大功率半導(dǎo)體激光器的壽命及可靠性設(shè)計(jì)研究

...wd......wd......wd...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(shí)驗(yàn)63.1.3結(jié)論73.2焊接應(yīng)面力對壽命的影響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600W，最高電光轉(zhuǎn)換效率高達(dá)72％，單條40-120W已經(jīng)商品化。相對而言，國內(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)體激光器相對于其他類型激光器的最大特點(diǎn)就是波長多樣性，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)650-1700nm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、激光測距、激光存儲、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、材料外表相變硬化、材料外表熔覆、材料連接、鈦合金外表處理、工程材料外表親潤特性改良、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l000W大功率半導(dǎo)體激光器，用于U74鋼軌外表淬火試驗(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)彈尾部的激光探測器承受到激光信號，經(jīng)信號處理后，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測目標(biāo)，測量大氣水汽，云層，空氣污染等。(3)半導(dǎo)體激光引信。通過對激光目標(biāo)進(jìn)展探測，對激光回波信息進(jìn)展處理和計(jì)算，判斷目標(biāo)，計(jì)算炸點(diǎn)，在最正確位置進(jìn)展引爆。(4)激光測距。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,放在老化臺上進(jìn)展恒流電老化。驅(qū)動電流為400mA,溫度保持在40℃左右,老化期間連續(xù)地觀測光功率,斷電并冷卻到25℃進(jìn)展電導(dǎo)數(shù)測試。測得的大功率半導(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)曲線上的峰將會對器件的可靠性產(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)體激光器的壽命評價(jià)面臨的難點(diǎn)產(chǎn)品的壽命評價(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)體激光器的制作本錢相當(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)展的壽命試驗(yàn)大局部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都會影響試驗(yàn)結(jié)果。目前高功率陣列器件都采用微通道板的主動冷卻方式。在上千小時(shí)的壽命試驗(yàn)過程中進(jìn)展數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確測量必須保證測量儀器穩(wěn)定在0.1%/1000h以內(nèi)。大局部情況下,在數(shù)千小時(shí)的試驗(yàn)中出現(xiàn)斷電不可防止,而對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)間壽命評價(jià)方法,較常用的是利用功率-時(shí)間試驗(yàn)曲線進(jìn)展壽命外推,但外推壽命通常不能超過實(shí)際試驗(yàn)時(shí)間的5倍,這對于壽命大約為10000h的器件,利用外推法進(jìn)展壽命試驗(yàn)的最短時(shí)間也要在2000h甚至更高,這對實(shí)際試驗(yàn)來說顯得非常長,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(biāo)準(zhǔn)的方法對其壽命進(jìn)展測試，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(jìn)展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(jìn)展壽命檢測：一種方法是固定電源的驅(qū)動電流，測量功率隨時(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(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下降，閾值電流隨之升高。近年來高功率激光二極管開展很快，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)，假設(shè)消耗上萬小時(shí)來測試其壽命，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)展壽命測試。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(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)系為通過對器件工作時(shí)間的測量進(jìn)展線性擬合，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壽命測試實(shí)驗(yàn)激光二極管的壽命測試分為兩個(gè)方面進(jìn)展，一方面冷卻水溫設(shè)為20℃測試，另一種是實(shí)際應(yīng)用的溫度條件下進(jìn)展壽命測試。為了到達(dá)理想的實(shí)驗(yàn)條件，測試在千級干凈環(huán)境下進(jìn)展，選用德國GmbH公司的bs81—6型芯片進(jìn)展封裝測試。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，封裝構(gòu)造的熱阻對腔長600／~m為0．58℃／w。這一封裝構(gòu)造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)展壽命測試的激光器所對應(yīng)的P-I—V曲線(500Hz，200／~s)，從圖中(圖中02A—X為激光器編號)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℃的波長為804nm，中心波長隨水溫的漂移為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5個(gè)準(zhǔn)連續(xù)激光器進(jìn)展壽命測試，測試電流均為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異，對封裝的3個(gè)泵浦單元線陣激光器測試結(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。一樣占空比下，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。次脈沖差異較大，這說明激光二極管結(jié)溫上下對其命有明顯的影響【4】。3.2焊接應(yīng)面力對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)各局部之間產(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)致密的晶粒組織構(gòu)造，也有利于形成平滑的接觸界面和良好的粘結(jié)特性，從而到達(dá)良好的歐姆接觸。但是，降溫太快又不利于應(yīng)力的釋放，比方，壽命測試中失效的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半導(dǎo)體器件壽命進(jìn)展測試和分析。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(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)為f式中，μ是中值壽命tm的對數(shù)值，σ為對數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差，基于此，可準(zhǔn)確描述對數(shù)正態(tài)分布。中值壽命對應(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)過簡單計(jì)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(jì)算公式為σ=ln?(tmtT)，式中t1是累積失效率為16％(準(zhǔn)確值為15.87％)時(shí)對應(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本次對大功率器件壽命的分析嘗