2016-09-12  摘自光電產(chǎn)品與資訊

引言

      半導體激光器由于體積小巧，電光轉(zhuǎn)換效率高、可靠性高以及壽命長的顯著特點，可被用來抽運固體/光纖激光器，也可直接用于材料處理如焊接、切割、表面處理等。以半導體激光器為抽運源的固體/光纖激光器廣泛應用于工業(yè)、軍事、醫(yī)療等領域。隨著半導體激光器輸出功率、轉(zhuǎn)換效率、可靠性和制造工藝的提高以及成本的降低，許多新的應用成為可能。

      在一些實際應用中，半導體激光器需要工作在準連續(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重復頻率）下工作。對于長脈寬，高占空比的工作條件，比如300 ms，1 Hz，30%占空比，這對器件的抗熱疲勞、耐高溫、環(huán)境適應性強等特性提出了更高的要求。而傳統(tǒng)的銦封裝高功率半導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，半導體激光器可靠性也會逐漸降低，如何保證在高功率輸出的同時兼?zhèn)涓呖煽啃砸殉蔀楫斍皹I(yè)界最關心的問題。本文介紹了全無銦封裝傳導冷卻高功率半導體激光器疊陣，闡述了影響其特性的主要因素，對各種因素進行了分析和討論，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。熱管理對于高功率半導體激光器而言至關重要，因為半導體激光器大約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。

      對于高功率半導體激光器，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。

      半導體激光器的輸出功率與熱阻的關系如（2）式所示，器件使用壽命與熱阻的關（3）式所示。

      其中，ηd、Ith、T1、T0為室溫下器件的轉(zhuǎn)換效率、閾值電流、斜率特征溫度和閾值特征溫度，t為半導體激光器壽命，Ea為激活能（activation energy），K為波爾茲曼常數(shù)，Rth為半導體激光器的熱阻。由（2）式和（3）式可以看出降低熱阻可以增加半導體激光器的輸出功率，提高壽命。 

      半導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計封裝結(jié)構(gòu)三個方面來實現(xiàn)。熱阻計算方法如下[2]：

                            Rth＝L/kA               (4)

其中：L為熱傳導距離（m），A為熱傳導通道的截面積（m2），k為熱傳導系數(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距離或者增大熱傳導通道截積?；诖?，可通過增加芯片腔長（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)熱傳導能力，本文所述的傳導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，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。每個巴條所產(chǎn)生的熱都通過襯底材料傳導到絕緣層，再通過絕緣層傳導到底部的高導熱熱沉材料，將激光器產(chǎn)生的廢熱傳導出去，如圖 1 中紅色箭頭所示。這種設計就使得該結(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)的設計難度，并減少了成本。

圖1 傳導冷卻封裝高功率半導體激光器疊陣

      對于用于泵浦固體激光器的傳導冷卻高功率半導體激光器疊陣，通常工作在100μs-300μs的脈沖寬度范圍內(nèi)，瞬態(tài)熱管理就至關重要。圖 2是一個巴條內(nèi)3個發(fā)光點的典型瞬態(tài)溫度分布。通過分析瞬態(tài)條件下的熱分布，深入研究每個巴條甚至每個發(fā)光點的溫度特性，可以計算出半導體激光器疊陣的結(jié)溫，分析其相對條件下的最高溫度，指導實際的封裝，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)達到穩(wěn)態(tài)后的溫度分布，可以看出，該結(jié)構(gòu)的最高點溫度為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。若每個巴條所產(chǎn)生的廢熱能被及時帶走，達到穩(wěn)態(tài)后每個巴條的溫度會均勻分布，不會產(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頻率有關，存在相鄰巴條之間的熱串擾現(xiàn)象[8]。為降低熱串擾，需要優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)，或降低器件工作的脈寬和重復頻率。

圖3 GS04-5bar結(jié)構(gòu)的溫度分布

      另外，對于傳導冷卻高功率半導體激光器疊陣，不同pitch的封裝結(jié)構(gòu)對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比圖片?？梢钥闯?，相對于圖 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，這將導致激光器巴條的有源區(qū)產(chǎn)生局部熱點（hot spot），嚴重影響激光器的可靠性和壽命?？梢酝ㄟ^優(yōu)化金屬層結(jié)構(gòu)以及封裝貼片工藝技術來降低貼片層空洞，進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，進行無空洞貼片封裝；三是采用具有更高熱導率的材料封裝。

2熱應力管理

      半導體激光器的熱應力將導致器件波長漂移、光譜畸變和展寬等，極大影響了器件的性能。熱應力的產(chǎn)生是由于芯片和襯底的熱膨脹系數(shù)（CTE）失配所導致。熱應力與熱膨脹系數(shù)和溫度的關系為：

其中，E1、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為焊料凝固點的溫度，Ts為應力測試點的溫度（工作溫度）。

