Halbleiterlaser-Verpackungstechnologie: Wärmemanagement, optische Leistungssteigerung und Zuverlässigkeitsstudien

Das Erreichen niederohmiger ohmscher Verbindungen ist einer der wesentlichen Faktoren für die Verbesserung der Leistung optoelektrischer und Halbleiterbauelemente. In dieser Arbeit untersuchten wir die Abnahme des spezifischen Kontaktwiderstands (ρc) nach Hochtemperaturglühen und Variation der Vanadiumdicke auf einer AlGaN-Epitaxieschicht vom n-Typ mit einer hohen Aluminiumkonzentration (75 %). Um ihn zu messen, haben wir rechteckige Übertragungsleitungsmodellelektroden hergestellt und den spezifischen Kontaktwiderstand bei Glühtemperaturen zwischen 800 und 950 °C gemessen. Die Ergebnisse zeigten, dass der minimal erreichte spezifische Kontaktwiderstand 4,12 × 10−2 Ω c ㎡ bei einer Glühtemperatur von 850 ○C betrug, was im Vergleich zum Oberflächenkontaktmodus doppelt so hoch war. Es wird auch gezeigt, wie der Kontaktwiderstand der epitaktischen AlGaN-Schicht vom n-Typ variiert, wenn sich die Vanadiumdicke von 2 auf 15 nm ändert.

Halbleiterlaser sind Geräte, die elektrische Energie in optische Energie umwandeln. Sie bieten Vorteile wie hohe Geschwindigkeit, Effizienz und Präzision. Sie werden häufig in der optischen Kommunikation, Biomedizin, intelligenten Fertigung, Glasfaserübertragungssystemen und wissenschaftlichen Anwendungen eingesetzt [1–4]. Da die Lasertechnologie immer weiter voranschreitet, nehmen die Vielfalt und Anzahl der Laser zu, ebenso wie die Nachfrage nach verbesserter Leistung und Zuverlässigkeit [5]. Aufgrund der einzigartigen Eigenschaften von Lasern stehen deren Verpackungs- und Prüftechnologien jedoch vor großen Herausforderungen.

Erstens verfügen Laser über eine sehr hohe optische Ausgangsleistung, was strenge Anforderungen an Verpackungsmaterialien und -strukturen erfordert, um Stabilität und Zuverlässigkeit zu gewährleisten. Zweitens sind präzise Prüfungen und Kontrollen der Eigenschaften des optischen Ausgangsspektrums und der Strahlqualität unerlässlich, um Leistung und Qualität zu gewährleisten. Bei herkömmlichen Laserverpackungs- und Testmethoden werden typischerweise mehrere Chips in einem Gehäuse verpackt und anschließend mit externen Geräten getestet. Dieser Ansatz weist Einschränkungen auf, beispielsweise ist es nicht möglich, einzelne Chips zu testen und die interne Struktur und Leistung der Chips zu analysieren. Daher sind die Forschung und Entwicklung fortschrittlicher Laserverpackungs- und Testtechnologien von entscheidender Bedeutung. Die Qualität und Zuverlässigkeit des Laserpakets wirken sich direkt auf die Leistung und Lebensdauer des gesamten Lasers aus [6]. Der Hauptzweck der Verpackung besteht darin, den Laserchip vor äußeren Störungen und Beschädigungen zu schützen und gleichzeitig die stabile elektrische und thermische Leistung zu verbessern [7–9]. Die im Verpackungsprozess verwendeten Materialien und Techniken müssen die Arbeitsanforderungen des Lasers erfüllen, einschließlich guter optischer Transparenz, hoher Wärmeleitfähigkeit, niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizienten und guter mechanischer Festigkeit. Darüber hinaus müssen während des gesamten Verpackungsprozesses eine Reihe von Tests und Verifizierungsarbeiten durchgeführt werden, um dessen Leistung und Zuverlässigkeit zu bewerten. Diese Tests umfassen die Beurteilung der optischen Ausgangseigenschaften, elektrischen Eigenschaften, thermischen Eigenschaften und Alterungstests der Laserchips, um die Stabilität und Zuverlässigkeit der Laserchips unter verschiedenen Arbeitsbedingungen sicherzustellen.

Durch die Untersuchung der Verpackungstechnologie von Halbleiterlasern soll in diesem Artikel eine Referenz für Wissenschaftler und Ingenieure auf dem relevanten Gebiet bereitgestellt werden. Ziel ist es, die Entwicklung der Laserchip-Verpackungstechnologie voranzutreiben, die Leistung und das Potenzial von Laserchips zu steigern, Kosten zu senken und die Anwendung der Lasertechnologie in verschiedenen Bereichen weiter voranzutreiben.

