宇航用BOX封装激光器结构分析.pdf

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-yuan,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 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 have 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.The 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 analysis 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BOX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GJB548B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。闭塞区内部形成的化合物FeCl,属于强酸弱碱盐，发生水解产生H，使不锈钢的腐蚀进一步加快，其水解反应式为：Fe2*+2CI+2H,0=Fe（O H)2+2 H Cl因此对于不锈钢材质的器件需要进行表面处理，比如钝化，可以有效地防止生锈，提高器件的使用年限。光纤适配器内部均采用单模光纤金属化进行焊接固定，可以使光纤和焊料有效的结合，可靠性较高。2.2互联内部互联包括键合和内部元器件粘接，是激光器稳定工作的关键。随着器件的长期使用，器件互联工艺选用不当、工艺质量存在隐患，例如金铝键合生成金属间化合物和空洞12 1，导致激光器性能下降，甚至失效。型号A激光器芯片输人输出内匹配网络之间采用25m金丝球焊和楔形焊键合方式进行互联，型号B激光器采用2 5m金丝球焊键合方式进行互联。X射线照片如图3所示，可以看出内部键合良好，未见键合丝断裂、塌陷、脱落等明显异常。激光器内部整体形貌和细节通过光学显微镜和SEM扫描电子显微镜进行检查，分别如图4 8 所示。型号A激光器芯片通过金锡焊料采用植球焊接的方式烧结于芯片载体；探测器芯片、热敏电阻、电容等均通过导电胶进行粘接。经检查发现：探测器芯片（PD）大于50%图2 激光器外观形貌(a)型号A(b)型号B2023年6 月/June 2023 81技术专栏 TechnicalColumn的周界上见不到粘接介质，如图5所示；探测器芯片键合点有多次返工痕迹，且部分键完全或部分位于另一键、键尾或引线的残留物上如图6（a）、图6（b）所示；芯片载体表面金属化划伤，局部露出下层材料，如图6（c）所示。这是由于探测器芯片安装位置不合理，重新调整位置引起的工艺问题。其余各元件粘接未见明显异常。型号B激光器芯片、探测器芯片、热敏电阻、电容等均通过金锡共晶工艺烧结于芯片载体，如图7 8 所示。经检查发现：内部各元件位置安装准确、完整，无裂纹、缺损等异常形貌；芯片表面未见划痕、裂纹等异常形貌；内部互联线布局合理，未见断裂、脱落等异常形貌。依据GJB548B方法2 0 11.1分别对键合丝进行键合强度试验，结果均符合要求；依据GJB548B方法2 0 19.2 分别对各个元件进行剪切强度试验，结果均符合要求。(a)型号A(b)型号B图4内部整体形貌图5芯片载体形貌（a）键合点1返工形貌(a)型号A（b）键合点2 返工形貌(b)型号B图3X射线照片（c）部位3局部漏底形貌图6 细节形貌82环境技术/Environmental Technology/技术专栏M图7 芯片载体形貌激光器内部剖面金相显微镜形貌如图9所示，各元件粘（烧）结良好，未见空洞等明显异常。型号A激光器芯片载体材料为硅，通过导电胶粘接于半导体制冷器（Thermoelectriccooler，T EC）；T EC 通过导电胶粘接于管壳底座，配合热敏电阻共同保证激光器稳定工作；聚焦透镜和隔离器采用光学通用胶粘剂分别固定于TEC和管壳底座；型号B激光器芯片载体材料为氧化铝陶瓷，通过金锡焊料烧结于钨铜热沉上；钨铜热沉通过金锗焊料烧结于可伐合金载体上；可伐合金载体通过金锡焊料烧结于半导体制冷器TEC，T EC通过锡铋焊料粘接于管壳底座，配合热敏电阻共同保证激光器稳定工作；聚焦透镜通过光学通用胶粘剂粘接于可伐合金载体。通过以上对比分析可以看出：型号A激光器在工艺上存在一定的安全隐患，探测器芯片由于安装位置不合理，存在多次返工痕迹，建议在后续对产品加强工艺质量把控，提供工艺师操作水平。型号B激光器各元件大多采用共晶焊接工艺进行固定，可靠性较高，未见宇航禁（限）用工艺以及材料；型号A激光器各元件大多采用导电胶粘接工艺进行固定，可靠性较低，且导电胶导热性能较差，电阻率大，易发生银迁移现象3，再加上半导体制冷器的效率受到冷热端温差的影响较大，且热量积累越多，致使激光器阈值电流升高，波长(a）光学显微镜形貌（a）型号A激光器剖面粘接形貌(b）型号B激光器面烧结形貌图9激光器剖面形貌(a)钝化层(b）金属化层图10 型号A典型SEM形貌(a)钝化层图11型号B典型SEM形貌(b)SEM形貌图8 细节形貌(b）金属化层2023年6 月/June 202383技术专栏 TechnicalColumn发生严重温飘14.1,，需要采用低熔点（防止制冷器损坏）合金焊料焊接保证良好的散热性，建议型号A激光器选取芯片共晶工艺技术焊接固定，以提高器件可靠性，从而有效的应对复杂的宇航环境。2.3芯片芯片是激光器稳定工作的基础。