在一些實(shí)際應(yīng)用中，半導(dǎo)體激光器需要工作在準(zhǔn)連續(xù)或硬脈沖（hard pulse）條件下，也就是在一定的占空比（等于脈寬x重復(fù)頻率）下工作。對(duì)于長(zhǎng)脈寬，高占空比的工作條件，比如300 ms，1 Hz，30%占空比，這對(duì)器件的抗熱疲勞、耐高溫、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等特性提出了更高的要求。而傳統(tǒng)的銦封裝高功率半導(dǎo)體激光器顯然已不能滿足這些苛刻的使用條件。伴隨著功率的提高，半導(dǎo)體激光器可靠性也會(huì)逐漸降低，如何保證在高功率輸出的同時(shí)兼?zhèn)涓呖煽啃砸殉蔀楫?dāng)前業(yè)界最關(guān)心的問題。本文介紹了全無銦封裝傳導(dǎo)冷卻高功率半導(dǎo)體激光器疊陣，闡述了影響其特性的主要因素，對(duì)各種因素進(jìn)行了分析和討論，并提出了提高器件性能的策略和方法。
1、瞬態(tài)熱管理
隨著半導(dǎo)體激光器向更高功率的不斷發(fā)展，器件有源區(qū)的溫度也隨之增加。熱管理對(duì)于高功率半導(dǎo)體激光器而言至關(guān)重要，因?yàn)榘雽?dǎo)體激光器大約45%的電能都轉(zhuǎn)換成熱損耗掉了。器件的散熱能力直接影響激光器的結(jié)溫，結(jié)溫過高將顯著影響半導(dǎo)體激光器巴條的性能，如輸出功率下降、閾值電流增大、斜坡效率減小，慢軸發(fā)散角增大和壽命縮短等。
對(duì)于高功率半導(dǎo)體激光器，結(jié)溫由式（1）而得
其中Th為器件熱沉溫度、Rth為器件熱阻、V0為結(jié)偏壓、I為工作電流、Rs為串聯(lián)電阻、Po為輸出光功率。由上式可見激光器的結(jié)溫主要由熱沉的溫度和器件本身的熱阻決定，其中熱沉溫度由激光器的使用條件所決定。
半導(dǎo)體激光器的輸出功率與熱阻的關(guān)系如（2）式所示，器件使用壽命與熱阻的關(guān)（3）式所示。
半導(dǎo)體激光器的熱阻包括芯片的熱阻和封裝帶來的熱阻。有效的熱管理是提高器件性能的關(guān)鍵。提高熱管理主要從減小芯片熱阻、減小貼片界面熱阻和設(shè)計(jì)封裝結(jié)構(gòu)三個(gè)方面來實(shí)現(xiàn)。熱阻計(jì)算方法如下[2]：
Rth＝L/kA (4)
其中：L為熱傳導(dǎo)距離（m），A為熱傳導(dǎo)通道的截面積（m2），k為熱傳導(dǎo)系數(shù)（W/mK）。
由（4）式可知，要減小芯片的熱阻主要有以下兩種途徑：一是選擇熱傳導(dǎo)系數(shù)大的材料，二是在材料確定的情況下盡可能減小熱傳導(dǎo)距離或者增大熱傳導(dǎo)通道截積。基于此，可通過增加芯片腔長(zhǎng)（從1mm增加到1.5mm）和提高填充因子來減小熱阻。
為了提高器件的瞬態(tài)熱傳導(dǎo)能力，本文所述的傳導(dǎo)冷卻高功率激光器疊陣結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示[3,4,5,6]。利用全無銦金錫焊料封裝工藝技術(shù)，激光巴條被熱膨脹系數(shù)匹配（CTE-match）的襯底材料疊層累積起來，類似“三明治”結(jié)構(gòu)，巴條組與熱沉之間有絕緣層隔離。每個(gè)巴條所產(chǎn)生的熱都通過襯底材料傳導(dǎo)到絕緣層，再通過絕緣層傳導(dǎo)到底部的高導(dǎo)熱熱沉材料，將激光器產(chǎn)生的廢熱傳導(dǎo)出去，如圖 1 中紅色箭頭所示。這種設(shè)計(jì)就使得該結(jié)構(gòu)的熱沉不帶電，為終端客戶省去了外加絕緣結(jié)構(gòu)的步驟，降低了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度，并減少了成本。
圖1 傳導(dǎo)冷卻封裝高功率半導(dǎo)體激光器疊陣
