高功率QCW半導(dǎo)體陣列的可靠性研究

　　CEO制造生產(chǎn)了一系列的用于高功率QCW的陣列產(chǎn)品。這些產(chǎn)品采用熱膨脹系數(shù)匹配熱沉技術(shù)以及硬封裝技術(shù)，進而最大限度的提高器件的可靠性。

　　這些產(chǎn)品的壽命測試結(jié)果在這里做了總結(jié)。這些測試量化了QCW陣列和相關(guān)激光增益模塊的可靠性。這里給出了原始的壽命測試數(shù)據(jù)，并對其進行了統(tǒng)計分析。這些結(jié)論對于激光系統(tǒng)設(shè)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(shù)預(yù)測可高達(dá)198億次，四條陣列的MTTF發(fā)射次數(shù)也測可高達(dá)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(yù)期的壽命為135億次發(fā)射次數(shù)。

　　這比在重復(fù)率低于370Hz的運行條件預(yù)期的運行壽命高了10000個小時。

1. 引言

　　二極管泵浦固體激光器（DPSS）被廣泛應(yīng)用于工業(yè)，科研以及軍事等領(lǐng)域。這些應(yīng)用領(lǐng)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(lǐng)域?qū)PSS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(zhì)量等等。

　　傳統(tǒng)上，高能量脈沖DPSS激光器是通過Q-開關(guān)技術(shù)獲得。一般都是連續(xù)（CW）激光二極管陣列對激光介質(zhì)如Nd:YAG棒或切片進行泵浦的。然而如果是利用準(zhǔn)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(zhì)的熱量，從而有效的降低熱聚束效應(yīng)，提高激光的光束質(zhì)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(jīng)得到廣泛的生產(chǎn)。這相當(dāng)于可以連續(xù)運行416天，并被認(rèn)為是所有DPSS系統(tǒng)可靠性的一個指標(biāo)。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(shè)計者的青睞（典型下，是相應(yīng)CW的2—3倍）。傳統(tǒng)上，這些激光二極管輸出面上的巴條很容易遭遇光學(xué)突變破壞(COD)，從而得不到應(yīng)用。因此，為了吸引激光系統(tǒng)設(shè)計者以及生廠商，COD必須得到有效的抑制，產(chǎn)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(jīng)有十年多的歷史。NGCEO最近在陣列封裝技術(shù)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(yuǎn)遠(yuǎn)高于工業(yè)應(yīng)用需求的QCW激光二極管陣列。

2. 高功率QCW陣列

　 NGCEO擁有一系列的高功率QCW陣列家族。這些產(chǎn)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(yán)酷的工作環(huán)境要求[1]，發(fā)展了一整套的技術(shù)。這些產(chǎn)品都應(yīng)用了這些技術(shù)。獲得長壽命的QCW陣列，需要兩個條件：（1）高質(zhì)量的激光二極管巴條 和（2）基于硬焊接的陣列封裝技術(shù)。結(jié)合這兩個條件，就可以獲得高可靠性的陣列。

2.1 QCW激光二極管巴條　

　　NGCEO在絕大多數(shù)的QCW應(yīng)用中，都使用83%填充（fill factor）的巴條。這種巴條是專門設(shè)計用于高功率運行的，在808nm處，輸出功率范圍可以達(dá)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(guān)于電流的函數(shù)在圖1中給出。這些數(shù)據(jù)的采集參數(shù)為：20Hz，150μs的熱傳導(dǎo)制冷底座。

圖1，NGCEO高功率QCW激光二極管巴條的功率以及效率關(guān)于電流的函數(shù)關(guān)系圖

2.2 硬焊接封裝技術(shù)　

　　傳統(tǒng)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(tǒng)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(dǎo)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(chǎn)線。Golden BulletTM使用共熔合金AuSn作為焊料和熱膨脹系數(shù)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(chǎn)處高得多的可靠性，和高壽命的巴條。

　　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(jīng)過一個精心設(shè)計的適當(dāng)?shù)倪^程，得到低應(yīng)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(jù)不同需求，MBA可以被單獨測試以及根據(jù)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(jié)，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(biāo)準(zhǔn)的熱沉，也可以根據(jù)客戶的需求附著在其他熱沉上。他們都可以應(yīng)用在水冷和熱傳導(dǎo)冷卻場合。

圖2. Golden BulletTM組裝過程示意圖

3. 壽命測試結(jié)果

　　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(chǎn)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(guān)的測試參數(shù)。測試參數(shù)的選擇是基于典型的Nd:YAG DPSSL泵浦情況。

表1 壽命測試參數(shù)總結(jié)

　　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(qū)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(shù)）對每個器件的輸出功率進行測量的，數(shù)據(jù)以對數(shù)形式儲存的。圖3，展示了測試結(jié)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(shù)據(jù)不包括在展示的圖3中。因為在生產(chǎn)陣列過程中的初期致命性德樣品被排除在外了，所以數(shù)據(jù)展現(xiàn)了NGCEO器件的期望表現(xiàn)。

圖3：單條（上）和四條（下）Golden BulletTM工作電流為110A的壽命測試數(shù)據(jù)

　　在2009 年12月份后半月，樣品已經(jīng)采集了將近91億發(fā)射次數(shù)的時間。二極管巴條都未經(jīng)受COD（排除初期的致命傷），所有的樣品都是緩慢衰老的。四條樣品的退化率更慢。因為樣品代表了四根巴條的平均退化率，所有高的退化率巴條與低的退化率巴條，相互之間會抵消掉。

