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1、大功率半导体激光器寿命与可靠性研究组别：11成员：李硕 11023112 孟晓 11023106 王乐 11023121 李冉 11023111 马云霄 11023117 吴天宇 11023110目录一、大功率激光器的应用背景3二、半导体激光器的可靠性及寿命4三、大功率半导体激光器寿命的测量方法53.1 高功率二极管激光器的寿命测量方法53.1.2寿命测试实验63.1.3 结论73.2 焊接应面力对寿命的影响8四、提高大功率半导体器件寿命的使用方法8五、总结9六、组员分工9一、大功率激光器应用背景随着半导体激光技术日趋成熟和应用领域不断扩展，大功率半导体激光器应用范畴已经覆盖了光电子学诸多领域
2、，成为当今光电子实用器件核心技术。由于大功率半导体激光器具备体积小、质量轻、寿命长等长处，广泛应用于民用生产和军事等领域。 近年来，国外大功率半导体激光器研究进展非常迅速， 单条最大持续输出功率已经不不大于600 W，最高电光转换效率高达72，单条40-120 W 已经商品化。相对而言，国内在大功率半导体激光器研究和应用方面虽然起步较晚，但也获得了很大进展。大功率半导体激光器是一类用途非常广泛光电子器件，输出功率可以高达百瓦、千瓦，甚至准持续输出功率达万瓦以上，并且这些器件能量转换效率可高达50以上。半导体激光器相对于其她类型激光器最大特点就是波长多样性，随着应用领域不断拓宽，大功率激光器研究
3、几乎涉及整个650-1 700 nm波段。当前大功率半导体激光器以及大功率半导体激光器泵浦固体激光器在材料加工、激光打标、激光打印、激光扫描、激光测距、激光存储、激光显示，照明、激光医疗等民用领域，以及激光打靶、激光制导、激光夜视、激光武器等军事领域均得到广泛应用。大功率半导体激光器在材料加工方面重要应用有：软钎焊、材料表面相变硬化、材料表面熔覆、材料连接、钛合金表面解决、工程材料表面亲润特性改进、激光清洁、辅助机械加工等。北京工业大学研制了光束整形l 000 W 大功率半导体激光器，用于U74钢轨表面淬火实验。军事方面重要应用为：(1)半导体激光制导跟踪。从制导站激光发射系统按一定规律向空间
4、发射经编码调制激光束，且光束中心线对准目的；在波束中飞行导弹，当其位置偏离波束中心时，装在导弹尾部激光探测器接受到激光信号，经信号解决后，调节导弹飞行方向，从而实现制导跟踪。(2)半导体激光雷达。半导体激光雷达体积小，精度高，具备各种成像功能和实时图像解决功能。可用于检测目的，测量大气水汽，云层，空气污染等。(3)半导体激光引信。通过对激光目的进行探测，对激光回波信息进行解决和计算，判断目的，计算炸点，在最佳位置进行引爆。(4)激光测距。半导体激光光源具备隐蔽性，广泛应用在激光夜视仪和激光夜视监测仪。(5)激光通信光源。半导体激光器是一种抱负光源，具备抗干扰，保密性好等长处。蓝绿光可用于潜艇和
5、卫星以及航空母舰通信。(6)半导体激光武器模仿。可用于新型军训和演习技术。此外，半导体激光器还广泛应用在激光瞄准和报警、军用光纤陀螺等方面【1】。二、半导体激光器可靠性及寿命 为了研究激光器可靠性,咱们采用了恒流老化办法实验前先将封装好器件固定在散热片上,放在老化台上进行恒流电老化。驱动电流为400mA,温度保持在40左右,老化期间持续地观测光功率,断电并冷却到25进行电导数测试。测得大功率半导体激光器典型曲线如图1.2所示。 老化前1.1 老化后1.2 老化96小时1.3 老化320小时 1.4 在老化320小时后,光导数曲线和电导数曲线上不但浮现了反向峰爹并且浮现了向下同向峰,反向峰与器件
