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大功率半導(dǎo)體激光器封裝技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)及面臨的挑戰(zhàn)

    

大功率半導(dǎo)體激光器封裝技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)及面臨的挑戰(zhàn)

作者：劉興勝 楊林 張艷春

文章綜述了現(xiàn)有高功率半導(dǎo)體激光器（包括單發(fā)射腔、巴條、水平陣列和垂直疊陣）的封裝技術(shù)，并討論了其發(fā)展趨勢(shì)；分析了半導(dǎo)體激光器封裝技術(shù)存在的題目和面臨的挑戰(zhàn)，并給出解決題目與迎接挑戰(zhàn)的方法及策略。

高功率半導(dǎo)體激光器及其泵浦的固體激光用具有體積小、重量輕、光電轉(zhuǎn)換效率高、性能穩(wěn)定、可靠性高、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為光電行業(yè)中最有發(fā)展前途的產(chǎn)品，被廣泛應(yīng)用于產(chǎn)業(yè)、軍事、醫(yī)療和直接材料處理等領(lǐng)域。組成大功率半導(dǎo)體激光器的基本單元是單發(fā)射腔或單陣列（單陣列由多個(gè)單發(fā)射腔線性排列而成）。圖 1、圖2分別是單發(fā)射腔半導(dǎo)體激光器和單陣列半導(dǎo)體激光器的發(fā)光示意圖。

圖1：?jiǎn)伟l(fā)射腔半導(dǎo)體激光器發(fā)光示意圖

圖2：高功率單陣列半導(dǎo)體激光器發(fā)光示意圖

對(duì)于半導(dǎo)體激光器而言，輸出功率、轉(zhuǎn)換效率和可靠性是描述器件性能的三個(gè)主要參數(shù)。隨著芯片制備技術(shù)的成熟、本錢的降低以及性能的進(jìn)步，半導(dǎo)體激光器出現(xiàn)了新的發(fā)展趨勢(shì)，主要有高輸出功率、高亮度、無(wú)銦化封裝、窄光譜和低“smile”效應(yīng)。下面將先容現(xiàn)有高功率半導(dǎo)體激光器的封裝技術(shù)與發(fā)展趨勢(shì)，以及其存在的題目、面臨的挑戰(zhàn)和相應(yīng)的解決方案與應(yīng)對(duì)策略。

高輸出功率

很多新的應(yīng)用領(lǐng)域要求半導(dǎo)體激光用具有更高的輸出功率。增加輸出功率主要有兩種方式：1、改進(jìn)芯片生長(zhǎng)技術(shù)，增加單發(fā)射腔半導(dǎo)體激光器的輸出功率。2、提陣列高半導(dǎo)體激光器發(fā)光單元的個(gè)數(shù)，從而進(jìn)步輸出功率。為進(jìn)一步進(jìn)步光輸出功率，可以采用多種封裝技術(shù)，其中包括多單管模組、水平疊陣、垂直疊陣、面陣。

單發(fā)射腔：?jiǎn)伟l(fā)射腔半導(dǎo)體激光器最大光輸出功率受限于災(zāi)難性光學(xué)腔面損傷（COMD）或Thermal Rollover現(xiàn)象，其輸出功率與這兩個(gè)參數(shù)的關(guān)系如圖 3所示。COMD產(chǎn)生的主要原因是由于光吸收和非輻射復(fù)合導(dǎo)致的腔面過(guò)熱而使腔毀壞。目前發(fā)展了一些新技術(shù)能很好地克服COMD，從而進(jìn)步輸出功率，例如腔面鈍化、非吸收鏡面和非泵浦窗。Thermal Rollover現(xiàn)象是由于產(chǎn)生的熱量高于制冷裝置能夠冷卻的熱量，通常此時(shí)在腔內(nèi)將累積大量熱量，使腔內(nèi)的溫度明顯上升。為了避免Thermal Rollover現(xiàn)象產(chǎn)生，應(yīng)盡量降低器件的熱阻。增加腔長(zhǎng)和增大發(fā)光區(qū)寬度能夠明顯地降低熱阻，因而單發(fā)射腔半導(dǎo)體激光器的腔長(zhǎng)越長(zhǎng)，其輸出功率越高。隨著COMD和Thermal Rollover現(xiàn)象的改善，輸出功率5～8W、波長(zhǎng)808nm和輸出功率8～12W、波長(zhǎng)9xxnm，發(fā)光區(qū)寬度分別為200μm和100μm的單發(fā)射腔半導(dǎo)體激光器，已獲得廣泛應(yīng)用。