Bei der Erforschung der Kühlkörpertechnologie haben Wissenschaftler viele Richtungen untersucht, darunter die Kühlkörpertechnologie von Mikrokanälen, eine Verpackungstechnologie, die große Präzision erfordert. Beispielsweise erfordert die Herstellung von Hybrid-Mikrokanal- und Schlitzstrahl-Array-Kühlkörpern eine hohe Fertigungspräzision. In den letzten Jahren kann die sich schnell entwickelnde und immer beliebter werdende TSV-Verpackungstechnologie (Hot Through Silicon Vias) auf die Mikrokanal-Wärmeableitungstechnologie angewendet werden, und die Vorteile dieser Technologie können die Verarbeitungsschwierigkeiten herkömmlicher Mikrokanäle wirksam lösen [36]. Für die Erforschung von Strahlermaterialien gibt es neben den bereits erwähnten AlN und SiC auch CuW, das eine geringere Wärmeausdehnung sowie eine höhere Wärmeleitfähigkeit aufweist, was in Hochleistungslasern weit verbreitet ist. Graphen ist ein Material mit ultrahoher Wärmeleitfähigkeit. Es kann auch mit anderen Materialien (wie Metallen, Keramik oder Polymeren) verbunden werden, um neue Materialien mit ausgezeichneter Wärmeleitfähigkeit zu bilden. Die zukünftige Verpackungsstruktur wird sich sicherlich in Richtung kleiner, kompakter, effizienter, zuverlässiger und umweltfreundlicher entwickeln. Derzeit ist es schwierig, die oben genannten Anweisungen umzusetzen und zufriedenstellende Ergebnisse zu erzielen. Darüber hinaus sind die Schwierigkeiten in der aktuellen Forschung die Frage, wie neue Materialien in Kombination mit Mikrokanalkühlung, Flüssigkeitskühlung und sogar Phasenwechselkühlungstechnologie eingeführt werden können.

Häufig leiden Laser aufgrund der Strahldivergenz unter einer schlechten Strahlqualität, oder die Intensitätsverteilung des Laserstrahls ist aufgrund der Einschränkungen der Struktur und des Funktionsprinzips des Lasers häufig nicht gleichmäßig. Darüber hinaus reagieren Laserstrahlen sehr empfindlich auf äußere Störungen wie Staub und Feuchtigkeit. Diese schränken den Einsatz von Lasern in einigen Bereichen ein. In vielen Bereichen müssen Laser weit genug vordringen und die Lichtintensität in einem kleinen Bereich aufrechterhalten können oder das emittierte Licht muss parallel sein. Daher ist es notwendig, nach Möglichkeiten zu suchen, die optische Leistung von Lasern zu verbessern. Die Strahlkollimation, die Steigerung der Ausgangsleistung des Lasers und die Optimierung des optischen Lasersystems bedürfen eingehender Untersuchungen. Die Laserstrahlformungstechnologie ist wichtig für die Optimierung einer Vielzahl von Lasermaterialbearbeitungsanwendungen und Laser-Material-Wechselwirkungsstudien. Um diese Ziele zu erreichen, haben Wissenschaftler umfangreiche Forschung zu diesem Aspekt der Strahlformung betrieben. In diesem Abschnitt werden verschiedene Techniken zur Verbesserung der optischen Laserleistung beschrieben, einschließlich Strahlformungs- und Kapselungstechniken.

3.1. Strahlformungstechniken

Ein von Hoffnagle [37] beschriebenes gängiges Strahlformungssystem ist in Abbildung 15 dargestellt.

[Platzhalter für Abbildung 15]

Da asphärische Linsen jedoch komplexer in Design und Herstellung sind als herkömmliche sphärische Linsen, schränken diese Probleme den Einsatz asphärischer Linsen bei der Verbesserung der Leistung optischer Systeme ein. Sowohl in der industriellen als auch in der kommerziellen Fertigung weist das Verfahren eine Reihe von Problemen auf. Luo [38] stellte ein neuartiges Strahlkollimationssystem vor. Ein Halbleiterlaserstrahlformungssystem nutzt eine ellipsoide Linse aus Epoxidharz. Die Struktur ist in Abbildung 16 dargestellt.

[Platzhalter für Abbildung 16]

Den theoretischen Analysen und Experimenten zufolge zeigen die Ergebnisse, dass das vom Laser emittierte Licht unter diesem System gut verformt und kollimiert werden kann. Darüber hinaus beträgt die Lasergehäusegröße dieses Systems nur Ø5 mm × 10 mm, was die Anwendung des Lasers erheblich erleichtert.

