半導(dǎo)體激光器由于體積小巧，電光轉(zhuǎn)換效率高、可靠性高以及壽命長(zhǎng)的顯著特點(diǎn)，可被用來抽運(yùn)固體/光纖激光器，也可直接用于材料處理如焊接、切割、表面處理等。以半導(dǎo)體激光器為抽運(yùn)源的固體/光纖激光器廣泛應(yīng)用于工業(yè)、軍事、醫(yī)療等領(lǐng)域。隨著半導(dǎo)體激光器輸出功率、轉(zhuǎn)換效率、可靠性和制造工藝的提高以及成本的降低，許多新的應(yīng)用成為可能。

在一些實(shí)際應(yīng)用中，半導(dǎo)體激光器需要工作在準(zhǔn)連續(xù)或硬脈沖（hard pulse）條件下，也就是在一定的占空比（等于脈寬x重復(fù)頻率）下工作。對(duì)于長(zhǎng)脈寬，高占空比的工作條件，比如300 ms，1 Hz，30%占空比，這對(duì)器件的抗熱疲勞、耐高溫、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等特性提出了更高的要求。而傳統(tǒng)的銦封裝高功率半導(dǎo)體激光器顯然已不能滿足這些苛刻的使用條件。伴隨著功率的提高，半導(dǎo)體激光器可靠性也會(huì)逐漸降低，如何保證在高功率輸出的同時(shí)兼?zhèn)涓呖煽啃砸殉蔀楫?dāng)前業(yè)界最關(guān)心的問題。本文介紹了全無銦封裝傳導(dǎo)冷卻高功率半導(dǎo)體激光器疊陣，闡述了影響其特性的主要因素，對(duì)各種因素進(jìn)行了分析和討論，并提出了提高器件性能的策略和方法。

1、瞬態(tài)熱管理

隨著半導(dǎo)體激光器向更高功率的不斷發(fā)展，器件有源區(qū)的溫度也隨之增加。熱管理對(duì)于高功率半導(dǎo)體激光器而言至關(guān)重要，因?yàn)榘雽?dǎo)體激光器大約45%的電能都轉(zhuǎn)換成熱損耗掉了。器件的散熱能力直接影響激光器的結(jié)溫，結(jié)溫過高將顯著影響半導(dǎo)體激光器巴條的性能，如輸出功率下降、閾值電流增大、斜坡效率減小，慢軸發(fā)散角增大和壽命縮短等。

對(duì)于高功率半導(dǎo)體激光器，結(jié)溫由式（1）而得


其中Th為器件熱沉溫度、Rth為器件熱阻、V0為結(jié)偏壓、I為工作電流、Rs為串聯(lián)電阻、Po為輸出光功率。由上式可見激光器的結(jié)溫主要由熱沉的溫度和器件本身的熱阻決定，其中熱沉溫度由激光器的使用條件所決定。

半導(dǎo)體激光器的輸出功率與熱阻的關(guān)系如（2）式所示，器件使用壽命與熱阻的關(guān)（3）式所示。 其中，ηd、Ith、T1、T0為室溫下器件的轉(zhuǎn)換效率、閾值電流、斜率特征溫度和閾值特征溫度，t為半導(dǎo)體激光器壽命，Ea為激活能（activation energy），K為波爾茲曼常數(shù)，Rth為半導(dǎo)體激光器的熱阻。由（2）式和（3）式可以看出降低熱阻可以增加半導(dǎo)體激光器的輸出功率，提高壽命。

半導(dǎo)體激光器的熱阻包括芯片的熱阻和封裝帶來的熱阻。有效的熱管理是提高器件性能的關(guān)鍵。提高熱管理主要從減小芯片熱阻、減小貼片界面熱阻和設(shè)計(jì)封裝結(jié)構(gòu)三個(gè)方面來實(shí)現(xiàn)。熱阻計(jì)算方法如下[2]：

 

                            Rth＝L/kA               (4)

其中：L為熱傳導(dǎo)距離（m），A為熱傳導(dǎo)通道的截面積（m2），k為熱傳導(dǎo)系數(shù)（W/mK）。

由（4）式可知，要減小芯片的熱阻主要有以下兩種途徑：一是選擇熱傳導(dǎo)系數(shù)大的材料，二是在材料確定的情況下盡可能減小熱傳導(dǎo)距離或者增大熱傳導(dǎo)通道截積?；诖?，可通過增加芯片腔長(zhǎng)（從1mm增加到1.5mm）和提高填充因子來減小熱阻。

