Halbleiter-Laserverpackungstechnologie: Herausforderungen bei Strukturen, Wärmemanagement und Zuverlässigkeit

Abstrakt

Dieser Übersichtsartikel bietet eine umfassende und ausführliche Diskussion über Wärmemanagement, optische Leistungssteigerung und Zuverlässigkeitsprobleme in der Halbleiterlaser-Packaging-Technologie. Durch die Synthese bestehender Literatur und Forschungsergebnisse präsentiert der Artikel eine systematische Zusammenfassung des Forschungsfortschritts und der praktischen Anwendungen der Halbleiterlaser-Packaging-Technologie in diesen Schlüsselbereichen. Im Abschnitt zum Wärmemanagement werden im Artikel verschiedene Kühlkörpertechnologien, Verpackungsstrukturen und Festkristallmaterialien untersucht, mit dem Ziel, die thermische Stabilität und Langzeitzuverlässigkeit von Halbleiterlasergeräten zu verbessern. Im Abschnitt zur optischen Leistungssteigerung beschreibt der Artikel Strahlformungstechniken und Verpackungstechnologien. Es befasst sich auch mit Zuverlässigkeitsproblemen bei der Verpackung und bespricht Schäden an optischen Spiegeln sowie Belastungen und mechanische Schäden. Ziel dieser Überprüfung ist es, Unterstützung für die Weiterentwicklung und Anwendung der Halbleiterlaser-Packaging-Technologie zu leisten, mit dem Ziel, die schnelle und gesunde Entwicklung der Laserindustrie zu fördern.

Schlüsselwörter: Halbleiterlaser, Verpackung, Wärmemanagement, optische Leistung, Zuverlässigkeitsprobleme

1. Einführung

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 ihre Verpackungs- und Prüftechnologien jedoch vor erheblichen 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 Tests und Kontrolle 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. Zu diesen Tests gehören 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.

2. Wärmemanagement von Halbleiterlasern

In mikroelektronischen Geräten liegen die meisten Formen elektrischer Energie in Form von Wärme vor. Elektrische Energie wird größtenteils in thermische Energie umgewandelt, wodurch sich die Temperatur von Geräten und Verpackungsmaterialien erhöht, was wiederum die Umgebungstemperatur erhöht und zu verschiedenen schädlichen Auswirkungen führt [10]. Darüber hinaus geht die Verpackung in Richtung hoher Integration und Miniaturisierung. Bei diesem Prozess steigt die Sperrschichttemperatur des Geräts ständig an, was zu Problemen wie thermischen Ausfällen führt [11]. Aufgrund der schlechten elektrooptischen Umwandlungseffizienz von Lasern führt eine Erhöhung der Laserausgangsleistung zu einem Anstieg der Wärmeerzeugung beim Betrieb des Lasers, etwa 40–60 %. Wenn diese Wärme nicht rechtzeitig aufgelöst wird, wird die Ausgangswellenlänge des Halbleiterlasers rotverschoben und die Ausgangsleistung verringert. Dies wirkt sich auf die Leistung und Lebensdauer des Lasers aus. Außerdem steigt der Schwellenstrom während des Laserbetriebs mit steigender Temperatur exponentiell an, was sich stark auf die Verwendung des Lasers auswirkt. Daher sollte in der Verpackung eine entsprechende thermische Auslegung erfolgen, um die Betriebstemperatur zu begrenzen [12]. Chin C [12] hat in einem frühen Stadium die Wärmeableitung und Verpackung von Hochleistungslaserdioden entworfen und zwei Strukturen für die Junction-Up- bzw. Flip-Chip-Verpackung vorgeschlagen. Die Wärmeerzeugung stammt aus verschiedenen Quellen, wie zum Beispiel dem Wärmewiderstand, der Umgebungstemperatur, der Leistung des Kühlkörpers und der Wärmeleitfähigkeit von Materialien. In diesem Abschnitt wird die aktuelle Kühlkörpertechnologie beschrieben. Das Design der Gehäusetechnologie und das feste Kristallmaterial geben Hinweise auf das Wärmeableitungsproblem des Lasers.

