硅雪崩光電探測器工作壽命試驗及失效分析研究

鄧　敏，孫　莉，周小燕，何　偉，梁晨宇，李　龍

(1.駐209所軍事代表室，成都　610041； 2.西南技術(shù)物理研究所，成都　610041)

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硅雪崩光電探測器工作壽命試驗及失效分析研究

鄧敏1，孫莉1，周小燕2，何偉2，梁晨宇2，李龍2

(1.駐209所軍事代表室，成都610041； 2.西南技術(shù)物理研究所，成都610041)

通過FMEA分析和加速壽命試驗，確定了硅雪崩光電探測器的主要失效模式有兩種，一種是暗電流超標，另一種是前放輸出電壓不合格；對這兩種失效模式進行了失效分析，認為是高溫應力引起器件內(nèi)部氣氛的變化，主要是氫氣含量變大引起器件暗電流不合格；大電流引起前置放大電路上晶體管損傷是前放輸出電壓不合格的原因。

硅雪崩光電探測器； FMEA；加速壽命試驗；失效分析

本文引用格式：鄧敏，孫莉，周小燕，等.硅雪崩光電探測器工作壽命試驗及失效分析研究[J].兵器裝備工程學報，2016(8):160-163.

隨著光電技術(shù)的發(fā)展，硅雪崩光電探測器廣泛應用于激光探測、激光告警和激光測距等領(lǐng)域，其作用是將接收到的光信號轉(zhuǎn)化成電信號，并放大成系統(tǒng)所需要的信號后輸出，是系統(tǒng)中的關(guān)鍵，一旦失效將造成巨大損失。對于連續(xù)工作的硅雪崩光電探測器，系統(tǒng)對其工作壽命提出了較高的要求，但是迄今有關(guān)硅雪崩光電探測器壽命研究的報道甚少，本文對硅雪崩光電探測器進行了FMEA分析，設計并實施了加速壽命試驗。試驗得到了與理論分析相同的兩種失效模式，對其進行了失效分析，對光電探測器的壽命研究可以提供一定參考。

1　產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和功能

硅雪崩光電探測器結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。它由雪崩管管芯、前置放大器電路、帶窗口玻璃的殼體三大部份構(gòu)成，雪崩管管芯的作用是將接收到的激光信號轉(zhuǎn)化成電流信號；前置放大電路由厚膜電路基片、厚膜電阻、片式電容、片式電阻、晶體管芯等元件通過導電銀漿和內(nèi)引線混合集成，其功能是將電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號后輸出。殼體是TO封裝的密封結(jié)構(gòu)，由管座、帶窗口玻璃管帽組成。管座的作用是定位安裝光敏芯片和前放電路塊的基底，器件通過管腳與外界實現(xiàn)電氣連接，帶窗口玻璃管帽作用是保障光信號的入射和與外界的氣密封裝。

2　FMEA分析

關(guān)于光電器件，文獻[1]指出光電探測器的退化以暗電流增加為主要特征,文獻[2]對彈載激光探測器交付安裝后的主要失效模式和影響進行了分析,集成電路等相關(guān)產(chǎn)品已經(jīng)有相關(guān)故障模式和失效分析[3-5]，但關(guān)于硅雪崩光電探測器的故障模式相關(guān)報道較少，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和功能特點，結(jié)合用戶使用信息，對硅雪崩光電探測器進行FMEA分析，見表1。

圖1　硅雪崩光電探測器結(jié)構(gòu)

序號失效模式失效機理敏感應力1參數(shù)超標材料、工藝原因引起硅APD芯片性能退化溫度應力、電應力工藝或內(nèi)部氣氛引起硅APD芯片表面漏電流增大溫度應力2性能退化材料、工藝原因引起硅APD芯片性能退化溫度應力、電應力元件老化溫度應力、電應力粘接劑老化溫度應力金屬-半導體接觸退化溫度應力內(nèi)部氣氛引起硅APD芯片表面狀態(tài)不穩(wěn)定溫度應力3無信號輸出引線接觸不良或斷開溫度應力粘接不良或粘接失效溫度應力電路上元件失效溫度應力、電應力硅APD芯片被擊穿電應力噪聲大,信號被淹沒溫度應力、電應力硅APD芯片被燒壞電應力、光應力4密封性不合格不同材料熱膨脹系數(shù)不同溫度應力窗口玻璃出現(xiàn)裂縫、裂紋溫度應力,機械應力材料缺陷溫度應力