Aufgrund der ungleichmäßigen Strahlparameter in der vertikalen und horizontalen Achse von Halbleiterlasern ist die Faserkopplung schwierig. Cheng [39] schlug für dieses Problem eine Strahlformungstechnik vor, die auf der Kombination von interner Totalreflexion und Polarisationsoberfläche basiert. Durch diese Technik werden die Dunkelbereichsfüllung des Strahls und die Polarisationsverschmelzung realisiert. Darüber hinaus wird die Wiederverwendungsrate der Polarisationsebene verbessert. Drei gestapelte Arrays von Halbleiterlasern können in einer einzigen Faser gekoppelt werden. Simulationsergebnisse zeigen, dass die Technik eine Ausgangsleistung von 1099 W und einen optischen Umwandlungswirkungsgrad von 85,8 % erreicht. Die Steuerung von Strahlen mit Gaußscher Intensitätsverteilung in Strahlen mit flacher Oberseite mithilfe der Laserstrahlformungstechnik ist in den letzten Jahren ein heißes Forschungsthema. Bei Laseranwendungen kann durch die Umwandlung eines Gaußschen Strahls in einen Strahl mit flacher Oberseite wirksam verhindert werden, dass die Lichtenergie übermäßig in der Mitte des Strahls konzentriert wird, was zu Schäden an der Laseroptik usw. führen kann. Um einen Gaußschen Strahl in einen Strahl mit flacher Oberseite umzuwandeln, wurde von Qin eine Strahlformungslinse basierend auf dem Partikelschwarmoptimierungsalgorithmus (PSO) entwickelt [40]. Die Fitnessfunktion wurde durch ein selbst geschriebenes MATLAB-Programm minimiert und ein Doppellinsen-Shaper und ein Einzellinsen-Shaper wurden entworfen. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass der entworfene Laserformer einen Gaußschen Strahl effektiv in einen Strahl mit flacher Oberseite umwandeln kann. Abbildung 17 zeigt das schematische Diagramm der Umwandlung des Gaußschen Strahls in einen Flat-Top-Strahl.

[Platzhalter für Abbildung 17]

Doan [41] untersuchte die Auswirkung von Pumpleistung und Übertragungsentfernung auf das Sondenstrahlprofil. Durch die Entwicklung eines Fluid-Lasergleichrichters wurde die Wechselwirkung zwischen Pumpleistung, Absorptionskoeffizient und Abstand zur Erzielung eines flachen Strahlprofils untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass der Abstand des Flat-Top-Strahlprofils mit zunehmendem Absorptionskoeffizienten abnimmt und der Gaußsche Strahl auch in einen Flat-Top-Strahl umgewandelt werden kann, indem die Parameter Pumpleistung und Absorptionskoeffizient der thermischen Linse gesteuert werden. Darüber hinaus schlug Doan [42] eine neuartige Methode zur Laserformung mithilfe der Fluidic Laser Beam Shaper (FLBS)-Technologie vor, die ebenfalls einen Gaußschen Strahl in einen Strahl mit flacher Oberseite umwandelt.

Im Gegensatz dazu schlug Yang [43] eine Laserstrahlformungstechnik innerhalb des Hohlraums vor (schematische Darstellung in Abbildung 18), um sowohl aus theoretischen als auch aus experimentellen Gründen einen flachen Strahl mit hoher Impulsenergie zu erhalten.

[Platzhalter für Abbildung 18]

Das Strahlformungssystem besteht aus einem Polarisator, einem RBE-Prisma und einem Porro-Prisma, das die Polarisationseigenschaften von Licht nutzt, um eine Phasenänderung herbeizuführen. Die durch die beiden Prismen induzierte Phasenverschiebung wird mit der Jones-Matrix-Formel analysiert, die sich als wirksame Methode zur Erzielung eines Strahls mit flacher Spitze von 72 mJ sowie einer hocheffizienten optischen Umwandlung erwiesen hat, wobei die Jones-Matrix des einfallenden Lichts wie folgt angenommen wird: $ M_{in} = egin{bmatrix} 1 \ 0 end{bmatrix} $, der Polarisator $ M_p = egin{bmatrix} 1 & 0 \ 0 & 0 end{bmatrix} $, und das einfallende Licht passiert den Polarisator vollständig. RBE ist $ M_{RBE} = egin{bmatrix} A & B \ B & A^* end{bmatrix} $, porro ist $ M_{porro} = egin{bmatrix} C & D \ D & C^* end{bmatrix} $.

In ähnlicher Weise entwarf Le [44] eine Vorrichtung zur Laserstrahlformung auf Basis eines Faserkegels, die unter der analytischen Methode der Modenkopplungstheorie und der Fernfeldbeugung für Faserlaserstrahlformer entwickelt wurde. Experimentell konnte ein Gaußscher Laserstrahl erfolgreich in einen Strahl mit flacher Spitze umgewandelt werden, nachdem er dieses Formungsgerät passiert hatte. Naidoo [45] demonstrierte eine Methode, mit der ein Laser mit hoher Helligkeit realisiert werden kann, indem ein Intracavity-Strahlformungssystem verwendet wird, um einen einzelnen Transversalmodus des Intracavity-Profils zu ändern, um am Ausgang einen Gaußschen Modus und am Verstärkungsfaktor einen Modus mit flacher Oberseite zu erhalten. Auch die Energiegewinnung und die Strahlqualität werden optimiert. Die Einschränkung der Extraktion niedriger Energie mit einem kleinen Modenvolumen wird überwunden, was eine wertvolle Referenz für das Design zukünftiger Laserresonatoren mit hoher Helligkeit darstellt.

