| laserboy |
2011-11-04 15:43 |
高功率QCW半導體陣列的可靠性研究
CEO制造生產了一系列的用于高功率QCW的陣列產品。這些產品采用熱膨脹系數匹配熱沉技術以及硬封裝技術，進而最大限度的提高器件的可靠性。這些產品的壽命測試結果在這里做了總結。這些測試量化了QCW陣列和相關激光增益模塊的可靠性。這里給出了原始的壽命測試數據，并對其進行了統計分析。這些結論對于激光系統設計者是很有用的。該壽命測試展示了這些陣列在不同的運行區(qū)域的高水平的可靠性。如單條陣列的MTTF發(fā)射次數預測可高達198億次，四條陣列的MTTF發(fā)射次數也測可高達146億次。另外，也對一個大的泵浦源條件陣列的壽命進行了分析，可以看到預期的壽命為135億次發(fā)射次數。這比在重復率低于370Hz的運行條件預期的運行壽命高了10000個小時。 nX%AeDB AT
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1.引言 &w~Xa( uu
二極管泵浦固體激光器（DPSS）被廣泛應用于工業(yè)，科研以及軍事等領域。這些應用領域包括激光燒蝕，激光切割，激光焊接，激光測距，激光測探等許多用途。每一個領域對DPSS激光器都有各種各樣的不同要求，如脈沖能量，脈沖寬度以及光束質量等等。 {gy+3
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傳統上，高能量脈沖DPSS激光器是通過Q-開關技術獲得。一般都是連續(xù)（CW）激光二極管陣列對激光介質如Nd:YAG棒或切片進行泵浦的。然而如果是利用準連續(xù)（QCW）激光二極管陣列泵浦的話，我們可以從中獲得更多的優(yōu)點。相比CW, QCW激光二極管陣列的峰值功率會更高。另外，多個高峰值功率QCW巴條封裝在同一個區(qū)域。這些巴條就可以看作單個的CW巴條，因為每個巴條在QCW模式運行時，更低的平均熱量損失。這些因素，再加上能夠組裝更加緊湊的二極管陣列，從而可以在QCW模式運行下，獲得非常高的峰值功率。再者，QCW泵浦可以減少激光增益物質的熱量，從而有效的降低熱聚束效應，提高激光的光束質量。 在以前，QCW泵浦方案的最大缺點在于激光二極管陣列的壽命較短。今天，壽命超過10000小時的CW激光二極管陣列在工業(yè)已經得到廣泛的生產。這相當于可以連續(xù)運行416天，并被認為是所有DPSS系統可靠性的一個指標。QCW激光二極管陣列能夠在高功率水平下運行的特性，使得它們備受激光設計者的青睞（典型下，是相應CW的2—3倍）。傳統上，這些激光二極管輸出面上的巴條很容易遭遇光學突變破壞(COD)，從而得不到應用。因此，為了吸引激光系統設計者以及生廠商，COD必須得到有效的抑制，產品也必須高于10000小時的工作壽命。NGCEO制造CW和QCW激光二極管巴條和陣列已經有十年多的歷史。NGCEO最近在陣列封裝技術和巴條制造過程取得了一些進展。進而NGCEO可以生長出壽命遠遠高于工業(yè)應用需求的QCW激光二極管陣列。 1|y$~R.H
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2.高功率QCW陣列 f_ r0})
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NGCEO擁有一系列的高功率QCW陣列家族。這些產品都可以在要求高壽命（超過一年的連續(xù)運行時間）的場合中使用。在軍事工業(yè)等需求高功率，以及嚴酷的工作環(huán)境要求[1]，發(fā)展了一整套的技術。這些產品都應用了這些技術。獲得長壽命的QCW陣列，需要兩個條件：（1）高質量的激光二極管巴條 和（2）基于硬焊接的陣列封裝技術。結合這兩個條件，就可以獲得高可靠性的陣列。 ]= x
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2.1 QCW激光二極管巴條 |DG@ht
NGCEO在絕大多數的QCW應用中，都使用83%填充（fill factor）的巴條。這種巴條是專門設計用于高功率運行的，在808nm處，輸出功率范圍可以達到：60-230W/bar。更高的波長情況可以獲得更高的輸出功率。在典型808nm運用下，功率以及效率關于電流的函數在圖1中給出。這些數據的采集參數為：20Hz，150μs的熱傳導制冷底座。 \MYU<6{u
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圖1，NGCEO高功率QCW激光二極管巴條的功率以及效率關于電流的函數關系圖 [ F([
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2.2 硬焊接封裝技術 X}JWf<=q
傳統QCW陣列壽命的主要限制因素在于封裝激光二極管巴條過程中使用的步驟和材料。傳統中，軟焊接材料（例如，銦）在整個陣列中的多個位置上使用。使用軟焊料建立起來的陣列，由于焊料緩變（solder creep）更容易導致封裝失敗。NGCEO在封裝方法上取得的進展，并誕生了Golden BulletTM 生產線。Golden BulletTM使用共熔合金AuSn作為焊料和熱膨脹系數匹配的熱沉，進行封裝，有效的限制了焊料緩變不利因素，因此可以生產處高得多的可靠性，和高壽命的巴條。 KjR4=9MD
用于這些器件的一般組裝方法，可見圖2。最開始二極管巴條被焊接在CuW熱沉（上面覆蓋著AuSn焊料），經過一個精心設計的適當的過程，得到低應力鍵和low-smile 巴條。這個完成部分叫做底座巴條組裝體（MBA）。根據不同需求，MBA可以被單獨測試以及根據波長不同進行組裝。然后所有MBA焊接在一起，并附著在BeO的基底上，并由兩個端口，n- 和 p-結，便于在二次加工中，進行連接，上述全部過程，就完成了Golden BulletTM封裝。Golden BulletTM可以被附著在標準的熱沉，也可以根據客戶的需求附著在其他熱沉上。他們都可以應用在水冷和熱傳導冷卻場合。 , r+"7$
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圖2. Golden BulletTM組裝過程示意圖 F$6? t.@J
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3. 壽命測試結果 |+ 7f2C
用于做壽命測試的兩個樣品分別為：單條和四條Golden BulletTM。三片不同的晶片被用于生產樣品（所有三片不同晶片都用于單條Golden BulletTM和四條Golden BulletTM）。表1，概括了相關的測試參數。測試參數的選擇是基于典型的Nd:YAG DPSSL泵浦情況。 !;}2F-
表1 壽命測試參數總結 J1 t DO?
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兩個樣品都焊接在水冷熱交換器上，并NGCEO的源于NIST的激光二極管測試平臺。NGCEO自動壽命測試平臺，這些器件在測試之前就燒在樣品上。驅動樣品的電流源為 NGCEO eDrive 激光控制器。壽命測試平臺在每隔90分鐘（大概400百萬的發(fā)射次數）對每個器件的輸出功率進行測量的，數據以對數形式儲存的。圖3，展示了測試結果。15個四條樣品中的三個樣品，由于遭遇到毀滅性的破壞（所有這三個都沒能發(fā)射800萬次），因此這三個樣品的測量數據不包括在展示的圖3中。因為在生產陣列過程中的初期致命性德樣品被排除在外了，所以數據展現了NGCEO器件的期望表現。 ^Jtl;Q
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圖3：單條（上）和四條（下）Golden BulletTM工作電流為110A的壽命測試數據 Ld~4nc$H8
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