6、可靠性关不不大,反向峰重要是由侧向模术智暇孪引起,咱们老化器件是增益导引型器件,侧向模式不稳定性会导致,P-I区曲线上浮现扭曲。但如果侧向模式跳变是由激光器内部缺陷和均匀性差引起起，那么由此形成光导数曲线和电导数曲线上峰将会对器件可靠性产生影响。 导数曲线上由同向峰高功率半导体激光器普通是不可靠性器件,重要是由内部缺陷、载流子泄漏和电流泄漏引起非线性电阻通路作用成果。它们对舞件甲-可靠性影响很大,如图1.4所示,这个器件是一只迅速退化器件。大功率宽条形半导体激光器结面积大,工作电流较高,器件节温升高大,引起导数曲片上浮现峰因素会因而而加剧,因而,高功率半导体激光器导数曲线上常有峰浮现。 因而,
7、咱们可以得出这样一种结论,导数曲线上峰增多以及浮现同向峰反映了高功率半导体激光器退化,老化后,器件在较低驱动电流下就有峰浮现也是器件老化后退化反映【2】。高功率半导体激光器寿命评价面临难点产品寿命评价来自于大量记录数据,然而由于高功率半导体激光器制作成本相称高,同一批次器件也相称有限,这就限制了寿命数据来源。目迈进行寿命实验大某些都是单条封装器件,这种实验方案考察不到阵列器件中条与条之间互相影响,不能反映多条阵列封装器件寿命。由于高功率半导体激光器热负载非常大,因此要保证其工作温度稳定性也较困难,产品寿命和温度是密切有关,虽然有很小温度波动都会影响实验成果。当前高功率阵列器件都采用微通道板积极
8、冷却方式。在上千小时寿命实验过程中进行数据精准测量必要保证测量仪器稳定在0. 1% /1 000 h以内。大某些状况下,在数千小时实验中浮现断电不可避免,而对高功率激光器来说电池组又不切实际,因此整个系统要保证断电不对激光器导致损伤,并且可以在短时间内继续运营。高功率半导体激光器寿命评价方面还没有详细可行原则,关于原则只有ISO17526-,且只规定了概念框架。当前还没有切实可行较短时间寿命评价办法,较惯用是运用功率-时间实验曲线进行寿命外推,但外推寿命普通不能超过实际实验时间5倍,这对于寿命大概为10 000 h器件,运用外推法进行寿命实验最短时间也要在2 000 h甚至更高,这对实际实验来
9、说显得非常长,因而谋求切实可行加速寿命实验非常重要【3】。三、大功率半导体激光器寿命测量办法3.1 高功率二极管激光器寿命测量办法 3.1.1 理论办法对于高功率二极管激光器还没有原则办法对其寿命进行测试，依照器件退化率外推和加速老化寿命测试是电子器件进行可靠性鉴定两种不同模式。当前，国际上普遍采用两种外推办法进行寿命检测：一种办法是固定电源驱动电流，测量功率随时间变化状况，规定激光输出功率下降20 时间作为激光器有效使用寿命 ；另一种办法是激光输出功率一定状况下，电流随时间变化状况，规定工作电流上升20时间作为激光器寿命。退化率外推法测试寿命是微电子产品惯用办法，激光二极管退化与其类似，国外
10、许多大公司也采用这种办法测试寿命，依照使用状况和需要，咱们重要采用恒定电流外推模式。工作时间为t时激光输出功率与工作电流间关系为 式中：P(t)为t时刻激光输出功率；(t)为斜效率；Ith为阈值电流；I是工作电流；为退化因子(一08)；带有0下标为激光器起始运营时参量，t下标为运营到t时刻参数。当激光器运营一段时间，其输出功率和斜效率就会下降，阈值电流随之升高。近年来高功率激光二极管发展不久，持续激光器寿命已由本来几百小时提高为上万小时，若耗费上万小时来测试其寿命，这样实验是不经济，只有通过其她途径进行寿命测试。这样就引入了退化率概念，退化率是指激光器功率退化量随时间变化速率。而激光器寿命就可