對(duì)于用于泵浦固體激光器的傳導(dǎo)冷卻高功率半導(dǎo)體激光器疊陣，通常工作在100μs-300μs的脈沖寬度范圍內(nèi)，瞬態(tài)熱管理就至關(guān)重要。圖 2是一個(gè)巴條內(nèi)3個(gè)發(fā)光點(diǎn)的典型瞬態(tài)溫度分布。通過分析瞬態(tài)條件下的熱分布，深入研究每個(gè)巴條甚至每個(gè)發(fā)光點(diǎn)的溫度特性，可以計(jì)算出半導(dǎo)體激光器疊陣的結(jié)溫，分析其相對(duì)條件下的最高溫度，指導(dǎo)實(shí)際的封裝，提高器件的壽命和可靠性[7]。
圖2 典型瞬態(tài)溫度分布
圖3是GS04-5bar結(jié)構(gòu)達(dá)到穩(wěn)態(tài)后的溫度分布，可以看出，該結(jié)構(gòu)的最高點(diǎn)溫度為56.18℃，位于巴條組中心位置，從中心到巴條組邊沿溫度逐漸降低。若每個(gè)巴條所產(chǎn)生的廢熱能被及時(shí)帶走，達(dá)到穩(wěn)態(tài)后每個(gè)巴條的溫度會(huì)均勻分布，不會(huì)產(chǎn)生中間部位溫度偏高的現(xiàn)象。這與該結(jié)構(gòu)所工作的脈寬和重復(fù)頻率有關(guān)，存在相鄰巴條之間的熱串?dāng)_現(xiàn)象[8]。為降低熱串?dāng)_，需要優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)，或降低器件工作的脈寬和重復(fù)頻率。
圖3 GS04-5bar結(jié)構(gòu)的溫度分布
另外，對(duì)于傳導(dǎo)冷卻高功率半導(dǎo)體激光器疊陣，不同pitch的封裝結(jié)構(gòu)對(duì)器件的熱阻影響不同，如圖 4所示。顯而易見，在相同使用條件下，器件結(jié)構(gòu)的pitch越小，其散熱能力越弱。
圖4 不同pitch下傳導(dǎo)冷卻疊陣溫度分布
除了結(jié)構(gòu)外，貼片界面的熱阻還主要受各貼片層的空洞影響，貼片層的空洞大小和密度嚴(yán)重影響器件的熱阻[9]。圖 5 給出了封裝貼片層有空洞與無空洞對(duì)比圖片。可以看出，相對(duì)于圖 5（b）無空洞的貼片界面，圖 5（a）中巴條的邊沿位置和右上角存在明顯的空洞，這將導(dǎo)致激光器巴條的有源區(qū)產(chǎn)生局部熱點(diǎn)（hot spot），嚴(yán)重影響激光器的可靠性和壽命。可以通過優(yōu)化金屬層結(jié)構(gòu)以及封裝貼片工藝技術(shù)來降低貼片層空洞，進(jìn)而減小貼片界面的熱阻，提高散熱能力。
(a) 有空洞
(b) 無空洞
圖5 貼片層有空洞與無空洞對(duì)比
綜上所述，要提高熱管理，需要從芯片、封裝結(jié)構(gòu)、貼片工藝和材料三個(gè)方面考慮：一是優(yōu)化封裝結(jié)構(gòu)，采用散熱效率高的封裝結(jié)構(gòu)；二是提高貼片工藝技術(shù)，進(jìn)行無空洞貼片封裝；三是采用具有更高熱導(dǎo)率的材料封裝。
2、熱應(yīng)力管理
半導(dǎo)體激光器的熱應(yīng)力將導(dǎo)致器件波長(zhǎng)漂移、光譜畸變和展寬等，極大影響了器件的性能。熱應(yīng)力的產(chǎn)生是由于芯片和襯底的熱膨脹系數(shù)（CTE）失配所導(dǎo)致。熱應(yīng)力與熱膨脹系數(shù)和溫度的關(guān)系為：
1、E2分別為材料的彈性模量，α1、α2分別為材料的熱膨脹系數(shù)，Tf為焊料凝固點(diǎn)的溫度，Ts為應(yīng)力測(cè)試點(diǎn)的溫度（工作溫度）。
對(duì)于傳統(tǒng)的銦封裝單巴條高功率半導(dǎo)體激光器[10]，由于半導(dǎo)體激光器和銅熱沉之間的熱膨脹系數(shù)差異為10.1×10-6/℃。在封裝過程中，器件的溫度需要由銦的熔點(diǎn)（156℃）降到室溫（25℃），溫差達(dá)131℃。根據(jù)公式（5）算得產(chǎn)生的熱應(yīng)力對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的10mm長(zhǎng)的激光器巴條來說，將使銅熱沉和激光器巴條間出現(xiàn)14μm的收縮差異，從而導(dǎo)致激光器巴條變形。而金錫焊料的熔點(diǎn)為283℃，比銦的高了127℃，從熔點(diǎn)降低至室溫，若采用銅做熱沉材料，熱應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致芯片產(chǎn)生近26μm的形變，足以使芯片發(fā)生嚴(yán)重的變形，甚至開裂損傷。圖 6 是焊料從熔點(diǎn)降至室溫過程中熱應(yīng)力導(dǎo)致巴條彎曲的原理示意圖。