Eine kostengünstig hergestellte asphärische Deformationslinse wurde von Cao [46] vorgeschlagen. Sie lassen UV-gehärteten Negativfotolack auf asymmetrisch gepaarte Substrate fallen, der sich unter elektrostatischer Kraft zu einer asphärischen Oberfläche entwickelt. Das Schema der Methode ist in Abbildung 19 dargestellt.

[Platzhalter für Abbildung 19]

Nach experimentellen Ergebnissen und numerischer Analyse kann die Linse in zwei Querrichtungen unterschiedliche optische Leistungen aufweisen, wodurch eine hochenergetische Kollimation des evaneszenten Strahls in Richtung der schnellen Achse realisiert werden kann.

Xiong [47] entwarf eine neue Kollimationslinse mit variablem Krümmungsradius für das Problem der schlechten Strahlkollimation von Halbleiterlasern mit langsamer Achse und achsennaher Näherung. Die Linse verfügt über eine gute Strahlkollimationsfähigkeit sowie einen niedrigen Brechungsindex. Es wird gezeigt, dass die entworfene Linse mit der Finite-Elemente-Methode diskretisiert wird, um die Möglichkeit einer Mikrobearbeitung zu erreichen. Am Beispiel eines 976-nm-Halbleiterlaserbarrens kann eine Kollimationslinse mit einem Brechungsindex von 1,51 einen Divergenzwinkel von 6 µm für einen kollimierten langsamen Strahl erreichen. Diese Methode hat eine vielversprechende Anwendung bei Hochleistungs- und Helligkeitsanwendungen von Halbleiterlasern. Tian [48] berichtete über eine neuartige Strahlformungsmethode für biaxiale hyperbolische Mikrolinsen, die mithilfe der Femtosekundenlasertechnologie hergestellt wurden. Die Formungsmethode fokussiert das Licht von der schnellen und langsamen Achse auf denselben Brennpunkt, wodurch mehrfache Reflexionen und Absorptionen an der Grenzfläche effektiv reduziert werden und die schnelle Achsendispersion und die langsame Achsendispersion des Einzelemissionslaserstrahls mit einer einzigen Linse kollimiert werden können. Es kann den Strahldivergenzwinkel der schnellen und langsamen Achsen effektiv von 60°~9° auf 6,9 mrad und 32,3 mrad komprimieren. Abbildung 20 zeigt ein schematisches Diagramm dieser biaxialen hyperbolischen Mikrolinse.

[Platzhalter für Abbildung 20]

Durch die Struktur werden Mehrfachreflexionen und Absorptionen des Strahls an mehreren Kollimatoren vermieden, wodurch Fehler weiter reduziert werden.

[Platzhalter für Tabelle 6]

3.2. Verpackung zur Verbesserung der optischen Laserleistung

Neben der Strahlformung des Lasers besteht eine weitere Möglichkeit zur Verbesserung der optischen Leistung des Lasers in der Verpackung. Ein großer Teil der Kosten des optischen Moduls ist auf die Verpackung und Montage zurückzuführen [49]. Abhängig von den Eigenschaften des Lasers und den Anwendungsanforderungen kann durch die Gestaltung einer angemessenen Verpackungsstruktur der optische Pfad des reflektierten, gestreuten und absorbierten Lampenverlusts reduziert, die Stabilität und Zuverlässigkeit des optischen Pfads sowie die Auswahl von hoher Durchlässigkeit, geringer Streuung, geringer Absorption des Materials usw. verbessert werden optische Leistung.

Derzeit ist die Entwicklung der Laserdiodentechnologie ausgereift, für die Beleuchtung werden jedoch weniger sichtbare Wellenlängen genutzt [50, 51]. Allerdings liegt der Wall-Plug-Efficiency (WPE) von Halbleiterlasern im sichtbaren Wellenlängenband über 70 %, und dieser Umwandlungswirkungsgrad ist energieeffizienter als bei herkömmlichen Glüh- und Phosphorlampen [52]. Demnach schlug Zheng [50] ein Laserdioden-Beleuchtungsgerät (LD) vor, das auf einem zusammengesetzten Leuchtstoff-Formgehäuse basiert. Verglichen mit dem gleichen Paket von LED-Lichtemissionsgeräten sind der Lichtstrom und die Lichtausbeute des LD-Beleuchtungsgeräts besser als die des LED-Beleuchtungsgeräts, das sich durch hohe Helligkeit, einen großen Farbraum, eine lange Lebensdauer, einen geringen Stromverbrauch und einen besseren Augenschutz auszeichnet [53]. Li [54] kombinierte Bi2O3-B2O3-ZnO-BaO(BiBZBa), gemischt gesintert mit YAG:Ce3+-Phosphor, zur Einkapselung weißer LDs, während eine bei niedriger Temperatur gesinterte Phosphor-in-Glas(PiG)-Beschichtung auf einem Aluminiumnitrid(AlN)-Saphir-Substrat hergestellt wurde, was zu einer PiG-gekapselten weißen Laserdiode führte. Unter Anregung von blauem Laserlicht zeigt es eine hervorragende optische Leistung. Es ist das Phänomen der abnehmenden Effizienz von LED-Chips [55–57], das den Einsatz der LED-Technologie in der Beleuchtung mit ultrahoher Helligkeit einschränkt. Der Einsatz von Lasern zur Beleuchtung ist daher der aktuelle Forschungstrend. Die Entwicklung von Nahinfrarot-Laserdioden ist im Vergleich zu grünen LDs ausgereifter, und die Verbesserung ihrer Ausgangsleistung ist immer noch eine große Herausforderung [58]. Zhao [59] stellte einen leistungsstarken fasergekoppelten grünen LD vor, der Laser übernimmt die TO-CAN-Paketstruktur, entwarf eine asphärische Zylinderlinse mit einer Brennweite von 3,5 mm zur Kollimation des Strahls und überzog seine Oberfläche mit einer 520 mm großen Durchlässigkeitserhöhungsschicht. Schließlich wurden insgesamt 12,2 W Dauerstrich bei 520 nm mit einem Kopplungswirkungsgrad von 86,5 % und einem elektrooptischen Wirkungsgrad von 10,6 % ausgegeben. Abbildung 21 zeigt die klassische TO-can-Paketstruktur.