圖3：?jiǎn)伟l(fā)射腔半導(dǎo)體激光器光輸出功率與驅(qū)動(dòng)電流之間的關(guān)系示意圖

單陣列：為增加芯片的輸出功率，將單發(fā)射腔排成一維線陣集成為陣列，此結(jié)構(gòu)通常稱為巴條，其結(jié)構(gòu)如圖 2所示。最常見(jiàn)的巴條封裝結(jié)構(gòu)包括傳導(dǎo)冷卻型CS封裝和微通道液體制冷型封裝兩種，它們的結(jié)構(gòu)分別如圖 4（a）和（b）所示。根據(jù)填充因子和腔長(zhǎng)的不同，連續(xù)波條件下陣列半導(dǎo)體激光器輸出功率可高達(dá)上百瓦。為保證貿(mào)易產(chǎn)品的可靠性，通常市場(chǎng)上使用的半導(dǎo)體激光器的填充因子為20%或30%，波長(zhǎng)808nm，輸出功率60W，采用傳導(dǎo)冷卻方式；對(duì)于更高填充因子的單陣列半導(dǎo)體激光器，輸出功率可高達(dá)80～100W。對(duì)于輸出功率為100W的巴條，通常采用液體制冷。圖5給出分別采用傳導(dǎo)制冷和微通道液體制冷的商用單陣列半導(dǎo)體激光器的功率-電壓-電流與光譜特性曲線。

圖4：陣列激光器實(shí)物圖。（a）：?jiǎn)侮嚵袀鲗?dǎo)冷卻封裝（b）：?jiǎn)侮嚵形⑼ǖ酪后w制冷封裝帶有準(zhǔn)直（右圖）和不帶準(zhǔn)直（左圖）。

圖5：商用的典型的功率-電壓-電流與光譜曲線。（a）：傳導(dǎo)冷卻型（b）：液體制冷型

進(jìn)步陣列半導(dǎo)體激光器輸出功率所面臨的主要題目就是熱治理和熱應(yīng)力治理[1]。熱治理包括散熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和“無(wú)空洞”貼片技術(shù)：對(duì)于單陣列半導(dǎo)體激光器，由于陣列半導(dǎo)體激光器各個(gè)發(fā)光單元產(chǎn)生的熱量相互干擾，以及整體散熱不均勻，導(dǎo)致器件性能穩(wěn)定性降低，限制功率上升；假如貼片層中存在空洞，將明顯影響陣列半導(dǎo)體激光器的性能，包括輸出功率和可靠性等。盡管針對(duì)熱治理已提出了多種散熱方式，例如金剛石傳導(dǎo)散熱和微通道散熱技術(shù)，如何進(jìn)步散熱效率仍然是阻礙陣列半導(dǎo)體激光器高功率輸出的主要因素�，F(xiàn)已有兩種降低貼片層中的空洞的方法：一種是在公道控制環(huán)境溫度和壓力的情況下使用貼片技術(shù)；另一種方法是真空回流技術(shù)。熱應(yīng)力通常是由于陣列激光器和襯底的熱膨脹系數(shù)（CTE）失配所導(dǎo)致。熱應(yīng)力不僅限制了用于封裝的襯底材料/熱沉的選擇，而且影響半導(dǎo)體激光巴條的可靠性、光譜寬度和光束的“smile”效應(yīng)。為了減小熱應(yīng)力，目前正在研制高熱傳導(dǎo)率和熱膨脹系數(shù)更加匹配的襯底/熱沉材料。

多單管模組：固然在近幾年單發(fā)射腔激光器的輸出功率有所進(jìn)步，但總體而言其輸出功率依然較低，采用多單管組合的方式是增大輸出功率的另一途徑。圖6給出了多單管模組的示意圖。圖中各個(gè)獨(dú)立的發(fā)光單元采用串聯(lián)連接，并將模組各個(gè)單個(gè)發(fā)光單元的輸出光束通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)會(huì)聚后，耦合進(jìn)光纖輸出。采用多單管模組，各個(gè)發(fā)光單元之間沒(méi)有熱干擾，且各個(gè)發(fā)光單元的輸出功率互不影響。但采用光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行光束會(huì)聚和光纖耦合時(shí)，存在光能量損耗。市場(chǎng)上多單管模組的輸出功率已達(dá)到數(shù)十瓦甚至上百瓦。