4. 可靠性分析

　　在激光二極管工業(yè)中，關(guān)于器件失效有好幾種定義。出乎這份分析的目的，在恒定的驅(qū)動電流下，器件的功率衰減了20%以上，即可定義為器件失效。因為大多數(shù)樣品在截止在文章提交時并未失效，一種可接受的外延方法應(yīng)用于這份分析。大部分的退化率與時間都呈現(xiàn)線性關(guān)系。因此，在最后30億發(fā)射次數(shù)的退化率用于擬合，擬合得到的公式，用于確定每個樣品的失效時間點（TTF）。

　　利用統(tǒng)計分析軟件（MinitabTM），對TTF數(shù)據(jù)進行分析。數(shù)據(jù)用四種分布（威布爾，基底為e的對數(shù)正態(tài)，指數(shù)分布，正態(tài)分布）公式在圖中畫出來。用以確定哪種分布，與實驗數(shù)據(jù)更符合。選擇基底為e的對數(shù)正態(tài)分析單條和四條樣品的性質(zhì)分析。圖4展示了最后的到的可靠性曲線，曲線至于95%的置信區(qū)間。計算得到的MTTF值為：單條樣品---198億次，四條樣品---146億次。NGCEO仍然在延續(xù)這個測試實驗，用于驗證實際的失效時間是否與外延法得到的數(shù)據(jù)相符合。

圖4， 單條（上）和四條（下）QCW Golden BulletTM工作電流為110A的可靠線曲線

5. PowerPULSETM激光增益模塊　

　　NGCEO利用自身的高功率QCW二極管陣列技術(shù)和激光增益模塊生產(chǎn)線創(chuàng)造了PowerPULSETM 系列激光增益模塊。這些增益模塊包含高壽命的QCW陣列（激光棒：Nd:YAG, Nd:YLF, Nd:YVO4）,能夠產(chǎn)生高于1焦耳的脈沖能量。PowerPULSETM 激光增益模塊的樣品如圖5所示。

圖5，PowerPULSETM 激光增益模塊

　　這些模塊包含高壽命的QCW激光二極管陣列和一個激光棒。

　　PowerPULSETM 激光增益模塊用于包括多種熱交換器的高能系統(tǒng)中，每個模塊中都包含多根巴條的QCW陣列，與上面壽命測試所用的四條樣品相類似。這些模塊典型的包含20 – 200 QCW激光二極管巴條不等。因此，講四條樣品陣列作為一個單獨的主題，進行分析會很有趣。因為，這個代表在一個PowerPULSETM 激光增益模塊中的激光二極管陣列。通過把在圖3中，各個點的不同功率值相加，然后外延這些結(jié)果。我們得到圖6所示的結(jié)果：

圖6. 從圖3中獲得的所有4巴條樣品的總得測量輸出功率

　　以上數(shù)據(jù)是91億次之前的數(shù)據(jù)室測量值，超過91億次的數(shù)據(jù)是外延得到的。

　　如果講輸出功率衰減了20%作為衡量失效時間的話，我們從圖6，可以看出在一個典型的PowerPULSETM 激光增益模塊中的QCW陣列的失效時間大概為135億次發(fā)射次數(shù)。值得指出的是，這些陣列是為了可靠運行在相當(dāng)高的輸出功率而設(shè)計。因此，為了獲得更長的使用壽命，隨著衰減的增加，我們可以適當(dāng)?shù)奶岣唑?qū)動電流值。

　　產(chǎn)品運行壽命與重復(fù)率之間的曲線關(guān)系在圖7中給出。這些數(shù)據(jù)是基于135億次產(chǎn)品壽命（圖6，分析四條Golden BulletTM的壽命），并且假設(shè)是連續(xù)運行（24小時/天，7天/周）的情況下給出的。因此，這個圖可以作為PowerPULSETM 激光增益模塊的使用指導(dǎo)。例如，在重復(fù)率為100Hz，數(shù)據(jù)給出的模塊壽命時間為1500天。在所有的重復(fù)率小于370Hz的情況下，產(chǎn)品的預(yù)期壽命到高于416天（10000小時）。

圖7，多條Golden BulletTM QCW激光二極管陣列組裝體壽命與重復(fù)率的曲線關(guān)系圖

這是PowerPULSETM 激光增益模塊生產(chǎn)線的代表曲線圖

6. 結(jié)論

　　Northrop Grumman Cutting Edge Optronics 基于自身的Golden BulletTM封裝技術(shù)以及高功率的QCW激光二極管條巴，發(fā)展了一系列的QCW激光二極管陣列產(chǎn)品。這些產(chǎn)品的代表性樣品經(jīng)過了壽命測試，也表明了具有高壽命（單條的MTTF值為198億次，四條的MTTF值為146億次）。在整個壽命測試過程中，所有的樣品都沒有發(fā)生突變，都是緩慢退化的。

　　NGCEO利用成功的高壽命QCW二極管陣列技術(shù)創(chuàng)造了QCW泵浦激光增益模塊（PowerPULSETM 生產(chǎn)線）。這些增益模塊能夠產(chǎn)生高于1焦耳的脈沖能量。更重要的是，在所有的重復(fù)率小于370Hz的情況下，產(chǎn)品的預(yù)期壽命到高于416天（10000小時）----工業(yè)上標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品壽命。因此，這些優(yōu)點就可以通過脈沖泵浦DPSS激光器獲得，并未犧牲產(chǎn)品的壽命。

參考文獻

[1] Feeler, R.Junghans, J.,Stephens, E., “High-power QCW arrays for operation over wide temperature extremes,” Proccedings of SPIE Vol.7198, 71981F(2009)