| laserboy |
2011-11-04 15:43 |
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(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(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(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。這些結(jié)論對于激光系統(tǒng)設(shè)計(jì)者是很有用的。該壽命測試展示了這些陣列在不同的運(yùn)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(jìn)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(yùn)行條件預(yù)期的運(yùn)行壽命高了10000個小時。 +<WNAmh
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1.引言 BuS [(
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。 +aOX{1 w
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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(jìn)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(diǎn)。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?yàn)槊總�巴條在QCW模式運(yùn)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(yùn)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(diǎn)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(yùn)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(yùn)行的特性，使得它們備受激光設(shè)計(jì)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(jì)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(jìn)展。進(jìn)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。 t y8E;[ '
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2.高功率QCW陣列 8> (/:u_x
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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(yùn)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。 zn5|ewl @"
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2.1 QCW激光二極管巴條 Y7 e1%,$v
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(jì)用于高功率運(yùn)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(yùn)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。 "1hFx=W+\
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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 *Q;?p
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2.2 硬焊接封裝技術(shù) l2kUa'O-
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(jìn)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(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。
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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(jì)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(dú)測試以及根據(jù)波長不同進(jìn)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(jìn)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。 @[]#[7
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