[Platzhalter für Abbildung 21]

Die oben genannte Forschung und Entwicklung zu Halbleiterlasern in der Beleuchtungstechnik zeigt deutlich, dass Laserbeleuchtung in vielerlei Hinsicht erhebliche Vorteile gegenüber herkömmlicher LED-Beleuchtung gezeigt hat, insbesondere im Hinblick auf Energieeffizienz, Helligkeit, Farbraum usw. Für zukünftige Forschung, kontinuierliche Forschung und Entwicklung neuer Leuchtstoffe, Substratmaterialien und Verpackungstechnologie usw., um die optische Leistung und Stabilität von Halbleiterlasern zu verbessern.

Ó Dúill [60] berichtet über einen kompakten Halbleiterlaser, der in einer kleinen 14-Pin-Butterfly-Gehäusestruktur mit einem mikrooptischen Isolator gekapselt ist, der die Rückreflexion des Laserlichts von angeschlossenen optischen Schaltkreisen verhindert. Ein schematisches Diagramm ist in Abbildung 22 dargestellt.

[Platzhalter für Abbildung 22]

3.3. Zusammenfassung technischer Untersuchungen zur Verbesserung der optischen Laserleistung

Dieser Abschnitt bietet einen Überblick über Techniken zur Verbesserung der optischen Laserleistung, einschließlich Strahlformungs- und Verpackungstechnologien. Es besteht kein Zweifel, dass die Entwicklung der Strahlformungstechnologie die Laserindustrie vorangebracht hat. Die Strahlqualität wurde erheblich verbessert. Die meisten der oben genannten Untersuchungen basieren auf der Umwandlung von Gaußschen Strahlen in Strahlen mit flacher Oberseite sowie auf dem Nachweis der Herstellung verschiedener Linsen. Es gibt auch die Herstellung verschiedener Linsen mit besserer Kollimationswirkung und bedarf kontinuierlicher Forschung. Strahlformungstechnologie in der Laserisierungsindustrie und andere Aspekte davon sind der zukünftige Entwicklungstrend.

Mit der Entwicklung von Wissenschaft und Technologie ist die Laserverpackung aufgrund ihrer hohen Präzision, hohen Effizienz und Zuverlässigkeit zu einem unverzichtbaren Bestandteil der modernen Elektronikfertigungsindustrie geworden. Allerdings steht die Laserverpackungstechnologie bei praktischen Anwendungen immer noch vor vielen Herausforderungen, die sich nicht nur auf die Qualität und Effizienz der Verpackung auswirken, sondern auch die Weiterentwicklung und Nutzung der Laserverpackungstechnologie behindern. Daher ist es von großer Bedeutung, die Zuverlässigkeitsprobleme bei der Laserverpackung eingehend zu erforschen und wirksame Lösungen zu finden, um die Entwicklung und Anwendung der Laserverpackungstechnologie zu verbessern. Dieser Abschnitt beginnt mit den Zuverlässigkeitsproblemen optischer Schäden, Belastungen und mechanischer Schäden.

4.1. Beschädigung des optischen Spiegels bei Laserverpackungen

Schäden an optischen Spiegeln werden typischerweise durch die hohe Energiedichte verursacht, die entsteht, wenn der Laserstrahl mit dem Material interagiert, was zu Schmelzen, Ablation oder anderen Formen der Beschädigung der Materialoberfläche führen kann. Die Hauptursachen für Schäden an optischen Spiegeln während der Laserverkapselung können eine übermäßige Laserleistung, eine schlechte Strahlqualität, eine Verunreinigung der Materialoberfläche oder die inhärente Empfindlichkeit des Materials gegenüber dem Laser sein. Um Schäden an optischen Spiegeln zu vermeiden oder abzumildern, müssen eine Reihe von Maßnahmen ergriffen werden, wie z. B. die Optimierung der Laserparameter, die Verbesserung der Strahlqualität, die Reinigung der Materialoberfläche und die Auswahl geeigneter Verkapselungsmaterialien. In diesem Abschnitt werden Studien zu den Auswirkungen von Schäden an optischen Spiegeln zusammengefasst.

