半導體激光器由於體積小巧，電光轉換效率高、可靠性高以及壽命長的顯著特點，可被用來抽運固體/光纖激光器，也可直接用於材料處理如焊接、切割、表麵處理等。以半導體激光器為抽運源的固體/光纖激光器廣泛應用於工業、軍事、醫療等領域。隨著半導體激光器輸出功率、轉換效率、可靠性和製造工藝的提高以及成本的降低，許多新的應用成為可能。

在一些實際應用中，半導體激光器需要工作在準連續或硬脈衝（hard pulse）條件下，也就是在一定的占空比（等於脈寬x重複頻率）下工作。對於長脈寬，高占空比的工作條件，比如300 ms，1 Hz，30%占空比，這對器件的抗熱疲勞、耐高溫、環境適應性強等特性提出了更高的要求。而傳統的銦封裝高功率半導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，半導體激光器可靠性也會逐漸降低，如何保證在高功率輸出的同時兼備高可靠性已成為當前業界最關心的問題。本文介紹了全無銦封裝傳導冷卻高功率半導體激光器疊陣，闡述了影響其特性的主要因素，對各種因素進行了分析和討論，並提出了提高器件性能的策略和方法。

1、瞬態熱管理

隨著半導體激光器向更高功率的不斷發展，器件有源區的溫度也隨之增加。熱管理對於高功率半導體激光器而言至關重要，因為半導體激光器大約45%的電能都轉換成熱損耗掉了。器件的散熱能力直接影響激光器的結溫，結溫過高將顯著影響半導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，慢軸發散角增大和壽命縮短等。

對於高功率半導體激光器，結溫由式（1）而得


其中Th為器件熱沉溫度、Rth為器件熱阻、V0為結偏壓、I為工作電流、Rs為串聯電阻、Po為輸出光功率。由上式可見激光器的結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。

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

半導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鍵。提高熱管理主要從減小芯片熱阻、減小貼片界麵熱阻和設計封裝結構三個方麵來實現。熱阻計算方法如下[2]：

 

                            Rth＝L/kA               (4)

其中：L為(wei) 熱傳(chuan) 導距離（m），A為(wei) 熱傳(chuan) 導通道的截麵積（m2），k為(wei) 熱傳(chuan) 導係數（W/mK）。

由（4）式可知，要減小芯片的熱阻主要有以下兩(liang) 種途徑：一是選擇熱傳(chuan) 導係數大的材料，二是在材料確定的情況下盡可能減小熱傳(chuan) 導距離或者增大熱傳(chuan) 導通道截積。基於(yu) 此，可通過增加芯片腔長（從(cong) 1mm增加到1.5mm）和提高填充因子來減小熱阻。

為(wei) 了提高器件的瞬態熱傳(chuan) 導能力，本文所述的傳(chuan) 導冷卻高功率激光器疊陣結構示意圖如圖1所示[3,4,5,6]。利用全無銦金錫焊料封裝工藝技術，激光巴條被熱膨脹係數匹配（CTE-match）的襯底材料疊層累積起來，類似“三明治”結構，巴條組與(yu) 熱沉之間有絕緣層隔離。每個(ge) 巴條所產(chan) 生的熱都通過襯底材料傳(chuan) 導到絕緣層，再通過絕緣層傳(chuan) 導到底部的高導熱熱沉材料，將激光器產(chan) 生的廢熱傳(chuan) 導出去，如圖 1 中紅色箭頭所示。這種設計就使得該結構的熱沉不帶電，為(wei) 終端客戶省去了外加絕緣結構的步驟，降低了係統的設計難度，並減少了成本。

     
圖1 傳(chuan) 導冷卻封裝高功率半導體(ti) 激光器疊陣

對於(yu) 用於(yu) 泵浦固體(ti) 激光器的傳(chuan) 導冷卻高功率半導體(ti) 激光器疊陣，通常工作在100μs-300μs的脈衝(chong) 寬度範圍內(nei) ，瞬態熱管理就至關(guan) 重要。圖 2是一個(ge) 巴條內(nei) 3個(ge) 發光點的典型瞬態溫度分布。通過分析瞬態條件下的熱分布，深入研究每個(ge) 巴條甚至每個(ge) 發光點的溫度特性，可以計算出半導體(ti) 激光器疊陣的結溫，分析其相對條件下的最高溫度，指導實際的封裝，提高器件的壽命和可靠性[7]。

圖2 典型瞬態溫度分布

圖3是GS04-5bar結構達到穩態後的溫度分布，可以看出，該結構的最高點溫度為(wei) 56.18℃，位於(yu) 巴條組中心位置，從(cong) 中心到巴條組邊沿溫度逐漸降低。若每個(ge) 巴條所產(chan) 生的廢熱能被及時帶走，達到穩態後每個(ge) 巴條的溫度會(hui) 均勻分布，不會(hui) 產(chan) 生中間部位溫度偏高的現象。這與(yu) 該結構所工作的脈寬和重複頻率有關(guan) ，存在相鄰巴條之間的熱串擾現象[8]。為(wei) 降低熱串擾，需要優(you) 化器件結構，或降低器件工作的脈寬和重複頻率。