11、以通过退化率曲线分布得出，退化率和激光器寿命关系为 通过对器件工作时间测量进行线性拟合，得出器件退化率，运用退化率外推出器件实际寿命。3.1.2寿命测试实验激光二极管寿命测试分为两个方面进行，一方面冷却水温设为20测试，另一种是实际应用温度条件下进行寿命测试。为了达到抱负实验条件，测试在千级干净环境下进行，选用德国GmbH 公司bs816型芯片进行封装测试。由于高功率激光器具备很高热载，为了使其均匀散热和提高散热效果，激光器芯片P面向下焊接在一块25mm25mm75mm 铜热沉上，然后将热沉用导热脂粘接在铜微通道水冷器上。冷却水在015MPa下流量为300mlmin，封装构造热阻对腔长600m
12、为058w。这一封装构造线阵激光器峰值功率为90100W，占空比l0 (500Hz，200s)，芯片激活区填充因子为50 。图l为进行寿命测试激光器所相应P-IV曲线(500Hz，200s)，从图中(图中02AX为激光器编号)可以看出激光器阈值均为l8A左右，斜效率分别为115，1168，1167，117，1168wA。实际应用中，由于激光晶体吸取波长为808nm，当界面热阻设计为09w 时，芯片在水温l8 波长为804nm，中心波长随水温漂移为024nm 。因而，工作水温设立为35 ，水冷器在015MPa下流量为300mlmin时，激光器才可在工作电流90A，占空比l0 (400Hz，250
13、s)状况下有效运营。图2显示了实际工作条件下，激光器P-IV曲线，器件阈值电流为185A，略高于图l中阈值电流值，这重要是由于界面热阻和工作温度提高，使得激光二极管结温高达55左右，超过了激光二极管正常运营温度，导致了激光器阈值增长，功率减少。3.1.3 结论在20下，对5个准持续激光器进行寿命测试，测试电流均为90A，占空比为l0 (500Hz，200s)，初始输出光功率分别为92.3，91.8，91.7，91.3，85W。通过612h(不不大于等于l_ll0。次)持续测试，激光功率平均下降925W，其中4个激光器随着时间推移逐渐退化，另一种激光器受焊接面应力影响而失效。通过线性拟合可得出器
14、件退化率s。 分别为7.53，8.26，8.35，9 .62W10。次，可推算出激光器寿命。水温20条件与使用温度条件下相比有一定差别，对封装3个泵浦单元线阵激光器测试成果显示，激光器在水温35 ，占空比l0 (400Hz，250s)条件下，初始输出光功率分别为87，86.6，85.2W。通过440h(不不大于等于0.6410。次)持续测试，激光功率平均下降6.7W。3个激光器随着时间推移逐渐退化，通过线性拟合可得出器件退化率分别为12.15，8.84，10.89w10。可推算出激光器寿命。相似占空比下，由于受到温度应力影响，当t一35 时，激光器运营平均寿命1.6510。与室温状况下平均寿命
15、2.1910。次脉冲差别较大，这表白激光二极管结温高低对其命有明显影响【4】。3.2 焊接应面力对寿命影响 焊接面应力也是影响器件寿命重要因素之一，当材料在外力作用下不能产生位移时，它几何形状和尺寸将发生变化，这种形变称为应变（Strain）。材料发生形变时内部产生了大小相等但方向相反反作用力抵抗外力把分布内力在一点集度称为应力（Stress），应力与微面积乘积即微内力或物体由于外因(受力、湿度变化等)而变形时，在物体内各某些之间产生互相作用内力，以抵抗这种外因作用，并力图使物体从变形后位置回答到变形前位置。在所考察截面某一点单位面积上内力称为应力（Stress）。按照应力和应变方向关系，可以
