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高功率 808 nm VCSEL 阵列做完衬底转移和封装后，表面经常出现不规律凸起。这些凸起肉眼难辨，却直接拉低器件寿命。在相关的研究论文中，对 5 mm×5 mm、808 nm 的衬底转移阵列做了长脉冲老化与失效分析。三类被记录的异常——表面不规律凸起、焊料层空洞、激射暗点——分处器件不同层次。三者最后走的却是同一条路：热聚集。光子湾3D共聚焦显微镜不接触样品，一次扫描能把整片 5 mm×5 mm 表面变成一张高度图，凸起的位置与高度就成了可读的数。这一步做完，后面两项检测才有明确的取样区域。

衬底转移后的表面形貌

衬底转移的出发点很直接：把发光单元从 GaAs 衬底挪到高导热基底上，热流因此少走一段路。问题在于，散热好了，可靠性没有跟着好。

效率确实上去了。室温水冷下，普通器件峰值电光转换效率 32%，衬底转移器件 44%；长脉冲寿命却反过来，前者 6000 万至 8000 万次，后者只剩 3000 万至 4000 万次。

原因在结构强度上。GaAs 衬底既是散热瓶颈，又是机械支撑；剥掉之后器件更怕形变，剥离与焊接的痕迹直接落在发光区，热阻改善的收益被抵消一部分。

研究对象是 5 mm×5 mm、808 nm 的高功率阵列，约 1.1 万个发光单元六方密排。去掉衬底后外延层只剩 11 μm，这个厚度对机械应力几乎没有抵抗力，剥离与焊接形成的凸起会改变局部散热。

三类异常影响 VCSEL 可靠性

表面不规律凸起

多数样品是“中间低、四周高”的碗状形貌。这个碗状来自阵列与 AlN 热沉的热膨胀系数差异，焊接冷却后留下翘曲。

两类表面形貌的二维高度图

（a）正常器件呈“中间低、四周高”的碗状，来自阵列与 AlN 热沉的热膨胀系数差异；（b）不规律凸起器件中部出现偏离碗状规律的隆起。图中色标 Heightμm 为高度刻度（单位 μm），两侧色标上、下限分别为 40.59-51.45 μm 与 40.50-43.68 μm

偏离碗状规律的那部分才是问题。老化实验里，凸起高度超过 20 μm 的样品、不规律凸起面积占比超过 15% 的样品都出现了早期失效，其余样品的功率衰减多在 5% 到 7% 之间。

焊料层设计厚度 30 μm，凸起处按高度填满焊料，散热路径因此变长：凸起 20 μm、面积占 1% 时，最高温度 64.5 ℃，平坦区 40.5 ℃；凸起降到 6 μm、面积占 5%，温差只剩 13.9 ℃。

两类凸起器件的热仿真分布

（a）凸起高度 20 μm、面积占 1%，凸起处最高温度 64.5 ℃，平坦区约 40.5 ℃（最高温超出色阶上限 60 ℃，故呈饱和深红）；（b）凸起高度 6 μm、面积占 5%，聚集区明显收窄。色标 Temperature/℃ 为温度刻度（单位 ℃，色阶 20～60），凸起越高，热量聚集越强。

数值本身只代表趋势。凸起越高，热量越容易堆在一点；具体温升还要看焊料厚度和功率密度。

焊接空洞

焊料层是器件与热沉之间唯一的热通道。空洞等于在通道上开了个洞：空气热导率约 0.023 W/(m·K)，焊料约 70～90 W/(m·K)，差三千倍以上，热流到边缘只能绕行，剩下的在附近堆积。

整体空洞比高并不一定致命。B 组中两块整体空洞比 2.60% 与 3.28% 的样品同时早期失效，共同点是都有一个单个空洞比超过 1.5% 的环形空洞，暗点就贴着这块空洞。

B10、B11 器件的环形焊接空洞与老化后暗点

（a）（b）老化前 X 射线透视下的焊料层，红框为单个空洞比超过 1.5% 的环形空洞；（c）（d）同批器件老化后的明暗点分布，暗点（黑斑）紧贴上述空洞。

发光暗点

暗点要通上电流才看得见。CCD 显微镜在 20 A、10 ms、50 Hz 的脉冲电流下拍整个阵列的发光分布，超过阈值电流还不亮的单元就是暗点。

1% 的阈值大约对应一百个暗点。C 组两块暗点在 120 个与 240 个左右的样品早期失效。切片后看到虚焊造成的焊料分层，电流挤在那一小块上，电阻和温度一起往上走。

C1 器件的暗点演化与截面结构

（a）老化前明暗点；（b）老化后暗点范围明显扩大，橙字 SEM observed position 为 SEM 取样位置；（c）暗点处单个发光单元的截面 SEM 图，可见焊料层分层，标注尺寸依次为 11.13、10.63、29.46、56.56 μm。

三类缺陷的损伤路径也不一样，高凸起压坏垂直腔结构，那片单元从此不出光；空洞抬高局部热阻；暗点本身是持续发热的小热源。

VCSEL 早期失效筛选指标

检测手段要和目标缺陷对上。共聚焦显微镜管表面形貌，X 射线透视看焊料层里的空洞，CCD 显微成像数激射状态下不亮的单元。凸起下方出了什么，要切片上 SEM 看。

老化条件按长脉冲场景设定：50 A、30 ms、10 Hz，水冷 28 ℃。输出功率跌到初始值的 80% 判失效，24 h 内失效的算早期失效，对应 86.4 万次脉冲。

筛选规则就是刚才那三条线。凸起 20 μm 或面积 15%、单个空洞比 1.5%、暗点占比 1%；通过筛选的器件再做寿命外推，三组分别达到 11705 万、7781 万和 13148 万次脉冲。外推系数取 5 有前提：每组样品不少于 5 只，标准差小于 5%。

三组器件在 ACC 模式下的寿命外推

纵轴 P_out/P_0 为输出功率比，横轴 Pulse counts/10⁴ 为脉冲次数（单位万次）；三条拟合线 linear fit for group A/B/C 依次对应 A、B、C 组，虚线与拟合线的交点标出功率降至 0.8P_0 时的脉冲数：A 组 11705 万次、B 组 7781 万次、C 组 13148 万次

这些数值是按功率退化率外推出来的，算法出自ISO/FDIS 17526:2003(E)。那份标准只规定激光器寿命怎么算，不管表面形貌怎么测。

共聚焦显微镜在产线上的作用，是把表面起伏变成可比的数：两批器件对比同一区域，凸起的高度和面积都能拿出来说话。它给的只是形貌，空洞和亮不亮要靠另外两种检测。

这套流程改的是检测顺序。原来的做法要先封装、再通电跑到失效统计规律，操作繁琐、成本也高。现在三种检测放在老化之前，先用形貌、空洞和暗点把高风险器件剔出去，剩下的才进老化台。

光子湾3D共聚焦显微镜

光子湾3D共聚焦显微镜是一款用于对各种精密器件及半导体材料表面，可应对多样化测量场景，符合ISO25178标准测量，能够快速高效完成亚微米级形貌和表面粗糙度的精准测量任务，提供值得信赖的高质量数据。

技术支持：199-6293-0018

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原文参考：周泉材, 李阳, 袁崇献, 等. 高功率衬底转移 VCSEL 阵列失效分析与早期筛选[J]. 中国激光, 2024, 51(13): 1301006. DOI: 10.3788/CJL231556。本文图 1—图 5 依次对应该文图 1（a）（b）、图 3、图 7、图 8、图 10，均为原文图件的原尺寸裁切（400 dpi）

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