Trotz der Tatsache, dass Diodenlaser von allen Lichtquellen die höchste elektrooptische Umwandlungseffizienz, hervorragende Leistungswerte und Leuchtkraft aufweisen [65–67]. Allerdings ist die katastrophale Beschädigung des optischen Spiegels (COMD) immer noch einer der Ausfallmechanismen von Diodenlasern [68], und es wurde berichtet, dass Flussmittel und Rückstände in den entsprechenden Reinigungslösungsmitteln die Schäden an optischen Spiegeln verschlimmern können [69, 70]. Flussmittel enthalten normalerweise organische Säuren, Wirkstoffe und Lösungsmittel. Bei der Verkapselung von Laserdioden können Flussmittelrückstände an der Optik haften bleiben, wenn das Flussmittel unsachgemäß verwendet oder nicht gründlich gereinigt wird. Diese Rückstände können sich bei erhöhten Temperaturen zersetzen und Gase erzeugen oder Ablagerungen bilden, die die Oberfläche des optischen Spiegels verunreinigen oder beschädigen können. Zhalefar [71] untersuchte den Einfluss der Flussmittel-Reflow-Zeit und der Menge an Reinigungslösungsrückständen auf der Spiegeloberfläche. Während des gesamten Prozesses wurde Flussmittel verwendet, um den Lötvorgang zu erleichtern. Und die Reinigung erfolgte am Ende des Lötens. Die Ergebnisse zeigten, dass der COMD mit einer kontinuierlichen Verlängerung der Reflow-Zeit zunahm. Bei verschiedenen Flussmitteln (2000, RA, RMA) war der Effekt jedoch bei den mit 2000 und RA behandelten Proben vernachlässigbar, wenn die Reflow-Zeit weniger als 15 Minuten betrug. Bei RMA-behandelten Proben tritt COMD jedoch auf, wenn die Reflow-Dauer 5 Minuten beträgt. In ähnlicher Weise bekämpfte Liu [72] katastrophale Schäden an der Optik, indem er einen mehrsegmentigen Wellenleiter verwendete, um katastrophale Schäden an der Optik in Dauerstrich-Hochleistungslaserdioden zu beseitigen. Dies wurde durch die Herstellung eines Multisektion (LD) mit einer Wellenleiterstruktur eines Hohlraums erreicht, der die Ausgangsoberfläche vom wärmeerzeugenden Laserbereich trennt. Der LD-Wellenleiter wurde entlang der Kavität in elektrisch isolierte Laser- und Fensterabschnitte unterteilt. Dieses Design begrenzt den thermischen Einfluss des Laserquerschnitts auf die facettierte Oberfläche. Es ist in der Lage, den Selbsterwärmungseffekt des Lasers auf der temperaturempfindlichen Ausgangsfläche zu unterdrücken. Dies wiederum ermöglicht einen Hochleistungsbetrieb und eine deutliche Reduzierung der Oberflächentemperatur ohne COMD-Ausfälle.

Laut Rauch [73] kann eine ungeeignete Rückkopplung bei der optischen Rückkopplung zu einer beschleunigten Degradation von Hochleistungshalbleiterlasern aus Galliumarsenid (GaAs) sowie zu katastrophalen Schäden an der Optik führen. Dementsprechend haben Rauch et al. Durch eine geräteübergreifende experimentelle Untersuchung eines 950-nm-Breitflächenlasers (ein vereinfachtes Diagramm des Experiments ist in Abbildung 24 dargestellt) wurde gezeigt, dass die Schwelle für katastrophale Schäden an der Optik am meisten gesenkt wurde, indem der Rückkopplungspunkt so positioniert wurde, dass er den gesamten Bereich abdeckte.

[Platzhalter für Abbildung 24]

In diesem Fall schlug Zhang [74] basierend auf dem Phänomen katastrophaler Optikschäden eine praktische und kostengünstige Technik zur Erkennung des Phänomens vor. Mit einem optischen System, das auf einer 1550-nm-Laserdiodenquelle und einer Fotodiode basiert, können frühe katastrophale optische Schadensprozesse in einem transienten Echtzeitmodus schnell verfolgt werden, indem der Oberflächenreflexionsgrad gemessen wird, der in 2 ns Informationen über die Oberflächentopographie der Ausgangsoberfläche liefert. Wang [75] basiert auf der Tatsache, dass 808-nm-Laserdioden aufgrund ihrer kurzen Wellenlänge anfällig für COMD und thermischen Überschlag sind. Um die Umwandlungseffizienz zu verbessern und den Effekt von COMD zu reduzieren, optimierten sie eine InGaAsO/InGaPd-basierte Struktur mit Facettenpassivierung. Die Ergebnisse zeigen, dass der Laser in diesem Fall ohne den COMD-Effekt 19 W bei einer Ausgangsleistung von 20 A erreichen kann.

