高功率二极管激光器寿命测试

1、第16卷第6期2004年6月强激光与粒子束HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSVol.16,No.6Jun.,2004文章编号:100124322(2004)0620689204高功率二极管激光器寿命测试高松信,魏彬,吕文强,武德勇(中国工程物理研究院应用电子学研究所,四川绵阳621900)摘要:介绍了高功率激光二极管不同模式的失效机理,分析了激光二极管不同的寿命测试方法;在冷却水温20和实际工作温度下分别对封装的激光器进行了寿命测试。根据试验结果得出退化率,推算出准连s)时,平均激光工作寿命为2.19续二极管激光器在水温20,电流90A,占空比为10%(500Hz,2

2、00109次脉冲;冷却水温35时,其平均激光工作寿命下降为1.65109次脉冲。由实验结果分析得出,高功率激光器封装工艺中的焊料沉积和多层焊接技术,以及工作环境温度是影响激光器可靠性和寿命的关键因素。关键词:激光二极管;可靠性;寿命;退化率中图分类号:TN248文献标识码:A近年来随着光电技术的迅速发展,二极管激光技术也得到了长足发展。对于低功率的二极管激光器(DL),由于其长寿命和高可靠性的特点,广泛应用于通讯技术领域1。对于高功率二极管激光器,由于其高的可靠性和电光效率,不仅直接应用于工业、医学、军事等领域,而且逐渐代替闪光灯作为固体激光泵浦源。随着二极管封装技术和冷却技术的提高,高功率二

3、极管激光器的输出功率和工作寿命相应得到提高,电光效率达到40%以上,其单条连续激光功率达到60W,准连续达到120W输出。目前,高功率二极管激光器工作寿命还没有一个国际标准定义,也没有标准的检测方法;但工作寿命和器件的可靠性是最重要,也是用户最关心的问题之一。1失效模式分析经过不断的实验发现,二极管激光器的失效主要分为三类:早期失效,偶然失效,耗损失效。早期失效是激光器中线缺陷(DLD)和面缺陷(DSD)生长导致激光器运转初期迅速退化,以及封装过程中,由于冷却器结构不合理或焊接质量问题造成器件失效。同时,由于激光器初始运行时比较脆弱,很容易因一些偶然因素失效,产生所谓的“婴儿效应”,这主要发生

4、在激光器初始运行50100h内1;偶然失效是指由于外界因素(如静电、电浪涌、腔面污染、机械振动等)引起的突变性损坏;耗损失效是器件因芯片制造和封装工艺局限而达到寿命终结的失效。激光器寿命测试的目的就是要在尽可能防止偶然失效的基础上,分析初期失效和耗损失效产生的原因,改进器件的封装工艺。2寿命检测对于高功率二极管激光器还没有标准的方法对其寿命进行测试,根据器件的退化率外推和加速老化寿命测试是电子器件进行可靠性鉴定的两种不同的模式。目前,国际上普遍采用两种外推方法进行寿命检测:一种方法是固定电源的驱动电流,测量功率随时间的变化情况,规定激光输出功率下降20%的时间作为激光器的有效使用寿命2;另一种

5、方法是激光输出功率一定的情况下,电流随时间的变化情况,规定工作电流上升20%的时间作为激光器的寿命1。退化率外推法测试寿命是微电子产品常用的方法,激光二极管的退化与其类似,国外许多大公司也采用这种方法测试寿命,根据使用情况和需要,我们主要采用恒定电流外推的模式。工作时间为t时的激光输出功率与工作电流间的关系为1(1)P(t)=(t)I-Ith(t)=P0=0I-Ith,0式中:P(t)为t时刻的激光输出功率;(t)为斜效率;Ith为阈值电流;I是工作电流;为退化因子(=0.8);带有0下标的为激光器起始运行时的参量,t下标为运行到t时刻的参数。当激光器运行一段时间,其输出功率收稿日期:2003

6、209209;修订日期:2003211212基金项目:中国工程物理研究院重大预研项目资助课题),男,研究实习员,从事半导体激光技术的研究工作;绵阳91921013信箱;E2mail:xingao995。作者简介:高松信(1975 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.690强激光与粒子束第16卷 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.第6期高松信等:高功率二极管激光器寿命测试691 199

7、5-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.692强激光与粒子束第16卷LifetimetestingofhighpowerdiodelaserGAOSong-xin,WEIBin,LWen-qing,WUDe-yong(InstituteofAppliedElectronics,CAEP,P.O.Box919-1013,Mianyang621900,China)Abstract:Thispaperintroducesafailuremechanismofdefferentmodesandlifetim

8、etestmethodsforhighpowerdiodelaser.Thediodelaserlifetimeistested.Accordingtotheexperimentalresultanddegradationratetocalculate,outpowerofQCWdiodelaserreach91Wand1.16W/Aofslopeefficiency,theaveragelifetimeis2.19s).Buttheaver2109shotsatroomtemperature,whentheoperatingcurrentis90A,10%duty-cycle(500Hz,200agelifetimeofDLreduceto1.65109whentheactualtemperatureis35.Experimentalresultsandanalysisshowthattheenvironmenttemperature,depositsolderandmultiplelayersweldinginthepackagetechnologyarethekeypointtothereliabilityofdi