2.1. Heizkörpertechnik

Kühlkörper in Halbleiterlasergehäusen werden verwendet, um die vom Laserchip erzeugte Wärme abzuleiten. Ihre Hauptfunktion besteht darin, den Laserchip vor Schäden durch hohe Temperaturen zu schützen und gleichzeitig sicherzustellen, dass der Chip bei normaler Temperatur arbeitet. Kühlkörper bestehen typischerweise aus Metallmaterialien mit großer Oberfläche und ausgezeichneter Wärmeleitfähigkeit. Sie stehen in direktem Kontakt mit dem Laserchip, um die vom Chip erzeugte Wärme zu absorbieren. Kühlkörper übertragen Wärme an die Umgebung, um die Chiptemperatur in einem stabilen Bereich zu halten. Um die Effizienz der Wärmeableitung zu verbessern, sind einige Kühlkörper mit Materialien wie wärmeleitendem Silikonfett oder Aluminiumfolie beschichtet, um die Wärmeleitfähigkeit zu verbessern. Darüber hinaus verfügen einige moderne Kühlkörper über die Heatpipe-Technologie, die die Wärmeableitungseffizienz durch die schnelle Wärmeübertragungsfähigkeit von Heatpipes verbessert.

Die spezielle Form der thermischen Analyse verwendet ein thermisches Widerstandsmodell, um den Wärmeableitungspfad des Chips zu beschreiben. Hao [13] hat ein Gehäusemodell eines Flip-Chip-Ball-Grid-Arrays (FCBGA) mit Kühlkörper erstellt, dessen detaillierte Abmessungen und physikalische Parameter in Tabelle 1 dargestellt sind. Das physikalische Modell, der Schaltplan und das Gitterdiagramm sind in Abbildung 1 dargestellt. Das Temperaturfeld des Paketmodells wurde mithilfe der Finite-Elemente-Methode in COMSOL berechnet. Abgeleitete Wärmewiderstandsnetzwerke für den Leitungswiderstand (R1D) und den Wärmediffusionswiderstand (RS). Mit diesem Netzwerk können andere Temperaturen wie die Sperrschichttemperatur schnell und mit ausreichend hoher Genauigkeit vorhergesagt werden.

Deng [14] verbesserte die Vorhersage der Temperaturverteilung in Hochleistungslaserdiodenarrays (HPLDAs), indem er Experimente mit der Durchlassspannungsmethode durchführte, um das transiente Temperaturverhalten des Chips ohne beheizte Last zu messen. Darauf aufbauend wurde eine numerische Methode zur Berechnung des Wärmewiderstands mehrerer unbekannter Oberflächen entwickelt. Dieser Prozess wurde mit der COMSOL-Software durchgeführt und das Netzmodell ist in Abbildung 2 dargestellt. Die Übergangstemperatur des Chips wurde analysiert, um den Wärmewiderstand verschiedener Schichten zu bestimmen, mit dem Ziel, die Genauigkeit der Temperaturverteilungsvorhersage zu verbessern. Durch die Bewertung des Wärmewiderstands jeder Schicht wurde festgestellt, dass der erste Kühlkörper und der Chip den größten Einfluss auf den Wärmewiderstand hatten. Während der Chip in Betrieb war, war die Hitze im Inneren des Chips am stärksten, während die Umgebung vergleichsweise weniger Hitze ausgesetzt war. Daher war die Verbesserung der Wärmeableitung an der Kontaktfläche zwischen dem ersten Kühlkörper und der Mitte des Chips entscheidend, um das Problem der Temperaturdifferenz besser anzugehen. Im Experiment betrug die maximale Abweichung zwischen den numerischen Simulationsergebnissen und den tatsächlichen experimentellen Ergebnissen nur 1,3 K. Beide Forscher arbeiteten an der Messung des Wärmewiderstands, und beim Vergleich der beiden konnte Hao durch die Ableitung eines Wärmewiderstandsnetzwerks eine schnelle Temperaturvorhersage erzielen. Deng hingegen war in der Lage, den Wärmewiderstand verschiedener Schichten genauer zu ermitteln.

