CN112179919B - 一种半导体激光器芯片失效分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种半导体激光器芯片失效分析方法，目的是解决现有方法难以准确分析和判断半导体激光器芯片失效原因的问题。该方法包括：步骤一、物理缺陷检查；步骤二、光电性能测试；步骤三、腔面光场分布测试；步骤四、扫描电子显微镜分析；步骤五、内部分析；步骤六、焊接质量分析。本发明方法是一种逐层递进、由外及内的失效分析方法，可快速找出COS芯片失效的原因及失效的深层机理。
Description
技术领域
本发明属于半导体激光器失效分析领域，具体涉及一种半导体激光器芯片失效分析方法。
背景技术
COS封装半导体激光器芯片由于其体积小、结构简单、光电转换效率高、等特点，被广泛应用于固体激光器和光纤激光器泵浦源，进而在医学、工业制造、军事、通信等领域发展迅猛，但是COS封装半导体激光器在使用过程中失效现象比较普遍，并且缺乏系统化的失效分析方法。
目前，针对COS封装半导体激光器失效分析主要集中于外观检查和腔面光学灾变(COMD)检查，而对于腔内光学灾变(COBD)没有直观有效的分析方法；另外COS封装以金锡焊料为主，金锡焊料在280-350℃合金化，焊接状况无法直观观察；合金化的金锡焊料在加热过程中很难分离，即使分离焊接层，其内部结构也已经发生改变，无法对其失效原因进行分析；同时，分离焊接层的物理方法容易造成焊接层不必要的划伤，引入的额外损伤可能会掩盖芯片本来的失效原因，难以准确地分析和判断芯片的失效情况。
发明内容
本发明的目的是解决现有方法难以准确分析和判断半导体激光器芯片失效原因的问题，提供一种半导体激光器芯片失效分析方法。
为实现以上发明目的，本发明的技术方案是：
一种半导体激光器芯片失效分析方法，包括以下步骤：
步骤一、物理缺陷检查；
采集芯片的外观图片，判断芯片外观是否存在物理性异常，若存在异常，则分析该物理异常是否是造成失效的原因，若是，则判定为物理损伤导致的芯片失效，若不是，则执行步骤二；
步骤二、光电性能测试；
2.1)测量芯片电压，若测量电压低于芯片的标准电压，则判定为芯片内部缺陷或微短路导致的芯片失效，若不是，则执行下一步；
2.2)测量芯片LIV曲线，若功率曲线下降且电压曲线向下弯曲，则判定为腔内光学灾变导致的芯片失效；若功率曲线下降且电压曲线向上弯曲，则判定为腔面光学灾变导致的芯片失效，若不存在以上现象，则执行下一步；
2.3)将芯片冷波长和芯片在不同电流下的工作波长进行对比，若工作波长蓝移，既判定为应力导致的芯片失效，若工作波长红移，则判定为散热异常导致的芯片失效，若不存在以上现象，则执行下一步；
步骤三、腔面光场分布测试；
3.1)将芯片放置在测试夹具中，对其施加小于阈值电流的mA级电流，采集芯片前腔面、后腔面的光场分布图，并测量发光区域大小；
3.2)若前腔面所测量的发光区域尺寸小于芯片所设计的发光区域尺寸或所测量的发光区域所出光为非连续光，则判定为芯片发光区损伤导致的芯片失效；
3.3)若前腔面所测量的发光区域尺寸大于芯片所设计的发光区域尺寸或芯片两侧有漏光现象，则判定为芯片设计或工艺缺陷导致的芯片失效；
3.4)若后腔面观察到发光情况，则判定为后腔面高反膜层异常导致的芯片失效；
若以上现象均不存在，则执行步骤四；
步骤四、扫描电子显微镜分析；
