傳導冷卻高功率半導體激光器單巴器件CW工作模式下的熱加速壽命試驗

聶志強， 王明培， 孫玉博， 李小寧， 吳 迪

(1. 中國科學院西安光學精密機械研究所 瞬態光學與光子技術重點實驗室， 陜西 西安 710119；2. 中國科學院大學， 北京 100049； 3. 西安炬光科技股份有限公司， 陜西 西安 710077)

1 引 言

隨著半導體激光技術的發展[1-8]，高功率半導體激光器(HLD)的應用領域不斷擴大，涵蓋了工業、航天、生物醫學等領域。在這些應用當中，可靠性是一個非常重要的性能[9-18]。因此，壽命評估和可靠性分析技術成為HLD實際應用和產業化的關鍵。加速壽命測試能夠快速監測失效過程，揭示器件設計過程中的薄弱環節以及器件材料及其組件的缺陷等，為優化芯片和封裝結構提供指導[9-13]，是壽命評估和可靠性分析的重要技術手段。

HLD是用金屬焊料(如銦或者金錫)將芯片和熱沉良好地鍵合在一起的器件。在工作時器件承受大電流和高溫的影響，經過一段時間后因為電、熱、機械應力和材料疲勞等原因失效，例如體退化、面退化和焊料相關退化。體退化指的是芯片生長過程中引入的缺陷在器件長期工作時傳播生長最終導致器件失效的退化。面退化指的是器件工作過程中芯片腔面上光吸收、氧化發熱導致腔面老化的退化。焊料相關退化是焊接應力、電遷移、電熱遷移形成的物理缺陷和微結構變化導致器件短路、斷路、應力增大和熱阻升高的退化。

HLD退化按照快慢分為突然失效、快速退化和緩慢退化[9-11]。HLD的失效率可以用經典“浴盆曲線”進行總結。第一階段是早期失效期，器件失效率較高，與有源區的嚴重缺陷、腔面污染和機械損傷有關。第二階段是偶然失效期，較低的失效率是由器件隨機缺陷造成的。第三階段稱為耗損失效期，該階段失效率高，引起器件退化的因素包括體內和表面非輻射復合中心的形成與增加，焊接應力生成的暗線缺陷、金屬間化合物的形成和生長、金屬電遷移導致的熱阻增大等。為了衡量退化的快慢，我們可以測量并記錄半導體激光器(LD)在恒定驅動電流下的輸出功率或在恒定輸出功率下的驅動電流隨老化時間的變化情況。如果LD在恒定的驅動電流下工作，則可以通過輸出功率的快速下降來判定器件的快速退化。輸出功率的突然降低是災變性退化的典型特征。慢退化發生在器件工作較長一段時期后，這種退化的典型特征是在恒定驅動電流下LD輸出功率逐漸降低。由于實際時間和資源的限制，常溫條件下壽命驗證花費時間非常長，而通過在高溫下對器件進行熱加速壽命試驗可以顯著減少器件測試時間[11-18]。國內方面，路國光等[11-12]研制了LD加速壽命自動測試系統，對1.7 W的脈沖LD和20 W連續HLD分別進行了50 ℃和70 ℃的加速老化試驗。高松信等[13]開展了100 W脈沖LD在冷卻水溫度為20 ℃和35 ℃的加速壽命實驗。BAO等[14]分析比較了單管LD在50 ℃和80 ℃的壽命。國外方面，KANSKAR等[15]開展了70 ℃下2 W的970 nm的LD的加速老化研究。HAUSLER等[16]開展了45 ℃下2 W左右的810 nm的LD的加速老化研究。BERK等[17]研究了-55～80 ℃下808 nm脈沖HLD的壽命。ZOU等[18]報道了2 W左右的920 nm和970 nm的LD加速壽命推算達到1億小時。

本文對18個808 nm額定功率60 W(CW條件下電流60 A)的銦焊料封裝的傳導冷卻(CS)型HLD單巴器件進行了熱加速壽命試驗。基于構建的壽命數學模型，估計出該CS單巴器件在室溫下的平均壽命，此外我們還展示和分析了該CS器件的退化現象。

