成一张高度图凸起的位置与高度就成了可读的数。这一步做完后面两项检测才有明确的取样区域。衬底转移后的表面形貌衬底转移的出发点很直接把发光单元从 GaAs 衬底挪到高导热基底上热流因此少走一段路。问题在于散热好了可靠性没有跟着好。效率确实上去了。室温水冷下普通器件峰值电光转换效率 32%衬底转移器件 44%长脉冲寿命却反过来前者 6000 万至 8000 万次后者只剩 3000 万至 4000 万次。原因在结构强度上。GaAs 衬底既是散热瓶颈又是机械支撑剥掉之后器件更怕形变剥离与焊接的痕迹直接落在发光区热阻改善的收益被抵消一部分。研究对象是 5 mm×5 mm、808 nm 的高功率阵列约 1.1 万个发光单元六方密排。去掉衬底后外延层只剩 11 μm这个厚度对机械应力几乎没有抵抗力剥离与焊接形成的凸起会改变局部散热。三类异常影响 VCSEL 可靠性表面不规律凸起多数样品是“中间低、四周高”的碗状形貌。这个碗状来自阵列与 AlN 热沉的热膨胀系数差异焊接冷却后留下翘曲。两类表面形貌的二维高度图a正常器件呈“中间低、四周高”的碗状来自阵列与 AlN 热沉的热膨胀系数差异b不规律凸起器件中部出现偏离碗状规律的隆起。图中色标 Heightμm 为高度刻度单位 μm两侧色标上、下限分别为 40.59-51.45 μm 与 40.50-43.68 μm偏离碗状规律的那部分才是问题。老化实验里凸起高度超过 20 μm 的样品、不规律凸起面积占比超过 15% 的样品都出现了早期失效其余样品的功率衰减多在 5% 到 7% 之间。焊料层设计厚度 30 μm凸起处按高度填满焊料散热路径因此变长凸起 20 μm、面积占 1% 时最高温度 64.5 ℃平坦区 40.5 ℃凸起降到 6 μm、面积占 5%温差只剩 13.9 ℃。两类凸起器件的热仿真分布a凸起高度 20 μm、面积占 1%凸起处最高温度 64.5 ℃平坦区约 40.5 ℃最高温超出色阶上限 60 ℃故呈饱和深红b凸起高度 6 μm、面积占 5%聚集区明显收窄。色标 Temperature/℃ 为温度刻度单位 ℃色阶 2060凸起越高热量聚集越强。数值本身只代表趋势。凸起越高热量越容易堆在一点具体温升还要看焊料厚度和功率密度。焊接空洞焊料层是器件与热沉之间唯一的热通道。空洞等于在通道上开了个洞空气热导率约 0.023 W/(m·K)焊料约 7090 W/(m·K)差三千倍以上热流到边缘只能绕行剩下的在附近堆积。整体空洞比高并不一定致命。B 组中两块整体空洞比 2.60% 与 3.28% 的样品同时早期失效共同点是都有一个单个空洞比超过 1.5% 的环形空洞暗点就贴着这块空洞。B10、B11 器件的环形焊接空洞与老化后暗点ab老化前 X 射线透视下的焊料层红框为单个空洞比超过 1.5% 的环形空洞cd同批器件老化后的明暗点分布暗点黑斑紧贴上述空洞。发光暗点暗点要通上电流才看得见。CCD 显微镜在 20 A、10 ms、50 Hz 的脉冲电流下拍整个阵列的发光分布超过阈值电流还不亮的单元就是暗点。1% 的阈值大约对应一百个暗点。C 组两块暗点在 120 个与 240 个左右的样品早期失效。切片后看到虚焊造成的焊料分层电流挤在那一小块上电阻和温度一起往上走。C1 器件的暗点演化与截面结构a老化前明暗点b老化后暗点范围明显扩大橙字 SEM observed position 为 SEM 取样位置c暗点处单个发光单元的截面 SEM 图可见焊料层分层标注尺寸依次为 11.13、10.63、29.46、56.56 μm。三类缺陷的损伤路径也不一样高凸起压坏垂直腔结构那片单元从此不出光空洞抬高局部热阻暗点本身是持续发热的小热源。VCSEL 早期失效筛选指标检测手段要和目标缺陷对上。共聚焦显微镜管表面形貌X 射线透视看焊料层里的空洞CCD 显微成像数激射状态下不亮的单元。凸起下方出了什么要切片上 SEM 看。老化条件按长脉冲场景设定50 A、30 ms、10 Hz水冷 28 ℃。输出功率跌到初始值的 80% 判失效24 h 内失效的算早期失效对应 86.4 万次脉冲。筛选规则就是刚才那三条线。凸起 20 μm 或面积 15%、单个空洞比 1.5%、暗点占比 1%通过筛选的器件再做寿命外推三组分别达到 11705 万、7781 万和 13148 万次脉冲。外推系数取 5 有前提每组样品不少于 5 只标准差小于 5%。三组器件在 ACC 模式下的寿命外推纵轴 P_out/P_0 为输出功率比横轴 Pulse counts/10⁴ 为脉冲次数单位万次三条拟合线 linear fit for group A/B/C 依次对应 A、B、C 组虚线与拟合线的交点标出功率降至 0.8P_0 时的脉冲数A 组 11705 万次、B 组 7781 万次、C 组 13148 万次这些数值是按功率退化率外推出来的算法出自ISO/FDIS 17526:2003(E)。那份标准只规定激光器寿命怎么算不管表面形貌怎么测。共聚焦显微镜在产线上的作用是把表面起伏变成可比的数两批器件对比同一区域凸起的高度和面积都能拿出来说话。它给的只是形貌空洞和亮不亮要靠另外两种检测。这套流程改的是检测顺序。原来的做法要先封装、再通电跑到失效统计规律操作繁琐、成本也高。现在三种检测放在老化之前先用形貌、空洞和暗点把高风险器件剔出去剩下的才进老化台。光子湾3D共聚焦显微镜光子湾3D共聚焦显微镜是一款用于对各种精密器件及半导体材料表面可应对多样化测量场景符合ISO25178标准测量能够快速高效完成亚微米级形貌和表面粗糙度的精准测量任务提供值得信赖的高质量数据。技术支持199-6293-0018超宽视野范围高精细彩色图像观察提供粗糙度、几何轮廓、结构、频率、功能等五大分析技术采用针孔共聚焦光学系统高稳定性结构设计提供调整位置、纠正、滤波、提取四大模块的数据处理功能光子湾共聚焦显微镜以原位观察与三维成像能力为精密测量提供表征技术支撑助力从表面粗糙度与性能分析的精准把控成为推动多领域技术升级的重要光学测量工具。#3D 共聚焦显微镜#表面缺陷分析#三维形貌#微观轮廓测量#非接触式测量#三维形貌#半导体激光器 #高功率 VCSEL #VCSEL 阵列#表面形貌 #表面轮廓原文参考周泉材, 李阳, 袁崇献, 等. 高功率衬底转移 VCSEL 阵列失效分析与早期筛选[J]. 中国激光, 2024, 51(13): 1301006. DOI: 10.3788/CJL231556。本文图 1—图 5 依次对应该文图 1ab、图 3、图 7、图 8、图 10均为原文图件的原尺寸裁切400 dpi*特别声明本公众号所发布的原创及转载文章仅用于学术分享和传递行业相关信息。未经授权不得抄袭、篡改、引用、转载等侵犯本公众号相关权益的行为。内容仅供参考如涉及版权问题敬请联系我们将在第一时间核实并处理。