在以往的研究中有大量的器件由于钝化层不完整、裂纹等，导致芯片受到外来离子站污，出现失效；金属化层表面存在裂纹、空洞等，导致键合工艺不良；芯片安装位置不合理，导致器件功能失效，例如2.2 中型号A激光器中探测器芯片距离激光器芯片较远，无法有效地检测激光器背侧出光，从而引发的一系列工艺问题。分别对两种激光器芯片进行SEM扫描电镜检查，典cps/ev987654型SEM形貌如图10 11所示。经检查发现：表面钝化层完整、覆盖良好，未见裂纹、空洞等明显异常；表面金属化完整，微观结构工艺质量良好，未见空洞、小丘、不均匀等明显异常。对钝化层和金属化层进行能谱分析，未见异常元素，如图12 13所示。两种激光器芯片位置、方向安装合理，探测器芯片位于激光器芯片背侧，用于接收激光器背侧出光，从而判断激光器是否正常工作；芯片出光面产生的光束通过透镜和光纤适配器等与尾纤进行耦合对准，使光束可以最大效率的耦合进光纤。经以上分析，可以看出型号A激光器和型号B激光器芯组工艺良好，均未见明显异常。需要注意的是，光纤耦合技术是决定激光器性能的关键，随着技术的不cps/evSpectrum198765AuSpectrum1S43210cps/ev1412108642321012Au12334Energy kev(a）金属化层45Energy kev(a)金属化层566778Spectrum1Au89图12 型号B能谱结果9图12 型号A能谱结果cps/ev987654321010101S122334Energy kev(b)钝化层45Energy kev(b)钝化层566778Spectrum1899101084环境技术/Environmental TechnologyColumn/技术专栏断优化，如何提高光纤耦合效率、减小光纤芯径，对以后激光器技术的发展意义重大。7徐昕，陈品君，邝栗山，等，数字隔离器结构分析技术研究J.电子测试，2 0 2 0(4):5-7.3结论本文对应用于宇航环境的国产和进口BOX封装激光器同时开展结构分析，对比各项试验结果发现，型号A激光器光纤适配器采用不锈钢材料，但未进行表面处理；探测器芯片存在多次返工痕迹，导致键合和芯片粘接工艺出现一系列问题；采用粘接工艺可靠性较低，难以适用于宇航环境；型号B激光器在结构设计、工艺及材料方面未见明显异常，可靠性较高。最后对两种型号激光器存在以及可能出现的可靠性问题并提出相关的改进建议，为以后激光器器件的可靠性设计具有一定的指导意义。以上可以看出，通过对激光器使用前针对性的开展结构分析，及时发现器件结构、工艺以及材料潜在的风险和可靠性问题至关重要，可在极大程度上避免早期失效。最后期待祖国的半导体事业在不久的将来可以蓬勃发展，走在世界前列！8】赵小宁，李秀清，国外军事和宇航应用宽带隙半导体技术的发展J.半导体技术，2 0 0 9,34(7):6 2 1-6 2 5.9GJB548B-2005,微电子器件试验方法和程序S.10GJB7400-2011,合格制造厂认证用半导体集成电路通用规范S 11 FENG X G,XU Y W,ZHANG X Y,et al.A statistical Studyon Metastable Pitting of 304 stainless steel in chloridecontaminated carbonated concrete pore solution J.Int.J.Electrochem.Sci.,2018,13(11):10339-10354.12杨镓溢，王旭光，秦文龙，等.基于薄膜HIC金铝键合失效的工艺研究J.微电子学，2 0 2 1,51(3)：347-350.13鲁青，邹军，石明明，等.倒装LED芯片共晶焊接性能研究J.应用技术学报，2 0 2 0,2 0(4):316-32 2.14吴俊，李长俊.基于TEC的高精度温控系统设计J.电子设计工程，2 0 17,2 5(2 0):7 5-7 9.15张乐，刘小刚，闭治跃，等.高功率激光装置高热流密度散热技术探讨J.环境技术，2 0 18(2):8 2-8 8.16孙雷，张存善，任浩，等.97 6 nm单管激光器光纤耦合技术研究J.半导体技术，2 0 11,36(9):6 7 7-6 8 0.作者简介：王伟（1996-），男，研究生，主要从事电子元器件可靠性的研究。000000参考文献：1】张厚博，王晓燕，崔璐，等.16 线集成窄脉冲半导体激光器模块的研制J.半导体技术，2 0 2 0,45(9:6 96-7 0 0.2 GIMLETTJ L,CHEUNGNK.Effectsofphase-to-intensitynoise conversion by multiple reflections on gigabit-per-secondDFBlasertransmission systems J.Journal of LightwaveTechnology.1989,7(6):888-895.3 JANDELETTJ,WIEDMANN.N,OSTLENDER.A.Packaging andcharacterization of high power diodelasers J.sPIE,2000,30(9):30-35.4崔帅，曹德峰，李志勇.聚焦离子束加工技术在元器件可靠性领域中的应用研究J.环境技术，2 0 16(2):2 6-30.5张爱林，董宇亮，张磊，结构分析技术在行波管可靠性评估中的应用J.电子元件与材料，2 0 12,31(8):6 6-7 1.6张磊，夏泓，龚欣，宇航元器件结构分析技术研究J.电子产品可靠性与环境试验，2 0 12,30(1):53-572023年6 月/June 202385