高溫硬焊料準連續(xù)半導(dǎo)體激光器巴條疊陣的性能研究

江先鋒， 張麗芳， 郭栓銀， 李 江

(中國科學(xué)院蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所 半導(dǎo)體光電子技術(shù)研究室， 江蘇 蘇州 215163)

高溫硬焊料準連續(xù)半導(dǎo)體激光器巴條疊陣的性能研究

江先鋒， 張麗芳， 郭栓銀， 李 江*

(中國科學(xué)院蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所 半導(dǎo)體光電子技術(shù)研究室， 江蘇 蘇州 215163)

以巴條疊陣結(jié)構(gòu)及封裝方法為基礎(chǔ)，研制了一組高溫硬焊料準連續(xù)半導(dǎo)體激光器巴條疊陣，并研究了其相關(guān)的光電性能和壽命特征。結(jié)果表明，所研制的器件在200 A的工作電流下，重復(fù)頻率250 Hz、脈寬200 μs時，單巴峰值功率>200 W，50%光譜寬度<3 nm，電光轉(zhuǎn)換效率>50%，壽命達到4.71×109shots時的功率衰減<15%；當(dāng)工作電流為150 A時，預(yù)期壽命高達1.5×1010shots。

半導(dǎo)體激光器疊陣; 硬焊料; 準連續(xù)

1 引 言

高功率半導(dǎo)體激光器具有體積小、重量輕、轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)、科研、醫(yī)療等行業(yè)。高溫硬焊料準連續(xù)半導(dǎo)體激光器巴條疊陣還具有結(jié)構(gòu)緊湊、焊接強度高、工作環(huán)境溫度范圍大、壽命長等優(yōu)點，尤其是以熱傳導(dǎo)為主的散熱冷卻方式，在準連續(xù)工作模式下，產(chǎn)生的廢熱少，峰值功率高，特別受到航空航天、國防、軍事等重要領(lǐng)域的青睞。

國外的高溫硬焊料準連續(xù)半導(dǎo)體激光器巴條疊陣已經(jīng)達到了很高的水平。Northrop Grumman Cutting Edge Optronics公司的巴條填充因子為83%的808 nm準連續(xù)疊陣，在驅(qū)動電流110 A、脈寬200 μs、頻率750 Hz的條件下，壽命達到9.1×109shots時的功率衰減不超過20%[1]；巴條填充因子為50%的準連續(xù)疊陣，在驅(qū)動電流200 A、脈寬150 μs、頻率250 Hz的條件下，壽命達到3×109shots時的功率衰減不超過20%[2]。nLight公司[3]的巴條填充因子為80%的808 nm準連續(xù)疊陣，在脈寬200 μs、頻率20 Hz、壽命電流階梯式加載到145 A的條件下，壽命達到8×108shots時的功率衰減不到6%。Endriz等[4]利用金屬有機化合物氣相沉積技術(shù)，研制了峰值波長為939.5 nm的半導(dǎo)體激光陣列，在脈寬400 μs、頻率250 Hz的輸入電流下，工作電流為75 A，峰值功率為65 W，最高轉(zhuǎn)換效率達到了42%。目前，我國同類產(chǎn)品相對落后，嚴重制約相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)進步。

本文從巴條疊陣的器件結(jié)構(gòu)、封裝方法及巴條、熱沉、焊料的選擇等方面出發(fā)，研究了高溫硬焊料準連續(xù)半導(dǎo)體激光器巴條疊陣的光電性能及其壽命的可靠性。

2 器件結(jié)構(gòu)及制作

高溫硬焊料準連續(xù)半導(dǎo)體激光器巴條疊陣的特別之處在于激光器巴條和導(dǎo)電導(dǎo)熱散熱片之間的連接焊料是高溫硬焊料，例如金錫焊料、金鍺焊料等。Endriz等[4]提出了一種高溫硬焊料巴條疊陣的封裝方法，其優(yōu)點是可以測試單個激光器巴條的性能，缺點是巴條間隔周期較大，無法制作較小周期的巴條疊陣。Hoden 等[5]提供的封裝方法可以制作任何巴條間隔周期的疊陣，但是封裝后的疊陣應(yīng)力較大，易導(dǎo)致巴條開裂，使激光器失效。

本文所述的高溫硬焊料疊陣的制作方案采用下文所述的器件封裝結(jié)構(gòu)和封裝方法。將激光器巴條、導(dǎo)電散熱隔塊、電絕緣散熱片在特制工裝夾具下進行組裝，各界面間用金錫焊料連接，一次回流成型。其中，電絕緣散熱片各自切開，彼此獨立與相對應(yīng)的導(dǎo)電散熱片相焊接。該方法的優(yōu)點是可以徹底釋放器件封裝和使用過程中由于各材料熱膨脹系數(shù)不匹配而產(chǎn)生的熱應(yīng)力和機械應(yīng)力，且可以制作任何巴條間隔周期的疊陣產(chǎn)品。采用該方法制作的相關(guān)器件的結(jié)構(gòu)及產(chǎn)品如圖1所示，巴條疊陣模塊與底座無氧銅熱沉之間通過軟焊料(如高純銦)焊接。本實驗研制了5個器件，每個器件組裝6個巴條，同一器件中各巴條間距周期是1.2 mm，用于后續(xù)的器件性能測試及壽命實驗。

