高功率QCW半导体阵列的可靠性研究

1. 引言

　　二极管泵浦固体激光器（DPSS）被广泛应用于工业，科研以及军事等领域。这些应用领域包括激光烧蚀，激光切割，激光焊接，激光测距，激光测探等许多用途。每一个领域对DPSS激光器都有各种各样的不同要求，如脉冲能量，脉冲宽度以及光束质量等等。

　　传统上，高能量脉冲DPSS激光器是通过Q-开关技术获得。一般都是连续（CW）激光二极管阵列对激光介质如Nd:YAG棒或切片进行泵浦的。然而如果是利用准连续（QCW）激光二极管阵列泵浦的话，我们可以从中获得更多的优点。相比CW, QCW激光二极管阵列的峰值功率会更高。另外，多个高峰值功率QCW巴条封装在同一个区域。这些巴条就可以看作单个的CW巴条，因为每个巴条在QCW模式运行时，更低的平均热量损失。这些因素，再加上能够组装更加紧凑的二极管阵列，从而可以在QCW模式运行下，获得非常高的峰值功率。再者，QCW泵浦可以减少激光增益物质的热量，从而有效的降低热聚束效应，提高激光的光束质量。

　     在以前，QCW泵浦方案的最大缺点在于激光二极管阵列的寿命较短。今天，寿命超过10000小时的CW激光二极管阵列在工业已经得到广泛的生产。这相当于可以连续运行416天，并被认为是所有DPSS系统可靠性的一个指标。QCW激光二极管阵列能够在高功率水平下运行的特性，使得它们备受激光设计者的青睐（典型下，是相应CW的2—3倍）。传统上，这些激光二极管输出面上的巴条很容易遭遇光学突变破坏(COD)，从而得不到应用。因此，为了吸引激光系统设计者以及生厂商，COD必须得到有效的抑制，产品也必须高于10000小时的工作寿命。

　　NGCEO制造CW和QCW激光二极管巴条和阵列已经有十年多的历史。NGCEO最近在阵列封装技术和巴条制造过程取得了一些进展。进而NGCEO可以生长出寿命远远高于工业应用需求的QCW激光二极管阵列。

2. 高功率QCW阵列

　   NGCEO拥有一系列的高功率QCW阵列家族。这些产品都可以在要求高寿命（超过一年的连续运行时间）的场合中使用。在军事工业等需求高功率，以及严酷的工作环境要求[1]，发展了一整套的技术。这些产品都应用了这些技术。获得长寿命的QCW阵列，需要两个条件：（1）高质量的激光二极管巴条 和（2）基于硬焊接的阵列封装技术。结合这两个条件，就可以获得高可靠性的阵列。

2.1  QCW激光二极管巴条　

　　NGCEO在绝大多数的QCW应用中，都使用83%填充（fill factor）的巴条。这种巴条是专门设计用于高功率运行的，在808nm处，输出功率范围可以达到：60-230W/bar。更高的波长情况可以获得更高的输出功率。在典型808nm运用下，功率以及效率关于电流的函数在图1中给出。这些数据的采集参数为：20Hz，150μs的热传导制冷底座。

图1，NGCEO高功率QCW激光二极管巴条的功率以及效率关于电流的函数关系图

2.2  硬焊接封装技术　

　　传统QCW阵列寿命的主要限制因素在于封装激光二极管巴条过程中使用的步骤和材料。传统中，软焊接材料（例如，铟）在整个阵列中的多个位置上使用。使用软焊料建立起来的阵列，由于焊料缓变（solder creep）更容易导致封装失败。NGCEO在封装方法上取得的进展，并诞生了Golden BulletTM 生产线。Golden BulletTM使用共熔合金AuSn作为焊料和热膨胀系数匹配的热沉，进行封装，有效的限制了焊料缓变不利因素，因此可以生产处高得多的可靠性，和高寿命的巴条。

　　用于这些器件的一般组装方法，可见图2。最开始二极管巴条被焊接在CuW热沉（上面覆盖着AuSn焊料），经过一个精心设计的适当的过程，得到低应力键和low-smile 巴条。这个完成部分叫做底座巴条组装体（MBA）。根据不同需求，MBA可以被单独测试以及根据波长不同进行组装。然后所有MBA焊接在一起，并附着在BeO的基底上，并由两个端口，n- 和 p-结，便于在二次加工中，进行连接，上述全部过程，就完成了Golden BulletTM封装。Golden BulletTM可以被附着在标准的热沉，也可以根据客户的需求附着在其他热沉上。他们都可以应用在水冷和热传导冷却场合。

 
图2. Golden BulletTM组装过程示意图

3. 寿命测试结果

　　用于做寿命测试的两个样品分别为：单条和四条Golden BulletTM。三片不同的晶片被用于生产样品（所有三片不同晶片都用于单条Golden BulletTM和四条Golden BulletTM）。表1，概括了相关的测试参数。测试参数的选择是基于典型的Nd:YAG DPSSL泵浦情况。

表1 寿命测试参数总结

两个样品都焊接在水冷热交换器上，并NGCEO的源于NIST的激光二极管测试平台。NGCEO 自动寿命测试平台