高功率QCW半导体阵列的可靠性研究

　　CEO制造生产了一系列的用于高功率QCW的阵列产品。这些产品采用热膨胀系数匹配热沉技术以及硬封装技术，进而最大限度的提高器件的可靠性。

　　这些产品的寿命测试结果在这里做了总结。这些测试量化了QCW阵列和相关激光增益模块的可靠性。这里给出了原始的寿命测试数据，并对其进行了统计分析。这些结论对于激光系统设计者是很有用的。

　　该寿命测试展示了这些阵列在不同的运行区域的高水平的可靠性。如单条阵列的MTTF发射次数预测可高达198亿次，四条阵列的MTTF发射次数也测可高达146亿次。另外，也对一个大的泵浦源条件阵列的寿命进行了分析，可以看到预期的寿命为135亿次发射次数。

　　这比在重复率低于370Hz的运行条件预期的运行寿命高了10000个小时。

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，这些器件在测试之前就烧在样品上。驱动样品的电流源为 NGCEO eDrive 激光控制器。寿命测试平台在每隔90分钟（大概400百万的发射次数）对每个器件的输出功率进行测量的，数据以对数形式储存的。图3，展示了测试结果。15个四条样品中的三个样品，由于遭遇到毁灭性的破坏（所有这三个都没能发射800万次），因此这三个样品的测量数据不包括在展示的图3中。因为在生产阵列过程中的初期致命性德样品被排除在外了，所以数据展现了NGCEO器件的期望表现。

 
图3：单条（上）和四条（下）Golden BulletTM工作电流为110A的寿命测试数据

　　在2009 年12月份后半月，样品已经采集了将近91亿发射次数的时间。二极管巴条都未经受COD（排除初期的致命伤），所有的样品都是缓慢衰老的。四条样品的退化率更慢。因为样品代表了四根巴条的平均退化率，所有高的退化率巴条与低的退化率巴条，相互之间会抵消掉。

4. 可靠性分析

　　在激光二极管工业中，关于器件失效有好几种定义。出乎这份分析的目的，在恒定的驱动电流下，器件的功率衰减了20%以上，即可定义为器件失效。因为大多数样品在截止在文章提交时并未失效，一种可接受的外延方法应用于这份分析。大部分的退化率与时间都呈现线性关系。因此，在最后30亿发射次数的退化率用于拟合，拟合得到的公式，用于确定每个样品的失效时间点（TTF）。

　　利用统计分析软件（MinitabTM），对TTF数据进行分析。数据用四种分布（威布尔，基底为e的对数正态，指数分布，正态分布）公式在图中画出来。用以确定哪种分布，与实验数据更符合。选择基底为e的对数正态分析单条和四条样品的性质分析。图4展示了最后的到的可靠性曲线，曲线至于95%的置信区间。计算得到的MTTF值为：单条样品---198亿次，四条样品---146亿次。NGCEO仍然在延续这个测试实验，用于验证实际的失效时间是否与外延法得到的数据相符合。

 
图4， 单条（上）和四条（下）QCW Golden BulletTM工作电流为110A的可靠线曲线

5.  PowerPULSETM激光增益模块　

　　NGCEO利用自身的高功率QCW二极管阵列技术和激光增益模块生产线创造了PowerPULSETM 系列激光增益模块。这些增益模块包含高寿命的QCW阵列（激光棒：Nd:YAG, Nd:YLF, Nd:YVO4）,能够产生高于1焦耳的脉冲能量。PowerPULSETM 激光增益模块的样品如图5所示。

图5，PowerPULSETM 激光增益模块

　　这些模块包含高寿命的QCW激光二极管阵列和一个激光棒。

　　PowerPULSETM 激光增益模块用于包括多种热交换器的高能系统中，每个模块中都包含多根巴条的QCW阵列，与上面寿命测试所用的四条样品相类似。这些模块典型的包含20 – 200 QCW激光二极管巴条不等。因此，讲四条样品阵列作为一个单独的主题，进行分析会很有趣。因为，这个代表在一个PowerPULSETM 激光增益模块中的激光二极管阵列。通过把在图3中，各个点的不同功率值相加，然后外延这些结果。我们得到图6所示的结果：

 
图6. 从图3中获得的所有4巴条样品的总得测量输出功率

　　以上数据是91亿次之前的数据室测量值，超过91亿次的数据是外延得到的。

　　如果讲输出功率衰减了20%作为衡量失效时间的话，我们从图6，可以看出在一个典型的PowerPULSETM 激光增益模块中的QCW阵列的失效时间大概为135亿次发射次数。值得指出的是，这些阵列是为了可靠运行在相当高的输出功率而设计。因此，为了获得更长的使用寿命，随着衰减的增加，我们可以适当的提高驱动电流值。

　　产品运行寿命与重复率之间的曲线关系在图7中给出。这些数据是基于135亿次产品寿命（图6，分析四条Golden BulletTM的寿命），并且假设是连续运行（24小时/天，7天/周）的情况下给出的。因此，这个图可以作为PowerPULSETM 激光增益模块的使用指导。例如，在重复率为100Hz，数据给出的模块寿命时间为1500天。在所有的重复率小于370Hz的情况下，产品的预期寿命到高于416天（10000小时）。

 
图7，多条Golden BulletTM QCW激光二极管阵列组装体寿命与重复率的曲线关系图

这是PowerPULSETM 激光增益模块生产线的代表曲线图

6. 结论

　　Northrop Grumman Cutting Edge Optronics 基于自身的Golden BulletTM封装技术以及高功率的QCW激光二极管条巴，发展了一系列的QCW激光二极管阵列产品。这些产品的代表性样品经过了寿命测试，也表明了具有高寿命（单条的MTTF值为198亿次，四条的MTTF值为146亿次）。在整个寿命测试过程中，所有的样品都没有发生突变，都是缓慢退化的。

　　NGCEO利用成功的高寿命QCW二极管阵列技术创造了QCW泵浦激光增益模块（PowerPULSETM 生产线）。这些增益模块能够产生高于1焦耳的脉冲能量。更重要的是，在所有的重复率小于370Hz的情况下，产品的预期寿命到高于416天（10000小时）----工业上标准的产品寿命。因此，这些优点就可以通过脉冲泵浦DPSS激光器获得，并未牺牲产品的寿命。

参考文献

[1] Feeler, R.Junghans, J.,Stephens, E., “High-power QCW arrays for operation over wide temperature extremes,” Proccedings of SPIE Vol.7198, 71981F(2009)