2 器件結構及性能

如圖1(a)、(b)所示，本文采用的銦焊料封裝的CS器件由5個部分組成：激光芯片(巴條)，陰極塊、N極銅箔、絕緣片和熱沉底座。巴條經過Ti-Pt-Au表面金屬化后陽極面向下通過銦焊料鍵合在拋光鍍金的銅熱沉上。Ti-Pt-Au金屬化層主要作用是在巴條和芯片之間提供良好的浸潤性并阻止和減緩焊料向巴條的擴散。銅熱沉是器件的陽極端，封裝在巴條頂部的銅箔則作為陰極。器件熱流密度分布的矢量圖表明，巴條產生的大量熱量主要從陽極面擴散，經由銦焊料層注入銅熱沉，如圖1(c)所示。根據熱流密度矢量的方向和熱流密度的發散角，巴條有源層前腔面附近區域的散熱能力與后腔面區域相比顯然更差，這主要是因為巴條前腔面鍵合在熱沉邊緣而巴條后腔面鍵合在熱沉內部，前腔面的熱流路徑少于后腔面熱流路徑。

圖1 (a)銦焊料封裝的CS器件樣品；(b)器件結構示意圖；(c)器件熱流分布矢量圖。

Fig.1 (a) Conduction-cooled-packaged 808 nm high power diode laser bar packaged by Indium solder. (b) Schematic diagram of the device. (c) Thermal flux distribution.

HLD最基本表征方法是LIV表征，即通過給器件增加正向電流(I)過程中，測量器件的電壓(V)和光功率(L)，所得到的信息通常被稱為LIV曲線。典型的CS器件光電特性如圖2所示，我們可以看到在低電流時，有源區的增益較低，無激光輸出。當電流增加超過閾值電流時，器件發射的激光功率隨著電流增大而快速增加。激光芯片腔長的增加可以提高半導體激光器的輸出功率，因

為腔長變長使得激光在腔內的增益變得更大，然而長腔長芯片的封裝難度大，因為芯片和熱沉材料的熱膨脹系數不匹配，在回流過程中熱沉收縮大于芯片的收縮，因而在芯片內部產生壓應力。芯片特別容易因為封裝應力而導致破損。這里巴條長度為1 cm，厚度為150m左右，腔長為2 mm，包含19個發光點，每個發光點的寬度為150 μm，填充因子為30%。

熱加速壽命試驗的18個CS器件來自于同種工藝下生產的同一批產品，并經過24 h老化，這樣可以保證不同器件的性能基本相同，這是壽命試驗的前提。在電流60 A和熱沉溫度25 ℃下，這18個CS器件的參數范圍是連續輸出功率(Pop)介于59～61 W之間，閾值電流(Ith)介于9～11 A之間，斜率效率(Slope Eff.)介于1.15～1.25 W/A，電光轉換效率(Eff.@Iop)介于57%～58.5%之間，中心波長介于807.5～810.0 nm之間，光譜半高全寬(FWHM)介于1.72～1.85 nm之間。FW90%Energy參數指的是激光光譜中90%能量對應的譜寬，這個參數配合FWHM參數可以更全面地表征HLD的光譜性能，這里CS器件的FW90%Energy介于2.47～4.32之間。這18個CS器件的性能參數有略微的差異，這是由于相同晶圓片生長工藝和封裝工藝的隨機波動疊加造成的。

圖2是試驗開始前其中4個CS器件25 ℃下的LIV曲線和光譜特性。我們看到4個器件當中2553#器件的閾值電流最低，說明其芯片損耗小性能高，對應的電光轉換效率也最高。然而，2553#器件的斜率效率卻是最低的，這說明閾值電流僅僅反映器件性能的一個方面，影響斜率效率的還有其他因素，例如封裝方面。如果器件散熱不好，對閾值電流沒有影響，但是熱積累造成非輻射復合增多，因此閾值電流大不一定斜率效率就小。2490#器件的FWHM參數與其他3個器件相差不大，只有0.12 nm左右，但是由于光譜左翼存在小凸起，導致FW90%Energy值非常大，與其他3個器件相差大于1 nm。這18個器件將在55，65，80 ℃下進行加速壽命測試，其中2553#器件在55 ℃下試驗，2490#和4779#器件在65 ℃下試驗，2535#器件在80 ℃下試驗。

圖2 編號為2553#(a)、2490#(b)、4779#(c)和2535#(d) 的CS器件的LIV測試曲線和光譜圖。

Fig.2LIVcurves and spectra of CS devices of product number 2553#(a), 2490# (b), 4779#(c) and 2535#(d) at ambient temperature.