4.1)扫描电子显微镜对芯片进行检查，检查芯片是否出现侧腔面短路、焊料溢出、烧点和开裂，若存在，即判定为物理损伤导致的芯片失效，若不存在，则执行下一步；
4.2)分析前腔面、后腔面以及侧腔面沾污物的元素，若存在芯片中不包含的元素，即认为前腔面、后腔面沾污造成腔面膜层异常，侧腔面沾污造成芯片短路，从而判定为前腔面、后腔面的膜层异常或芯片短路导致的芯片失效，若不存在，则执行下一步；
4.3)对前腔面、后腔面的膜层组分进行分析，若膜层组分包括非设计组分或元素含量异常，则判定为腔面膜层工艺异常导致的芯片失效，若不存在，则执行下一步；
步骤五、内部分析；
5.1)将芯片封装在环氧树脂内；
5.2)通过研磨工艺去除芯片N面金属，并将N面砷化镓层的厚度研磨至设定值；
5.3)将芯片置于探针测试台上，正极探针与芯片基板相连接，负极探针与芯片N面相连接；
5.4)依次加载1～100毫安电流，观察芯片发光区的荧光区域是否存在暗点或暗线，若存在暗点或暗线，则判定为外延层缺陷导致的芯片失效，同时采集和保存每一电流下的图像数据，对比每一电流下所采集图形中暗点暗线分布情况，判定出缺陷的起始位置和缺陷的扩散趋势，该暗点或暗线的起始点即为芯片晶格缺陷点；若芯片发光区的荧光区域不存在暗线或暗点，则执行下一步；
步骤六、焊接质量分析；
6.1)将芯片浸泡在腐蚀液中，腐蚀芯片隔离层，使隔离层上部砷化镓外延层和隔离层下方金属焊接层分离，保留热沉上金锡焊料和芯片表面金层融合的痕迹；
6.2)观察残留在热沉焊接处金属分布痕迹；
6.3)分析不同残留痕迹中金属组分和含量，判定焊料融合情况；
6.4)若焊接处金属分布和含量有不均匀现象，即判定焊接层质量异常导致的芯片失效。
进一步地，步骤一中，通过体式显微镜、金相显微镜和电子扫描显微镜采集芯片的外观图片。
进一步地，步骤一中，芯片外观是否异常具体包括N面引线是否短路断路、芯片是否开裂、芯片是否破损、前腔面发光区是否存在腔面化学灾变、发光区是否被遮挡或沾污、热沉是否开裂、焊料层是否上翻引起短路、侧腔面是否有烧毁现象、前腔面/后腔面膜层是否脱落和/或异色、N面金属是否脱落。
进一步地，步骤2.1)中，通过万用表测量芯片电压，步骤2.2)中通过LIV测试平台测量芯片的LIV曲线。
进一步地，步骤三中，通过高响应度的远红外CMOS相机系统采集前、后腔面的光场分布图。
进一步地，步骤4.2)中，通过能量色散X射线光谱仪分析前腔面、后腔面以及侧腔面沾污物的元素；步骤4.3)中，通过能量色散X射线对前腔面、后腔面的膜层组分进行分析。
与现有技术相比，本发明技术方案具有以下技术效果：
1.本发明提供的半导体激光器芯片失效分析方法针对失效芯片，从可能导致失效的外部因素到内部因素逐步有序分析，避免了因分析过程中引入额外因素造成的误判，从而提高了失效分析的准确性。
2.本发明提供的半导体激光器芯片失效分析方法可对芯片外延层和焊接层的失效机理有准确判断，提高了失效分析的准确性。
附图说明
图1为本发明半导体激光器芯片失效分析方法的流程图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述：
为解决目前COS封装半导体激光器芯片失效分析问题，本发明提供了一种半导体激光器芯片失效分析方法，该方法是一种逐层递进、由外及内的失效分析方法，可快速找出COS芯片失效的原因及失效的深层机理。本发明方法依次通过外观检查、光电性能测试、扫描电镜检查、内部分析、失效总结等一系列有序的分析手段，逐步排除失效原因。
