高功率QCW半導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)品采用熱膨脹系數匹配熱沉技術(shù)以及硬封裝技術(shù)，進(jìn)而最大限度的提高器件的可靠性。

　　這些產(chǎn)品的壽命測試結果在這里做了總結。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據，并對其進(jìn)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(gè)大的泵浦源條件陣列的壽命進(jìn)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(gè)小時(shí)。

1. 引言

　　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(lǐng)域。這些應用領(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(gè)領(lǐng)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(zhì)量等等。

　　傳統上，高能量脈沖DPSS激光器是通過(guò)Q-開(kāi)關(guān)技術(shù)獲得。一般都是連續（CW）激光二極管陣列對激光介質(zhì)如Nd:YAG棒或切片進(jìn)行泵浦的。然而如果是利用準連續（QCW）激光二極管陣列泵浦的話(huà)，我們可以從中獲得更多的優(yōu)點(diǎn)。相比CW, QCW激光二極管陣列的峰值功率會(huì )更高。另外，多個(gè)高峰值功率QCW巴條封裝在同一個(gè)區域。這些巴條就可以看作單個(gè)的CW巴條，因為每個(gè)巴條在QCW模式運行時(shí)，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，提高激光的光束質(zhì)量。

　 在以前，QCW泵浦方案的最大缺點(diǎn)在于激光二極管陣列的壽命較短。今天，壽命超過(guò)10000小時(shí)的CW激光二極管陣列在工業(yè)已經(jīng)得到廣泛的生產(chǎn)。這相當于可以連續運行416天，并被認為是所有DPSS系統可靠性的一個(gè)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(xué)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(chǎng)商，COD必須得到有效的抑制，產(chǎn)品也必須高于10000小時(shí)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(guò)程取得了一些進(jìn)展。進(jìn)而NGCEO可以生長(cháng)出壽命遠遠高于工業(yè)應用需求的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(guò)一年的連續運行時(shí)間）的場(chǎng)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(shù)。這些產(chǎn)品都應用了這些技術(shù)。獲得長(cháng)壽命的QCW陣列，需要兩個(gè)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)。結合這兩個(gè)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在絕大多數的QCW應用中，都使用83%填充（fill factor）的巴條。這種巴條是專(zhuān)門(mén)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(cháng)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。

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

2.2 硬焊接封裝技術(shù)　

　　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(guò)程中使用的步驟和材料。傳統中，軟焊接材料（例如，銦）在整個(gè)陣列中的多個(gè)位置上使用。使用軟焊料建立起來(lái)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(jìn)展，并誕生了Golden BulletTM 生產(chǎn)線(xiàn)。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(jìn)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(jiàn)圖2。最開(kāi)始二極管巴條被焊接在CuW熱沉（上面覆蓋著(zhù)AuSn焊料），經(jīng)過(guò)一個(gè)精心設計的適當的過(guò)程，得到低應力鍵和low-smile 巴條。這個(gè)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(cháng)不同進(jìn)行組裝。然后所有MBA焊接在一起，并附著(zhù)在BeO的基底上，并由兩個(gè)端口，n- 和 p-結，便于在二次加工中，進(jìn)行連接，上述全部過(guò)程，就完成了Golden BulletTM封裝。Golden BulletTM可以被附著(zhù)在標準的熱沉，也可以根據客戶(hù)的需求附著(zhù)在其他熱沉上。他們都可以應用在水冷和熱傳導冷卻場(chǎng)合。

圖2. Golden BulletTM組裝過(guò)程示意圖

3. 壽命測試結果

　　用于做壽命測試的兩個(gè)樣品分別為：?jiǎn)螚l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。測試參數的選擇是基于典型的Nd:YAG DPSSL泵浦情況。

表1 壽命測試參數總結

　　兩個(gè)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(dòng)壽命測試平臺，這些器件在測試之前就燒在樣品上。驅動(dòng)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(wàn)的發(fā)射次數）對每個(gè)器件的輸出功率進(jìn)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(gè)四條樣品中的三個(gè)樣品，由于遭遇到毀滅性的破壞（所有這三個(gè)都沒(méi)能發(fā)射800萬(wàn)次），因此這三個(gè)樣品的測量數據不包括在展示的圖3中。因為在生產(chǎn)陣列過(guò)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。

圖3：?jiǎn)螚l（上）和四條（下）Golden BulletTM工作電流為110A的壽命測試數據

　　在2009 年12月份后半月，樣品已經(jīng)采集了將近91億發(fā)射次數的時(shí)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(huì )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，在恒定的驅動(dòng)電流下，器件的功率衰減了20%以上，即可定義為器件失效。因為大多數樣品在截止在文章提交時(shí)并未失效，一種可接受的外延方法應用于這份分析。大部分的退化率與時(shí)間都呈現線(xiàn)性關(guān)系。因此，在最后30億發(fā)射次數的退化率用于擬合，擬合得到的公式，用于確定每個(gè)樣品的失效時(shí)間點(diǎn)（TTF）。

　　利用統計分析軟件（MinitabTM），對TTF數據進(jìn)行分析。數據用四種分布（威布爾，基底為e的對數正態(tài)，指數分布，正態(tài)分布）公式在圖中畫(huà)出來(lái)。用以確定哪種分布，與實(shí)驗數據更符合。選擇基底為e的對數正態(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(xiàn)，曲線(xiàn)至于95%的置信區間。計算得到的MTTF值為：?jiǎn)螚l樣品---198億次，四條樣品---146億次。NGCEO仍然在延續這個(gè)測試實(shí)驗，用于驗證實(shí)際的失效時(shí)間是否與外延法得到的數據相符合。

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

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(xiàn)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(gè)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中，每個(gè)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(lèi)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(gè)單獨的主題，進(jìn)行分析會(huì )很有趣。因為，這個(gè)代表在一個(gè)PowerPULSETM 激光增益模塊中的激光二極管陣列。通過(guò)把在圖3中，各個(gè)點(diǎn)的不同功率值相加，然后外延這些結果。我們得到圖6所示的結果：

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

　　以上數據是91億次之前的數據室測量值，超過(guò)91億次的數據是外延得到的。

　　如果講輸出功率衰減了20%作為衡量失效時(shí)間的話(huà)，我們從圖6，可以看出在一個(gè)典型的PowerPULSETM 激光增益模塊中的QCW陣列的失效時(shí)間大概為135億次發(fā)射次數。值得指出的是，這些陣列是為了可靠運行在相當高的輸出功率而設計。因此，為了獲得更長(cháng)的使用壽命，隨著(zhù)衰減的增加，我們可以適當的提高驅動(dòng)電流值。

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

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

這是PowerPULSETM 激光增益模塊生產(chǎn)線(xiàn)的代表曲線(xiàn)圖

6. 結論

　　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(guò)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(gè)壽命測試過(guò)程中，所有的樣品都沒(méi)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(xiàn)）。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，在所有的重復率小于370Hz的情況下，產(chǎn)品的預期壽命到高于416天（10000小時(shí)）----工業(yè)上標準的產(chǎn)品壽命。因此，這些優(yōu)點(diǎn)就可以通過(guò)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)