為了提高器件的瞬態(tài)熱傳導(dǎo)能力，本文所述的傳導(dǎo)冷卻高功率激光器疊陣結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示[3,4,5,6]。利用全無銦金錫焊料封裝工藝技術(shù)，激光巴條被熱膨脹系數(shù)匹配（CTE-match）的襯底材料疊層累積起來，類似“三明治”結(jié)構(gòu)，巴條組與熱沉之間有絕緣層隔離。每個(gè)巴條所產(chǎn)生的熱都通過襯底材料傳導(dǎo)到絕緣層，再通過絕緣層傳導(dǎo)到底部的高導(dǎo)熱熱沉材料，將激光器產(chǎn)生的廢熱傳導(dǎo)出去，如圖 1 中紅色箭頭所示。這種設(shè)計(jì)就使得該結(jié)構(gòu)的熱沉不帶電，為終端客戶省去了外加絕緣結(jié)構(gòu)的步驟，降低了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度，并減少了成本。

     
圖1 傳導(dǎo)冷卻封裝高功率半導(dǎo)體激光器疊陣

對(duì)于用于泵浦固體激光器的傳導(dǎo)冷卻高功率半導(dǎo)體激光器疊陣，通常工作在100μs-300μs的脈沖寬度范圍內(nèi)，瞬態(tài)熱管理就至關(guān)重要。圖 2是一個(gè)巴條內(nèi)3個(gè)發(fā)光點(diǎn)的典型瞬態(tài)溫度分布。通過分析瞬態(tài)條件下的熱分布，深入研究每個(gè)巴條甚至每個(gè)發(fā)光點(diǎn)的溫度特性，可以計(jì)算出半導(dǎo)體激光器疊陣的結(jié)溫，分析其相對(duì)條件下的最高溫度，指導(dǎo)實(shí)際的封裝，提高器件的壽命和可靠性[7]。

圖2 典型瞬態(tài)溫度分布

圖3是GS04-5bar結(jié)構(gòu)達(dá)到穩(wěn)態(tài)后的溫度分布，可以看出，該結(jié)構(gòu)的最高點(diǎn)溫度為56.18℃，位于巴條組中心位置，從中心到巴條組邊沿溫度逐漸降低。若每個(gè)巴條所產(chǎn)生的廢熱能被及時(shí)帶走，達(dá)到穩(wěn)態(tài)后每個(gè)巴條的溫度會(huì)均勻分布，不會(huì)產(chǎn)生中間部位溫度偏高的現(xiàn)象。這與該結(jié)構(gòu)所工作的脈寬和重復(fù)頻率有關(guān)，存在相鄰巴條之間的熱串?dāng)_現(xiàn)象[8]。為降低熱串?dāng)_，需要優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)，或降低器件工作的脈寬和重復(fù)頻率。

 

   
  圖3 GS04-5bar結(jié)構(gòu)的溫度分布

另外，對(duì)于傳導(dǎo)冷卻高功率半導(dǎo)體激光器疊陣，不同pitch的封裝結(jié)構(gòu)對(duì)器件的熱阻影響不同，如圖 4所示。顯而易見，在相同使用條件下，器件結(jié)構(gòu)的pitch越小，其散熱能力越弱。

圖4 不同pitch下傳導(dǎo)冷卻疊陣溫度分布

除了結(jié)構(gòu)外，貼片界面的熱阻還主要受各貼片層的空洞影響，貼片層的空洞大小和密度嚴(yán)重影響器件的熱阻[9]。圖 5 給出了封裝貼片層有空洞與無空洞對(duì)比圖片?？梢钥闯?，相對(duì)于圖 5（b）無空洞的貼片界面，圖 5（a）中巴條的邊沿位置和右上角存在明顯的空洞，這將導(dǎo)致激光器巴條的有源區(qū)產(chǎn)生局部熱點(diǎn)（hot spot），嚴(yán)重影響激光器的可靠性和壽命?？梢酝ㄟ^優(yōu)化金屬層結(jié)構(gòu)以及封裝貼片工藝技術(shù)來降低貼片層空洞，進(jìn)而減小貼片界面的熱阻，提高散熱能力。

(a) 有空洞

 (b) 無空洞

圖5 貼片層有空洞與無空洞對(duì)比

綜上所述，要提高熱管理，需要從芯片、封裝結(jié)構(gòu)、貼片工藝和材料三個(gè)方面考慮：一是優(yōu)化封裝結(jié)構(gòu)，采用散熱效率高的封裝結(jié)構(gòu)；二是提高貼片工藝技術(shù)，進(jìn)行無空洞貼片封裝；三是采用具有更高熱導(dǎo)率的材料封裝。

2、熱應(yīng)力管理

半導(dǎo)體激光器的熱應(yīng)力將導(dǎo)致器件波長(zhǎng)漂移、光譜畸變和展寬等，極大影響了器件的性能。熱應(yīng)力的產(chǎn)生是由于芯片和襯底的熱膨脹系數(shù)（CTE）失配所導(dǎo)致。熱應(yīng)力與熱膨脹系數(shù)和溫度的關(guān)系為：