圖6：多單管組合模式示意圖。

由于單發(fā)射腔輸出功率有限，且光束會(huì)聚系統(tǒng)復(fù)雜，因此多單管模塊面臨的主要題目是如何將輸出功率進(jìn)步到數(shù)百瓦。由于模塊中的單發(fā)射腔越來(lái)越多，光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)就越復(fù)雜，且微光學(xué)系統(tǒng)的本錢越高，從而導(dǎo)致該方法缺乏實(shí)際應(yīng)用意義。多單管模塊面臨的另一挑戰(zhàn)是如何使各個(gè)發(fā)射腔的輸出波長(zhǎng)匹配。模塊中各個(gè)發(fā)光單元，必須經(jīng)過(guò)波長(zhǎng)匹配篩選才能確保模塊具有窄的光譜。

水平陣列：對(duì)于特定的應(yīng)用，例如側(cè)面泵浦固體激光器，要求更高的光輸出功率但并不要求光束會(huì)聚，因此將多個(gè)巴條封裝成水平陣列即可滿足要求。圖7為兩類水平陣列的實(shí)物圖。圖7（a）是由三個(gè)巴條水平串聯(lián)連接封裝的水平陣列，三個(gè)巴條互相獨(dú)立，采用熱傳導(dǎo)制冷和電盡緣材料進(jìn)行封裝；圖7（b）中各巴條同樣采用串聯(lián)連接，但是各個(gè)巴條采用微通道液體制冷。根據(jù)封裝的巴條的數(shù)目和單個(gè)巴條的功率范圍，水平陣列的輸出功率從數(shù)十瓦到數(shù)百瓦甚至上千瓦不等。圖8給出了準(zhǔn)連續(xù)輸出的水平陣列的輸出功率-電流和光譜的特性曲線。

圖7：水平陣列實(shí)物圖。（a）：1x3（b）：1x4

圖8：準(zhǔn)連續(xù)條件下水平陣列的光功率-電流和光譜曲線

如圖7（a）所示的水平陣列的巴條與制冷器之間盡緣連接，可采用產(chǎn)業(yè)水作為冷卻介質(zhì)；另外由于各巴條與制冷器盡緣，各巴條之間產(chǎn)生的熱量相互影響，前端巴條產(chǎn)生的熱量將傳遞到后端巴條，導(dǎo)致后端巴條的結(jié)溫上升，使各巴條的溫度不一致，從而導(dǎo)致激光器的可靠性降低，出現(xiàn)波長(zhǎng)漂移和光譜展寬。因此圖7（a）所示的水平陣列封裝結(jié)構(gòu)，受到封裝巴條數(shù)目限制，總輸出功率也受到限制。

垂直疊陣：要得到高的輸出功率，垂直疊陣成為首選結(jié)構(gòu)。圖9（a）所示為典型的準(zhǔn)連續(xù)輸出傳導(dǎo)冷卻G-stack型半導(dǎo)體激光器，圖9（b）為微通道液體制冷垂直疊陣半導(dǎo)體激光器。這兩種疊陣都采用串聯(lián)連接。如圖9（a）所示，各巴條采用傳導(dǎo)冷卻方式。圖9（b）所示為各個(gè)巴條相互獨(dú)立的微通道液體制冷。以G-stack為例，由于散熱能力的限制該結(jié)構(gòu)只能應(yīng)用于準(zhǔn)連續(xù)輸出，占空比的選擇與巴條之間的熱沉厚度有關(guān)。目前已經(jīng)商品化的單巴條的最高輸出功率可達(dá)250W，一個(gè)G-stack產(chǎn)品能夠同時(shí)封裝20個(gè)巴條。圖9（b）所示的垂直疊陣的各巴條的輸出功率可高達(dá)300W，疊陣可實(shí)現(xiàn)30個(gè)巴條的封裝。其中20個(gè)巴條垂直疊陣連續(xù)條件下輸出功率達(dá)2kW，準(zhǔn)連續(xù)條件輸出功率達(dá)5kW。

