大功率半導(dǎo)體激光器的壽命與可靠性研究(一)

1、大功率半導(dǎo)體激光器的壽命與可靠性研究組別： 11組員：李碩11023112孟曉11023106王樂11023121李冉11023111馬云霄11023117吳天宇11023110目錄一、大功率激光器的應(yīng)用背景 3二、半導(dǎo)體激光器的可靠性及壽命 4三、大功率半導(dǎo)體激光器壽命的測(cè)量方法 53.1 高功率二極管激光器的壽命測(cè)量方法 53.1.2 壽命測(cè)試實(shí)驗(yàn) 63.1.3 結(jié)論 73.2 焊接應(yīng)面力對(duì)壽命的影響 8四、提高大功率半導(dǎo)體器件壽命的使用方法 8五、總結(jié) 9六、組員分工 9、大功率激光器的應(yīng)用背景隨著半導(dǎo)體激光技術(shù)的日趨成熟和應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，大功率半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用范圍已經(jīng)覆蓋了光電子

2、學(xué)的諸多領(lǐng)域，成為當(dāng)今光電子實(shí)用器件的核心技術(shù)。由于大功率 半導(dǎo)體激光器具有體積小、質(zhì)量輕、壽命長等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于民用生產(chǎn)和軍事等領(lǐng)域。近年來，國外大功率半導(dǎo)體激光器的研究進(jìn)展非常迅速，單條最大連續(xù)輸出功率已經(jīng)大于600 w,最高電光轉(zhuǎn)換效率高達(dá) 72%,單條40-120 w 已經(jīng)商品化。相對(duì)而言， 國內(nèi)在大功率半導(dǎo)體激光器研究和應(yīng)用方面雖然起步較晚，但也取得了很大的進(jìn)展。大功率半導(dǎo)體激光器是一類用途非常廣泛的光電子器件，輸出功率可以高達(dá)百瓦、 千瓦,甚至準(zhǔn)連續(xù)輸出功率達(dá)萬瓦以上，而且這些器件的能量轉(zhuǎn)換效率可高達(dá)50 %以上。半導(dǎo)體激光器相對(duì)于其他類型激光器的最大特點(diǎn)就是波長多樣性，隨著應(yīng)用

3、領(lǐng)域的不斷拓寬，大功率激光器的研究幾乎包括整個(gè)650-1 700 nm波段。目前大功率半導(dǎo)體激光器以及大功率半導(dǎo)體激光器泵浦固體激光器在材料加工、激光打標(biāo)、激光打印、激光掃描、激光測(cè)距、激光 存儲(chǔ)、激光顯示，照明、激光醫(yī)療等民用領(lǐng)域，以及激光打靶、激光制導(dǎo)、激光夜視、激光 武器等軍事領(lǐng)域均得到廣泛應(yīng)用。大功率半導(dǎo)體激光器在材料加工方面的主要應(yīng)用有：軟釬焊、材料表面相變硬化、材料表面熔覆、材料連接、鈦合金表面處理、工程材料表面親潤特性改進(jìn)、激光清潔、輔助機(jī)械 加工等。北京工業(yè)大學(xué)研制了光束整形l 000 w 大功率半導(dǎo)體激光器，用于 u74鋼軌表面淬火試驗(yàn)。軍事方面的主要應(yīng)用為：(1)半導(dǎo)體激光

4、制導(dǎo)跟蹤。從制導(dǎo)站激光發(fā)射系統(tǒng)按一定規(guī)律向空間發(fā)射經(jīng)編碼調(diào)制的 激光束，且光束中心線對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)；在波束中飛行的導(dǎo)彈，當(dāng)其位置偏離波束中心時(shí)，裝在導(dǎo)彈尾部的激光探測(cè)器接受到激光信號(hào)，經(jīng)信號(hào)處理后，調(diào)整導(dǎo)彈的飛行方向， 從而實(shí)現(xiàn)制導(dǎo)跟蹤。(2)半導(dǎo)體激光雷達(dá)。半導(dǎo)體激光雷達(dá)體積小，精度高，具有多種成像功能和實(shí)時(shí)圖像處理功能?？捎糜跈z測(cè)目標(biāo)，測(cè)量大氣水汽，云層，空氣污染等。(3)半導(dǎo)體激光引信。通過對(duì)激光目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)，對(duì)激光回波信息進(jìn)行處理和計(jì)算，判斷目標(biāo)，計(jì)算炸點(diǎn)，在最佳位置進(jìn)行引爆。(4)激光測(cè)距。半導(dǎo)體激光光源具有隱蔽性，廣泛應(yīng)用在激光夜視儀和激光夜視監(jiān)測(cè)儀。(5)激光通信光源。半導(dǎo)體激光器是一

