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综述报告 大功率半导体激光器的寿命与可靠性研究

大功率半导体激光器的寿命与可靠性研究

组别：11
组员：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 5
3.1 高功率二极管激光器的寿命测量方法 5
3.1.2寿命测试实验 6
3.1.3 结论 7
3.2 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、大功率激光器的应用背景
随着半导体激光技术的日趋成熟和应用领域的不断扩展，大功率半导体激光器的应用范围已经覆盖了光电子学的诸多领域，成为当今光电子实用器件的核心技术。由于大功率半导体激光器具有体积小、质量轻、寿命长等优点，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的研究进展非常迅速， 单条最大连续输出功率已经大于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，但也取得了很大的进展。
大功率半导体激光器是一类用途非常广泛的光电子器件，输出功率可以高达百瓦、千瓦，甚至准连续输出功率达万瓦以上，而且这些器件的能量转换效率可高达50％以上。半导体激光器相对于其他类型激光器的最大特点就是波长多样性，随着应用领域的不断拓宽，大功率激光器的研究几乎包括整个650-1 700 nm波段。目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的主要应用有：软钎焊、材料表面相变硬化、材料表面熔覆、材料连接、钛合金表面处理、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钢轨表面淬火试验。
军事方面的主要应用为：
(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发射经编码调制的激光束，且光束中心线对准目标；在波束中飞行的导弹，当其位置偏离波束中心时，装在导弹尾部的激光探测器接受到激光信号，经信号处理后，调整导弹的飞行方向，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，具有多种成像功能和实时图像处理功能。可用于检测目标，测量大气水汽，云层，空气污染等。
(3)半导体激光引信。通过对激光目标进行探测，对激光回波信息进行处理和计算，判断目标，计算炸点，在最佳位置进行引爆。
(4)激光测距。半导体激光光源具有隐蔽性，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理想光源，具有抗干扰，保密性好等优点。蓝绿光可用于潜艇和卫星以及航空母舰的通信。(6)半导体激光武器模拟。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、半导体激光器的可靠性及寿命
为了研究激光器的可靠性,我们采用了恒流老化的方法实验前先将封装好的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,老化期间连续地观测光功率,断电并冷却到25℃进行电导数测试。测得的大功率半导体激光器的典型曲线如图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仅出现了反向峰爹而且出现了向下的同向峰,反向峰与器件的可靠性关不不大,反向峰主要是由侧向模术智暇孪引起的,我们老化的器件是增益导引型器件,侧向模式的不稳定性会导致,P-I区曲线上出现扭曲。但如果侧向模式跳变是由激光器的内部缺陷和均匀性差引起起的，那么由此形成的光导数曲线和电导数曲线上的峰将会对器件的可靠性产生影响。
导数曲线上由同向峰的高功率半导体激光器通常是不可靠性器件,主要是由内部缺陷、载流子泄漏和电流泄漏引起的非线性电阻通路作用的结果。它们对舞件甲-可靠性影响很大,如图1.4所示,这个器件是一只快速退化的器件。大功率宽条形半导体激光器结面积大,工作电流较高,器件的节温升高大,引起导数曲片上出现峰的因素会因此而加剧,因此,高功率半导体激光器的导数曲线上常有峰出现。
因此,我们可以得出这样一个结论,导数曲线上峰增多以及出现同向峰反映了高功率半导体激光器的退化,老化后,器件在较低的驱动电流下就有峰出现也是器件老化后退化的反映【2】。
高功率半导体激光器的寿命评价面临的难点产品的寿命评价来自于大量的统计数据,然而由于高功率半导体激光器的制作成本相当高,同一批次的器件也相当有限,这就限制了寿命数据的来源。目前进行的寿命试验大部分都是单条封装的器件,这种试验方案考察不到阵列器件中条与条之间的相互影响,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,所以要保证其工作温度的稳定性也较困难,产品的寿命和温度是密切相关的,即使有很小的温度波动都会影响试验结果。目前高功率阵列器件都采用微通道板的主动冷却方式。在上千小时的寿命试验过程中进行数据的精确测量必须保证测量仪器稳定在0. 1% /1 000 h以内。大部分情况下,在数千小时的试验中出现断电不可避免,而对高功率激光器来说电池组又不切实际,所以整个系统要保证断电不对激光器造成损伤,而且能够在短时间内继续运行。高功率半导体激光器寿命评价方面还没有具体可行的标准,有关标准只有ISO17526-2003,且只规定了概念框架。目前还没有切实可行的较短时间寿命评价方法,较常用的是利用功率-时间试验曲线进行寿命外推,但外推寿命通常不能超过实际试验时间的5倍,这对于寿命大约为10 000 h的器件,利用外推法进行寿命试验的最短时间也要在2 000 h甚至更高,这对实际试验来说显得非常长,因此寻求切实可行的加速寿命试验非常重要【3】。
三、大功率半导体激光器寿命的测量方法
3.1 高功率二极管激光器的寿命测量方法
3.1.1 理论方法
对于高功率二极管激光器还没有标准的方法对其寿命进行测试，根据器件的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的两种不同的模式。目前，国际上普遍采用两种外推方法进行寿命检测：一种方法是固定电源的驱动电流，测量功率随时间的变化情况，规定激光输出功率下降20 的时间作为激光器的有效使用寿命∞ ；另一种方法是激光输出功率一定的情况下，电流随时间的变化情况，规定工作电流上升20的时间作为激光器的寿命。
退化率外推法测试寿命是微电子产品常用的方法，激光二极管的退化与其类似，国外许多大公司也采用这种方法测试寿命，根据使用情况和需要，我们主要采用恒定电流外推的模式。工作时间为t时的激光输出功率与工作电流间的关系为