Mikrokanalkühlung [15, 16] ist derzeit eine neue Art der Laserkühlung. Die Mikrokanalkühlung und die herkömmliche Wasserkühlungsmethode mit großen Kanälen unterscheiden sich hauptsächlich in zwei Punkten: Erstens ist die Kanalgröße klein, was der Richtung der zukünftigen Entwicklung von Lasern entspricht. die zweite Oberflächenspannung ist größer. Und die Kühlkosten sind niedrig. Einige herkömmliche Mikrokanal-Kühlkörper sind in Abbildung 3 dargestellt. Darüber hinaus hat Deng auch einen Hybrid-Mikrokanal- und Schlitzstrahl-Array-Kühlkörper [17] entwickelt (die Kühlkörperstruktur ist in Abbildung 4 dargestellt), um die thermische Leistung von Hochleistungslaserdioden zu verbessern. In dem Experiment, bei dem die Durchlassspannungsmethode zur Messung der Chiptemperatur und die Strukturfunktionsmethode zur Berechnung des Wärmewiderstands des Kühlkörpers verwendet wurden, wurde als Kühlwasser im Kühlkörper entionisiertes Wasser ausgewählt. Der thermische Widerstand wurde im Vergleich zur herkömmlichen thermischen Lösung um mehr als 15 % reduziert.

Beni [18] wählte mithilfe der Finite-Volumen-Methode zur numerischen Simulation des Flüssigkeitsflusses und der Wärmeübertragung in Mikrokanal-Kühlkörpern in Diodenlasern mehrere verschiedene Mikrokanalgeometrien aus (die geometrischen Strukturparameter sind in Tabelle 2 aufgeführt), um die Simulationen zu wiederholen. Nehmen Sie durch den Vergleich der Flüssigkeits- und Wärmeübertragungseigenschaften geeignete geometrische Änderungen vor, um die thermische Leistungslebensdauer des Systems zu verbessern. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass der Kühlkörper mit sinusförmigen Mikrokanälen die beste thermische Leistung aufweist. Bei sinusförmiger Struktur erhöht sich die Systemlebensdauer um 44 % und der Systemdruck sinkt um 18 %.

Tabelle 1 Detaillierte Abmessungen und physikalische Parameter des Modells

Abbildung 1 Physikalisches Modell: (a) Vorderansicht, (b) Draufsicht, (c) schematisches Diagramm; Gittermodell: (d) Draufsicht, (e) xy-Ebenenansicht, (f) Vorderansicht

Abbildung 2 Gittermodell

Zhang [19] hat eine neue vertikale Kühlkörperstruktur vorgeschlagen und analysiert, wie in Abbildung 5 dargestellt, die die Wärmeableitungsleistung erheblich verbessert. Durch Finite-Elemente-Simulation wurde der Schluss gezogen, dass der Wärmewiderstand der herkömmlichen Struktur 2,0 K/W beträgt, während der Wärmewiderstand des neuen Kühlkörpers weniger als 1,6 K/W beträgt und die Verbindungstemperatur des neuen Gehäuseschemas niedriger ist. Durch diesen neuen Kühlkörper kann die Ausgangsleistung des Lasers deutlich gesteigert werden. In den frühen Stadien untersuchte Kemp [20] das Potenzial zur Leistungssteigerung von Halbleiterlasern durch den Einbau von Kühlkörpern aus Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit, darunter Diamant, Siliziumkarbid und Saphir. Li [21] verwendete Kühlkörper aus Siliziumkarbid (SiC) und Aluminiumnitrid (AlN) zur Wärmeableitung in der Verpackung von 880-nm-Halbleiterlasern

