隨著高功率半導(dǎo)體激光器（HPLD）在極端環(huán)境中的應(yīng)用越來越廣泛,互連界面的可靠性已成為制約其性能和壽命的關(guān)鍵瓶頸之一。文中利用有限元方法（FEM）對(duì)傳導(dǎo)冷卻（CS）高功率半導(dǎo)體激光器巴條互連界面在-55～125℃熱沖擊條件下的失效行為和壽命進(jìn)行了模擬與分析。基于粘塑性Anand本構(gòu)模型和Darveaux能量積累理論,對(duì)比了熱沖擊后界面層邊緣及中心位置銦互連界面的可靠性,發(fā)現(xiàn)互連界面邊緣的應(yīng)力最大,達(dá)到0.042 5 GPa;相應(yīng)的邊緣位置的壽命最短,只有3 006個(gè)周期,即邊緣位置為互連界面的"最危險(xiǎn)單元"。預(yù)測(cè)了采用銦、金錫合金和納米銀焊膏封裝的半導(dǎo)體激光器巴條的壽命,計(jì)算出銦、金錫合金和納米銀焊膏三種不同鍵合材料在邊緣位置的壽命分別為3 006、4 808和4 911次循環(huán),表明納米銀焊膏和金錫合金在熱沖擊條件下具有更長的壽命,更適合于用于極端環(huán)境的高功率半導(dǎo)體激光器封裝。 

【文章來源】：紅外與激光工程. 2018年11期 北大核心

【文章頁數(shù)】：8 頁

【部分圖文】：

HPLD巴條完整模型(a)和半模型網(wǎng)格劃分(b)示意圖Fig.2FullmodeloftheHPLDbar(a)andmeshofthe

紅外與激光工程第11期www.irla.cn第47卷1105002-4和精確度，目前被廣泛采用的是混合網(wǎng)格劃分方法。文中也采用了該類方法，對(duì)于重點(diǎn)研究的芯片層及其下方互連界面，采用精細(xì)單元的映射網(wǎng)格繪制(網(wǎng)格尺寸0.1mm)。對(duì)于模型的其他部分，則采用了能夠根據(jù)模型結(jié)構(gòu)自適應(yīng)網(wǎng)格大小的smartsize自由網(wǎng)格(網(wǎng)格尺寸0.8/1.6mm)，從而在不降低計(jì)算結(jié)果精確度的前提下，優(yōu)化網(wǎng)格設(shè)計(jì)，提高運(yùn)算效率。溫度加載采用升降溫幅度較大的熱沖擊過程模擬高功率半導(dǎo)體激光器互連界面在極端環(huán)境中的加速老化行為。溫度載荷施加對(duì)象為激光器整體，熱沖擊過程中器件不工作。加載溫度隨時(shí)間變化的關(guān)系如圖3所示。熱沖擊溫度范圍為228～398K(-55～125℃)，每個(gè)周期內(nèi)包含保溫-升溫-保溫-降溫四個(gè)載荷步，升降溫速率為36K/s。根據(jù)文獻(xiàn)結(jié)果[9]，互連界面的應(yīng)力應(yīng)變?cè)跓釠_擊過程中也呈現(xiàn)周期性變化，且一般到第四個(gè)循環(huán)周期時(shí)已趨于穩(wěn)性變化，因此文中在模擬分析中采用四個(gè)周期作為循環(huán)次數(shù)。圖3高功率半導(dǎo)體激光器溫度載荷隨時(shí)間變化曲線Fig.3RelationshipbetweentheHPLD′stemperatureloadingandtime1.2互連界面局域失效機(jī)理研究由于激光器巴條各片層材料熱膨脹系數(shù)不一致，在熱沖擊下互連界面受剪切及拉伸應(yīng)力作用產(chǎn)生形變，這將導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生和生長，最后造成互連界面疲勞失效。根據(jù)斷裂力學(xué)理論，材料的區(qū)域應(yīng)力應(yīng)變?cè)酱螅鸭y萌生越早、生長速度越快。文中將互連界面上裂紋出現(xiàn)最早，生長速度最快的單元稱為“最危險(xiǎn)單元”。通過分析ANSYS后處理系統(tǒng)中的應(yīng)力應(yīng)變及應(yīng)變能密度分布云圖，獲得變量在互連界面上的分布情況，能夠確定“最危險(xiǎn)單元”的位置。圖為納米銀焊膏、銦和金錫合金三種材料構(gòu)成的互連界面在熱沖擊結(jié)束后的整體3D應(yīng)力(圖4(a1)、

