宇航用BOX封装激光器结构分析.pdf
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1、T/技术专栏宇航用BOX封装激光器结构分析王伟,裴选,席善斌,高东阳,高若源,彭浩,黄杰(1.河北北芯半导体科技有限公司,石家庄0 50 0 51;2.国家半导体器件质量检验检测中心,石家庄0 50 0 51)摘要:元器件的结构分析(constructionalanalysis,CA)技术是一种重要的可靠性评估手段,目的是对元器件的结构设计、工艺以及材料展开分析,来判断其是否满足应用需求。宇航用激光器因复杂的工作环境其可靠性至关重要,针对国产和进口两种激光器制定了详细的结构分析方案,通过非破坏性试验和破坏性试验对激光器整体、内部以及剖面进行了深入分析。结果表明:型号A激光器光纤适配器未进行表面
2、处理;探测器芯片存在多次返工痕迹;各元件均采用导电胶粘接工艺,导热、导电能力较差,可靠性较低。研究结论有助于解决激光器器件的潜在风险,为今后同类型激光器的可靠性分析提供了参考。关键词:结构分析(CA);宇航环境;BOX封装激光器;可靠性;破坏性试验中图分类号:TN406文献标识码:A文章编号:10 0 4-7 2 0 4(2 0 2 3)0 6-0 0 7 9-0 7Constructional Analysis(CA)of BOX Packaged Laser for AerospaceWANG Wei,PEI Xuan,XI Shan-bin,GAO Dong-yang,GAO Ruo-y
3、uan,PENG Hao,HUANG Jie(1.Hebei Beixin Semiconductor Technology Co.Ltd,Shijiazhuang 05005l;2.National Semiconductor Device Quality Inspection and Testing Center,Shijiazhuang 050051)Abstract:Constructional analysis(CA)technology of components is an important reliability evaluationmethod.The purpose is
4、 to analyze the constructional design,process and materials of componentsto judge whether they meet the engineering application.Due to the complex working environment andminiaturization of devices requirements,the reliability of aerospace lasers is very important.Detailed structural analysis plans h
5、ave been developed for both domestic and foreign lasers,and in-depth analysis has been conducted on the overall,internal,and profile of the laser through non-destructive and destructive tests.The test results show that for the aerospace environment.Model Alaser fiber adapter is not surface-treated.T
6、he detector chip has many rework marks.Each componentadopts conductive adhesive bonding process,which has poor thermal conductivity and electricalconductivity,and low reliability.The research conclusion helps to address the potential risks oflaser devices and provides a reference for reliability ana
7、lysis of similar lasers in the future.Key words:constructional analysis(CA);aerospace environment;BoX packaged laser;reliability;destructivetests引言随着我国激光通信事业的发展,半导体激光器优势明显,被广泛地应用在激光测距、激光探测、激光引信、激光制导、激光雷达等领域。很多国内外厂家均已推出了多种小型化EML带制冷激光器,常见的激光器封装形式有BOX封装、蝶形封装以及同轴封装等2-3。由于小型带制冷封装的激光器结构较复杂以及应用领域的不断扩大,其应用可