Chips mit einer Streifenbreite von 100 μm. Die Analyse des Wärmewiderstands in der Simulation der Finite-Elemente-Methode und der Wellenlängendriftmethode zeigt, dass der Wärmewiderstand unter dem SiC-Kühlkörper niedrig ist und eine höhere Ausgangsleistung aufweist, während der AlN-Kühlkörper eine schlechtere Wärmeleistung als SiC aufweist. SiC eignet sich besser für Halbleiterlaser mit hoher Helligkeit. Abbildung 6 zeigt die Struktur des Laser-COS-Pakets. Basierend auf dieser Paketstruktur wird der Kühlkörper untersucht. Yu [22] stellte einen PiGF (Phosphor-in-Glass-Film)-AS-Kühlkörper (Al2O3-Substrat) mit hoher Wärmeableitung her, indem er eine Schicht aus LSN:Ce-Leuchtstofflampenglasfilm direkt auf ein Aluminiumoxidsubstrat (Al2O3) aufbrachte. Es wird für phosphorkonvertierte weiße Laserdioden verwendet. Dem Experiment zufolge kann die Wärmeableitung die optisch-thermische Leistung und Zuverlässigkeit dieses Lasers erheblich verbessern, und die Arbeitstemperatur beträgt bei der Laseranregung von 3,18 W/mm² nur 58,3 °C.

Abbildung 3 (a) Typische Mikrokanal-Kühlkörperstruktur (b) Eine Art Mikrokanal-Kühlkörperprofil

Abbildung 4 Hybrid-Mikrokanal- und Schlitzstrahl-Array-Kühlkörperstruktur

Abbildung 5 Traditionelle und neue Strukturen

Shu [23] untersuchte die Anwendung von Wärmerohren für das Wärmemanagement in Hochleistungs-Halbleiterlasern, indem er ein Wärmerohrsystem anstelle eines Wasserkühlers verwendete, um einen kompakteren und leichteren Laser zu realisieren. Das Wärmerohrkühlsystem umfasst ein Wärmerohrkühlsystem vom N-Typ und ein Wärmerohrkühlsystem vom U-Typ (siehe Abbildung 7). Anschließend wurden die beiden Wärmerohrsysteme getestet. Die Testergebnisse zeigen, dass der n-Typ problemlos eine thermische Belastung von 73 W von einem Laser bewältigen kann, während der u-Typ problemlos eine thermische Belastung von 300 W von fünf Lasern bewältigen kann und die optische Leistung des Hochleistungs-Halbleiterlasers 210 W erreichen kann. Alle oben genannten Ergebnisse zeigen, dass das Wärmerohrsystem eine Alternative zur Wasserkühlungsmaschine zur Kühlung von Hochleistungs-Halbleiterlasern sein kann.

Tabelle 3 fasst einige der für Halbleiterlaser verwendeten Wärmeableitungstechniken zusammen, darunter die Änderung des Kühlkörpermaterials zur Verbesserung der Wärmeableitungsleistung, die Erforschung neuer Kühlkörperstrukturen zur Erzielung der Wärmeableitung, die Verwendung neuer Wärmeableitungsmethoden und die Gestaltung von Kühlkörpern auf der Grundlage verschiedener Wärmeableitungskanäle.