5、種理想光源，具有抗干擾，保密性好等優(yōu)點(diǎn)。藍(lán)綠光可用于潛艇和衛(wèi)星以及航空母艦的通信。(6)半導(dǎo)體激光武器模擬?？捎糜谛滦蛙娪?xùn)和演習(xí)技術(shù)。此外，半導(dǎo)體激光器還廣泛應(yīng)用在激光瞄準(zhǔn)和報(bào)警、軍用光纖陀螺等方面。、半導(dǎo)體激光器的可靠性及壽命為了研究激光器的可靠性，我們采用了恒流老化的方法實(shí)驗(yàn)前先將封裝好的器件固定 在散熱片上，放在老化臺(tái)上進(jìn)行恒流電老化。驅(qū)動(dòng)電流為400ma，溫度保持在40 c左右，老化期間連續(xù)地觀測(cè)光功率，斷電并冷卻到25c進(jìn)行電導(dǎo)數(shù)測(cè)試。測(cè)得的大功率半導(dǎo)體激光器的 典型曲線如圖1.2所示。在老化320小時(shí)后，光導(dǎo)數(shù)曲線和電導(dǎo)數(shù)曲線上不僅出現(xiàn)了反向峰爹而且出現(xiàn)了向下的同向峰，反向峰與器件

6、的可靠性關(guān)不不大 ，反向峰主要是由側(cè)向模術(shù)智暇攣引起的，我們老化的器件是增益導(dǎo)引型器件，側(cè)向模式的不穩(wěn)定性會(huì)導(dǎo)致，p-i區(qū)曲線上出現(xiàn)扭曲。但如果側(cè)向模式跳變是由激光器的內(nèi)部缺陷和均勻性差引起起的，那么由此形成的光導(dǎo)數(shù)曲線和電導(dǎo)數(shù)曲線上的峰將會(huì)對(duì)器件的可靠性產(chǎn)生影響。導(dǎo)數(shù)曲線上由同向峰的高功率半導(dǎo)體激光器通常是不可靠性器件，主要是由內(nèi)部缺陷、載流子泄漏和電流泄漏引起的非線性電阻通路作用的結(jié)果。它們對(duì)舞件甲-可靠性影響很大，如圖1.4所示,這個(gè)器件是一只快速退化的器件。大功率寬條形半導(dǎo)體激光器結(jié)面積大，工作電流較高，器件的節(jié)溫升高大，引起導(dǎo)數(shù)曲片上出現(xiàn)峰的因素會(huì)因此而加劇，因此，高功率半導(dǎo)體激光器

7、的導(dǎo)數(shù)曲線上常有峰出現(xiàn)。因此，我們可以得出這樣一個(gè)結(jié)論，導(dǎo)數(shù)曲線上峰增多以及出現(xiàn)同向峰反映了高功率半導(dǎo) 體激光器的退化，老化后，器件在較低的驅(qū)動(dòng)電流下就有峰出現(xiàn)也是器件老化后退化的反映高功率半導(dǎo)體激光器的壽命評(píng)價(jià)面臨的難點(diǎn)產(chǎn)品的壽命評(píng)價(jià)來自于大量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，然而由于高功率半導(dǎo)體激光器的制作成本相當(dāng)高，同一批次的器件也相當(dāng)有限，這就限制了壽命數(shù)據(jù)的來源。目前進(jìn)行的壽命試驗(yàn)大部分都是單條封裝的器件，這種試驗(yàn)方案考察不到陣列器件中條與條之間的相互影響，不能反映多條陣列封裝器件壽命。由于高功率半導(dǎo)體激光器 熱負(fù)載非常大，所以要保證其工作溫度白穩(wěn)定性也較困難，產(chǎn)品的壽命和溫度是密切相關(guān)的，即使有很小的溫