如图1所示，本发明提供的半导体激光器芯片失效分析方法包括以下步骤：
步骤一、物理缺陷检查；
通过体式显微镜、金相显微镜和电子扫描显微镜采集记录芯片的外观图片，并判断芯片外观是否存在物理性异常，若存在异常，则分析该物理异常是否是造成失效的原因，若是，则判定为物理损伤导致的芯片失效，若不是，则执行步骤二；
判断芯片外观是否存在物理性异常具体包括判断N面引线是否短路断路(金线是否坍塌)、芯片是否开裂、芯片是否破损、前腔面发光区是否存在腔面化学灾变(COMD)、发光区是否被遮挡或沾污、热沉是否开裂(陶瓷是否断裂)、焊料层是否上翻引起短路、侧腔面是否有烧毁现象、前腔面/后腔面膜层是否脱落和/或异色、N面金属是否脱落，以上外观检查内容为主要检查内容，未提到的其他外观异常也在分析范围内；
步骤二、光电性能测试；
在步骤一无法给出结果时，进行光电性能测试：
2.1)通过万用表测量芯片电压，若测量电压低于芯片的标准电压，既判定为芯片内部缺陷或微短路导致的芯片失效，若不是，则执行下一步；
2.2)通过LIV测试平台测量芯片LIV曲线(包括电压V、电流I、功率P等参数)，若功率曲线下降且电压曲线向下弯曲，则判定为腔内光学灾变(COBD)导致的芯片失效；若功率曲线下降且电压曲线向上弯曲，既判定为腔面光学灾变(COMD)导致的芯片失效，若不存在以上现象，则执行下一步；
2.3)将芯片的冷波长和芯片在不同电流工作下的工作波长进行对比，若工作波长蓝移，既判定为应力导致的芯片失效，若工作波长红移严重，即可判断散热异常导致的芯片失效，若不存在以上现象，则执行下一步；
步骤三、腔面光场分布测试
3.1)在步骤二无法给出结果时，将芯片放置在测试夹具中，对其施加远小于阈值电流的mA级电流，通过高响应度的远红外CMOS相机系统采集芯片前、后腔面光场分布，采集保存图像，并测量发光区域大小；远红外CMOS相机系统带有测量功能，可对所记录图形进行测量；
3.2)若前腔面所测量的发光区域尺寸小于芯片所设计的发光区域尺寸或所测量的发光区域所出光为非连续光，既判定为芯片发光区损伤导致的芯片失效；
3.3)若前腔面所测量的发光区域尺寸大于芯片所设计的发光区域尺寸或芯片两侧有漏光现象，则判定为芯片设计或工艺缺陷导致的芯片失效；
3.4)若后腔面观察到发光情况，既可判定为后腔面高反膜层异常导致的芯片失效；
若以上失效现象均不存在，则执行步骤四；
步骤四、扫描电子显微镜检查；
4.1)在步骤三无法给出结果时，进行扫描电子显微镜(Scanning electronmicroscope，SEM)检查，SEM可清晰检查出芯片侧腔面短路、焊料溢出、烧点和开裂等异常，弥补光学显微镜分析能力不足的缺陷；若存在异常，即判定为物理损伤导致的芯片失效，若不存在，则执行下一步；
4.2)能量色散X射线光谱仪(Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy，EDX)分析前后腔面以及侧腔面沾污物的元素，以分析和锁定污染物的来源和含量，若存在芯片中不包含的元素，即认为前腔面、后腔面沾污造成腔面膜层异常，侧腔面沾污造成芯片短路，从而判定为前腔面、后腔面的膜层异常或芯片短路导致的芯片失效，若不存在，则执行下一步；
4.3)能量色散X射线针对前后腔面腔面的膜层组分进行分析，若膜层组分包括非设计组分或元素含量异常，则判定为腔面膜层工艺异常导致的芯片失效，若不存在，则执行下一步；