圖6 近場(chǎng)非線性（smile）形成的原理示意圖
激光器外延材料內(nèi)的熱應(yīng)力影響器件的發(fā)射波長(zhǎng)，應(yīng)力對(duì)波長(zhǎng)的影響系數(shù)為~1*10-5 eV/bar（或~0.005nm/bar)。半導(dǎo)體激光器的張應(yīng)力和壓應(yīng)力對(duì)光譜漂移產(chǎn)生不同的效果，張應(yīng)力引起紅移，壓應(yīng)力引起藍(lán)移[11]。而整個(gè)半導(dǎo)體激光器巴條寬度內(nèi)發(fā)光單元所遭受的非均勻熱應(yīng)力將會(huì)造成波長(zhǎng)分布不均勻，導(dǎo)致光譜展寬，如圖 7 所示
圖7 熱應(yīng)力不均勻?qū)е鹿庾V展寬
較大的熱應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致半導(dǎo)體激光器巴條損傷，甚至芯片斷裂，如圖 8 所示。
圖 8 熱應(yīng)力導(dǎo)致的芯片損傷
減小熱應(yīng)力的影響有三個(gè)途徑：第一，采用熱傳導(dǎo)率高，并且熱膨脹系數(shù)與芯片更加匹配的襯底/熱沉材料；第二，通過優(yōu)化封裝工藝降低施加在激光器巴條上的熱應(yīng)力；第三，通過優(yōu)化封裝工藝降低巴條組上熱應(yīng)力分布的不均勻性。
3、全無銦封裝
銦焊料是大功率半導(dǎo)體激光器封裝中最常用的焊料之一。然而銦焊料在脈沖情況下、高溫低溫下循環(huán)以及環(huán)境溫度下循環(huán)易產(chǎn)生熱疲勞。另外，銦焊料在高電流下易產(chǎn)生電遷移和電熱遷移的問題，影響半導(dǎo)體激光器的可靠性。研究發(fā)現(xiàn)銦焊料封裝的激光器壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于金錫焊料封裝的器件[12]。為了避免出現(xiàn)銦焊料封裝的器件失效，炬光科技開發(fā)了全無銦化的封裝技術(shù)，每個(gè)巴條與CTE匹配的襯底材料、絕緣材料之間均采用金錫焊料鍵合封裝，絕緣層材料與熱沉也采用無銦的焊料，如圖9所示。由于采用無銦化封裝工藝技術(shù)，激光器疊陣中每個(gè)巴條可以在更高結(jié)溫更高輸出功率下可靠工作，這樣疊陣結(jié)構(gòu)的體積可以做得更小巧，重量可以做的更輕。封裝后的該結(jié)構(gòu)重量?jī)H為2.3克，如圖10所示。圖11為2.3克 1500W傳導(dǎo)冷卻高功率半導(dǎo)體激光器疊陣的功率-電流和光譜特性曲線。
圖9 全無銦封裝傳導(dǎo)冷卻高功率半導(dǎo)體激光器疊陣
圖10 2.3克傳導(dǎo)冷卻封裝高功率半導(dǎo)體激光器疊陣
圖11 2.3克 傳導(dǎo)冷卻半導(dǎo)體激光器疊陣的
功率-電流和光譜曲線
采用全無銦化封裝技術(shù)可克服銦焊料封裝器件易產(chǎn)生熱疲勞、電遷移和電熱遷移等問題，提升高功率半導(dǎo)體激光器的可靠性。炬光科技公司擁有全無銦化半導(dǎo)體激光器封裝工藝技術(shù)，并成功實(shí)現(xiàn)了質(zhì)量穩(wěn)定的批量化生產(chǎn)，向客戶提供高性能長(zhǎng)壽命的半導(dǎo)體激光器產(chǎn)品。圖12顯示在QCW條件下額定功率為1500W的GS04激光器的壽命測(cè)試時(shí)間已經(jīng)超過109shots，功率無任何衰減，目前壽命測(cè)試還在繼續(xù)進(jìn)行。
圖12 808nm半導(dǎo)體激光器疊陣壽命測(cè)試結(jié)果
4、窄光譜控制
對(duì)于以半導(dǎo)體激光器作為泵浦光源激勵(lì)固體、或光纖激光器的應(yīng)用，需要窄光譜寬度的半導(dǎo)體激光器，以利于固體激光器晶體的高效吸收。通過減少泵浦半導(dǎo)體激光器的光譜寬度來提高光譜精度，使得激光系統(tǒng)設(shè)計(jì)者能夠改善激光系統(tǒng)的體積、效率、功率和光束質(zhì)量等參數(shù)，同時(shí)又減少了系統(tǒng)散熱成本。光譜寬度是半導(dǎo)體激光器疊陣產(chǎn)品的關(guān)鍵指標(biāo)之一，因此改善光譜特性有利于提高產(chǎn)品質(zhì)量，減少成本及增加產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。