8、度波動(dòng)都會(huì)影響試驗(yàn)結(jié)果。目前高功率陣列器件都采用微通道板的主動(dòng)冷卻方式。在上千小時(shí)的壽命試驗(yàn)過程中進(jìn)行數(shù)據(jù)的精確測(cè)量必須保證測(cè)量儀器穩(wěn)定在0.1% /1000 h以內(nèi)。大部分情況下，在數(shù)千小時(shí)的試驗(yàn)中出現(xiàn)斷電不可避免，而對(duì)高功率激光器來說電池組又不切實(shí)際，所以整個(gè)系統(tǒng)要保證斷電不對(duì)激光器造成損傷，而且能夠在短時(shí)間內(nèi)繼續(xù)運(yùn)行。高功率半導(dǎo)體激光器壽命評(píng)價(jià)方面還沒有具體可行的標(biāo)準(zhǔn)，有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)只有iso1752&2003,且只規(guī)定了概念框架。目前還沒有切實(shí)可行的較短時(shí)間壽命評(píng)價(jià)方法，較常用的是利用功率-時(shí)間試驗(yàn)曲線進(jìn)行壽命外推，但外推壽命通常不能超過實(shí)際試驗(yàn)時(shí)間的5倍，這對(duì)于壽命大約為10 00

9、0 h的器件，利用外推法進(jìn)行壽命試驗(yàn)的最短時(shí)間也要在2 000 h甚至更高，這對(duì)實(shí)際試驗(yàn)來說顯得非常長，因此尋求切實(shí)可行的加速壽命試驗(yàn)非常重要卬。三、大功率半導(dǎo)體激光器壽命的測(cè)量方法3.1高功率二極管激光器的壽命測(cè)量方法3 .1.1理論方法對(duì)于高功率二極管激光器還沒有標(biāo)準(zhǔn)的方法對(duì)其壽命進(jìn)行測(cè)試，根據(jù)器件的退化率外推和加速老化壽命測(cè)試是電子器件進(jìn)行可靠性鑒定的兩種不同的模式。目前，國際上普遍采用兩種外推方法進(jìn)行壽命檢測(cè)： 一種方法是固定電源的驅(qū)動(dòng)電流，測(cè)量功率隨時(shí)間的變化情況，規(guī)定激光輸出功率下降 20的時(shí)間作為激光器的有效使用壽命8；另一種方法是激光輸出功率一定的情況下，電流隨時(shí)間的變化情況，

10、規(guī)定工作電流上升20的時(shí)間作為激光器的壽命。退化率外推法測(cè)試壽命是微電子產(chǎn)品常用的方法，激光二極管的退化與其類似，國外許多大公司也采用這種方法測(cè)試壽命，根據(jù)使用情況和需要，我們主要采用恒定電流外推的模式。工作時(shí)間為t時(shí)的激光輸出功率與工作電流間的關(guān)系為pq）= 7（工）】-= ap。=物口 ztrr0式中：p為t時(shí)刻的激光輸出功率；y為斜效率；ith為閾值電流；i是工作電流；”為退化因子(a 0. 8)；帶有0下標(biāo)的為激光器起始運(yùn)行時(shí)的參量，t下標(biāo)為運(yùn)行到t時(shí)刻的參數(shù)。當(dāng)激光器運(yùn)行一段時(shí)間，其輸出功率和斜效率就會(huì)下降，閾值電流隨之升高。近年來高功率激光二極管發(fā)展很快，連續(xù)激光器的壽命已由原來的

11、幾百小時(shí)提升為上萬小時(shí)，若耗費(fèi)上萬小時(shí)來測(cè)試其壽命，這樣的實(shí)驗(yàn)是不經(jīng)濟(jì)的，只有通過其他的途徑進(jìn)行壽命測(cè)試。這樣就引入了退化率的概念，退化率是指激光器功率的退化量隨時(shí)間的變化速率。而激光器的壽命就可以通過退化率的曲線分布得出，退化率和激光器壽命的關(guān)系為p=p0-yt=-西通過對(duì)器件工作時(shí)間的測(cè)量進(jìn)行線性擬合，得出器件的退化率，利用退化率外推出器件的實(shí)際壽命。3.1.2壽命測(cè)試實(shí)驗(yàn)激光二極管的壽命測(cè)試分為兩個(gè)方面進(jìn)行，一方面冷卻水溫設(shè)為20 c測(cè)試，另一種是實(shí)際應(yīng)用的溫度條件下進(jìn)行壽命測(cè)試。為了達(dá)到理想的實(shí)驗(yàn)條件，測(cè)試在千級(jí)潔凈環(huán)境下進(jìn)行，選用德國 gmbh公司的bs81 6型芯片進(jìn)行封裝測(cè)試。由