3 CS器件熱加速壽命試驗

本文工作中的熱加速壽命試驗設備如圖3(a)所示，包括HLD驅動模塊、溫度控制模塊、電路保護模塊和計算機控制模塊。所有3組18個CS器件測試樣品在電流60 A下與電流源串聯，如圖3(b)所示，這樣保證所有樣品的測試電流一致。按照55，65，80 ℃ 3個不同溫度分成3組，每組6個CS巴條器件樣品，在對應的溫度下3組同時進行熱加速壽命試驗。測試中每組6個CS器件產生的熱量很大，為了使熱沉溫度維持在55，65，80 ℃，需要傳導出大量的熱量并精確地控制器件熱沉溫度。在測試平臺中，溫度控制模塊包括兩個部分：一部分是安裝有半導體冷卻器(TEC)的金屬夾具，用于精確控制器件熱沉溫度；另一部分是TEC下面的水冷塊，用于帶走TEC的熱量。CS器件壽命終止的判據是輸出功率下降為初始值的80%。這里的“初始值”指的是該工作溫度下對應的初始輸出激光功率，而不是常溫下的激光功率。在80 ℃下CS器件的初始功率一般是45 W左右，那么經過一段時間后CS器件激光功率下降為36 W時就認為該器件壽命終止了。同理,65 ℃下CS器件的初始功率大概在50 W左右，器件壽命終止點是40 W。55 ℃下CS器件的初始功率大概在55 W左右，器件壽命終止點是44 W左右。55，65,80 ℃下CS器件功率衰減曲線和利用最小二乘法得到的擬合結果如圖4所示。

圖3 (a)熱加速壽命測試裝備；(b)18個CS測試樣品。

Fig.3 (a) Thermal accelerated aging test equipment. (b) Three groups of the series eighteen CS samples.

圖4(a)中熱沉溫度在55 ℃下CS器件激光功率隨時間的變化曲線顯示3個CS器件(4180#、3571#和4808#)在500 h左右快速失效，而其他3個CS器件(4794#、4183#和2553#)光輸出功率逐漸衰減，在1 500 h后緩慢失效。圖4(b)顯示在65 ℃下兩個CS器件(3176#和4807#)在200 h左右快速失效，其他4個CS器件(2284#、4779#、2490#和3575#)在600～1 000 h之間緩慢失效。圖4(c)中80 ℃下5個CS器件(2507#、4808#、2535#、3245#和4782#)在200～300 h之間突然失效，而只有一個CS器件(4793#)在300 h后逐漸失效。可以看出所有CS器件的輸出功率在熱加速壽命試驗期間都降低了，而且高溫條件下功率衰減速度明顯大于低溫條件，CS器件在高溫條件下的壽命遠小于低溫條件。

圖4 CS器件在不同熱沉溫度55，65，80 ℃下的功率衰減曲線(a)、(b)、(c)和利用最小二乘法得到的擬合結果(d)、(e)、(f)。

Fig.4 Thermal accelerated aging test curves of HLD(a), (b), (c) and the fitted curve(d), (e), (f) with least square method under heat sink temperature of 55, 65, 80 ℃.

本文引用了Yamakoshi的發光管光功率緩慢退化公式[19]，在此基礎上參考了“電子元器件壽命試驗和加速壽命試驗方法”的國家標準[20]，根據低溫和高溫條件下壽命的函數關系推導出常溫下該銦焊料封裝的CS型單巴器件的壽命。激光器輸出功率和工作時間的關系可以表示為下式：

Pt=P0exp(βt),

(1)

式中，Pt代表器件t時刻的輸出功率，P0代表初始時刻器件的輸出功率，而β代表退化系數，β可根據阿列尼烏斯(Arrhenius)公式表達為如下形式：

β=IFβ0exp(-Ea/kT)，

(2)

