大功率半導(dǎo)體激光器的壽命與可靠性研究

綜述報(bào)告大功率半導(dǎo)體激光器的壽命與可靠性研究大功率半導(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退化因子(α一0．8)；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℃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×25mm×7．5mm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(zhǎng)600／~m為0．58℃／w。這一封裝結(jié)構(gòu)的線陣激光器的峰值功率為90～100W，占空比l0(500Hz，200／~s)，芯片激活區(qū)的填充因子為50。圖l為進(jìn)行壽命測(cè)試的激光器所對(duì)應(yīng)的P-I—V曲線(500Hz，200／~s)，從圖中(圖中02A—X為激光器編號(hào))可以看出激光器的閾值均為l8A左右，斜效率分別為1．15，1．168，1．167，1．17，1．168w／A。實(shí)際應(yīng)用中，由于激光晶體的吸收波長(zhǎng)為808nm，當(dāng)界面熱阻設(shè)計(jì)為0．9℃／w時(shí)，芯片在水溫l8℃的波長(zhǎng)為804nm，中心波長(zhǎng)隨水溫的漂移為0．24nm／℃。因此，工作水溫設(shè)置為35℃，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-I—V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)55℃左右，超出了激光二極管的正常運(yùn)行溫度，造成了激光器閾值增加，功率降低。3.1.3結(jié)論在20℃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l0(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l_l×l0。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s。分別為7.53，8.26，8.35，9.62W／10。次，可推算出激光器壽命。水溫20℃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℃，占空比l0(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0.64×10。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件的退化率分別為12.15，8.84，10.89w／10。可推算出激光器壽命。相同占空比下，由于受到溫度應(yīng)力的影響，當(dāng)t一35℃時(shí)，激光器運(yùn)行的平均壽命1.65×10。與室溫情況下平均壽命2.19×10。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【4】。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σ和切應(yīng)力τ，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【5】。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5所示。橫坐標(biāo)是激光器的壽命，縱坐標(biāo)是累積失效率(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f式中，μ是中值壽命tm的對(duì)數(shù)值，σ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σ表示壽命分布的寬度，也容易從圖中經(jīng)過簡(jiǎn)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

σ=ln?(tmtT)，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σ=1.1。得到了中值壽命tm和對(duì)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差σ后就可以計(jì)算出激光器的平均壽命(MTTF)

MTTF=eμ+σ22=tm·eσ2本次對(duì)大功率器件壽命的分析嘗試計(jì)算了器件長(zhǎng)期退化過程的綜合激活能，并根據(jù)其推導(dǎo)了大功率半導(dǎo)體激光器的平均壽命?？偨Y(jié)出了提高大功率器件壽命的方法【6】。五、總結(jié)通過為期三周的學(xué)習(xí)，從最初選題到最后完成自學(xué)報(bào)告，我們利用了五一在家的時(shí)間。在這次的學(xué)習(xí)中，我們發(fā)現(xiàn)我國的半導(dǎo)體技術(shù)還有很高的提升空間，現(xiàn)在面臨著很多問題，比如設(shè)備的引進(jìn)，精度的不足還有這方面人才的匱乏。但同時(shí)我們也認(rèn)識(shí)到近些年來政府對(duì)大功率半導(dǎo)體激光器的重視，無論從民生還是軍事上，我們下相信還有很長(zhǎng)的一段路要走。六、組員分工馬云宵：大功率激光器的背景（多找找它的重要性和我國現(xiàn)狀還有）

李碩：總結(jié)綜述

王樂：可靠性與器件壽命的關(guān)系

吳天宇：大功率激光器壽命的測(cè)量方法

李冉：大功率激光器的測(cè)量方法（與天宇的不同）

孟曉：提高大功率器件使用壽命的方法

七、參考文獻(xiàn)[1]馬驍宇,王俊,劉素平.國內(nèi)大功率半導(dǎo)體激光器研究及應(yīng)用現(xiàn)狀[J].紅外與激光工程,2008,02:189-194.[2]曹玉蓮.高功率半導(dǎo)體量子阱激光器的可靠性研究[D].中國科學(xué)院研究生院（長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所）,2003.[3]雷