紅外與激光工程第11期www.irla.cn第47卷1105002-4和精確度，目前被廣泛采用的是混合網(wǎng)格劃分方法。文中也采用了該類方法，對(duì)于重點(diǎn)研究的芯片層及其下方互連界面，采用精細(xì)單元的映射網(wǎng)格繪制(網(wǎng)格尺寸0.1mm)。對(duì)于模型的其他部分，則采用了能夠根據(jù)模型結(jié)構(gòu)自適應(yīng)網(wǎng)格大小的smartsize自由網(wǎng)格(網(wǎng)格尺寸0.8/1.6mm)，從而在不降低計(jì)算結(jié)果精確度的前提下，優(yōu)化網(wǎng)格設(shè)計(jì)，提高運(yùn)算效率。溫度加載采用升降溫幅度較大的熱沖擊過程模擬高功率半導(dǎo)體激光器互連界面在極端環(huán)境中的加速老化行為。溫度載荷施加對(duì)象為激光器整體，熱沖擊過程中器件不工作。加載溫度隨時(shí)間變化的關(guān)系如圖3所示。熱沖擊溫度范圍為228～398K(-55～125℃)，每個(gè)周期內(nèi)包含保溫-升溫-保溫-降溫四個(gè)載荷步，升降溫速率為36K/s。根據(jù)文獻(xiàn)結(jié)果[9]，互連界面的應(yīng)力應(yīng)變?cè)跓釠_擊過程中也呈現(xiàn)周期性變化，且一般到第四個(gè)循環(huán)周期時(shí)已趨于穩(wěn)性變化，因此文中在模擬分析中采用四個(gè)周期作為循環(huán)次數(shù)。圖3高功率半導(dǎo)體激光器溫度載荷隨時(shí)間變化曲線Fig.3RelationshipbetweentheHPLD′stemperatureloadingandtime1.2互連界面局域失效機(jī)理研究由于激光器巴條各片層材料熱膨脹系數(shù)不一致，在熱沖擊下互連界面受剪切及拉伸應(yīng)力作用產(chǎn)生形變，這將導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生和生長，最后造成互連界面疲勞失效。根據(jù)斷裂力學(xué)理論，材料的區(qū)域應(yīng)力應(yīng)變?cè)酱螅鸭y萌生越早、生長速度越快。文中將互連界面上裂紋出現(xiàn)最早，生長速度最快的單元稱為“最危險(xiǎn)單元”。通過分析ANSYS后處理系統(tǒng)中的應(yīng)力應(yīng)變及應(yīng)變能密度分布云圖，獲得變量在互連界面上的分布情況，能夠確定“最危險(xiǎn)單元”的位置。圖為納米銀焊膏、銦和金錫合金三種材料構(gòu)成的互連界面在熱沖擊結(jié)束后的整體3D應(yīng)力(圖4(a1)、

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]基于Anand模型SnAgCu-X焊點(diǎn)疲勞壽命預(yù)測(cè)[J]. 孔達(dá),張亮,楊帆.  焊接學(xué)報(bào). 2017(04)
[2]高亮度半導(dǎo)體激光器的研制[J]. 王英順,任永學(xué),安振峰.  紅外與激光工程. 2016(S2)
[3]鍵合界面對(duì)面發(fā)射激光器的光、熱性質(zhì)影響[J]. 何國榮,鄭婉華,渠紅偉,楊國華,王青,曹玉蓮,陳良惠.  紅外與激光工程. 2007(06)



本文編號(hào)：2955667