8、靠性显得尤为重要。结构分析2023 年6 月/June 2023 79技术专栏 TlechnicalColumn激光器(C A)技术是近年来兴起的一种新的元器件可靠性评价方法1-7。结构分析技术的目的是在早期通过一系列试验的组合来对器件的结构、工艺以及材料进行分析评价,从而判断器件是否满足工程应用。由于器件在使用过程中发生失效的频次增多,越来越多的人开始重视新研发产品在使用前的可靠性评价。加之卫星、航天器等所在的宇航环境极其恶劣,宇航用激光器除了自身工作的可靠性外,还要承受各种来自宇宙射线、粒子的辐射,需要长时间持续工作且无需维修,因此在可靠性方面要求极其苟刻。本文选用国产、进口两种型号的BO
9、X封装激光器进行对比,通过结构分析技术对器件的结构设计、材料以及工艺进行深人研究。利用光学显微镜、X射线检测仪、SEM扫描电子显微镜及能谱分析等检测手段分别从宏观角度、微观结构详细探究了两种激光器是否满足宇航应用需求,并针对不合理的结构设计、工艺、材料提出了改进措施,对激光器器件的可靠性设计具有一定的指导,同时对国产化器件具有重要意义。1结构分析方案制定开展结构分析前需要对元器件进行样品背景和分析背景调查,根据调查结果制定具体的结构分析方案,以判断元器件是否满足应用需求。本文针对应用于宇航环境的BOX封装激光器,通过对比两种型号的激光器,重点分析激光器结构设计、工艺以及材料,以验证其是否满足宇
10、航环境应用需求。1.1结构单元分解以国产(以下简称“型号A”)和进口(以下简称“型号B”)两种BOX封装激光器为例,按照物理单元和功能单元将元器件分解为结构和功能的最小单元,以及工艺和材料的最小界限,从而获得典型宇航用激光器的结构单元分解图,如图1所示。1.2结构要素识别根据激光器不同结构单元可能出现的失效模式,对其结构要素进行识别,制定针对性的试验计划,如表1所示;采取先非破坏性试验再破坏性试验的原则对试验项目进行组合排序,形成最优的试验程序,从而尽可能地减少样品数量、提高分析效率。2详细分析与改进建议本节对型号A激光器和型号B激光器进行了详细分析,并针对结构分析过程中遇到的问题提出了相应的
11、改进建议。2.1封装管壳封装管壳是保证激光器可靠性的第一道防线。由于封装管壳标识管壳柔性电路板光纤适配器引线键合元器件粘接金属化层钝化层图1结构单元分解图表1结构要素组成和对应的试验方法结构单元结构评价要素标识的方式方法标识标识信息、牢固度盖板与管壳的尺寸盖板与管壳的加工质量封装管壳盖板与管壳的基材、涂覆管壳密封性基材与涂覆光纤适配器密封性柔性电路板加工质量内引线材料、尺寸、弧度、X射线检查、布局内部目检、扫引线键合内引线材料和内电极的匹描电镜检查、配性能谱分析、键键合工艺质量合强度互联X射线检查、内部目检、扫安装位置、方向描电镜检查、元器件粘接米粘接材料、工艺粘接牢固度金属化层形貌、材料芯片
12、结构钝化层形貌、材料芯片芯片布局芯片安装位置、方向互联芯片芯片结构芯片布局试验方法外部目检、耐溶剂试验外部目检、外形尺寸、镀层厚度测量、密封外部目检、外形尺寸、密封外部目检剖面检查、能谱分析、剪切强度内部目检、扫描电镜检查、剖面检查、能谱分析80环境技术/Environmental TechnologyT/技术专栏宇航环境的复杂性,管壳很容易受宇宙的各种射线、粒子的辐射以及腐蚀,导致器件内部失效。对于本文选用的两种宇航用激光器封装管壳的分析,主要包括标识、管壳、光纤适配器以及柔性电路板,如图2 所示。型号A激光器和型号B激光器的标识分别采用油墨打标和标签的方式。两种标识的牢固性取决于器件表面的
13、光滑程度以及油墨和标签的粘附能力,再加上受到环境以及外力的影响,标识易模糊甚至脱落。因此对于采用油墨打标或标签类型的激光器器件,需对其进行耐溶剂性试验,以验证其可靠性。依据GJB548BI9方法2015.1对两种激光器进行耐溶剂试验。检查结果发现:两种型号激光器标识清晰,无脱落、褪色、变模糊等迹象。型号A激光器管壳基材为可伐合金,表面镀镍金,盖板基材为不锈钢,表面镀镍;型号B激光器管壳和盖板基材为可伐合金,底座材料为钨铜,表面镀镍金,通过银铜焊料和管壳焊接。两种激光器均采用平行封焊工艺密封,对其进行镀层厚度以及密封试验,镀层测量结果均符合GJB7400l0附录D中的要求,密封试验结果符合GJB
14、548B中方法10 14.2 的要求。光纤适配器用于固定光纤,实现光纤连接器的对准连接。两种激光器的光纤适配器基材均为不锈钢,未进行表面处理。由于不锈钢虽具有一定的防腐能力,但是在酸碱环境中由于氯化物的存在,不锈钢会随着时间的推移腐蚀、生锈。水汽中的溶解氧与内部金属发生电化学反应,在不锈钢表面形成点蚀坑,其电化学反应式为:Fe-2eFe2(阳极)0+2H,0+4e40H(阴极)随着时间的推移,点蚀坑逐渐的被腐蚀产物覆盖,形成闭塞区,与外界空气隔绝。闭塞区内的氧被消耗完后,阴极电化学反应转移至闭塞区外部,闭塞区内部产生大量Fe2,此时闭塞区外部的CI会进入闭塞区内部,达到离子平衡的状态。闭塞区内
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