Tabelle 2 Geometrische Charakterisierung von Mikrokanälen

Abbildung 6 Laser-COS-Paketstruktur

2.2. Paketstruktur zur Verbesserung der Wärmeableitung

Neben der Untersuchung von Kühlkörpern, verschiedenen Gehäusestrukturen,

sowie Verpackungsprozesse spielen eine wichtige Rolle bei der Lösung der Wärmemanagementprobleme beim Betrieb von Laserchips. In den Anfängen wurden Laser in kleine Gehäuse gekapselt und die erste Elektroschweiß-Verpackungstechnologie wurde vorgeschlagen. Zu dieser Zeit war die Gehäusestruktur relativ einfach und nutzte normalerweise eine Metallhülle oder eine Keramikhülle zum Schutz des Lasers und durch die Übertragung der Wärmeableitung an die äußere Umgebung. Anschließend begannen die Ingenieure mit der Entwicklung effizienterer Verpackungstechniken, um die Temperatur und Reflexionen des Lasers besser kontrollieren zu können. Es entstand die TO-Can-Gehäusetechnologie (Transistor Outline Can), bei der der Laserchip in einem röhrenförmigen Metallgehäuse untergebracht und Metalllot verwendet wurde, um den Chip mit dem röhrenförmigen Gehäuse zu verbinden. Allerdings ist der Wärmeableitungseffekt aufgrund seiner Struktur und seines Materials relativ begrenzt. Da die Packungen der Halbleiterlaserchips immer dichter gepackt werden, wird der Abstand zwischen den Gerätenachbarn immer kleiner und die Wärmeableitung des Lasers wird immer schwieriger. Als Reaktion darauf schlug Sun [24] eine gestapelte Verpackungstechnologie mit mehreren Wellenlängen vor und analysierte mithilfe der Finite-Elemente-Analyse die Anordnung von Halbleiterlaserstäben mit Wellenlängen von 808 nm, 915 nm bzw. 980 nm auf den gestapelten Wärmeableitungseffekt der integrierten Baugruppe mit mehreren Wellenlängen. Die Ergebnisse zeigen, dass durch die Änderung der Anordnung der Chips das gestapelte Modul mit der Anordnung von 915 nm, 980 nm, 808 nm den besten Wärmeableitungseffekt aufweist. Durch die sinnvolle Anordnung der Halbleiterlaserbarren unterschiedlicher Wellenlänge wird der Wärmeableitungseffekt der gestapelten Module effektiv verbessert, was eine neue Idee für eine Integration mit hoher Dichte und hoher Leistungsabgabe darstellt. Lucci [25] untersuchte die thermische Leistung verschiedener III-V-Halbleiterlaserquellen auf Basis von auf dem Chip integrierten Siliziumsubstraten, einschließlich monolithischer und heterogener integrierter Strukturen. Mithilfe der Transmissionselektronenmikroskopie sowie der Berechnung der thermischen Kartierung der Geräte zeigen die Ergebnisse, dass heterogene Halbleiterlaser besser thermisch isoliert sind als monolithische Halbleiterlaser. Im Vergleich zu Einzelmaterial- oder Strukturpaketen weisen heterogene Strukturen eine bessere Wärmeisolierung auf, was dazu beiträgt, die Wärmeleitung zu reduzieren und die Stabilität und Zuverlässigkeit der Geräte zu verbessern. Wie in Abbildung 8(a) dargestellt, wird in der herkömmlichen Gehäusekonfiguration nur eine Oberfläche des InGaN-LD-Chips als thermischer Kanal verwendet. Nozaki [26] schlug eine neuartige Verpackungstechnik für den Hochleistungsbetrieb von Indium-Galliumnitrid-Laserdioden (lnGaN) bei hoher Temperatur vor, die als Dual-Heat-Flow-Packungstechnologie (DHF) bezeichnet wird. Selbst wenn die Temperatur der Indium-Galliumnitrid-Laserdiode 85 °C übersteigt, kann die optische Ausgangsleistung mit dieser Technologie höher als 3 W sein, was einen Hochtemperatur- und Hochleistungsbetrieb ermöglicht, und sie ist auch mit herkömmlichen kompakten Gehäusen kompatibel. Diese Verpackungstechnologie nutzt beide Oberflächen des Chips als Wärmepfade, wie in Abbildung 8(b) dargestellt. Die Technologie unterstützt nicht nur den Hochtemperatur- und Hochleistungsbetrieb, sondern gewährleistet auch die Kompatibilität mit herkömmlichen Kompaktpaketen und eröffnet neue Möglichkeiten zur Optimierung der Laserleistung in bestimmten Anwendungsszenarien.

Li [27] entwarf eine neue F-Mount-Gehäusestruktur mit einer einzelnen Emitterstufe. Wie in Abbildung 9(b) dargestellt und mit der herkömmlichen C-Mount-Gehäusestruktur (Abbildung 9(a)) verglichen, werden die Auswirkungen verschiedener Gehäusestrukturen auf die thermische Leistung, Ausgangsleistung, Wellenlänge und andere Eigenschaften des Geräts durch vergleichende Analyse untersucht. Beim Vergleich der Finite-Elemente-Simulation sowie beim Vergleich tatsächlicher experimenteller Ergebnisse wurde festgestellt, dass F-Mount ein besseres Wärmemanagement aufweist als C-Mount. Die analysierten Ergebnisse zeigen, dass F-Mount-Geräte bei Raumtemperatur einen geringeren Wärmewiderstand und Divergenzwinkel sowie eine höhere Leistung und Effizienz aufweisen. Dies alles beweist, dass F-Mount im Vergleich zu C-Mount eine bessere Gehäusestruktur aufweist. Durch die Optimierung der Gehäusestruktur weisen F-Mount-Geräte ein besseres Wärmemanagement, eine höhere Leistung und Effizienz bei Raumtemperatur auf und tragen so zur Verbesserung der Gesamtleistung des Lasers bei.