圖9：垂直疊陣實(shí)物圖。（a）：準(zhǔn)連續(xù)條件應(yīng)用的傳導(dǎo)冷卻型G-Stack（b）：微通道液體制冷疊陣帶有準(zhǔn)直系統(tǒng)（右圖）和不帶準(zhǔn)直系統(tǒng)（左圖）。

垂直疊陣封裝碰到主要技術(shù)挑戰(zhàn)是光束和光譜的控制題目。垂直疊陣半導(dǎo)體激光器各巴條之間產(chǎn)生的熱相互干擾，且水流不均勻會(huì)導(dǎo)致巴條的冷卻溫度分布不均勻，這將導(dǎo)致巴條的波長(zhǎng)漂移和疊陣的光譜展寬。光束控制包括輸出光斑尺寸控制、光強(qiáng)密度均勻控制和光束傳輸方向控制，因此需設(shè)計(jì)和安裝光束整形系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)光束控制。圖10給出了由微通道液體制冷的垂直疊陣，經(jīng)過(guò)整形后輸出的方形光斑和光強(qiáng)分布圖。

圖10：微通道液體制冷的垂直疊陣經(jīng)過(guò)整形后輸出的方形光斑和光強(qiáng)分布圖。

高亮度

對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用，無(wú)論是多單管模組、巴條、疊陣或面陣結(jié)構(gòu)，均要求輸出光束的光斑尺寸小。光束亮度是表征光束質(zhì)量的參數(shù)，被定義為激光源在單位面積或單位立體角內(nèi)發(fā)射光束的總功率。光源的亮度越高，越輕易將其光束壓縮為點(diǎn)光源、線光源、或者壓縮為尺寸很小的面元。

目前已有幾種光束整形技術(shù)用于進(jìn)步光亮度。如上文所述，對(duì)單發(fā)射腔集成的陣列光束，整形技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是：多單管耦合進(jìn)單光纖模塊將取代單發(fā)射腔耦合光纖并合束輸出的方式。陣列半導(dǎo)體激光器采用每個(gè)發(fā)射腔耦合光纖再合束的方法進(jìn)步耦合輸出的亮度[2]。

獲得高亮度輸出光束面臨的挑戰(zhàn)是設(shè)計(jì)新光束整形系統(tǒng)和光學(xué)耦合系統(tǒng)。所有的光束整形器件都必須擁有高的光纖控制能力，光纖耦合的大功率輸出的控制技術(shù)需要高質(zhì)量的光纖端面，以及可以承受反饋光損傷的特殊連接器。

無(wú)銦化貼片技術(shù)

銦焊料是大功率半導(dǎo)體激光器封裝最常用的焊料之一。銦焊料在高電流下易產(chǎn)生電遷移與電熱遷移題目，將影響半導(dǎo)體激光器的穩(wěn)定性。研究發(fā)現(xiàn)，銦焊料封裝的激光器的壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)短于金錫焊料封裝的器件，如圖11所示。銦焊料封裝激光器在使用時(shí)可以觀察到器件性能忽然退化的現(xiàn)象。采用無(wú)銦化封裝技術(shù)可克服銦焊料層的電遷移，此技術(shù)在某些貿(mào)易產(chǎn)品中得到很好的使用。在無(wú)銦化焊料的選擇中，金錫焊料由于其封裝器件的性能穩(wěn)定性而成為封裝中的重要焊料[3]。

圖11:不同悍料封裝激光器加速壽命測(cè)試對(duì)比曲線.