步骤五、内部分析；
在步骤四无法给出结果时，进行电致发光(electroluminescent，EL)样品制作，分析芯片是否存在内部缺陷；
5.1)将需要测试的芯片封装在环氧树脂内；
5.2)通过研磨工艺去除芯片N面金属，并将N面砷化镓层研磨到30～100微米以下；
5.3)将芯片置于探针测试台下，正极探针与芯片基板相连接，负极探针与芯片N面相连接；
5.4)依次加载1～100毫安电流，观察芯片发光区的荧光区域是否存在暗点或暗线，若存在暗点或暗线，则判定为外延层缺陷导致的芯片失效，同时采集和保存每一电流下的图像数据，对比每一电流下所采集图形中暗点暗线分布情况，判定出缺陷的起始位置和缺陷的扩散趋势，该暗点暗线的起始点即为芯片晶格缺陷点，若不存在暗线或暗点，则执行下一步；
步骤六、焊接质量分析
6.1)将需要分析的样品浸泡在具有选择性腐蚀的溶液中，该腐蚀液只会选择性地腐蚀芯片隔离层，使隔离层上部砷化镓外延层和隔离层下方金属焊接层分离，热沉上保留金锡焊料和芯片表面金层融合的痕迹；腐蚀后分离的芯片和热沉具有明显的焊接痕迹，且针对不同设计的芯片，焊料金属分布和含量有明显差异；
6.2)利用SEM观察残留在热沉焊接处金属分布痕迹，记录并保存图片；
6.3)利用EDX分析不同残留痕迹中金属组分和含量，判定焊料融合情况；
6.4)若焊接处金属分布和含量有不均匀现象，即判定焊接层质量异常导致失效。
本发明步骤一到步骤六是有序分析，顺序颠倒，会引入新的失效因素。
本发明半导体激光器芯片失效分析方法针对失效芯片，从可能导致失效的外部因素到内部因素逐步有序分析，避免了分析过程中引入新的失效因素，造成误判，提高了失效分析的准确性。
本发明半导体激光器芯片失效分析方法对芯片外延层和焊接层的失效机理有准确判断，提高了失效分析的准确性。
本发明半导体激光器芯片失效分析方法通过对半导体激光器失效外在因素和内在因素进行分析，判定其失效机理，从而将结果反馈到芯片设计、制造和封装等工艺步骤，进而相应的改变芯片的设计、材料结构和工艺等，从而提高芯片性能。
本发明方法不仅限于COS封装半导体激光器芯片的失效分析，对巴条等其他半导体激光器芯片的失效分析同样适用。
Claims (6)
1.一种半导体激光器芯片失效分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、物理缺陷检查；
采集芯片的外观图片，判断芯片外观是否存在物理性异常，若存在异常，则分析该物理异常是否是造成失效的原因，若是，则判定为物理损伤导致的芯片失效，若不是，则执行步骤二；
步骤二、光电性能测试；
2.1)测量芯片电压，若测量电压低于芯片的标准电压，则判定为芯片内部缺陷或微短路导致的芯片失效，若不是，则执行下一步；
2.2)测量芯片LIV曲线，若功率曲线下降且电压曲线向下弯曲，则判定为腔内光学灾变导致的芯片失效；若功率曲线下降且电压曲线向上弯曲，则判定为腔面光学灾变导致的芯片失效，若不存在以上现象，则执行下一步；
2.3)将芯片冷波长和芯片在不同电流下的工作波长进行对比，若工作波长蓝移，即判定为应力导致的芯片失效，若工作波长红移，则判定为散热异常导致的芯片失效，若不存在以上现象，则执行下一步；
步骤三、腔面光场分布测试；
3.1)将芯片放置在测试夹具中，对其施加小于阈值电流的mA级电流，采集芯片前腔面、后腔面的光场分布图，并测量发光区域大小；