圖1 疊陣結(jié)構(gòu)示意圖

3 材料選擇

3.1 激光器巴條

實驗選取填充因子為80%、腔長1 mm的厘米巴條，波段在808 nm。通過優(yōu)化腔面鍍膜，單巴條在準連續(xù)工作模式下，輸出功率為100～250 W。

3.2 焊料與熱沉

當(dāng)半導(dǎo)體激光器應(yīng)用于軍事或者極端溫度環(huán)境中時，巴條和熱沉之間的連接強度對巴條疊陣的熱、機械、光電性能具有重要影響。巴條與熱沉之間的連接焊料主要有軟焊料(如高純銦)和高溫硬焊料(如金錫共晶)兩種。Feeler等[6]研究發(fā)現(xiàn)，在極端環(huán)境條件(-40～70 ℃)下，金錫共晶高溫硬焊料焊接的激光器的可靠性更高。

本實驗選用的導(dǎo)電散熱片為Wu90%-Cu10%合金，其熱膨脹系數(shù)與激光器巴條相匹配。電絕緣散熱片選用氮化鋁，彼此間采用共晶金錫焊料(Au80-Sn20%)聯(lián)接，徹底避免了激光器巴條與軟焊料(如銦)相接觸，并且金錫焊料的流動性及潤濕性好，不會出現(xiàn)焊接空洞。

4 器件測試、壽命性能及討論

產(chǎn)品研制過程中，根據(jù)該封裝類型的產(chǎn)品特性及市場需求，選取的工作條件為輸出電流200 A、重復(fù)頻率250 Hz、脈寬200 μs(占空比為5%)、溫度25 ℃，溫度采用TEC控制。

4.1 器件測試性能

在上述條件下，我們測試了樣品的近場、波長、功率、電壓等光電性能。圖2為驅(qū)動電流為20 A時的巴條疊陣近場圖；圖3為巴條疊陣在一定驅(qū)動電流下的輸出功率和電壓關(guān)系圖，即P-I-V曲線；圖4為巴條疊陣在200 A時的光譜。從圖2可以看出，巴條疊陣的發(fā)光點均勻，無不亮或者暗淡現(xiàn)象，亮度均一，器件封裝應(yīng)力(機械應(yīng)力和熱應(yīng)力)基本由封裝結(jié)構(gòu)釋放掉。從圖3可以看出，巴條疊陣的閾值電流約為18.5 A，斜率效率為6.95 W/A，驅(qū)動電流為200 A時的電壓為11.8 V，峰值功率為1 261 W，光電轉(zhuǎn)換效率為53.4%。從圖4可以看出，巴條疊陣的中心波長為807.3 nm，光譜半高寬為2.8 nm。

圖2 疊陣的近場圖像

圖3 疊陣的功率-電壓-電流關(guān)系

圖4 疊陣在驅(qū)動電流為200 A時的光譜

4.2 器件壽命

器件壽命的測量條件為電流200 A、脈寬200 μs、重復(fù)頻率250 Hz(占空比5%)，直接計算器件的脈沖次數(shù)，其結(jié)果如圖5所示?？梢钥闯?，當(dāng)器件的壽命達到4.71×109shots時， 5個器件的相對功率衰減均小于15%，且器件的壽命曲線平穩(wěn)，衰減幅度很小。

圖5 疊陣壽命的測試結(jié)果

由于器件采用加速壽命的實驗方式，根據(jù)文獻[3]報道，半導(dǎo)體激光器的壽命(T)主要取決于芯片節(jié)溫和工作電流，其關(guān)系如公式(1)所示：

(1)

其中，T0是器件的基礎(chǔ)壽命常量，Ea是器件的激活能，TJ是芯片節(jié)溫，kb是Boltzmann常數(shù)，I是工作電流，m是電流加速因子，P是輸出功率，n是功率加速因子。從公式(1)可知，當(dāng)器件具有一個低的工作電流和低的芯片節(jié)溫時，會有一個較長的壽命。當(dāng)工作電流為150 A時，按照Meadows等[7]計算節(jié)溫的方法，808 nm波段的溫度漂移量為0.28 nm/℃，節(jié)溫為65 ℃，根據(jù)公式(1)可計算得出器件壽命可達到1.5×1010shots。