4.2. Stress und mechanische Schäden bei der Laserverpackung

Bei der Laserverkapselung können unterschiedliche Materialausdehnungskoeffizienten, Änderungen der thermischen Spannungen und andere Faktoren zu Spannungen innerhalb der Verkapselungsstruktur führen, die wiederum zu mechanischen Schäden führen können. Diese Schäden können die Integrität der optischen Komponenten beeinträchtigen und die Qualität des Laserstrahls beeinträchtigen. Daher müssen Forscher auf die Auswahl der Verkapselungsmaterialien und die Prozesskontrolle achten, um das Auftreten von Spannungen und mechanischen Schäden zu minimieren.

Diskrepanzen bei den Ausdehnungskoeffizienten sowie den mechanischen und thermischen Eigenschaften verschiedener Materialien führen häufig zu einer Reihe von Zuverlässigkeitsproblemen, wie z. B. Verwerfungen und Verformungen des Laserchips, wenn die Chiptemperatur steigt. Diese Probleme führen häufig zum Ausfall der Laserdiode und verkürzen die Lebensdauer des Geräts. Daher war die Frage, wie die Spannungen und mechanischen Schäden in der Verpackung gelöst werden können, für viele Wissenschaftler ein Anliegen. Beispielsweise untersuchte Ye [76] das Nanosilberlot mit dem häufig verwendeten AuSn- und In-Lot als Verfestigungsmaterial zwischen dem Laserchip und dem Substrat. Und mithilfe der Finite-Elemente-Analyse wurde die Wärmeableitung und Spannungsverteilung von Halbleiterlasern bei Raumtemperatur simuliert. Die Ergebnisse zeigen, dass die Verwendung von Nano-Silber-Lötpaste die Wärmeableitung des Laserchips besser fördert und die thermische Belastung des Laserchips wirksam reduzieren kann. Abbildung 25 zeigt das vereinfachte Diagramm der Modellsimulation.

[Platzhalter für Abbildung 25]

4.3. Zusammenfassung der Forschung zu Zuverlässigkeitsfragen

Schäden an optischen Spiegeln werden hauptsächlich durch Flussmittelrückstände, Verunreinigungen und die direkte Einwirkung eines Hochleistungslaserstrahls verursacht. Flussmittelrückstände und Verunreinigungen können an der Optik haften und zu einem Verlust der Laserstrahlqualität oder einer Verschlechterung der Optik führen. Hochleistungslaserstrahlen können die Optik direkt abtragen oder schmelzen lassen und irreversible Schäden verursachen. Das erste Forschungsprogramm untersucht unterschiedliche Flussmittel und Reflow-Zeiten; Erstens wird angenommen, dass unterschiedliche Flüsse zu unterschiedlichen COMD-Effekten führen. Dann ist es ein guter Leitfaden für die spätere Entwicklung neuer Flussmittel und die Bestimmung der Reflow-Zeit. Andere Studien bieten Lösungen für COMD und andere Faktoren, die zu COMD beitragen. Spannungen und mechanische Schäden werden hauptsächlich durch Unterschiede in den Wärmeausdehnungskoeffizienten von Materialien, Änderungen der Wärmespannungen beim Löten und schlechtes Design der Gehäusestruktur verursacht. Das Design der Gehäusestruktur hat direkten Einfluss auf die Verteilung und das Ausmaß thermischer und mechanischer Spannungen. Eine angemessene Verpackungsstruktur kann die Konzentration und Übertragung von Spannungen verringern und die Auswirkungen von Spannungen auf die Leistung des Lasers verringern. Beschädigungen und Belastungen optischer Spiegel sowie mechanische Schäden sind Zuverlässigkeitsprobleme, die bei der Laserverpackung gelöst werden müssen. Indem wir diese Probleme eingehend untersuchen, effektive Lösungen erforschen und den Laserverpackungsprozess und die Materialauswahl kontinuierlich optimieren, können wir die Zuverlässigkeit und Stabilität von Lasergeräten verbessern und die Weiterentwicklung und Anwendung der Laserverpackungstechnologie fördern.

