大功率半導(dǎo)體激光器的壽命與可靠性研究(1)

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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 5 3.1 高功率二極管激光器的壽命測(cè)量方法 5 3.1.2壽命測(cè)試實(shí)驗(yàn) 6 3.1.3 結(jié)論 7 3.2 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 一、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(zhǎng)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(guó)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(guó)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(wàn)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(zhǎng)多樣性，隨著應(yīng)用領(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(rùn)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【1】。 二、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℃左右,老化期間連續(xù)地觀測(cè)光功率,斷電并冷卻到25℃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。 老化前1.1 老化后1.2 老化96小時(shí)1.3 老化320小時(shí) 1.4 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,反向峰與器件的可靠性關(guān)不不大,反向峰主要是由側(cè)向模術(shù)智暇孿引起的,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【2】。 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的穩(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?jī)x器穩(wěn)定在0. 1% /1 000 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ISO17526-2003,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10 000 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(zhǎng),因此尋求切實(shí)可行的加速壽命試驗(yàn)非常重要【3】。 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(guó)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∞ ；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，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(guó)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 式中：P(t)為t時(shí)刻的激光輸出功率；η(t)為斜效率；Ith為閾值電流；I是工作電流；α為退化因子(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(wàn)小時(shí)，若耗費(fèi)上萬(wàn)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(guó)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25mm25mm7．5mm 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_ll0。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0.6410。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1.6510。與室溫情況下平均壽命2.1910。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 ft=fμ,σ2=12πσtexp-12lnt-μσ2 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=tmeσ22，代入tm=8320，σ=1.1到式(6)中得到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：①體內(nèi)退化；②腔面退化；③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，另一方面需要注意對(duì)器件的保養(yǎng)，盡量降低器件退化速度。 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(guó)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(wú)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(guó)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(guó)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. 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