傳導(dǎo)冷卻高功率半導(dǎo)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(xué)院西安光學(xué)精密機械研究所 瞬態(tài)光學(xué)與光子技術(shù)重點實驗室， 陜西 西安 710119；2. 中國科學(xué)院大學(xué)， 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(dǎo)體激光技術(shù)的發(fā)展[1-8]，高功率半導(dǎo)體激光器(HLD)的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大，涵蓋了工業(yè)、航天、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。在這些應(yīng)用當(dāng)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(shù)成為HLD實際應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵。加速壽命測試能夠快速監(jiān)測失效過程，揭示器件設(shè)計過程中的薄弱環(huán)節(jié)以及器件材料及其組件的缺陷等，為優(yōu)化芯片和封裝結(jié)構(gòu)提供指導(dǎo)[9-13]，是壽命評估和可靠性分析的重要技術(shù)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(jīng)過一段時間后因為電、熱、機械應(yīng)力和材料疲勞等原因失效，例如體退化、面退化和焊料相關(guān)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(dǎo)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(fā)熱導(dǎo)致腔面老化的退化。焊料相關(guān)退化是焊接應(yīng)力、電遷移、電熱遷移形成的物理缺陷和微結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致器件短路、斷路、應(yīng)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(jīng)典“浴盆曲線”進(jìn)行總結(jié)。第一階段是早期失效期，器件失效率較高，與有源區(qū)的嚴(yán)重缺陷、腔面污染和機械損傷有關(guān)。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(nèi)和表面非輻射復(fù)合中心的形成與增加，焊接應(yīng)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(dǎo)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(dǎo)體激光器(LD)在恒定驅(qū)動電流下的輸出功率或在恒定輸出功率下的驅(qū)動電流隨老化時間的變化情況。如果LD在恒定的驅(qū)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(zāi)變性退化的典型特征。慢退化發(fā)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(qū)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(jìn)行熱加速壽命試驗可以顯著減少器件測試時間[11-18]。國內(nèi)方面，路國光等[11-12]研制了LD加速壽命自動測試系統(tǒng)，對1.7 W的脈沖LD和20 W連續(xù)HLD分別進(jìn)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(dá)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(dǎo)冷卻(CS)型HLD單巴器件進(jìn)行了熱加速壽命試驗?；跇?gòu)建的壽命數(shù)學(xué)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(xiàn)象。

2 器件結(jié)構(gòu)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(jīng)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(chǎn)生的大量熱量主要從陽極面擴散，經(jīng)由銦焊料層注入銅熱沉，如圖1(c)所示。根據(jù)熱流密度矢量的方向和熱流密度的發(fā)散角，巴條有源層前腔面附近區(qū)域的散熱能力與后腔面區(qū)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(nèi)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(jié)構(gòu)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(qū)的增益較低，無激光輸出。當(dāng)電流增加超過閾值電流時，器件發(fā)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(dǎo)體激光器的輸出功率，因

為腔長變長使得激光在腔內(nèi)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(shù)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(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力。芯片特別容易因為封裝應(yīng)力而導(dǎo)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(fā)光點，每個發(fā)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(chǎn)的同一批產(chǎn)品，并經(jīng)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(shù)范圍是連續(xù)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(zhuǎn)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(shù)指的是激光光譜中90%能量對應(yīng)的譜寬，這個參數(shù)配合FWHM參數(shù)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(shù)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(dāng)中2553#器件的閾值電流最低，說明其芯片損耗小性能高，對應(yīng)的電光轉(zhuǎn)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(fù)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(shù)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(dǎo)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(jìn)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(shè)備如圖3(a)所示，包括HLD驅(qū)動模塊、溫度控制模塊、電路保護(hù)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(lián)，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(yīng)的溫度下3組同時進(jìn)行熱加速壽命試驗。測試中每組6個CS器件產(chǎn)生的熱量很大，為了使熱沉溫度維持在55，65，80 ℃，需要傳導(dǎo)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(dǎo)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(jù)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(yīng)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(jīng)過一段時間后CS器件激光功率下降為36 W時就認(rèn)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(jié)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?？梢钥闯鏊蠧S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(yuǎn)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(jié)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(fā)光管光功率緩慢退化公式[19]，在此基礎(chǔ)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(biāo)準(zhǔn)[20]，根據(jù)低溫和高溫條件下壽命的函數(shù)關(guān)系推導(dǎo)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(guān)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(shù)，β可根據(jù)阿列尼烏斯(Arrhenius)公式表達(dá)為如下形式：

β=IFβ0exp(-Ea/kT)，

(2)

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

對公式(1)等號兩邊求對數(shù)，然后把圖4(a)、(b)、(c)中各個器件的時間-功率數(shù)據(jù)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(jù)功率衰減曲線我們得到每個器件的退化系數(shù)β，如表1所示。

表1 熱加速壽命試驗下的退化系數(shù)β

為了估計壽命，有必要確定壽命終止的標(biāo)準(zhǔn)。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(yīng)的老化時間。利用該定義我們可以根據(jù)公式(1)中輸出功率與工作時間的指數(shù)關(guān)系，即圖4(d)、(e)、(f)推導(dǎo)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(yīng)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(shù)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(shù)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(shù)關(guān)系，從而推導(dǎo)出常溫下的器件壽命。首先計算激活能，根據(jù)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(shù)和壽命，根據(jù)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(jù)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(shù)得到

(9)

Arrhenius公式(見公式(2))中的溫度指的是芯片有源區(qū)溫度。由于器件熱阻的存在，芯片有源區(qū)的溫度要比熱沉溫度高約25 ℃，因此有源區(qū)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?？梢钥闯鲈?5 ℃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(shù)為17倍。相比于常溫壽命測試，整個熱加速壽命試驗節(jié)省4 000多小時。

4 缺陷及退化分析

18個CS器件經(jīng)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(fā)生明顯變化。圖5所示的是2553#、2490#、4779#和2535#CS器件經(jīng)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，F(xiàn)WHM增大了-0.01，0.98，0.8，-0.01 nm，F(xiàn)W90%Energy參數(shù)增大了0.6，-0.01，1.46，3.81 nm。

由上述分析可知，經(jīng)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(yīng)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(yīng)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(dǎo)致初始FW90%Energy就非常大，經(jīng)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(jīng)過熱加速壽命試驗后光譜左翼產(chǎn)生一個小峰，導(dǎo)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(fā)生明顯紅移。所有這些現(xiàn)象說明經(jīng)過熱加速壽命試驗后，一方面激光芯片內(nèi)部缺陷生長導(dǎo)致芯片退化，另一方面焊料退化導(dǎo)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(jīng)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(jié) 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(jìn)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(jù)YamaKoshi方程和Arrhenius公式對老化數(shù)據(jù)進(jìn)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?？梢?5 ℃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(shù)為17倍。相比于常溫壽命測試，整個熱加速壽命試驗可以節(jié)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(rèn)為一方面激光芯片內(nèi)部缺陷生長導(dǎo)致退化，另一方面焊料老化導(dǎo)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(nèi)外文獻(xiàn)中對如此多數(shù)量、高功率和高溫度的半導(dǎo)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(tǒng)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(dǎo)意義的地方。我們希望通過報道該試驗和詳細(xì)計算過程，為科研人員研制和使用同類型大功率半導(dǎo)體激光器提供參考，從而推動大功率半導(dǎo)體激光器的研究和應(yīng)用。