功率半导体激光器芯片封装结构可靠性研究

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随着半导体芯片制造技术越来越成熟,大功率半导体激光器得到了越来越广泛的应用,其应用领域包括:光通信、材料加工、国防等。由于其具有非常高的电光转换效率、高的可靠性等优点,并且成本不断下降,大功率半导体激光器发展成为光电领域的核心器件,特别是808nm波长的半导体激光器,其主要应用在固体激光器和光纤激光器的泵浦光源。  半导体激光器芯片的制造技术不断提高而成本下降,但是其封装质量成为影响其性能和可靠性的一个瓶颈因素。封装质量主要通过两个方面热量管理、封装应力对半导体激光器的可靠性产生影响。本论文中,采用正装和倒装两种封装方式的808nm波长激光器在350mA,25℃恒温平台下进行了寿命试验。试验结果表明,倒装封装的器件寿命比正装封装的器件高。为了分析上述现象的原因,首先我们通过瞬态温度响应曲线分析了二者的温度特性,通过荧光光谱试验分析了封装应力的大小。  首先测量了器件在1mA电流下不同温度下的正向电压值得到了温度系数K。接着测量了在25℃下,施加500mA电流的瞬态温度响应曲线。通过瞬态温度响应曲线,发现倒装器件的温度比正装的低,这是因为倒装器件的散热途径少了一个GaAs衬底。所以可以断定温度因素不是影响正装和倒装器件寿命差异的因素。  在论文中,光学方法电致荧光通过测量光谱的峰值信息来分析正装和倒装引入的应力。通过海洋公司的HR4000光谱分析仪来测量光谱。理论计算结果表明倒装引入的应力大约是正装引入应力的10倍左右。最后我们做出结论:封装应力是影响器件寿命的关键因素。尽管倒装封装在温度方面具有优势,但是必须要考虑封装过程中由于热碰撞系数不同引入的应力对器件的影响。  最后,设计功率循环试验对器件的进行老化。在功率循环试验中,电功率以两种开断的方式加载到放置在空气中的器件上。试验条件合理选择,使得器件可以经历一个较大的温度范围,并且温度也相对较高。通过试验结果发现:不同的功率循环方式在输出光功率、阈值电力和斜率效率方面对器件的影响不同。在试验的最后,测量光谱发现其有两个峰值出现,针对这个现象分析其原因应该可能是激光器输出模式的跳变引起的。
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