半導(dǎo)體激光器陣列的光譜展寬主要是由于每個(gè)發(fā)光點(diǎn)的發(fā)射波長(zhǎng)不一致引起的。 對(duì)于高功率半導(dǎo)體激光器疊陣，寬光譜曲線可能會(huì)出現(xiàn)側(cè)峰、雙峰甚至多峰，如圖13所示。疊陣內(nèi)每個(gè)巴條輸出波長(zhǎng)不一致以及由于封裝導(dǎo)致的熱和熱應(yīng)力效應(yīng)都將使巴條輸出光譜展寬，其中后者是主要因素[13]。
圖13 幾種典型的光譜分布
獲得窄光譜的困難是如何保持各個(gè)巴條的溫度均勻和應(yīng)力均勻，從而消除局部熱效應(yīng)和應(yīng)力效應(yīng)。為了獲得窄光譜，需要根據(jù)封裝結(jié)構(gòu)的熱分布對(duì)組成傳導(dǎo)冷卻疊陣的各個(gè)巴條進(jìn)行波長(zhǎng)匹配，將滿足目標(biāo)要求波長(zhǎng)的巴條封裝在一起，獲得窄的光譜特性，其原理如圖14所示[14，15]。
圖14 光譜控制技術(shù)原理
利用窄光譜控制技術(shù)，炬光科技封裝了GS04-5bar傳導(dǎo)冷卻半導(dǎo)體激光器疊陣，一個(gè)典型光譜如圖15所示，其光譜半高全寬小于3nm，90%能量寬度小于5nm。
圖15 一個(gè)典型GS04-5bar疊陣的光譜曲線
5、高可靠性
與銦焊料相比，無銦化金錫封裝工藝具有抗熱疲勞、耐高溫、儲(chǔ)存時(shí)間長(zhǎng)、性能穩(wěn)定、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，極大地提高了器件的可靠性。為徹底克服銦焊料封裝存在的隱患，炬光科技已開發(fā)了全無銦化封裝技術(shù)，生產(chǎn)了多系列的、全無銦化封裝的、高可靠性的高功率半導(dǎo)體激光器產(chǎn)品。這些全無銦化技術(shù)封裝的產(chǎn)品均通過了包括高、低溫-40℃~+85℃存儲(chǔ)和溫循環(huán)境、以及相應(yīng)的振動(dòng)沖擊等環(huán)境試驗(yàn)。從圖16可以看出，環(huán)境試驗(yàn)后全無銦化封裝激光器的功率衰減小于5%，光譜基本保持不變。
（a）輸出功率變化曲線
（b）中心波長(zhǎng)變化曲線
圖16 全無銦化傳導(dǎo)冷卻疊陣產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn)前后的數(shù)據(jù)對(duì)比
總結(jié)
本文介紹了全無銦封裝傳導(dǎo)冷卻高功率半導(dǎo)體激光器疊陣，從瞬態(tài)熱管理、熱應(yīng)力管理、全無銦封裝、窄光譜控制、可靠性五個(gè)方面進(jìn)行了分析和討論，并提出了提高器件性能的策略和方法。
參考文獻(xiàn)
[1]Yongkun Sin, Brandan Foran, NathanPresser,et al. Reliability and Failure Mode Investigation of High PowerMulti-Mode InGaAs Strained Quantum Well Single Emitters[J], Proc.of SPIE Vol.6456(2007) 645605-1
[2] FANG Hua, LI Yang, “Thermal Analyse and Design of High-Power LED”, ADVANCED DISPLAY, 2007 (9),67-70
[3] Jingwei Wang, Xingsheng Liu,Conduction cooled high power semiconductorlaser and method for fabricating the same，US8989226B2, 12.May,2015
[4] 王警衛(wèi)，劉興勝，一種傳導(dǎo)冷卻疊陣半導(dǎo)體激光器封裝結(jié)構(gòu)，201410528204.2.