1、E2分別為材料的彈性模量，α1、α2分別為材料的熱膨脹系數(shù)，Tf為焊料凝固點(diǎn)的溫度，Ts為應(yīng)力測(cè)試點(diǎn)的溫度（工作溫度）。

對(duì)于傳統(tǒng)的銦封裝單巴條高功率半導(dǎo)體激光器[10]，由于半導(dǎo)體激光器和銅熱沉之間的熱膨脹系數(shù)差異為10.1×10-6/℃。在封裝過程中，器件的溫度需要由銦的熔點(diǎn)（156℃）降到室溫（25℃），溫差達(dá)131℃。根據(jù)公式（5）算得產(chǎn)生的熱應(yīng)力對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的10mm長(zhǎng)的激光器巴條來說，將使銅熱沉和激光器巴條間出現(xiàn)14μm的收縮差異，從而導(dǎo)致激光器巴條變形。而金錫焊料的熔點(diǎn)為283℃，比銦的高了127℃，從熔點(diǎn)降低至室溫，若采用銅做熱沉材料，熱應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致芯片產(chǎn)生近26μm的形變，足以使芯片發(fā)生嚴(yán)重的變形，甚至開裂損傷。圖 6 是焊料從熔點(diǎn)降至室溫過程中熱應(yīng)力導(dǎo)致巴條彎曲的原理示意圖。

圖6 近場(chǎng)非線性（smile）形成的原理示意圖

激光器外延材料內(nèi)的熱應(yīng)力影響器件的發(fā)射波長(zhǎng)，應(yīng)力對(duì)波長(zhǎng)的影響系數(shù)為~1*10-5 eV/bar（或~0.005nm/bar)。半導(dǎo)體激光器的張應(yīng)力和壓應(yīng)力對(duì)光譜漂移產(chǎn)生不同的效果，張應(yīng)力引起紅移，壓應(yīng)力引起藍(lán)移[11]。而整個(gè)半導(dǎo)體激光器巴條寬度內(nèi)發(fā)光單元所遭受的非均勻熱應(yīng)力將會(huì)造成波長(zhǎng)分布不均勻，導(dǎo)致光譜展寬，如圖 7 所示

 圖7 熱應(yīng)力不均勻?qū)е鹿庾V展寬

較大的熱應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致半導(dǎo)體激光器巴條損傷，甚至芯片斷裂，如圖 8 所示。

 圖 8 熱應(yīng)力導(dǎo)致的芯片損傷

減小熱應(yīng)力的影響有三個(gè)途徑：第一，采用熱傳導(dǎo)率高，并且熱膨脹系數(shù)與芯片更加匹配的襯底/熱沉材料；第二，通過優(yōu)化封裝工藝降低施加在激光器巴條上的熱應(yīng)力；第三，通過優(yōu)化封裝工藝降低巴條組上熱應(yīng)力分布的不均勻性。

3、全無銦封裝

銦焊料是大功率半導(dǎo)體激光器封裝中最常用的焊料之一。然而銦焊料在脈沖情況下、高溫低溫下循環(huán)以及環(huán)境溫度下循環(huán)易產(chǎn)生熱疲勞。另外，銦焊料在高電流下易產(chǎn)生電遷移和電熱遷移的問題，影響半導(dǎo)體激光器的可靠性。研究發(fā)現(xiàn)銦焊料封裝的激光器壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于金錫焊料封裝的器件[12]。為了避免出現(xiàn)銦焊料封裝的器件失效，炬光科技開發(fā)了全無銦化的封裝技術(shù)，每個(gè)巴條與CTE匹配的襯底材料、絕緣材料之間均采用金錫焊料鍵合封裝，絕緣層材料與熱沉也采用無銦的焊料，如圖9所示。由于采用無銦化封裝工藝技術(shù)，激光器疊陣中每個(gè)巴條可以在更高結(jié)溫更高輸出功率下可靠工作，這樣疊陣結(jié)構(gòu)的體積可以做得更小巧，重量可以做的更輕。封裝后的該結(jié)構(gòu)重量?jī)H為2.3克，如圖10所示。圖11為2.3克 1500W傳導(dǎo)冷卻高功率半導(dǎo)體激光器疊陣的功率-電流和光譜特性曲線。
 

 
圖9 全無銦封裝傳導(dǎo)冷卻高功率半導(dǎo)體激光器疊陣

 

 

圖10 2.3克傳導(dǎo)冷卻封裝高功率半導(dǎo)體激光器疊陣

 