12、于高功率激光器具有很高的 熱載，為了使其均勻散熱和提高散熱效果，激光器芯片p面向下焊接在一塊 25mm x 25mmx7.5mm的銅熱沉上，然后將熱沉用導(dǎo)熱脂粘接在銅微通道水冷器上。冷卻水在0. 15mpa下流量為300ml/min ,封裝結(jié)構(gòu)的熱阻對(duì)腔長600/m為0. 58c/w。這一封裝結(jié)構(gòu)的線陣激光器的峰值功率為 90100w,占空比10 (500hz, 200/s),芯片激活區(qū)的填充因子 為50。圖1為進(jìn)行壽命測(cè)試的激光器所對(duì)應(yīng)的p-iv曲線(500hz, 200/s),從圖中(圖中02ax為激光器編號(hào))可以看出激光器的閾值均為18a左右，斜效率分別為1. 15, 1. 168,1

13、. 167, 1. 17, 1. 168w/a。 實(shí)際應(yīng)用中，由于激光晶體的吸收波長為808nm,當(dāng)界面熱阻設(shè)計(jì)為 0. 9c/w時(shí)，芯片在水溫18c的波長為804nm,中心波長隨水溫的漂移為0. 24nm/c 。因此，工作水溫設(shè)置為35 c ,水冷器在0. 15mpa下流量為300ml/min時(shí)，激光器才可在工作電流90a,占空比l0 (400hz, 250/s)的情況下有效運(yùn)行。圖 2顯示了實(shí)際工作條件下，激光器的p-iv曲線，器件的閾值電流為 18. 5a,略高于圖l中的閾值電流值，這主要是由于界面熱阻 和工作溫度的提高，使得激光二極管的結(jié)溫高達(dá)55c左右，超出了激光二極管的正常運(yùn)行溫度

14、，造成了激光器閾值增加，功率降低。o'204(j608。1000plcling cuttcnt afig. ip-j-v chr4cicristks of dl at 20x?圖奉命測(cè)試激光器的pf”曲線020406。8i) loocurrent afig, 2 p i v characteristics of dl at 35c圖2壽命測(cè)試激光器的pwv曲蛙3.1.3結(jié)論在20c下，對(duì)5個(gè)準(zhǔn)連續(xù)激光器進(jìn)行壽命測(cè)試，測(cè)試電流均為90a,占空比為10 (500hz,200/s),初始輸出的光功率分別為92.3, 91.8, 91.7, 91.3, 85w。經(jīng)過612h(大于等于1_1x1

15、0o次)的連續(xù)測(cè)試，激光功率平均下降9. 25w,其中4個(gè)激光器隨著時(shí)間的推移逐步退化，另一個(gè)激光器受焊接面應(yīng)力影響而失效。通過線性擬合可得出器件的退化率so分別為7.53, 8.26, 8.35, 9 .62w/10。次，可推算出激光器壽命。水溫20c條件與使用溫度條件下相比有一定的差別，對(duì)封裝的3個(gè)泵浦單元線陣激光器測(cè)試結(jié)果顯示，激光器在水溫35 c ,占空比10 （400hz, 250/s）的條件下，初始輸出的光功率分別為87, 86.6, 85.2w。經(jīng)過440h（大于等于0.64x10。次）的連續(xù)測(cè)試，激光功率 平均下降6.7w。3個(gè)激光器隨著時(shí)間的推移逐步退化，通過線性擬合可得出器

16、件的退化率 分別為12.15, 8.84, 10.89w/10?？赏扑愠黾す馄鲏勖?。相同占空比下，由于受到溫度應(yīng) 力的影響，當(dāng)t 一 35c時(shí)，激光器運(yùn)行的平均壽命1.65 x 10。與室溫情況下平均壽命2.19x10。次脈沖差別較大，這表明激光二極管結(jié)溫高低對(duì)其命有明顯的影響卬。3.2焊接應(yīng)面力對(duì)壽命的影響焊接面應(yīng)力也是影響器件壽命的重要因素之一，當(dāng)材料在外力作用下不能產(chǎn)生位移時(shí)， 它的幾何形狀和尺寸將發(fā)生變化，這種形變稱為應(yīng)變（ strain ）。材料發(fā)生形變時(shí)內(nèi)部產(chǎn)生 了大小相等但方向相反的反作用力抵抗外力.把分布內(nèi)力在一點(diǎn)的集度稱為應(yīng)力（stress ）,應(yīng)力與微面積的乘積即微內(nèi)力.或