式中：P(t)为t时刻的激光输出功率；η(t)为斜效率；Ith为阈值电流；I是工作电流；α为退化因子(α一0．8)；带有0下标的为激光器起始运行时的参量，t下标为运行到t时刻的参数。当激光器运行一段时间，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很快，连续激光器的寿命已由原来的几百小时提升为上万小时，若耗费上万小时来测试其寿命，这样的实验是不经济的，只有通过其他的途径进行寿命测试。这样就引入了退化率的概念，退化率是指激光器功率的退化量随时间的变化速率。而激光器的寿命就可以通过退化率的曲线分布得出，退化率和激光器寿命的关系为

通过对器件工作时间的测量进行线性拟合，得出器件的退化率，利用退化率外推出器件的实际寿命。
3.1.2寿命测试实验
激光二极管的寿命测试分为两个方面进行，一方面冷却水温设为20℃测试，另一种是实际应用的温度条件下进行寿命测试。为了达到理想的实验条件，测试在千级洁净环境下进行，选用德国GmbH 公司的bs81—6型芯片进行封装测试。由于高功率激光器具有很高的热载，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25mm×25mm×7．5mm 的铜热沉上，然后将热沉用导热脂粘接在铜微通道水冷器上。冷却水在0．15MPa下流量为300ml／min，封装结构的热阻对腔长600／~m为0．58℃／w。这一封装结构的线阵激光器的峰值功率为90～100W，占空比l0 (500Hz，200／~s)，芯片激活区的填充因子为50 。图l为进行寿命测试的激光器所对应的P-I—V曲线(500Hz，200／~s)，从图中(图中02A—X为激光器编号)可以看出激光器的阈值均为l8A左右，斜效率分别为1．15，1．168，1．167，1．17，1．168w／A。
实际应用中，由于激光晶体的吸收波长为808nm，当界面热阻设计为0．9℃／w 时，芯片在水温l8℃ 的波长为804nm，中心波长随水温的漂移为0．24nm／℃ 。因此，工作水温设置为35℃ ，水冷器在0．15MPa下流量为300ml／min时，激光器才可在工作电流90A，占空比l0 (400Hz，250／~s)的情况下有效运行。图2显示了实际工作条件下，激光器的P-I—V曲线，器件的阈值电流为18．5A，略高于图l中的阈值电流值，这主要是由于界面热阻和工作温度的提高，使得激光二极管的结温高达55℃左右，超出了激光二极管的正常运行温度，造成了激光器阈值增加，功率降低。