      對于傳統(tǒng)的銦封裝單巴條高功率半導體激光器[10]，由于半導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（156℃）降到室溫（25℃），溫差達131℃。根據(jù)公式（5）算得產(chǎn)生的熱應力對于標準的10mm長的激光器巴條來說，將使銅熱沉和激光器巴條間出現(xiàn)14μm的收縮差異，從而導致激光器巴條變形。而金錫焊料的熔點為283℃，比銦的高了127℃，從熔點降低至室溫，若采用銅做熱沉材料，熱應力會導致芯片產(chǎn)生近26μm的形變，足以使芯片發(fā)生嚴重的變形，甚至開裂損傷。圖 6 是焊料從熔點降至室溫過程中熱應力導致巴條彎曲的原理示意圖。

圖6 近場非線性（smile）形成的原理示意圖

      激光器外延材料內(nèi)的熱應力影響器件的發(fā)射波長，應力對波長的影響系數(shù)為~1*10-5 eV/bar（或~0.005nm/bar)。半導體激光器的張應力和壓應力對光譜漂移產(chǎn)生不同的效果，張應力引起紅移，壓應力引起藍移[11]。而整個半導體激光器巴條寬度內(nèi)發(fā)光單元所遭受的非均勻熱應力將會造成波長分布不均勻，導致光譜展寬，如圖 7 所示

圖7 熱應力不均勻?qū)е鹿庾V展寬

較大的熱應力會導致半導體激光器巴條損傷，甚至芯片斷裂，如圖 8 所示。

圖 8 熱應力導致的芯片損傷

減小熱應力的影響有三個途徑：第一，采用熱傳導率高，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力；第三，通過優(yōu)化封裝工藝降低巴條組上熱應力分布的不均勻性。

3全無銦封裝

      銦焊料是大功率半導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遠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，每個巴條與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，激光器疊陣中每個巴條可以在更高結(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)重量僅為2.3克，如圖10所示。圖11為2.3克 1500W傳導冷卻高功率半導體激光器疊陣的功率-電流和光譜特性曲線。

圖9 全無銦封裝傳導冷卻高功率半導體激光器疊陣

圖10 2.3克傳導冷卻封裝高功率半導體激光器疊陣

圖11 2.3克 傳導冷卻半導體激光器疊陣的

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，提升高功率半導體激光器的可靠性。炬光科技公司擁有全無銦化半導體激光器封裝工藝技術，并成功實現(xiàn)了質(zhì)量穩(wěn)定的批量化生產(chǎn)，向客戶提供高性能長壽命的半導體激光器產(chǎn)品。圖12顯示在QCW條件下額定功率為1500W的GS04激光器的壽命測試時間已經(jīng)超過109shots，功率無任何衰減，目前壽命測試還在繼續(xù)進行。

圖12 808nm半導體激光器疊陣壽命測試結(jié)果

4窄光譜控制

      對于以半導體激光器作為泵浦光源激勵固體、或光纖激光器的應用，需要窄光譜寬度的半導體激光器，以利于固體激光器晶體的高效吸收。通過減少泵浦半導體激光器的光譜寬度來提高光譜精度，使得激光系統(tǒng)設計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)，同時又減少了系統(tǒng)散熱成本。光譜寬度是半導體激光器疊陣產(chǎn)品的關鍵指標之一，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)品競爭力。

半導體激光器陣列的光譜展寬主要是由于每個發(fā)光點的發(fā)射波長不一致引起的。 對于高功率半導體激光器疊陣，寬光譜曲線可能會出現(xiàn)側(cè)峰、雙峰甚至多峰，如圖13所示。疊陣內(nèi)每個巴條輸出波長不一致以及由于封裝導致的熱和熱應力效應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巴條的溫度均勻和應力均勻，從而消除局部熱效應和應力效應。為了獲得窄光譜，需要根據(jù)封裝結(jié)構(gòu)的熱分布對組成傳導冷卻疊陣的各個巴條進行波長匹配，將滿足目標要求波長的巴條封裝在一起，獲得窄的光譜特性，其原理如圖14所示[14，15]。

圖14 光譜控制技術原理

利用窄光譜控制技術，炬光科技封裝了GS04-5bar傳導冷卻半導體激光器疊陣，一個典型光譜如圖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、儲存時間長、性能穩(wěn)定、環(huán)境適應性強等優(yōu)點，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，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體激光器產(chǎn)品。這些全無銦化技術封裝的產(chǎn)品均通過了包括高、低溫-40℃~+85℃存儲和溫循環(huán)境、以及相應的振動沖擊等環(huán)境試驗。從圖16可以看出，環(huán)境試驗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）中心波長變化曲線

圖16 全無銦化傳導冷卻疊陣產(chǎn)品環(huán)境試驗

前后的數(shù)據(jù)對比

總結(jié)

本文介紹了全無銦封裝傳導冷卻高功率半導體激光器疊陣，從瞬態(tài)熱管理、熱應力管理、全無銦封裝、窄光譜控制、可靠性五個方面進行了分析和討論，并提出了提高器件性能的策略和方法。

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