大功率半導體激光器的壽命與可靠性研究(1)

1、大功率半導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、大功率激光器的應用背景3二、半導體激光器的可靠性及壽命4三、大功率半導體激光器壽命的測量方法53.1高功率二極管激光器的壽命測量方法53.1.2壽命測試實驗63.1.3結論73.2焊接應面力對壽命的影響8四、提高大功率半導體器件壽命的使用方法8五、總結9六、組員分工9、大功率激光器的應用背景隨著半導體激光技術的日趨成熟和應用領域的不斷擴展，大功率半導體激光器的應用范圍已經(jīng)覆蓋了光電子學的諸多領域，成為當今光電子實

2、用器件的核心技術。由于大功率半導體激光器具有體積小、質量輕、壽命長等優(yōu)點，廣泛應用于民用生產(chǎn)和軍事等領域。近年來，國外大功率半導體激光器的研究進展非常迅速，單條最大連續(xù)輸出功率已經(jīng)大于600W,最高電光轉換效率高達72%,單條40-120W已經(jīng)商品化。相對而言，國內在大功率半導體激光器研究和應用方面雖然起步較晚，但也取得了很大的進展。大功率半導體激光器是一類用途非常廣泛的光電子器件，輸出功率可以高達百瓦、千瓦，甚至準連續(xù)輸出功率達萬瓦以上，而且這些器件的能量轉換效率可高達50%以上。半導體激光器相對于其他類型激光器的最大特點就是波長多樣性，隨著應用領域的不斷拓寬，大功率激光器的研究幾乎包括整個

3、650-1700nm波段。目前大功率半導體激光器以及大功率半導體激光器泵浦固體激光器在材料加工、激光打標、激光打印、激光掃描、激光測距、激光存儲、激光顯示，照明、激光醫(yī)療等民用領域，以及激光打靶、激光制導、激光夜視、激光武器等軍事領域均得到廣泛應用。大功率半導體激光器在材料加工方面的主要應用有：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、激光清潔、輔助機械加工等。北京工業(yè)大學研制了光束整形l000W大功率半導體激光器，用于U74鋼軌表面淬火試驗。軍事方面的主要應用為：(1) 半導體激光制導跟蹤。從制導站激光發(fā)射系統(tǒng)按一定規(guī)律向空間發(fā)射經(jīng)編碼調制的

4、激光束，且光束中心線對準目標；在波束中飛行的導彈，當其位置偏離波束中心時，裝在導彈尾部的激光探測器接受到激光信號，經(jīng)信號處理后，調整導彈的飛行方向，從而實現(xiàn)制導跟蹤。(2) 半導體激光雷達。半導體激光雷達體積小，精度高，具有多種成像功能和實時圖像處理功能?？捎糜跈z測目標，測量大氣水汽，云層，空氣污染等。(3) 半導體激光引信。通過對激光目標進行探測，對激光回波信息進行處理和計算，判斷目標，計算炸點，在最佳位置進行引爆。(4) 激光測距。半導體激光光源具有隱蔽性，廣泛應用在激光夜視儀和激光夜視監(jiān)測儀。(5) 激光通信光源。半導體激光器是一種理想光源，具有抗干擾，保密性好等優(yōu)點。藍綠光可用于潛艇和

5、衛(wèi)星以及航空母艦的通信。(6)半導體激光武器模擬?？捎糜谛滦蛙娪柡脱萘暭夹g。此外，半導體激光器還廣泛應用在激光瞄準和報警、軍用光纖陀螺等方面【1】。、半導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驗前先將封裝好的器件固定在散熱片上，放在老化臺上進行恒流電老化。驅動電流為400mA,溫度保持在40°C左右，老化期間連續(xù)地觀測光功率,斷電并冷卻到25C進行電導數(shù)測試。測得的大功率半導體激光器的典型曲線如圖1.2所示。老化后1.2老化前1.1老化96小時1.3老化320小時1.4在老化320小時后,光導數(shù)曲線和電導數(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