3.2)若前腔面所测量的发光区域尺寸小于芯片所设计的发光区域尺寸或所测量的发光区域所出光为非连续光，则判定为芯片发光区损伤导致的芯片失效；
3.3)若前腔面所测量的发光区域尺寸大于芯片所设计的发光区域尺寸或芯片两侧有漏光现象，则判定为芯片设计或工艺缺陷导致的芯片失效；
3.4)若后腔面观察到发光情况，则判定为后腔面高反膜层异常导致的芯片失效；
若以上现象均不存在，则执行步骤四；
步骤四、扫描电子显微镜分析；
4.1)扫描电子显微镜对芯片进行检查，检查芯片是否出现侧腔面短路、焊料溢出、烧点和开裂，若存在，即判定为物理损伤导致的芯片失效，若不存在，则执行下一步；
4.2)分析前腔面、后腔面以及侧腔面沾污物的元素，若存在芯片中不包含的元素，即认为前腔面、后腔面沾污造成腔面膜层异常，侧腔面沾污造成芯片短路，从而判定为前腔面、后腔面的膜层异常或芯片短路导致的芯片失效，若不存在，则执行下一步；
4.3)对前腔面、后腔面的膜层组分进行分析，若膜层组分包括非设计组分或元素含量异常，则判定为腔面膜层工艺异常导致的芯片失效，若不存在，则执行下一步；
步骤五、内部分析；
5.1)将芯片封装在环氧树脂内；
5.2)通过研磨工艺去除芯片N面金属，并将N面砷化镓层的厚度研磨至设定值；
5.3)将芯片置于探针测试台上，正极探针与芯片基板相连接，负极探针与芯片N面相连接；
5.4)依次加载1～100毫安电流，观察芯片发光区的荧光区域是否存在暗点或暗线，若存在暗点或暗线，则判定为外延层缺陷导致的芯片失效，同时采集和保存每一电流下的图像数据，对比每一电流下所采集图形中暗点暗线分布情况，判定出缺陷的起始位置和缺陷的扩散趋势，该暗点或暗线的起始点即为芯片晶格缺陷点；若芯片发光区的荧光区域不存在暗线或暗点，则执行下一步；
步骤六、焊接质量分析；
6.1)将芯片浸泡在腐蚀液中，腐蚀芯片隔离层，使隔离层上部砷化镓外延层和隔离层下方金属焊接层分离，保留热沉上金锡焊料和芯片表面金层融合的痕迹；
6.2)观察残留在热沉焊接处金属分布痕迹；
6.3)分析不同残留痕迹中金属组分和含量，判定焊料融合情况；
6.4)若焊接处金属分布和含量有不均匀现象，即判定焊接层质量异常导致的芯片失效。
2.根据权利要求1所述的半导体激光器芯片失效分析方法，其特征在于：步骤一中，通过体式显微镜、金相显微镜和电子扫描显微镜采集芯片的外观图片。
3.根据权利要求2所述的半导体激光器芯片失效分析方法，其特征在于：步骤一中，芯片外观是否异常具体包括N面引线是否短路断路、芯片是否开裂、芯片是否破损、前腔面发光区是否存在腔面化学灾变、发光区是否被遮挡或沾污、热沉是否开裂、焊料层是否上翻引起短路、侧腔面是否有烧毁现象、前腔面/后腔面膜层是否脱落和/或异色、N面金属是否脱落。
4.根据权利要求1或2或3所述的半导体激光器芯片失效分析方法，其特征在于：步骤2.1)中，通过万用表测量芯片电压，步骤2.2)中通过LIV测试平台测量芯片的LIV曲线。
5.根据权利要求4所述的半导体激光器芯片失效分析方法，其特征在于：步骤三中，通过高响应度的远红外CMOS相机系统采集前、后腔面的光场分布图。
6.根据权利要求5所述的半导体激光器芯片失效分析方法，其特征在于：步骤4.2)中，通过能量色散X射线光谱仪分析前腔面、后腔面以及侧腔面沾污物的元素；步骤4.3)中，通过能量色散X射线对前腔面、后腔面的膜层组分进行分析。
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