Dieses Papier konzentriert sich auf die wichtigsten Leistungs- und Zuverlässigkeitssicherungen von Halbleiterlasern und bietet eine ausführliche Diskussion und Zusammenfassung der drei Aspekte Wärmemanagement, optische Leistung und Zuverlässigkeitsprobleme. Der erste Teil bietet einen detaillierten Überblick über das Wärmemanagement von Halbleiterlasern im Hinblick auf Kühlkörper, Gehäusestrukturen und Auswahl des Die-Attach-Materials. Mit der Herstellung komplexer dreidimensionaler Mikrokanalstrukturen und der Entwicklung elektronischer Geräte hin zu Miniaturisierung, Multifunktionalität und hoher Leistung besteht jedoch ein zunehmender Bedarf an der Wärmeableitung von integrierten Mikrosystemen mit hoher Dichte, und die Mikrokanal-Kühlkörpertechnologie muss an die höhere Wärmeflussdichte und die kleinere Wärmeableitungsfläche angepasst werden. Die Entwicklung der TSV-Gehäusetechnologie (Through-Silicon Vias) hat jedoch zu neuen Durchbrüchen in der Mikrokanal-Wärmeableitungstechnologie geführt. Zweitens haben sich Forscher zur Verbesserung der optischen Leistung bemüht, das Design optischer Elemente zu optimieren, optische Verluste zu reduzieren und die Strahlqualität zu verbessern. Im Hinblick auf die optische Leistung spielt die Strahlformungstechnologie eine entscheidende Rolle. Eine vernünftige Strahlformungstechnologie ermöglicht es Benutzern, die Qualität und Form des Laserstrahls besser zu kontrollieren und zu optimieren, wodurch der Umfang der Laseranwendungen erweitert und die Nutzungseffizienz des Lasers verbessert wird. Die besonderen Eigenschaften von Flat-Top-Strahlen (gleichmäßige Energieverteilung) haben die Erweiterung des Anwendungsbereichs von Lasern erleichtert. Um dem Leser ein Verständnis für die Bedeutung von Flat-Top-Strahlen zu vermitteln, präsentiert dieser Artikel einen umfassenden Überblick über zahlreiche Studien, die Gaußsche Strahlen in Flat-Top-Strahlen umgewandelt haben. Es gibt viele Möglichkeiten, zwei Strahlen umzuwandeln. Es gibt Strahlformungslinsen, die auf PSO-Algorithmen (Particle Swarm Optimization) basieren, Fluid-Lasergleichrichter und die Fluidic Laser Beam Shaper-Technologie. Die mit Halbleiterlasern verbundenen Zuverlässigkeitsprobleme hängen in erster Linie mit der Möglichkeit von Schäden an optischen Spiegeln, Spannungen und mechanischem Versagen zusammen. Diese Probleme wirken sich nicht nur auf die Funktionalität des Lasergeräts aus, sondern können auch zu einer Verkürzung seiner Betriebslebensdauer führen, wodurch die Stabilität und Zuverlässigkeit des gesamten Lasersystems beeinträchtigt wird. Um diese Probleme anzugehen, haben Wissenschaftler eine Reihe möglicher Lösungen vorgeschlagen, darunter die Optimierung der Flussmittelauswahl und der Reflow-Zeit, die Verbesserung der Gehäusestruktur zur Verbesserung der Wärmeableitungsleistung und die Einführung leistungsstarker Die-Attach-Materialien. Parallel dazu wurden die Ursachen von Schäden an optischen Spiegeln einer gründlichen Analyse unterzogen, mit dem Ergebnis, dass eine Reihe vorbeugender Maßnahmen vorgeschlagen wurden. Die Ergebnisse dieser Forschung liefern nicht nur eine theoretische Grundlage und technische Unterstützung für das Zuverlässigkeitsdesign von Halbleiterlasern, sondern geben auch die Richtung für die nachfolgende Forschung und Entwicklung vor.

Diese Arbeit wird vom National Key R&D Program of China (Grant No. 2021YFB3501700) gefördert; Wissenschafts- und Technologieinnovationsprogramm des Shanghai Science and Technology Committee (STCSM) (Zuschuss Nr. 22N21900400, Zuschuss Nr. 23N21900100); National Natural Science Foundation of China (Grant Nr. 12104311); Wichtiges F&E-Programm der Provinz Zhejiang (Zuschuss Nr. 2024C01193); Shanghai Chenguang Programm (Grant Nr. 22CGA74); Wichtiges F&E-Programm der Provinz Jiangsu (Grant-Nr. BE2023048); Innovationsberatung und technologieorientierter Unternehmenskultivierungsplan der Provinz Yunnan (Zuschuss Nr. 202404BI090001).

Ethische Aussage

Diese Studie enthält keine Studien mit menschlichen oder tierischen Probanden, die von einem der Autoren durchgeführt werden.

Interessenkonflikte

Die Autoren erklären, dass sie keine Interessenkonflikte für diese Arbeit haben.

Datenverfügbarkeitserklärung

Daten sind beim entsprechenden Autor auf angemessene Anfrage verfügbar.

Autorenbeitragserklärung

Tianqi Wu: Konzeptualisierung, Methodik, Software, Validierung, formale Analyse, Untersuchung, Ressourcen, Datenkuration, Schreiben – Überprüfen und Bearbeiten, Supervision. Jichen Shen: Ressourcen, Datenkuration, Schreiben – Originalentwurf. Jun Zou: Visualisierung. Peng Wu: Projektverwaltung, Fördermittelakquise. Yitao Liao: Projektverwaltung, Finanzierungseinwerbung.

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So zitieren Sie: Wu, T., Shen, J., Zou, J., Wu, P. und Liao, Y. (2024). Halbleiterlaser-Verpackungstechnologie: Wärmemanagement, optische Leistungssteigerung und Zuverlässigkeitsstudien. Zeitschrift für Optik- und Photonikforschung. https://doi.org/10.47852/bonviewJOPR42022985