通常情況下很難通過試驗方法專門得到各種故障模式的試驗數(shù)據(jù)，那么用戶的使用數(shù)據(jù)就顯得尤為珍貴。根據(jù)幾千只某型硅雪崩光電探測器的使用情況看，用戶更換探測器都是因為探測器性能逐漸退化至參數(shù)超標，通過分析認為參數(shù)超標是主要的失效模式。

溫度和電壓應力能激發(fā)硅雪崩光電探測器參數(shù)超標。用戶使用過程中，系統(tǒng)對探測器施加過高電壓的可能性很??；因此，在進行硅雪崩光電探測器的加速壽命試驗設計時，只考慮溫度對探測器失效的加速性。硅雪崩光電探測器是正溫度系數(shù)的器件，工作環(huán)境溫度升高時，需根據(jù)溫度系數(shù)對探測器施加相應的工作電壓，保證探測器正常工作。

3　加速工作壽命試驗和測試

硅雪崩光電探測器詳細規(guī)范規(guī)定，工作溫度-40℃～70℃，每年至少抽取同批次5只探測器進行70℃，1 000 h 穩(wěn)態(tài)壽命試驗。穩(wěn)態(tài)壽命試驗是抽樣試驗，每批次抽取5只樣品進行試驗。近20年來穩(wěn)態(tài)壽命試驗未出現(xiàn)過樣品失效。隨著工藝水平的提高，硅雪崩光電探測器的環(huán)境應力篩選失效率非常低，約為1%，產(chǎn)品的品質(zhì)一致性檢驗合格率100%，用戶使用過程中沒有反饋過任何與壽命相關(guān)的失效，由此可見硅雪崩光電探測器具有較長的工作壽命。

加速壽命試驗[6]是評估硅雪崩光電探測器工作壽命的有效途徑。通過設計、工藝分析、FMEA分析和摸底試驗，確定了影響其工作壽命的主要應力是溫度應力，加速溫度應力的極限是130℃。由此設計了加速壽命試驗方案：

經(jīng)過了半年左右的試驗和測試，常溫參數(shù)測試得到了兩種失效模式：暗電流超標和前放輸出電壓超標。硅雪崩光電探測器100℃及以下試驗1 000 h，無論是高溫性能參數(shù)還是常溫性能參數(shù)均無明顯變化，120℃時開始出現(xiàn)變化趨勢，130℃試驗時暗電流和前放靜態(tài)輸出電壓均出現(xiàn)明顯的變化趨勢，其變化曲線如圖2～圖4所示。

圖2　暗電流常溫測試結(jié)果

圖3　高溫暗電流平均值

圖4　高溫前放靜態(tài)輸出平均值

4　失效分析和討論

4.1暗電流不合格

由于樣品失效表現(xiàn)為暗電流超標。在顯微鏡進行外觀檢查無異?，F(xiàn)象；從密封性測試數(shù)據(jù)看器件的密封性合格；然后進行內(nèi)部氣氛檢查，檢查結(jié)果見表2，并在內(nèi)部氣氛檢查前后進行常溫電參數(shù)測試，測試結(jié)果見表3，同批次未進行壽命試驗的器件的內(nèi)部氣氛分析結(jié)果見表4。

表2　試驗樣品內(nèi)部氣氛含量

表3　內(nèi)部氣氛檢測前后暗電流

表4　同批次器件內(nèi)部氣氛含量

從表2～表4中可以看出，壽命試驗前后，器件內(nèi)部氣氛的變化主要是氮氣、水汽含量明顯降低，氫氣含量顯著增加；壽命試驗后器件的暗電流增大。經(jīng)過內(nèi)部氣氛分析后，器件內(nèi)部氣氛與大氣相當時，器件暗電流合格。說明器件內(nèi)部氣氛的變化是造成壽命試驗后暗電流不合格的原因。