4.3 結(jié)果討論

影響高功率半導(dǎo)體激光器巴條疊性能的主要因素有：(1)材料缺陷，主要是基底或者外延層的位錯、機械性損傷和點缺陷；(2)災(zāi)難性的光學(xué)鏡面損傷(COMD)；(3)與封裝相關(guān)的缺陷，主要是焊料層空洞、金屬層脫落以及焊接應(yīng)力大等[8]。失效機理主要有：(1)位錯生長導(dǎo)致激活區(qū)內(nèi)部產(chǎn)生缺陷；(2)氧化污染等發(fā)生的腔面退化；(3)金屬擴散到內(nèi)部區(qū)域引起的電極退化；(4)粘合劑退化；(5)熱沉退化[9]。所研制的5組器件在經(jīng)過較長時間使用后沒有出現(xiàn)巴條開裂現(xiàn)象，說明器件的封裝應(yīng)力較低，并且散熱能力強，金錫焊料在準連續(xù)運行狀態(tài)下未出現(xiàn)熱疲勞或者機械疲勞現(xiàn)象。巴條疊陣功率相對衰減主要是因為巴條的腔面發(fā)生了污染，導(dǎo)致器件的個別發(fā)光點失效。

在傳統(tǒng)的半導(dǎo)體激光器巴條的封裝中，為了降低應(yīng)力，一般選擇抗拉強度為1.88 N/mm2(273 psi)、楊氏模量為10 800 N/mm2(1.57×106psi)、延伸率為22%～41%、布氏硬度0.9、延展力為1.5 N/mm2的銦焊料，但銦焊料封裝的器件在工作中易產(chǎn)生電遷移[10]和熱電遷移[11]效應(yīng)，降低了半導(dǎo)體激光器的可靠性[12]。金錫共晶焊料的抗拉強度高達275.8 N/mm2(40 000 psi)、楊氏模量為59 090 N/mm2(8.57×106psi)，可使器件焊接強度大幅增加；但是金錫焊料的延伸率僅為2%，不易變形，導(dǎo)致器件封裝應(yīng)力增加。本文所述的半導(dǎo)體激光器巴條疊陣及其封裝結(jié)構(gòu)使用金錫焊料封裝，徹底避免銦焊料直接與激光器巴條有源區(qū)直接接觸，再加上熱膨脹系數(shù)與激光器巴條相匹配的W90%-Cu10%合金作為導(dǎo)電散熱片，有效降低了巴條與封裝熱沉之間的應(yīng)變，使得器件的封裝應(yīng)力徹底釋放，達到低應(yīng)力甚至無應(yīng)力封裝。從實驗結(jié)果看，所研制的高溫硬焊料半導(dǎo)體激光器巴條疊陣近場分布均勻，巴條疊陣光譜寬度較窄(<3 nm)，壽命長，可靠性高。

5 結(jié) 論

研制了一組高溫硬焊料準連續(xù)半導(dǎo)體激光器巴條疊陣。在工作電流200 A、重復(fù)頻率250 Hz、脈寬200 μs的工作條件下，器件的單巴峰值功率>200 W，50%光譜寬度<3 nm，電光轉(zhuǎn)換效率>50%，壽命達到4.71×109shots時的功率衰減<15%。當(dāng)工作電流為150 A時，器件的預(yù)期壽命高達1.5×1010shots。實驗結(jié)果表明，所研制的高溫硬焊料半導(dǎo)體激光器巴條疊陣具有近場分布均勻、巴條疊陣光譜寬度較窄、壽命長、可靠性高的優(yōu)點，能夠滿足極端溫度環(huán)境的工作要求。

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Research on Performance of High Temperature Hard Solder Diode Laser Array

JIANG Xian-feng, ZHANG Li-fang, GUO Shuan-yin, Li Jiang*

(LaboratoryofSemiconductorOptoelectronicTechnology,SuzhouInstituteofBiomedicalEngineeringandTechnology,ChineseAcademyodSciences,Suzhou215163,China)
*CorrespondingAuthor,E-mail:lij@sibet.ac.cn

Based on the stack array of structure and assembly methods, a set of high temperature and hard solder quasi-continuous laser diode stack arrays were developed, and the related photo-electric performance and lifetime characteristics were studied. When the stack array is in condition of operating current 200 A, repetition frequency 250 Hz, pulse width 200 μs, the FWHM is less than 3 nm， electro-optical conversion efficiency is more than 50%, peak power per bar is more than 200 W, lifetime is up to 4.71×109shots, and the peak power degradation is less than 15%. When the operating current is 150 A, the lifetime is up to 1.5×1010shots.

diode laser array; hard solder; QCW

江先鋒(1981-)，男，河南信陽人，助理研究員，2011年于上海交通大學(xué)獲得碩士學(xué)位，主要從事半導(dǎo)體激光器封裝工藝方面的研究。

E-mail: jiangxf@sibet.ac.cn

李江(1964-)，男，江蘇蘇州人，研究員，1991年于南開大學(xué)獲得博士學(xué)位，主要從事半導(dǎo)體激光器方面的研究。

E-mail: lij@sibet.ac.cn

1000-7032(2015)05-0563-04

2014-12-12；

2015-03-14

國家863計劃()； 蘇州市科技發(fā)展技術(shù)項目(SH2014024)資助

TN248.4

A

10.3788/fgxb20153605.0563