[5] 王警衛(wèi)，宗恒軍，劉興勝，一種傳導(dǎo)冷卻疊層陣列高功率半導(dǎo)體激光器，201410529131.9.
[6] 王警衛(wèi)，侯棟，劉興勝,機(jī)械連接式傳導(dǎo)冷卻半導(dǎo)體激光器, 201410528287.5.
[7] JingweiWang, Xiaoning Li, Dong Hou, Feifei Feng, Yalong Liu, Xingsheng Liu, “Advancesin Bonding Technology for High Power Diode Laser Bars”, SPIE Proceedings ofComponents and Packaging for Laser Systems, invited talk, Proc. of SPIE Vol.9346, 934605-1~21, 2015
[8] Xingsheng Liu and WeiZhao, “ Technology Trend and Challenges in High Power Semiconductor LaserPackaging”, Proceedings of 59th Electronic Components and Technology Conference(ECTC), pp.2106-2113, 2009.
[9] Zhenbang Yuan, Jingwei Wang, Xu Chen, Peiyong Wei, Di Wu, Xingsheng Liu, “Studyof Steady and Transient Thermal Behavior of High Power Semiconductor Laserarray,” Proceedings of 59th Electronic Components and Technology Conference(ECTC), pp.831-836, 2009.
[10] Jingwei Wang, Lijun Kang, Kai Yang, Peiyong Wei, XingshengLiu, “Study of the mechanism of "smile" in high power diode laserarrays and strategies in improving near-field linearity,” Proceedings of 59th ElectronicComponents and Technology Conference (ECTC), pp.837-842, 2009.
[11] R.Stakse, J. Sebastien, J. Wenzel, G. Erbert, H.G. Hansel, “Influence of mountingstress on polarization degree of electroluminescence of laser diode bars”, IEEELasers and Electro-Optics Society13th Annual Meeting, 13-16 November 2000, TheWestin RioMar Beach, Rio Grande, Puerto Rico , pp. 10-15, 2000.
[12] Jingwei Wang , Xiaoning Li, Feifei Feng,Yalong Liu, Dong Hou , Xingsheng Liua, “Packaging of Complete Indium-free HighReliable and High Power Diode Laser Array”, Proceedings of XX InternationalSymposium on High-Power Laser Systems and Applications 2014, Proc. of SPIE Vol.9255, 92550X-1~8, 2015
[13] Xingsheng Liu, et al, Electronic Components and Technology Conference, IEEE,2008, pp1005-1010.
[14] Xiaoning Li, Lijun Kang, Jingwei Wang, Pu Zhang, Lingling Xiong, Xingsheng Liu,“High Reliability 20KW QCW Area Array Diode Laser”, SPIE Proceedings ofHigh-Power Diode Laser Technology and Applications X, Proc. of SPIE Vol. 8241,82410C-1~8, 2012
[15] DongHou, Jingwei Wang, Lijun Gao, Xingsheng Liu; “Horizontal Array of High PowerDoide Laser Stack Development using Spectrum Control Technology and Hard SolderBonding Technology”, SPIE Proceedings of Components and Packaging for LaserSystems, Proc. of SPIE Vol. 9730-9, 2016
轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。
相關(guān)文章
熱門資訊
精彩導(dǎo)讀
關(guān)注我們