圖11 2.3克 傳導(dǎo)冷卻半導(dǎo)體激光器疊陣的

功率-電流和光譜曲線

采用全無銦化封裝技術(shù)可克服銦焊料封裝器件易產(chǎn)生熱疲勞、電遷移和電熱遷移等問題，提升高功率半導(dǎo)體激光器的可靠性。炬光科技公司擁有全無銦化半導(dǎo)體激光器封裝工藝技術(shù)，并成功實(shí)現(xiàn)了質(zhì)量穩(wěn)定的批量化生產(chǎn)，向客戶提供高性能長(zhǎng)壽命的半導(dǎo)體激光器產(chǎn)品。圖12顯示在QCW條件下額定功率為1500W的GS04激光器的壽命測(cè)試時(shí)間已經(jīng)超過109shots，功率無任何衰減，目前壽命測(cè)試還在繼續(xù)進(jìn)行。

 

   
圖12 808nm半導(dǎo)體激光器疊陣壽命測(cè)試結(jié)果

4、窄光譜控制

對(duì)于以半導(dǎo)體激光器作為泵浦光源激勵(lì)固體、或光纖激光器的應(yīng)用，需要窄光譜寬度的半導(dǎo)體激光器，以利于固體激光器晶體的高效吸收。通過減少泵浦半導(dǎo)體激光器的光譜寬度來提高光譜精度，使得激光系統(tǒng)設(shè)計(jì)者能夠改善激光系統(tǒng)的體積、效率、功率和光束質(zhì)量等參數(shù)，同時(shí)又減少了系統(tǒng)散熱成本。光譜寬度是半導(dǎo)體激光器疊陣產(chǎn)品的關(guān)鍵指標(biāo)之一，因此改善光譜特性有利于提高產(chǎn)品質(zhì)量，減少成本及增加產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。

半導(dǎo)體激光器陣列的光譜展寬主要是由于每個(gè)發(fā)光點(diǎn)的發(fā)射波長(zhǎng)不一致引起的。 對(duì)于高功率半導(dǎo)體激光器疊陣，寬光譜曲線可能會(huì)出現(xiàn)側(cè)峰、雙峰甚至多峰，如圖13所示。疊陣內(nèi)每個(gè)巴條輸出波長(zhǎng)不一致以及由于封裝導(dǎo)致的熱和熱應(yīng)力效應(yīng)都將使巴條輸出光譜展寬，其中后者是主要因素[13]。

 

 

圖13 幾種典型的光譜分布

獲得窄光譜的困難是如何保持各個(gè)巴條的溫度均勻和應(yīng)力均勻，從而消除局部熱效應(yīng)和應(yīng)力效應(yīng)。為了獲得窄光譜，需要根據(jù)封裝結(jié)構(gòu)的熱分布對(duì)組成傳導(dǎo)冷卻疊陣的各個(gè)巴條進(jìn)行波長(zhǎng)匹配，將滿足目標(biāo)要求波長(zhǎng)的巴條封裝在一起，獲得窄的光譜特性，其原理如圖14所示[14，15]。

                    圖14 光譜控制技術(shù)原理

利用窄光譜控制技術(shù)，炬光科技封裝了GS04-5bar傳導(dǎo)冷卻半導(dǎo)體激光器疊陣，一個(gè)典型光譜如圖15所示，其光譜半高全寬小于3nm，90%能量寬度小于5nm。

圖15 一個(gè)典型GS04-5bar疊陣的光譜曲線

5、高可靠性

與銦焊料相比，無銦化金錫封裝工藝具有抗熱疲勞、耐高溫、儲(chǔ)存時(shí)間長(zhǎng)、性能穩(wěn)定、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，極大地提高了器件的可靠性。為徹底克服銦焊料封裝存在的隱患，炬光科技已開發(fā)了全無銦化封裝技術(shù)，生產(chǎn)了多系列的、全無銦化封裝的、高可靠性的高功率半導(dǎo)體激光器產(chǎn)品。這些全無銦化技術(shù)封裝的產(chǎn)品均通過了包括高、低溫-40℃~+85℃存儲(chǔ)和溫循環(huán)境、以及相應(yīng)的振動(dòng)沖擊等環(huán)境試驗(yàn)。從圖16可以看出，環(huán)境試驗(yàn)后全無銦化封裝激光器的功率衰減小于5%，光譜基本保持不變。

（a）輸出功率變化曲線

（b）中心波長(zhǎng)變化曲線

圖16 全無銦化傳導(dǎo)冷卻疊陣產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn)前后的數(shù)據(jù)對(duì)比

總結(jié)

本文介紹了全無銦封裝傳導(dǎo)冷卻高功率半導(dǎo)體激光器疊陣，從瞬態(tài)熱管理、熱應(yīng)力管理、全無銦封裝、窄光譜控制、可靠性五個(gè)方面進(jìn)行了分析和討論，并提出了提高器件性能的策略和方法。

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