日本空間發展機構（NASDA）研制的一種大功率和短波激光二極管。在810nm波長時，該二極管的最大輸出功率為100mW。它要求在實際工作條件下達到高可靠指標（MTTF應超過5000h）。為了保證高可靠性，該二極管內采用了長空腔和金剛石子支架。

在試生產期間，經過溫度循環之后，一些樣品發生了光電失效。失效樣品的破壞性物理分析（DPA）顯示，二極管芯片上的裂紋把芯片分成兩部分。因此，空腔受到芯片裂紋的破壞而導致失效。

調查發現

NASDA調查了產生裂紋的工序和原因，重復了激光二極管原來的組裝工序，對每個工序中的樣品作了檢驗，以觀測芯片裂紋。經過芯片鍵合和合金工序之后，檢驗人員在多數選用的樣品中都發現了裂紋，認為那些裂紋是在芯片鍵合和合金工序中產生的。

在芯片鍵合和合金工序中，激光二極管芯片被鍵合到Au-Sn焊接的子支架上，這就要求加熱和冷卻。這樣，在該工序中產生了子支架與芯片之間的熱應力。因此，研究人員實施了熱應力分析，以弄清裂紋產生的原因。

分析顯示，在金剛石子支架上早早就產生了裂紋，因為金剛石的線性膨脹與芯片中的GaAs的有很大差別。這樣就證實了金剛石是裂紋產生的主要因素。

這些結果澄清了光電失效過程：

由于在芯片鍵合和合金工序中金剛石子支架上的熱應力作用，芯片與金剛石子支架之間的邊緣產生了微型裂紋，該裂紋一直擴展到芯片上。裂紋是那么微小，以致于未造成失效。

由于溫度循環試驗中的熱應力作用，微型裂紋不斷增大，大到足以破壞芯片空腔的程度，最后造成光電失效。

•在空間用大功率激光二極管中實現高可靠性的方法

工作溫度的升高會大大加速激光二極管可靠性的劣化。為了保證器件的高可靠性，必須防止芯片有源層的溫度升高。

有兩種方法用來實現器件的溫度控制：

一種是采用長空腔。增加芯片空腔的長度可減小電流密度。這種激光二極管的芯片空腔的長度定為1200μm。

另一種方法是采用金剛石子支架。金剛石的導熱性高于硅(Si)的導熱性，因而可改善熱輻射效率。金剛石和Si的熱特性于表1顯示。

表1.3種材料的熱特性比較

•光電失效

經過溫度循環試驗之后，發現一些樣品出現光電失效。這些樣品在試驗之前已通過目檢和光電特性評價試驗。研究人員發現，該器件的輻射不會隨工作電流的大小而發生線性變化。他們用光學顯微鏡觀測失效樣品中的芯片，發現芯片上的一條裂紋把芯片分成兩部分。

•產生裂紋的工序的調查

為了弄清產生芯片裂紋的工序，研究人員重復了先前的組裝工序，然后對每個工序中所選的樣品作目檢，以觀測裂紋。通過蝕刻芯片可觀測到內部裂紋，觀測結果如下：

（1）在芯片鍵合與合金工序之前，芯片上沒有裂紋；

（2）在芯片鍵合與合金工序之后，在多數選用的樣品中都觀測到芯片裂紋（包括內部裂紋）；

（3）在溫度循環試驗之前，已經有內部微型裂紋的芯片上未發現光電失效；

（4）溫度循環之后則發現樣品失效。

這些結果弄清了裂紋產生的工序以及從裂紋產生到光電失效的工序：

（1）在芯片鍵合和合金過程中產生了芯片裂紋；

（2）在芯片鍵合和合金過程中產生的芯片裂紋太小，以致于未導致失效。但由于溫度循環中的熱應力作用，裂紋不斷增大，穿過發射線條，最終導致光電失效。

•芯片裂紋的原因調查

研究人員發現，在芯片鍵合與合金工序中芯片上產生微型裂紋。芯片鍵合與合金工序包括加熱和冷卻。他們已注意到芯片鍵合與合金工序中的熱應力是產生裂紋的主要原因。因此，他們對制作的模型作了熱應力分析。

通過分析和計算，得出如下結果：

（1）芯片內產生了張力；具有金剛石和硅支架的芯片內邊緣的應變分別為0.09%和0.03% ；

（2）金剛石承受的應力是硅的3倍，分別為1.2×10^9dyn·cm2 和1.2×10^9dyn·cm2。

上述結果可推論出下列可能性：

（1）張力影響到冷卻過程中的芯片，因此，芯片上會產生裂紋；

（2）芯片裂紋可能在熱應力最高的邊緣上產生；

（3）金剛石子支架上承受的熱應力比硅子支架上的高，因此，金剛石子支架的芯片較早產生裂紋。

這些結果論證了子支架與芯片之間的熱應力導致芯片失效，金剛石與GaAs的線性膨脹系數之間顯著差別是芯片裂紋產生的主要因素。

•結論

這些調查結果已弄清了下列芯片裂紋產生的機理：

（1）由于在芯片鍵合和合金過程中的熱應力作用，芯片與子支架之間的邊緣上產生的裂紋太小，以致于未導致失效。

（2）由于溫度循環中的熱應力作用，裂紋不斷增大和破壞了空腔，最后導致光電失效。

以上即為“二極管裂紋失效分析”案例的全部，希望能為正在做此研究的朋友提供一點思路和方向。