17、物體由于外因（受力、濕度變化等）而變形時(shí)，在物體內(nèi)各部分之間產(chǎn)生相互作用的內(nèi)力，以抵抗這種外因的作用， 并力圖使物體從變形后的位置回復(fù)到變形前的位置。在所考察的截面某一點(diǎn)單位面積上的內(nèi)力稱為應(yīng)力（ stress ）。按照應(yīng)力 和應(yīng)變的方向關(guān)系，可以將應(yīng)力分為正應(yīng)力（t 和切應(yīng)力t ,正應(yīng)力的方向與應(yīng)變方向平行， 而切應(yīng)力的方向與應(yīng)變垂直。按照載荷（load）作用的形式不同，應(yīng)力又可以分為拉伸壓縮應(yīng)力、彎曲應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。應(yīng)力過大會(huì)拉裂芯片而失效，為了減小焊接造成的應(yīng)力，焊料必須選擇應(yīng)力較小，焊接溫度較低的軟焊料，而軟焊料在高溫狀態(tài)下容易疲勞，不同的材料其疲勞程度不同。因此， 焊料的選擇也是影響

18、器件可靠性因素之一。另一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)是芯片的焊接，特別是芯片與熱沉間的焊接，整個(gè)焊接過程中，芯片的升溫和降溫必須是快速的，按金相理論，加速冷卻有利于獲得精細(xì)致密的晶粒組織結(jié)構(gòu)，也有利于形成平滑的接觸界面和良好的粘結(jié)特性，從而達(dá)到良好的歐姆接觸。但是，降溫太快又不利于應(yīng)力的釋放，比如，壽命測(cè)試中失效的02a-14就是由于應(yīng)力使激光器腔面出現(xiàn)了dld缺陷，從而導(dǎo)致激光器的災(zāi)難性失效。因此，高功率激光器封裝的焊接技術(shù)、焊料沉積工藝等是提高器件可靠性和壽命的關(guān)鍵因素之一。四、提高大功率半導(dǎo)體器件壽命的使用方法首先對(duì)半導(dǎo)體器件壽命進(jìn)行測(cè)試和分析。在對(duì)數(shù)正態(tài)分布概率紙上繪制把激 光器的加速壽命分布曲線，如圖

19、5所示。橫坐標(biāo)是激光器的壽命，縱坐標(biāo)是累積圖5在對(duì)我正惠度率阪上玲制加速壽的分存直投figp5 aetfl/漸m life linen pdoded 卿paper失效率（a）。通過圖中的點(diǎn)可以近似畫出兩條 互相平行的線，這就說明，半導(dǎo)體激光器的壽 命分布屬于對(duì)數(shù)正態(tài)分布形式，而且加速壽命 試驗(yàn)確實(shí)是真實(shí)有效的”加速了。一般地，半 導(dǎo)體激光器的壽命符合對(duì)數(shù)正態(tài)分布，對(duì)數(shù)正 態(tài)分布的故障概率密度函數(shù)為2?= ?） = 一 ？?:"）.?2?式中，p是中值壽命tm的對(duì)數(shù)值，（t為對(duì)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差，基于此，可準(zhǔn)確描述對(duì)數(shù)正態(tài)分布。中值壽命對(duì)應(yīng)于圖5中50 %器件失效的時(shí)間，標(biāo)準(zhǔn)差表示壽命分布的寬度

20、，也容易從圖中經(jīng)過簡單計(jì)算得到， 它決定于對(duì)數(shù)正態(tài)概率紙上累積失效率曲線的斜率，其計(jì)算公式為（7= ln?：1）,式中t1是累積失效率為16%（精確值為15.87 %）時(shí)對(duì)應(yīng)的時(shí)間。代人數(shù)據(jù)計(jì)算 得出（7=1.1。得到了中值壽命tm和對(duì)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差 后就可以計(jì)算出激光器的平均?2?2壽命（mttf） mttf=？?+丁= ? ?,代入tm=8320 ,6=1.1 至u式（6）中得至u mttf 為 15 000 h導(dǎo)致元器件失效、退化的主要問題可以歸結(jié)為：體內(nèi)退化；腔面退化； 與燒結(jié)有關(guān)的退化。而溫度也是決定器件壽命的一大條件，設(shè)計(jì)的產(chǎn)品有相當(dāng) 一部分是用于日常生活當(dāng)中，因此降低器件表面溫度是很有效的方法。 器件的表 面溫度是由周圍環(huán)境溫度以及該器件自身的產(chǎn)熱量、散熱量共同決定的所以大功率器件使用壽命的提高一方面需要在設(shè)計(jì)時(shí)盡可能采用高效率和低熱阻，另