Abbildung 7: N-Typ-Heatpipe-Kühlsystem und U-Typ-Heatpipe-Kühlsystem

Tabelle 3 Zusammenfassung der Wärmeableitungstechnologie

Abbildung 8 (a) Single-Heat-Flow-Packaging-Technologie und (b) Dual-Heat-Flow-Packaging-Technologie

Abbildung 9 (a) C-Mount-Struktur und (b) F-Mount-Struktur

Abbildung 10 Struktur von (a) C-Mount- und (b) DC-Mount-Gehäusen

Darüber hinaus schlug Xu [28] auch eine Kühlkörperstruktur in Form eines DC-Mount-Gehäuses vor, die den Chip besser schützen kann und auch eine doppelseitige Wärmeableitungsleistung aufweist, wodurch die Wärmeableitungsfläche effektiv vergrößert werden kann. Im Vergleich zur herkömmlichen C-Mount-Gehäusestruktur weist die neue DC-Mount-Gehäusestruktur eine bessere Wärmeableitungsleistung auf und kann die Sperrschichttemperatur und den Wärmewiderstand des Geräts wirksam reduzieren. Das neue Design verbessert die Wärmeableitungsfähigkeit erheblich und reduziert effektiv die Sperrschichttemperatur und den Wärmewiderstand des Geräts, was ein wichtiges Mittel zur Verbesserung der Stabilität und Lebensdauer des Lasers im Langzeitbetrieb darstellt. Abbildung 10 zeigt den Aufbau der beiden Pakete.

Wang [29] entwarf eine neuartige doppelseitige Kühlverpackungstechnik für Halbleiterlaser mit einer doppelseitigen Laminat-Kühlverpackungsstruktur. Simulationen und experimentelle Ergebnisse zeigen, dass diese Technik die maximale Temperatur des Geräts von 48,5 °C auf 40 °C senken und die maximale Laserleistung von 14,1 W auf 15,1 W erhöhen kann. Der thermische Sättigungseffekt des Lasers wird effektiv gemildert. Die doppelseitige Kühltechnologie senkt direkt die Arbeitstemperatur des Lasergeräts und erhöht die maximale Ausgangsleistung, wodurch der thermische Sättigungseffekt effektiv gemildert wird, was für die Verbesserung der Gesamtleistung und Zuverlässigkeit des Lasers von großer Bedeutung ist. Tabelle 4 ist eine Zusammenfassung der Verpackungsstrukturen/Verpackungstechnologien.

Hochleistungs-Halbleiterlaser bestehen aus zwei Arten von Gehäusen, nämlich Epitaxie-Up (Epi-Up) und Epitaxie-Down (Epi-Down). Tatsächlich ist die thermische Leistung von Epi-Up-Paketen jedoch im Vergleich schlecht, es gibt nur wenige entsprechende Anwendungen, und die meisten Wissenschaftler haben sich auf die Lösung des Wärmeableitungsproblems von Epi-Down-Paketen konzentriert, und es gibt nur wenige Studien zu Epi-Up. Um das Epi-Up-Paket voll auszunutzen. Wang [30] verwendete ein neues Material, Verbundfolien auf Graphenbasis, als Kühlkanal für die Verpackung von Hochleistungslaserdioden. Beispielsweise die Einführung zusätzlicher quer verlaufender Wärmeableitungskanäle auf einem Verbundwerkstoff auf Graphenbasis, um die Wärmeleitung zu verbessern. Die Graphen-gekoppelte Epi-Up-Paketmethode erhöht die Wärmeableitung und reduziert gleichzeitig die thermische Belastung. Dieses Material kann die Verbindungstemperatur und den thermischen Widerstand in der aktiven Zone des Pakets verringern. In dem Experiment, bei dem Gehäusestrukturen aus Verbundwerkstoffen auf Graphenbasis mit unterschiedlichen Dicken simuliert wurden, war die Chiptemperatur am niedrigsten, wenn die Dicke 20 μm betrug. Und die thermische Leistung von Graphen wird mit zunehmender Ausgangsleistung des Lasers immer besser. Abbildung 11 zeigt die Struktur und Temperaturverteilung des herkömmlichen Pakets und des neuen Graphen-Pakets.