對內(nèi)部氣氛的變化影響暗電流的機理進行初探，由于分析手段有限，查閱了相關(guān)文獻。文獻[7]對氫氣環(huán)境下金硅面壘探測器的失效機制進行了分析，得出氫氣能夠滲入硅晶體的晶格，受晶格的原子間相互作用的影響解離成原子態(tài)的氫，氫原子極易失去一個電子，將探測器芯片從氫氣環(huán)境拿出后，通過擴散，氫氣從晶格中慢慢逸出，最后探測器恢復到正常狀態(tài)。文獻[8]研究了氫對金屬封裝密封元器件可靠性的影響，指出氫原子進入金屬柵與半導體接觸的界面，改變肖特基勢壘，改變漏電流。與本文描述的現(xiàn)象相同，證實了本文分析的結(jié)論。

4.2前放輸出電壓不合格

在8～32倍的顯微鏡下對前放輸出電壓不合格的器件進行鏡檢，由于玻璃光窗的緣故，器件內(nèi)部的前置放大電路圖像模糊。將器件開帽后鏡檢，發(fā)現(xiàn)前置放大電路上的晶體管有損傷(圖5)。開帽前后前放輸出電壓測試結(jié)果見表5。從表5中可以看出開帽前后前放輸出電壓值變化不大，與鏡檢中晶體管受到損傷導致其輸出不合格的分析一致。

圖5　前置放大電路上的晶體管損傷對比

編號試驗前前放輸出電壓/V試驗后前放輸出電壓/V失效樣品5#-5.7-5.15失效樣品6#-7.8-8.44失效樣品7#-7.96-6.34

從圖5中可以看出，雪崩光電探測器前置放大電路上的晶體管芯表面形貌發(fā)生了變化，有明顯的損傷，是大電流導致了晶體管管芯損傷。

5　結(jié)論

本文通過FMEA分析和摸底試驗得到硅雪崩光電探測器的主要失效模式和敏感應力，設計并實施了加速工作壽命試驗，得到了與試驗相同的結(jié)果：主要的失效模式是暗電流超標和前放靜態(tài)輸出電壓不合格，并對其進行了失效機理分析，內(nèi)部氣氛中氫氣含量的變化是影響APD(雪崩管芯)暗電流超標的主要原因，較大的電流是前放輸出電壓不合格的主要原因。

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(責任編輯唐定國)

Research on Lifetime Testing and Failure Analysis of Silicon Avalanche Photoelectric Detectors

DENG Min1，SUN Li1，ZHOU Xiao-yan2，HE Wei2，LIANG Chen-yu2，LI Long2

(1.Military Representative Office in No.209 Institute, Chengdu 610041, China;2.Southwest Institute of Technical Physics, Chengdu 610041, China)

Through FMEA analysis and accelerating lifetime testing, two primary failure modes of silicon avalanche photoelectric detectors were determined: excess of dark current and disqualification of pre-amplifer voltage. Failure analysis shows that: the change of internal atmosphere, due to high temperature stress, causes the dark current unnormal, especially large amount of hydrogen; damage of transistors in pre-amplifier caused by large current is main reason of disqualification of pre-amplifier voltage.

silicon avalanche photoelectric detector；FMEA； accelerating lifetime testing (ALT)； failure analysis

2016-02-18；

2016-03-10

鄧敏(1980—)，女，工程師，主要從事光學工程與電子技術(shù)研究。

10.11809/scbgxb2016.08.036

format:DENG Min，SUN Li，ZHOU Xiao-yan,et al.Research on Lifetime Testing and Failure Analysis of Silicon Avalanche Photoelectric Detectors[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(8):160-163.

TN249

A

2096-2304(2016)08-0160-04

【光學工程與電子技術(shù)】