3.1.3 结论
在20℃下，对5个准连续激光器进行寿命测试，测试电流均为90A，占空比为l0 (500Hz，200／~s)，初始输出的光功率分别为92.3，91.8，91.7，91.3，85W。经过612h(大于等于l_l×l0。次)的连续测试，激光功率平均下降9．25W，其中4个激光器随着时间的推移逐步退化，另一个激光器受焊接面应力影响而失效。通过线性拟合可得出器件的退化率s。 分别为7.53，8.26，8.35，9 .62W／10。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的差别，对封装的3个泵浦单元线阵激光器测试结果显示，激光器在水温35℃ ，占空比l0 (400Hz，250／~s)的条件下，初始输出的光功率分别为87，86.6，85.2W。经过440h(大于等于0.64×10。次)的连续测试，激光功率平均下降6.7W。3个激光器随着时间的推移逐步退化，通过线性拟合可得出器件的退化率分别为12.15，8.84，10.89w／10。可推算出激光器寿命。相同占空比下，由于受到温度应力的影响，当t一35℃ 时，激光器运行的平均寿命1.65×10。与室温情况下平均寿命2.19×10。次脉冲差别较大，这表明激光二极管结温高低对其命有明显的影响【4】。
3.2 焊接应面力对寿命的影响
焊接面应力也是影响器件寿命的重要因素之一，当材料在外力作用下不能产生位移时，它的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的反作用力抵抗外力．把分布内力在一点的集度称为应力（Stress），应力与微面积的乘积即微内力．或物体由于外因(受力、湿度变化等)而变形时，在物体内各部分之间产生相互作用的内力，以抵抗这种外因的作用，并力图使物体从变形后的位置回复到变形前的位置。在所考察的截面某一点单位面积上的内力称为应力（Stress）。按照应力和应变的方向关系，可以将应力分为正应力σ 和切应力τ，正应力的方向与应变方向平行，而切应力的方向与应变垂直。按照载荷（Load）作用的形式不同，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，为了减小焊接造成的应力，焊料必须选择应力较小，焊接温度较低的软焊料，而软焊料在高温状态下容易疲劳，不同的材料其疲劳程度不同。因此，焊料的选择也是影响器件可靠性因素之一。另一个关键环节是芯片的焊接，特别是芯片与热沉间的焊接，整个焊接过程中，芯片的升温和降温必须是快速的，按金相理论，加速冷却有利于获得精细致密的晶粒组织结构，也有利于形成平滑的接触界面和良好的粘结特性，从而达到良好的欧姆接触。但是，降温太快又不利于应力的释放，比如，寿命测试中失效的02A -14 就是由于应力使激光器腔面出现了DLD缺陷，从而导致激光器的灾难性失效。因此，高功率激光器封装的焊接技术、焊料沉积工艺等是提高器件可靠性和寿命的关键因素之一【5】。
四、提高大功率半导体器件寿命的使用方法
首先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的加速寿命分布曲线，如图5所示。横坐标是激光器的寿命，纵坐标是累积失效率(A)。通过图中的点可以近似画出两条互相平行的线，这就说明，半导体激光器的寿命分布属于对数正态分布形式，而且加速寿命试验确实是“真实有效的”加速了。一般地，半导体激光器的寿命符合对数正态分布，对数正态分布的故障概率密度函数为
ft=fμ,σ2=12πσtexp-12lnt-μσ2
式中，μ是中值寿命tm的对数值，σ为对数标准差，基于此，可准确描述对数正态分布。中值寿命对应于图5中50％器件失效的时间，标准差σ表示寿命分布的宽度，也容易从图中经过简单计算得到，它决定于对数正态概率纸上累积失效率曲线的斜率，其计算公式为  σ=ln⁡(tmtT)，式中t1是累积失效率为16％(精确值为15.87％)时对应的时间。代人数据计算得出σ=1.1。得到了中值寿命tm和对数标准差σ后就可以计算出激光器的平均寿命(MTTF) MTTF=eμ+σ22=tm·eσ22，代入tm=8320，σ=1.1到式(6)中得到MTTF为15 000 h
导致元器件失效、退化的主要问题可以归结为：①体内退化；②腔面退化；③与烧结有关的退化。而温度也是决定器件寿命的一大条件，设计的产品有相当一部分是用于日常生活当中，因此降低器件表面温度是很有效的方法。器件的表面温度是由周围环境温度以及该器件自身的产热量、散热量共同决定的所以大功率器件使用寿命的提高一方面需要在设计时尽可能采用高效率和低热阻，另一方面需要注意对器件的保养，尽量降低器件退化速度。
本次对大功率器件寿命的分析尝试计算了器件长期退化过程的综合激活能，并根据其推导了大功率半导体激光器的平均寿命。总结出了提高大功率器件寿命的方法【6】。
五、总结
通过为期三周的学习，从最初选题到最后完成自学报告，我们利用了五一在家的时间。在这次的学习中，我们发现我国的半导体技术还有很高的提升空间，现在面临着很多问题，比如设备的引进，精度的不足还有这方面人才的匮乏。但同时我们也认识到近些年来政府对大功率半导体激光器的重视，无论从民生还是军事上，我们下相信还有很长的一段路要走。
六、组员分工
马云宵：大功率激光器的背景（多找找它的重要性和我国现状还有）
李硕：总结综述
王乐：可靠性与器件寿命的关系
吴天宇：大功率激光器寿命的测量方法
李冉：大功率激光器的测量方法（与天宇的不同）
孟晓：提高大功率器件使用寿命的方法
七、参考文献
[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,2008,02:189-194.
[2]曹玉莲. 高功率半导体量子阱激光器的可靠性研究[D].中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所）,2003.
[3]雷志锋,杨少华,黄云. 高功率半导体激光器的可靠性与寿命评价[J]. 应用光学,2008,01:90-95.
[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，1999．
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[6]导体器件寿命测试，2008-06-26，中国电子设计