高功率半导体激光器互连界面可靠性研究
发布时间：2021-01-03 23:15
随着高功率半导体激光器（HPLD）在极端环境中的应用越来越广泛,互连界面的可靠性已成为制约其性能和寿命的关键瓶颈之一。文中利用有限元方法（FEM）对传导冷却（CS）高功率半导体激光器巴条互连界面在-55～125℃热冲击条件下的失效行为和寿命进行了模拟与分析。基于粘塑性Anand本构模型和Darveaux能量积累理论,对比了热冲击后界面层边缘及中心位置铟互连界面的可靠性,发现互连界面边缘的应力最大,达到0.042 5 GPa;相应的边缘位置的寿命最短,只有3 006个周期,即边缘位置为互连界面的"最危险单元"。预测了采用铟、金锡合金和纳米银焊膏封装的半导体激光器巴条的寿命,计算出铟、金锡合金和纳米银焊膏三种不同键合材料在边缘位置的寿命分别为3 006、4 808和4 911次循环,表明纳米银焊膏和金锡合金在热冲击条件下具有更长的寿命,更适合于用于极端环境的高功率半导体激光器封装。
【文章来源】：红外与激光工程. 2018年11期 北大核心
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
HPLD巴条完整模型(a)和半模型网格划分(b)示意图Fig.2FullmodeloftheHPLDbar(a)andmeshofthe
红外与激光工程第11期www.irla.cn第47卷1105002-4和精确度，目前被广泛采用的是混合网格划分方法。文中也采用了该类方法，对于重点研究的芯片层及其下方互连界面，采用精细单元的映射网格绘制(网格尺寸0.1mm)。对于模型的其他部分，则采用了能够根据模型结构自适应网格大小的smartsize自由网格(网格尺寸0.8/1.6mm)，从而在不降低计算结果精确度的前提下，优化网格设计，提高运算效率。温度加载采用升降温幅度较大的热冲击过程模拟高功率半导体激光器互连界面在极端环境中的加速老化行为。温度载荷施加对象为激光器整体，热冲击过程中器件不工作。加载温度随时间变化的关系如图3所示。热冲击温度范围为228～398K(-55～125℃)，每个周期内包含保温-升温-保温-降温四个载荷步，升降温速率为36K/s。根据文献结果[9]，互连界面的应力应变在热冲击过程中也呈现周期性变化，且一般到第四个循环周期时已趋于稳性变化，因此文中在模拟分析中采用四个周期作为循环次数。图3高功率半导体激光器温度载荷随时间变化曲线Fig.3RelationshipbetweentheHPLD′stemperatureloadingandtime1.2互连界面局域失效机理研究由于激光器巴条各片层材料热膨胀系数不一致，在热冲击下互连界面受剪切及拉伸应力作用产生形变，这将导致裂纹的产生和生长，最后造成互连界面疲劳失效。根据断裂力学理论，材料的区域应力应变越大，裂纹萌生越早、生长速度越快。文中将互连界面上裂纹出现最早，生长速度最快的单元称为“最危险单元”。通过分析ANSYS后处理系统中的应力应变及应变能密度分布云图，获得变量在互连界面上的分布情况，能够确定“最危险单元”的位置。图为纳米银焊膏、铟和金锡合金三种材料构成的互连界面在热冲击结束后的整体3D应力(图4(a1)、
红外与激光工程第11期www.irla.cn第47卷1105002-4和精确度，目前被广泛采用的是混合网格划分方法。文中也采用了该类方法，对于重点研究的芯片层及其下方互连界面，采用精细单元的映射网格绘制(网格尺寸0.1mm)。对于模型的其他部分，则采用了能够根据模型结构自适应网格大小的smartsize自由网格(网格尺寸0.8/1.6mm)，从而在不降低计算结果精确度的前提下，优化网格设计，提高运算效率。温度加载采用升降温幅度较大的热冲击过程模拟高功率半导体激光器互连界面在极端环境中的加速老化行为。温度载荷施加对象为激光器整体，热冲击过程中器件不工作。加载温度随时间变化的关系如图3所示。热冲击温度范围为228～398K(-55～125℃)，每个周期内包含保温-升温-保温-降温四个载荷步，升降温速率为36K/s。根据文献结果[9]，互连界面的应力应变在热冲击过程中也呈现周期性变化，且一般到第四个循环周期时已趋于稳性变化，因此文中在模拟分析中采用四个周期作为循环次数。图3高功率半导体激光器温度载荷随时间变化曲线Fig.3RelationshipbetweentheHPLD′stemperatureloadingandtime1.2互连界面局域失效机理研究由于激光器巴条各片层材料热膨胀系数不一致，在热冲击下互连界面受剪切及拉伸应力作用产生形变，这将导致裂纹的产生和生长，最后造成互连界面疲劳失效。根据断裂力学理论，材料的区域应力应变越大，裂纹萌生越早、生长速度越快。文中将互连界面上裂纹出现最早，生长速度最快的单元称为“最危险单元”。通过分析ANSYS后处理系统中的应力应变及应变能密度分布云图，获得变量在互连界面上的分布情况，能够确定“最危险单元”的位置。图为纳米银焊膏、铟和金锡合金三种材料构成的互连界面在热冲击结束后的整体3D应力(图4(a1)、