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

7、半導體激光器的導數(shù)曲線上常有峰出現(xiàn)。因此,我們可以得出這樣一個結論,導數(shù)曲線上峰增多以及出現(xiàn)同向峰反映了高功率半導體激光器的退化,老化后,器件在較低的驅動電流下就有峰出現(xiàn)也是器件老化后退化的反映【2】高功率半導體激光器的壽命評價面臨的難點產(chǎn)品的壽命評價來自于大量的統(tǒng)計數(shù)據(jù),然而由于高功率半導體激光器的制作成本相當高,同一批次的器件也相當有限,這就限制了壽命數(shù)據(jù)的來源。目前進行的壽命試驗大部分都是單條封裝的器件,這種試驗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。由于高功率半導體激光器熱負載非常大,所以要保證其工作溫度的穩(wěn)定性也較困難,產(chǎn)品的壽命和溫度是密切相關的,

8、即使有很小的溫度波動都會影響試驗結果。目前高功率陣列器件都采用微通道板的主動冷卻方式。在上千小時的壽命試驗過程中進行數(shù)據(jù)的精確測量必須保證測量儀器穩(wěn)定在0.1%/1000h以內。大部分情況下,在數(shù)千小時的試驗中出現(xiàn)斷電不可避免,而對高功率激光器來說電池組又不切實際,所以整個系統(tǒng)要保證斷電不對激光器造成損傷,而且能夠在短時間內繼續(xù)運行。高功率半導體激光器壽命評價方面還沒有具體可行的標準,有關標準只有ISO17526-2003,且只規(guī)定了概念框架。目前還沒有切實可行的較短時間壽命評價方法,較常用的是利用功率-時間試驗曲線進行壽命外推,但外推壽命通常不能超過實際試驗時間的5倍,這對于壽命大約為100

9、00h的器件，利用外推法進行壽命試驗的最短時間也要在2000h甚至更高，這對實際試驗來說顯得非常長,因此尋求切實可行的加速壽命試驗非常重要【3】。三、大功率半導體激光器壽命的測量方法3.1高功率二極管激光器的壽命測量方法3.1.1理論方法對于高功率二極管激光器還沒有標準的方法對其壽命進行測試，根據(jù)器件的退化率外推和加速老化壽命測試是電子器件進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行壽命檢測：一種方法是固定電源的驅動電流，測量功率隨時間的變化情況，規(guī)定激光輸出功率下降20的時間作為激光器的有效使用壽命R；另一種方法是激光輸出功率一定的情況下，電流隨時間的變化情況，規(guī)定工

10、作電流上升20的時間作為激光器的壽命。退化率外推法測試壽命是微電子產(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。工作時間為t時的激光輸出功率與工作電流間的關系為PQ)=7(£)C/人h(C=aP0=咋fZtkr0式中：P(t)為t時刻的激光輸出功率；n(t)為斜效率；Ith為閾值電流；丨是工作電流；a為退化因子(a0.8)；帶有0下標的為激光器起始運行時的參量，t下標為運行到t時刻的參數(shù)。當激光器運行一段時間，其輸出功率和斜效率就會下降，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

11、壽命已由原來的幾百小時提升為上萬小時，若耗費上萬小時來測試其壽命，這樣的實驗是不經(jīng)濟的，只有通過其他的途徑進行壽命測試。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系為P(C=PQ-yr=心)M一ZLh(r)通過對器件工作時間的測量進行線性擬合，得出器件的退化率，利用退化率外推出器件的實際壽命。3.1.2壽命測試實驗激光二極管的壽命測試分為兩個方面進行，一方面冷卻水溫設為20°C測試，另一種是實際應用的溫度條件下進行壽命測試。為了達到理想的實驗條件，測試在千級潔凈環(huán)境下進行，選用德國Gmb

12、H公司的bs816型芯片進行封裝測試。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25mmX25mmX7.5mm的銅熱沉上，然后將熱沉用導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,封裝結構的熱阻對腔長600/m為0.58C/w。這一封裝結構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。圖丨為進行壽命測試的激光器所對應的P-IV曲線(500Hz,200/s)，從圖中(圖中02AX為激光器編號)可以看出激光器的閾值均為I8A左右，斜效率分別為1.15,1.1

13、68，1.167，1.17，1.168w/A。實際應用中，由于激光晶體的吸收波長為808nm，當界面熱阻設計為0.9C/w時，芯片在水溫I8C的波長為804nm，中心波長隨水溫的漂移為0.24nm/C。因此，工作水溫設置為35C，水冷器在0.15MPa下流量為300ml/min時，激光器才可在工作電流90A，占空比l0(400Hz，250/s)的情況下有效運行。圖2顯示了實際工作條件下，激光器的P-IV曲線，器件的閾值電流為18.5A，略高于圖丨中的閾值電流值，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溫高達55C左右，超出了激光二極管的正常運行溫度，造成了激光器閾值增加，功率降