無(wú)銦化封裝技術(shù)面臨的最大挑戰(zhàn)是熱治理和應(yīng)力治理。由于在陣列激光器巴條和熱沉之間增加了熱膨脹系數(shù)匹配的緩沖層，所以會(huì)有更多的交界面，在封裝過(guò)程中易產(chǎn)生空洞，且熱膨脹系數(shù)匹配的緩沖層在熱傳導(dǎo)能力上不如銅熱沉，這些都會(huì)為器件的熱治理帶來(lái)困難。另一方面，盡管熱膨脹系數(shù)匹配的緩沖層與激光器巴條的熱膨脹系數(shù)相近，但是仍然存在熱膨脹系數(shù)失配的題目，且金錫焊料不能像銦焊料那樣有效地開(kāi)釋熱應(yīng)力。通常而言，金錫焊料封裝的激光器的熱應(yīng)力比銦焊料封裝器件的熱應(yīng)力要大。

窄光譜

實(shí)際應(yīng)用中，經(jīng)常需要陣列半導(dǎo)體激光器的光譜較窄。通過(guò)減少泵浦半導(dǎo)體激光器的光譜寬度來(lái)進(jìn)步光譜精度，使得激光系統(tǒng)設(shè)計(jì)者能夠改善激光系統(tǒng)的體積、效率、功率和光束質(zhì)量等參數(shù)，，同時(shí)又減少了系統(tǒng)的散熱本錢。光譜寬度是陣列半導(dǎo)體激光器產(chǎn)品的關(guān)鍵指標(biāo)之一，因此改善光譜特性有利于進(jìn)步產(chǎn)品質(zhì)量，減少本錢，增加產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。

陣列激光器光譜的展寬，主要是由于各單發(fā)射腔發(fā)射波長(zhǎng)不一致。激光器陣列的寬光譜分布可能會(huì)出現(xiàn)雙峰甚至多峰；光譜的一側(cè)或兩側(cè)出現(xiàn)肩膀或者尾巴，如圖12所示。各單發(fā)射腔輸出波長(zhǎng)不一致，以及由封裝導(dǎo)致的熱和熱應(yīng)力效應(yīng)，都將使巴條輸出光譜展寬，其中后者是主要因素[4]。

圖12：幾種典型的光譜分布

了解光譜展寬機(jī)制，為判定展寬屬于散熱不均勻還是應(yīng)力效應(yīng)提供依據(jù)，從而有針對(duì)性的窄化光譜。獲得窄光譜的困難是如何保持各個(gè)巴條的溫度均勻和應(yīng)力均勻，從而消除局部熱效應(yīng)和應(yīng)力效應(yīng)。

低“smile”效應(yīng)
各發(fā)射腔的近場(chǎng)非線性效應(yīng)（又名“smile”效應(yīng)）給陣列半導(dǎo)體激光器光束耦合和光束整形帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)，它已成為限制半導(dǎo)體激光器陣列增大的最主要障礙。假如陣列激光器近場(chǎng)線性很差，將使陣列半導(dǎo)體激光器的光纖耦合效率降低。進(jìn)步泵浦半導(dǎo)體激光器的近場(chǎng)線性可使激光系統(tǒng)緊湊，進(jìn)步耦合效率、輸出功率及光束質(zhì)量，同時(shí)降低半導(dǎo)體激光器泵浦的固態(tài)激光器和光纖激光器的本錢。因此，近場(chǎng)線性是陣列激光器產(chǎn)品的關(guān)鍵指標(biāo)之一，進(jìn)步半導(dǎo)體激光器近場(chǎng)線性對(duì)進(jìn)步產(chǎn)品質(zhì)量、減少本錢以及增加競(jìng)爭(zhēng)力都尤為重要。

圖13給出了陣列半導(dǎo)體激光器的各類“smile”效應(yīng)的放大圖像。高質(zhì)量的陣列半導(dǎo)體激光器的近場(chǎng)分布近似于線性。這類半導(dǎo)體激光巴條可作為高質(zhì)量的耦合光源[5]。

圖13：放大后的陣列半導(dǎo)體激光器的各類“smile”效應(yīng)

陣列半導(dǎo)體激光器的近場(chǎng)非線性，是由巴條本身熱膨脹系數(shù)失配和封裝過(guò)程中巴條和熱沉之間熱膨脹系數(shù)的失配造成的。影響“smile”效應(yīng)的主要參數(shù)有焊料層材料、熱沉材料和厚度、芯片封裝過(guò)程所使用的貼片工具以及貼片層溫度。

參考文獻(xiàn)：
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2. Matthias Haag,et al, Photonics West, 2007.
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4. Xingsheng Liu, et al, Electronic Components and Technology Conference, IEEE, 2008, pp1005-1010.
5. Jingwei Wang,et al, 2009 IEEE Electronic Components and Technology Conference. (end)

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