16、将应力分为正应力 和切应力，正应力方向与应变方向平行，而切应力方向与应变垂直。按照载荷（Load）作用形式不同，应力又可以分为拉伸压缩应力、弯曲应力和扭转应力。应力过大会拉裂芯片而失效，为了减小焊接导致应力，焊料必要选取应力较小，焊接温度较低软焊料，而软焊料在高温状态下容易疲劳，不同材料其疲劳限度不同。因而，焊料选取也是影响器件可靠性因素之一。另一种核心环节是芯片焊接，特别是芯片与热沉间焊接，整个焊接过程中，芯片升温和降温必要是迅速，按金相理论，加速冷却有助于获得精细致密晶粒组织构造，也有助于形成平滑接触界面和良好粘结特性，从而达到良好欧姆接触。但是，降温太快又不利于应力释放，例如，寿命测试中
17、失效02A -14 就是由于应力使激光器腔面浮现了DLD缺陷，从而导致激光器劫难性失效。因而，高功率激光器封装焊接技术、焊料沉积工艺等是提高器件可靠性和寿命核心因素之一【5】。四、提高大功率半导体器件寿命用法一方面对半导体器件寿命进行测试和分析。在对数正态分布概率纸上绘制把激光器加速寿命分布曲线，如图5所示。横坐标是激光器寿命，纵坐标是累积失效率(A)。通过图中点可以近似画出两条互相平行线，这就阐明，半导体激光器寿命分布属于对数正态分布形式，并且加速寿命实验的确是“真实有效”加速了。普通地，半导体激光器寿命符合对数正态分布，对数正态分布故障概率密度函数为式中，是中值寿命tm对数值，为对数原则差
18、，基于此，可精确描述对数正态分布。中值寿命相应于图5中50器件失效时间，原则差表达寿命分布宽度，也容易从图中通过简朴计算得到，它决定于对数正态概率纸上累积失效率曲线斜率，其计算公式为，式中t1是累积失效率为16(精准值为15.87)时相应时间。代人数据计算得出=1.1。得到了中值寿命tm和对数原则差后就可以计算出激光器平均寿命(MTTF)MTTF=，代入tm=8320，=1.1到式(6)中得到MTTF为15 000 h 导致元器件失效、退化重要问题可以归结为：体内退化；腔面退化；与烧结关于退化。而温度也是决定器件寿命一大条件，设计产品有相称一某些是用于寻常生活当中，因而减少器件表面温度是很有效
19、办法。器件表面温度是由周边环境温度以及该器件自身产热量、散热量共同决定因此大功率器件使用寿命提高一方面需要在设计时尽量采用高效率和低热阻，另一方面需要注意对器件保养，尽量减少器件退化速度。本次对大功率器件寿命分析尝试计算了器件长期退化过程综合激活能，并依照其推导了大功率半导体激光器平均寿命。总结出了提高大功率器件寿命办法【6】。五、总结通过为期三周学习，从最初选题到最后完毕自学报告，咱们运用了五一在家时间。在这次学习中，咱们发现国内半导体技术尚有很高提高空间，当前面临着诸多问题，例如设备引进，精度局限性尚有这方面人才匮乏。但同步咱们也结识到近些年来政府对大功率半导体激光器注重，无论从民生还是军
20、事上，咱们下相信尚有很长一段路要走。六、成员分工马云宵：大功率激光器背景（多找找它重要性和国内现状尚有）李硕：总结综述王乐：可靠性与器件寿命关系吴天宇：大功率激光器寿命测量办法李冉：大功率激光器测量办法（与天宇不同）孟晓：提高大功率器件使用寿命办法七、参照文献1马骁宇,王俊,刘素平. 国内大功率半导体激光器研究及应用现状J. 红外与激光工程,02:189-194.2曹玉莲. 高功率半导体量子阱激光器可靠性研究D.中华人民共和国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所）,.3雷志锋,杨少华,黄云. 高功率半导体激光器可靠性与寿命评价J. 应用光学,01:90-95.4史保华，贾新章，张德胜，等微电子器件可靠性M西安：西安电子科技大学出版社，19995高松信,魏彬,吕文强,武德勇. 高功率二极管激光器寿命测试J. 强激光与粒子束,06:689-692.6导体器件寿命测试，-06-26，中华人民共和国电子设计