Tabelle 4 Zusammenfassung der Verpackungsstrukturen/Verpackungstechnologien

Abbildung 11 (a) Konventionelle Paketstruktur, (b) Neue Graphenpaketstruktur, (c) Konventionelle Pakettemperaturverteilung und (d) Neue Graphenpakettemperaturverteilung

Abbildung 12 Detailansicht der Lotschicht einer 60 W 808 nm CS-Mount-Laserdiode, eingekapselt mit Silber-Nanopaste

2.3. Die-Attach-Materialien

Zu den Die-Attach-Materialien, die üblicherweise bei der Verpackung von Laserchips verwendet werden, gehören Indiumlot, Zinnpaste, Silberkleber und eutektische Gold-Zinn-Materialien. Beispielsweise verwendete Yan [31] Nano-Silberpaste als Die-Attach-Material in einem Laserdiodengehäuse. Die Parameter der Laserdiode sind Leistung 60 W, Wellenlänge 808 nm. Die Betriebseigenschaften und thermischen Impedanzeigenschaften des Lasers unter diesem Die-Attach-Material werden untersucht. Die thermischen Eigenschaften der Laserdiode werden mit denen der mit Indiummaterial und Gold-Zinn-Lot verfestigten Laserdiode unter Verwendung der Finite-Elemente-Methode verglichen. Die Testergebnisse zeigen, dass die Laserdiode mit Nano-Silberpaste im Dauerbetrieb die niedrigste Temperatur aufweist. Abbildung 12 zeigt die Struktur der mit Nano-Silberpaste verkapselten CS-Mount-Laserdiode.

Neben Die-Attach-Materialien wie Silberpaste gibt es auch eutektische Materialien. Wang [32] verwendete eine DMCC-Gehäusestruktur (Double CuW MCC Packaged) und eutektisches AuSn-Lot, um Diodenlaser-Arrays zu verpacken. Basierend auf den Simulationsergebnissen wurde zunächst der Schluss gezogen, dass der Smile-Effekt (Unebenheit der Chipoberfläche nach dem Gehäuse) und die thermische Spannung um 0,24 μm bzw. 16 MPa reduziert wurden, was die Fähigkeit von eutektischen AuSn-Loten widerspiegelt, thermische Spannungen im Gehäuse und den Smile-Effekt zu reduzieren. Durch die Integration einer fortschrittlichen Gehäusestruktur zur weiteren Optimierung der Wärmemanagementleistung des Geräts werden die Gesamtzuverlässigkeit und die Ausgangsleistung verbessert. Beim Hochleistungslaserlöten wird üblicherweise das traditionelle Weichlot Indium verwendet. Indium ist ein 157 °C warmes Weichlotmaterial mit guter Zähigkeit, das das Spannungsproblem, das durch die Nichtübereinstimmung der thermischen Ausdehnung des Array-/Baugruppensubstrats verursacht wird, wirksam lösen kann. Die sich wiederholenden Ein-Aus-Stromzyklen mit hohem Arbeitszyklus und großer Impulsbreite können jedoch zu mechanischen Spannungswechseln im Gerät führen, was wiederum eine Reihe von Ausfällen wie Gerätebruch, Migration und thermische Ermüdung auslöst. Jüngste Studien haben ergeben, dass Indium-Lötschweißlaser im Vergleich zu Gold-Zinn-Schweißstrukturen (AuSn) weniger zuverlässig sind. Hou [33] entwarf einen fortschrittlichen Diodenlaserstapel (dargestellt in Abbildung 13) durch eine an den Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) angepasste Submount-Verpackung sowie eine AuSn-Schweißtechnik, die eine höhere Zuverlässigkeit sowie eine höhere Ausgangsleistung erreicht. Darüber hinaus wurde die Struktur hinsichtlich Abstand und verbesserter Wärmeableitung optimiert. Im Vergleich zum Diodenlaser-Stack mit Indium-Lot sind Lebensdauer und Zuverlässigkeit deutlich verbessert. Wang [34] entwarf eine HSMCC-Technologie (Hartlot-Mikrokanalkühler) (Abbildung 14) zum Verpacken von Hochleistungsdiodenlaser-Arrays und verglich die thermischen Eigenschaften mit der durch Indiumlot-Mikrokanäle gekühlten Verpackung. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass HSMCC-Gehäuselaser-Arrays bei gleicher Ausgangsleistung niedrigere Smile-Werte und eine höhere Zuverlässigkeit aufweisen als herkömmliche Cu-MCC-Gehäuse-Laserbarren mit Indium-Schweißtechnologie. Die Kombination aus Hartlot und Mikrokanalkühler-Technologie hat ebenfalls positive Ergebnisse gezeigt und nicht nur den Smile-Wert reduziert, sondern auch die Gerätezuverlässigkeit erheblich verbessert.