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于Anand模型SnAgCu-X焊点疲劳寿命预测[J]. 孔达,张亮,杨帆. 焊接学报. 2017(04)
[2]高亮度半导体激光器的研制[J]. 王英顺,任永学,安振峰. 红外与激光工程. 2016(S2)
[3]键合界面对面发射激光器的光、热性质影响[J]. 何国荣,郑婉华,渠红伟,杨国华,王青,曹玉莲,陈良惠. 红外与激光工程. 2007(06)
本文编号：2955667
【文章来源】：红外与激光工程. 2018年11期 北大核心
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
HPLD巴条完整模型(a)和半模型网格划分(b)示意图Fig.2FullmodeloftheHPLDbar(a)andmeshofthe
红外与激光工程第11期www.irla.cn第47卷1105002-4和精确度，目前被广泛采用的是混合网格划分方法。文中也采用了该类方法，对于重点研究的芯片层及其下方互连界面，采用精细单元的映射网格绘制(网格尺寸0.1mm)。对于模型的其他部分，则采用了能够根据模型结构自适应网格大小的smartsize自由网格(网格尺寸0.8/1.6mm)，从而在不降低计算结果精确度的前提下，优化网格设计，提高运算效率。温度加载采用升降温幅度较大的热冲击过程模拟高功率半导体激光器互连界面在极端环境中的加速老化行为。温度载荷施加对象为激光器整体，热冲击过程中器件不工作。加载温度随时间变化的关系如图3所示。热冲击温度范围为228～398K(-55～125℃)，每个周期内包含保温-升温-保温-降温四个载荷步，升降温速率为36K/s。根据文献结果[9]，互连界面的应力应变在热冲击过程中也呈现周期性变化，且一般到第四个循环周期时已趋于稳性变化，因此文中在模拟分析中采用四个周期作为循环次数。图3高功率半导体激光器温度载荷随时间变化曲线Fig.3RelationshipbetweentheHPLD′stemperatureloadingandtime1.2互连界面局域失效机理研究由于激光器巴条各片层材料热膨胀系数不一致，在热冲击下互连界面受剪切及拉伸应力作用产生形变，这将导致裂纹的产生和生长，最后造成互连界面疲劳失效。根据断裂力学理论，材料的区域应力应变越大，裂纹萌生越早、生长速度越快。文中将互连界面上裂纹出现最早，生长速度最快的单元称为“最危险单元”。通过分析ANSYS后处理系统中的应力应变及应变能密度分布云图，获得变量在互连界面上的分布情况，能够确定“最危险单元”的位置。图为纳米银焊膏、铟和金锡合金三种材料构成的互连界面在热冲击结束后的整体3D应力(图4(a1)、
红外与激光工程第11期www.irla.cn第47卷1105002-4和精确度，目前被广泛采用的是混合网格划分方法。文中也采用了该类方法，对于重点研究的芯片层及其下方互连界面，采用精细单元的映射网格绘制(网格尺寸0.1mm)。对于模型的其他部分，则采用了能够根据模型结构自适应网格大小的smartsize自由网格(网格尺寸0.8/1.6mm)，从而在不降低计算结果精确度的前提下，优化网格设计，提高运算效率。温度加载采用升降温幅度较大的热冲击过程模拟高功率半导体激光器互连界面在极端环境中的加速老化行为。温度载荷施加对象为激光器整体，热冲击过程中器件不工作。加载温度随时间变化的关系如图3所示。热冲击温度范围为228～398K(-55～125℃)，每个周期内包含保温-升温-保温-降温四个载荷步，升降温速率为36K/s。根据文献结果[9]，互连界面的应力应变在热冲击过程中也呈现周期性变化，且一般到第四个循环周期时已趋于稳性变化，因此文中在模拟分析中采用四个周期作为循环次数。图3高功率半导体激光器温度载荷随时间变化曲线Fig.3RelationshipbetweentheHPLD′stemperatureloadingandtime1.2互连界面局域失效机理研究由于激光器巴条各片层材料热膨胀系数不一致，在热冲击下互连界面受剪切及拉伸应力作用产生形变，这将导致裂纹的产生和生长，最后造成互连界面疲劳失效。根据断裂力学理论，材料的区域应力应变越大，裂纹萌生越早、生长速度越快。文中将互连界面上裂纹出现最早，生长速度最快的单元称为“最危险单元”。通过分析ANSYS后处理系统中的应力应变及应变能密度分布云图，获得变量在互连界面上的分布情况，能够确定“最危险单元”的位置。图为纳米银焊膏、铟和金锡合金三种材料构成的互连界面在热冲击结束后的整体3D应力(图4(a1)、
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于Anand模型SnAgCu-X焊点疲劳寿命预测[J]. 孔达,张亮,杨帆. 焊接学报. 2017(04)
[2]高亮度半导体激光器的研制[J]. 王英顺,任永学,安振峰. 红外与激光工程. 2016(S2)
[3]键合界面对面发射激光器的光、热性质影响[J]. 何国荣,郑婉华,渠红伟,杨国华,王青,曹玉莲,陈良惠. 红外与激光工程. 2007(06)
本文编号：2955667
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