式中IF是工作電流，β0是一個常數，Ea代表激活能，T為有源區的絕對溫度，k=8.617310-5eV/K，為玻爾茲曼常數。我們看到退化系數與溫度的倒數成指數關系。

對公式(1)等號兩邊求對數，然后把圖4(a)、(b)、(c)中各個器件的時間-功率數據代入變形后的公式(1)，利用最小二乘法就可以擬合出每個器件的功率衰減曲線，如圖4(d)、(e)、(f)所示。與此同時，根據功率衰減曲線我們得到每個器件的退化系數β，如表1所示。

表1 熱加速壽命試驗下的退化系數β

為了估計壽命，有必要確定壽命終止的標準。對于本次熱加速壽命試驗，我們將HLD壽命定義為器件輸出功率下降到初始值的80%對應的老化時間。利用該定義我們可以根據公式(1)中輸出功率與工作時間的指數關系，即圖4(d)、(e)、(f)推導出每個CS器件的估計壽命。表2就是利用這種方法得到的熱沉溫度為55，65，80 ℃時的每個CS器件估計壽命的一個匯總，每個溫度下對應的6個器件的壽命都可以計算得到。我們看到在55 ℃下器件的最小壽命為133 h、最大為1 676 h，在65 ℃下器件的最小壽命為65 h、最大為1 105 h，在80 ℃下器件的最小壽命為121 h、最大為632 h。從表面上看該CS器件的壽命在同一溫度下各不相同，而且壽命大小似乎與熱沉溫度不成反比，比如80 ℃下器件的最小壽命就大于65 ℃下器件的最小壽命。實際上，壽命估計是一種概率估計，真實器件的壽命按照一定概率分布于壽命估計值附近。這里我們可以簡單地取55，65，80 ℃下6個器件的壽命平均值作為壽命估計值，如表2所示，分別為1 022，622，313 h，可以明顯看到該CS器件的平均壽命與熱沉溫度是成反比的。一般來說，在相同溫度下退化系數越大，壽命越小(如3571#器件和4183#器件相比)，但是，不同溫度下比較退化系數就沒有意義(如3571#器件和4793#器件)。

表2 熱加速壽命試驗下的平均壽命值

下面我們將建立溫度與壽命估計值之間的函數關系，從而推導出常溫下的器件壽命。首先計算激活能，根據公式(1)有

(3)

其中P1t、P10、β1、L1和P2t、P20、β2、L2是器件1和器件2的壽命點光功率、初始光功率、退化系數和壽命，根據HLD器件壽命定義為

P1t/P10=exp(β1L1)=

P2t/P20=exp(β2L2)=80%,

(4)

因此有

β1L1=β2L2?β1/β2=L2/L1，

(5)

根據公式(2)可以得到

(6)

兩式相除得到

β1/β2=exp(Ea/kT2-Ea/kT1),

(7)

把公式(5)代入公式(7)得到

L2/L1=exp(Ea/kT2-Ea/kT1),

(8)

等號兩邊取對數得到

(9)

Arrhenius公式(見公式(2))中的溫度指的是芯片有源區溫度。由于器件熱阻的存在，芯片有源區的溫度要比熱沉溫度高約25 ℃，因此有源區溫度為

T25 ℃=25+273+25=323 K，

T55 ℃=55+273+25=353 K，

T65 ℃=65+273+25=363 K，

T80 ℃=80+273+25=378 K。

把熱沉溫度為55 ℃和65 ℃的情況代入公式(9)得：

0.551 88，

(10)

把熱沉溫度為65 ℃和80 ℃的情況代入公式(9)得：

0.577 51，

(11)

把熱沉溫度為55℃和80℃的情況代入公式(9)得：

0.566 84，

(12)

最終得到該CS器件激活能為Ea=(Ea1+Ea2+Ea3)/3=0.565 41。把激活能代入公式(8)得

5 744 h，

5 815 h，

5 726 h，

(13)