 

   
  圖3 GS04-5bar結構的溫度分布

另外，對於(yu) 傳(chuan) 導冷卻高功率半導體(ti) 激光器疊陣，不同pitch的封裝結構對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，器件結構的pitch越小，其散熱能力越弱。

圖4 不同pitch下傳(chuan) 導冷卻疊陣溫度分布

除了結構外，貼片界麵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(yan) 重影響器件的熱阻[9]。圖 5 給出了封裝貼片層有空洞與(yu) 無空洞對比圖片。可以看出，相對於(yu) 圖 5（b）無空洞的貼片界麵，圖 5（a）中巴條的邊沿位置和右上角存在明顯的空洞，這將導致激光器巴條的有源區產(chan) 生局部熱點（hot spot），嚴(yan) 重影響激光器的可靠性和壽命。可以通過優(you) 化金屬層結構以及封裝貼片工藝技術來降低貼片層空洞，進而減小貼片界麵的熱阻，提高散熱能力。

(a) 有空洞

 (b) 無空洞

圖5 貼片層有空洞與(yu) 無空洞對比

綜上所述，要提高熱管理，需要從(cong) 芯片、封裝結構、貼片工藝和材料三個(ge) 方麵考慮：一是優(you) 化封裝結構，采用散熱效率高的封裝結構；二是提高貼片工藝技術，進行無空洞貼片封裝；三是采用具有更高熱導率的材料封裝。

2、熱應力管理

半導體(ti) 激光器的熱應力將導致器件波長漂移、光譜畸變和展寬等，極大影響了器件的性能。熱應力的產(chan) 生是由於(yu) 芯片和襯底的熱膨脹係數（CTE）失配所導致。熱應力與(yu) 熱膨脹係數和溫度的關(guan) 係為(wei) ：

1、E2分別為(wei) 材料的彈性模量，α1、α2分別為(wei) 材料的熱膨脹係數，Tf為(wei) 焊料凝固點的溫度，Ts為(wei) 應力測試點的溫度（工作溫度）。

對於(yu) 傳(chuan) 統的銦封裝單巴條高功率半導體(ti) 激光器[10]，由於(yu) 半導體(ti) 激光器和銅熱沉之間的熱膨脹係數差異為(wei) 10.1×10-6/℃。在封裝過程中，器件的溫度需要由銦的熔點（156℃）降到室溫（25℃），溫差達131℃。根據公式（5）算得產(chan) 生的熱應力對於(yu) 標準的10mm長的激光器巴條來說，將使銅熱沉和激光器巴條間出現14μm的收縮差異，從(cong) 而導致激光器巴條變形。而金錫焊料的熔點為(wei) 283℃，比銦的高了127℃，從(cong) 熔點降低至室溫，若采用銅做熱沉材料，熱應力會(hui) 導致芯片產(chan) 生近26μm的形變，足以使芯片發生嚴(yan) 重的變形，甚至開裂損傷(shang) 。圖 6 是焊料從(cong) 熔點降至室溫過程中熱應力導致巴條彎曲的原理示意圖。

圖6 近場非線性（smile）形成的原理示意圖

激光器外延材料內(nei) 的熱應力影響器件的發射波長，應力對波長的影響係數為(wei) ~1*10-5 eV/bar（或~0.005nm/bar)。半導體(ti) 激光器的張應力和壓應力對光譜漂移產(chan) 生不同的效果，張應力引起紅移，壓應力引起藍移[11]。而整個(ge) 半導體(ti) 激光器巴條寬度內(nei) 發光單元所遭受的非均勻熱應力將會(hui) 造成波長分布不均勻，導致光譜展寬，如圖 7 所示

 圖7 熱應力不均勻導致光譜展寬

較大的熱應力會(hui) 導致半導體(ti) 激光器巴條損傷(shang) ，甚至芯片斷裂，如圖 8 所示。

 圖 8 熱應力導致的芯片損傷(shang)

減小熱應力的影響有三個(ge) 途徑：第一，采用熱傳(chuan) 導率高，並且熱膨脹係數與(yu) 芯片更加匹配的襯底/熱沉材料；第二，通過優(you) 化封裝工藝降低施加在激光器巴條上的熱應力；第三，通過優(you) 化封裝工藝降低巴條組上熱應力分布的不均勻性。