14、低。3.1.3結論在20°C下，對5個準連續(xù)激光器進行壽命測試,測試電流均為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IX10。次)的連續(xù)測試，激光功率平均下降9.25W，其中4個激光器隨著時間的推移逐步退化，另一個激光器受焊接面應力影響而失效。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°C條件與使用溫度條件下相比有一定的差別，對封裝的3個泵浦單元線陣激光器測試結果顯示，激光器在水溫35C，占空比10

15、(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)測試，激光功率平均下降6.7W。3個激光器隨著時間的推移逐步退化，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?？赏扑愠黾す馄鲏勖?。相同占空比下，由于受到溫度應力的影響，當t一35C時，激光器運行的平均壽命1.65X10。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溫高低對其命有明顯的影響【4】。3.2焊接應面力對壽命的影響焊接面應力也是影響器件壽命的重要因素之一，當材料在外力作用下不能產(chǎn)生位移時，它的幾

16、何形狀和尺寸將發(fā)生變化，這種形變稱為應變(Strain)。材料發(fā)生形變時內部產(chǎn)生了大小相等但方向相反的反作用力抵抗外力.把分布內力在一點的集度稱為應力(Stress),應力與微面積的乘積即微內力或物體由于外因(受力、濕度變化等)而變形時，在物體內各部分之間產(chǎn)生相互作用的內力，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到變形前的位置。在所考察的截面某一點單位面積上的內力稱為應力(Stress)。按照應力和應變的方向關系，可以將應力分為正應力O和切應力T，正應力的方向與應變方向平行，而切應力的方向與應變垂直。按照載荷(Load)作用的形式不同，應力又可以分為拉伸壓縮應力、彎曲應力和扭轉應

17、力。應力過大會拉裂芯片而失效，為了減小焊接造成的應力，焊料必須選擇應力較小，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。另一個關鍵環(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致密的晶粒組織結構，也有利于形成平滑的接觸界面和良好的粘結特性，從而達到良好的歐姆接觸。但是，降溫太快又不利于應力的釋放，比如，壽命測試中失效的02A-14就是由于應力使激光器腔面出現(xiàn)了DLD缺陷，從而導致激光器的災難性失效。因此，高功率激光器封裝的焊接技術、焊料沉積

18、工藝等是提高器件可靠性和壽命的關鍵因素之一【5】。四、提高大功率半導體器件壽命的使用方法首先對半導體器件壽命進行測試和分析。在對數(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。橫坐標是激光器的壽命，縱坐標是累積圖$在對數(shù)正您概率紙上黠制加連春命分布直疑Fig.5Aceelenatedtiielimelinesplotled(wilognormalpaper失效率(A)。通過圖中的點可以近似畫出兩條互相平行的線，這就說明，半導體激光器的壽命分布屬于對數(shù)正態(tài)分布形式，而且加速壽命試驗確實是“真實有效的”加速了。一般地，半導體激光器的壽命符合對數(shù)正態(tài)分布，對數(shù)正態(tài)分布的故障概率密度函數(shù)

19、為11Int卩2ft=f卩,o2=exp(2not2a式中，p是中值壽命tm的對數(shù)值，a為對數(shù)標準差，基于此，可準確描述對數(shù)正態(tài)分布。中值壽命對應于圖5中50器件失效的時間，標準差a表示壽命分布的寬度，也容易從圖中經(jīng)過簡單計算得到，它決定于對數(shù)正態(tài)概率紙上累積失效率曲線的斜率，其計算公式為a=ln理為）,tt式中t1是累積失效率為16（精確值為15.87）時對應的時間。代人數(shù)據(jù)計算得出a=1.1。得到了中值壽命tm和對數(shù)標準差a后就可以計算出激光器的平均壽命（MTTF）MTTF=e“+子=哺e子，代入tm=8320,a=1.1到式（6）中得到MTTF為15000h導致元器件失效、退化的主要問題可以歸結為：體內退化；腔面退化；與燒結有關的退化。而溫度也是決定器件壽命的一大條件，設計的產(chǎn)品有相當一部分是用于日常生活當中，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計時盡可能采用高效率和低熱阻，另一方面需要注意對器件的保養(yǎng)，盡量降