我們最終估計出熱沉25 ℃下的器件壽命L25 ℃=(L25 ℃-1+L25 ℃-2+L25 ℃-3)/3=5 762 h。可以看出在55 ℃的熱沉溫度下器件壽命加速了5倍，而在65 ℃下失效加速了8.5倍，80 ℃下加速壽命系數為17倍。相比于常溫壽命測試，整個熱加速壽命試驗節省4 000多小時。

4 缺陷及退化分析

18個CS器件經過熱加速壽命試驗后常溫下有的失效有的沒有失效，沒失效的器件在常溫電流60 A下性能都發生明顯變化。圖5所示的是2553#、2490#、4779#和2535#CS器件經過熱加速壽命試驗后在熱沉溫度25 ℃下的LIV曲線和光譜特性。相比于熱加速壽命試驗前的器件性能，Pop分別降低了2.74，11.44，11.61，13.81 W，Ith分別增大了3.19，5.31，6.77，8.55 A，斜率效率分別降低了-0.04，0.11，0.06，0.07 W/A，Eff.@Iop分別降低了2.25%、10.03%、10.73%、12.46%，峰值波長紅移分別為3.7，1.23，2.84，5.3 nm，中心波長紅移分別為3.5，1.4，2.83，4.79 nm，FWHM增大了-0.01，0.98，0.8，-0.01 nm，FW90%Energy參數增大了0.6，-0.01，1.46，3.81 nm。

由上述分析可知，經過熱加速壽命試驗后，2553#器件Ith升高最小且斜率效率略有增大，所以對應的Pop和Eff.@Iop降低都最小，雖然FWHM幾乎不變，但FW90%Energy增大非常明顯。2535#器件的Ith升高最大且斜率效率也增大明顯，所以對應的Pop和Eff.@Iop降低最大，雖然FWHM幾乎不變，但FW90%Energy增大最大。2490#器件在熱加速壽命試驗前的光譜存在“左肩膀”，導致初始FW90%Energy就非常大，經過熱加速壽命試驗后雖然“左肩膀”消失，但光譜整體增寬，所以FW90%Energy雖然沒有增大，但FWHM增大最大。4779#器件經過熱加速壽命試驗后光譜左翼產生一個小峰，導致FW90%Energy增大明顯。另外，4個器件的峰值波長和中心波長都發生明顯紅移。所有這些現象說明經過熱加速壽命試驗后，一方面激光芯片內部缺陷生長導致芯片退化，另一方面焊料退化導致器件散熱變差。

圖5 編號為2553#(a)、2490#(b)、4779#(c)和2535#(d) 的HLD巴條器件經過熱加速壽命試驗后的LIV測試曲線和光譜圖。

Fig.5LIVcurves and spectrum of HLD of product number 2553#(a), 2490#(b), 4779#(c) and 2535#(d) with the current 60 A at ambient temperature after accelerated aging test.

5 結 論

本文對銦焊料封裝的中心波長為808 nm的18個CS型HLD單巴器件在恒定電流60 A條件下進行了55,65,80 ℃ 3組不同熱沉溫度下的熱加速壽命試驗，所有樣品的輸出功率在加速壽命測試期間都降低，平均壽命依次為1 022,620,298 h。根據YamaKoshi方程和Arrhenius公式對老化數據進行了分析，得到該器件的激活能為0.565 41 eV，從而外推得到器件在室溫下的壽命為5 762 h。可見55 ℃下器件壽命加速了5倍，而在65 ℃下失效加速了8.5倍，對于80 ℃，加速壽命系數為17倍。相比于常溫壽命測試，整個熱加速壽命試驗可以節省4 000多小時。此外，我們還分析了器件熱加速壽命試驗后的性能，認為一方面激光芯片內部缺陷生長導致退化，另一方面焊料老化導致器件散熱變差，從而造成功率和效率的降低和光譜變寬且紅移。

目前，國內外文獻中對如此多數量、高功率和高溫度的半導體激光器熱加速壽命試驗的報道幾乎沒有，究其原因，本文試驗成本高，時間長，而且高功率輸出的條件下對老化系統的熱管理水平要求也非常高，這些是本工作的特色和具有指導意義的地方。我們希望通過報道該試驗和詳細計算過程，為科研人員研制和使用同類型大功率半導體激光器提供參考，從而推動大功率半導體激光器的研究和應用。