3、全無銦封裝

銦焊料是大功率半導體(ti) 激光器封裝中最常用的焊料之一。然而銦焊料在脈衝(chong) 情況下、高溫低溫下循環以及環境溫度下循環易產(chan) 生熱疲勞。另外，銦焊料在高電流下易產(chan) 生電遷移和電熱遷移的問題，影響半導體(ti) 激光器的可靠性。研究發現銦焊料封裝的激光器壽命遠遠低於(yu) 金錫焊料封裝的器件[12]。為(wei) 了避免出現銦焊料封裝的器件失效，炬光科技開發了全無銦化的封裝技術，每個(ge) 巴條與(yu) 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(yu) 熱沉也采用無銦的焊料，如圖9所示。由於(yu) 采用無銦化封裝工藝技術，激光器疊陣中每個(ge) 巴條可以在更高結溫更高輸出功率下可靠工作，這樣疊陣結構的體(ti) 積可以做得更小巧，重量可以做的更輕。封裝後的該結構重量僅(jin) 為(wei) 2.3克，如圖10所示。圖11為(wei) 2.3克 1500W傳(chuan) 導冷卻高功率半導體(ti) 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(chuan) 導冷卻高功率半導體(ti) 激光器疊陣

 

 

圖10 2.3克傳(chuan) 導冷卻封裝高功率半導體(ti) 激光器疊陣

 

圖11 2.3克 傳(chuan) 導冷卻半導體(ti) 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可克服銦焊料封裝器件易產(chan) 生熱疲勞、電遷移和電熱遷移等問題，提升高功率半導體(ti) 激光器的可靠性。炬光科技公司擁有全無銦化半導體(ti) 激光器封裝工藝技術，並成功實現了質量穩定的批量化生產(chan) ，向客戶提供高性能長壽命的半導體(ti) 激光器產(chan) 品。圖12顯示在QCW條件下額定功率為(wei) 1500W的GS04激光器的壽命測試時間已經超過109shots，功率無任何衰減，目前壽命測試還在繼續進行。

 

   
圖12 808nm半導體(ti) 激光器疊陣壽命測試結果

4、窄光譜控製

對於(yu) 以半導體(ti) 激光器作為(wei) 泵浦光源激勵固體(ti) 、或光纖激光器的應用，需要窄光譜寬度的半導體(ti) 激光器，以利於(yu) 固體(ti) 激光器晶體(ti) 的高效吸收。通過減少泵浦半導體(ti) 激光器的光譜寬度來提高光譜精度，使得激光係統設計者能夠改善激光係統的體(ti) 積、效率、功率和光束質量等參數，同時又減少了係統散熱成本。光譜寬度是半導體(ti) 激光器疊陣產(chan) 品的關(guan) 鍵指標之一，因此改善光譜特性有利於(yu) 提高產(chan) 品質量，減少成本及增加產(chan) 品競爭(zheng) 力。

半導體(ti) 激光器陣列的光譜展寬主要是由於(yu) 每個(ge) 發光點的發射波長不一致引起的。 對於(yu) 高功率半導體(ti) 激光器疊陣，寬光譜曲線可能會(hui) 出現側(ce) 峰、雙峰甚至多峰，如圖13所示。疊陣內(nei) 每個(ge) 巴條輸出波長不一致以及由於(yu) 封裝導致的熱和熱應力效應都將使巴條輸出光譜展寬，其中後者是主要因素[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(ge) 巴條的溫度均勻和應力均勻，從(cong) 而消除局部熱效應和應力效應。為(wei) 了獲得窄光譜，需要根據封裝結構的熱分布對組成傳(chuan) 導冷卻疊陣的各個(ge) 巴條進行波長匹配，將滿足目標要求波長的巴條封裝在一起，獲得窄的光譜特性，其原理如圖14所示[14，15]。

                    圖14 光譜控製技術原理

利用窄光譜控製技術，炬光科技封裝了GS04-5bar傳(chuan) 導冷卻半導體(ti) 激光器疊陣，一個(ge) 典型光譜如圖15所示，其光譜半高全寬小於(yu) 3nm，90%能量寬度小於(yu) 5nm。

圖15 一個(ge) 典型GS04-5bar疊陣的光譜曲線

5、高可靠性

與(yu) 銦焊料相比，無銦化金錫封裝工藝具有抗熱疲勞、耐高溫、儲(chu) 存時間長、性能穩定、環境適應性強等優(you) 點，極大地提高了器件的可靠性。為(wei) 徹底克服銦焊料封裝存在的隱患，炬光科技已開發了全無銦化封裝技術，生產(chan) 了多係列的、全無銦化封裝的、高可靠性的高功率半導體(ti) 激光器產(chan) 品。這些全無銦化技術封裝的產(chan) 品均通過了包括高、低溫-40℃~+85℃存儲(chu) 和溫循環境、以及相應的振動衝(chong) 擊等環境試驗。從(cong) 圖16可以看出，環境試驗後全無銦化封裝激光器的功率衰減小於(yu) 5%，光譜基本保持不變。

（a）輸出功率變化曲線

（b）中心波長變化曲線

圖16 全無銦化傳(chuan) 導冷卻疊陣產(chan) 品環境試驗前後的數據對比

總結

本文介紹了全無銦封裝傳(chuan) 導冷卻高功率半導體(ti) 激光器疊陣，從(cong) 瞬態熱管理、熱應力管理、全無銦封裝、窄光譜控製、可靠性五個(ge) 方麵進行了分析和討論，並提出了提高器件性能的策略和方法。

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