Heutzutage werden häufig mehrere Die-Attach-Materialien verwendet: Nano-Silberpaste, Indium-Lot und Gold-Zinn-Lot. Yan [35] verglich diese drei Die-Attach-Materialien und analysierte den gepulsten transienten thermischen Effekt der drei gekapselten Strukturen und aller unmontierten CuW-Module mithilfe der Finite-Elemente-Methode. Die Ergebnisse zeigen, dass das mit Nano-Silberpaste verkapselte Lasermodul die niedrigste Sperrschichttemperatur von 32,8 °C aufweist. Im Gegensatz dazu betrugen die Übergangstemperaturen des mit Indiumlot und AuSn-Lot verkapselten Lasermoduls 41,8 °C bzw. 43,6 °C.

Tabelle 5 zeigt, dass Nano-Silberpasten aufgrund ihrer hervorragenden Wärmeleitfähigkeit die Betriebstemperatur der Geräte gut senken. Insbesondere im Dauerbetrieb können Laserdioden mit Nano-Silberpasten niedrigere Temperaturen aufrechterhalten, was für die Verbesserung der Stabilität und Lebensdauer der Geräte von entscheidender Bedeutung ist.

Abbildung 13 Schematische Darstellung der Stapelung von Diodenlasern, die mithilfe der Gold-Zinn-Löttechnik verpackt sind

Abbildung 14 Schematische Darstellung des HSMCC-Technologiepakets

Tabelle 5 Forschungszusammenfassung zu Die-Attach-Materialien

2.4. Zusammenfassung des Wärmemanagements für Laserverpackungen

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.

3. Erforschung von Techniken zur Verbesserung der optischen Laserleistung

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. Da asphärische Linsen jedoch komplexer in Design und Herstellung sind als herkömmliche sphärische Linsen, schränken diese Probleme die Anwendung 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. Der theoretischen Analyse und den 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 zu stark 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 Flachstrahl. Doan [41] untersuchte die Auswirkung der Pumpleistung und der 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 Intracavity-Laserstrahlformungstechnik vor (schematische Darstellung in Abbildung 18), um sowohl aus theoretischen als auch aus experimentellen Gründen einen flachen Strahl mit hoher Impulsenergie zu erhalten. 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 durch die Jones-Matrixformel 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 von

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. 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.

Abbildung 19 (a) Struktur der Flüssiglinse und (b) Schematische Darstellung der Herstellung

Abbildung 20 Schematische Darstellung einer biaxialen hyperbolischen Mikrolinse

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 eine erreichen

Divergenzwinkel von 6 μm für einen langsam kollimierten Strahl. 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. Durch die Struktur werden Mehrfachreflexionen und Absorptionen des Strahls an mehreren Kollimatoren vermieden, wodurch Fehler weiter reduziert werden.

Aus Tabelle 6 geht hervor, dass die meisten Strahlformungsstudien solche sind, die Gaußsche Strahlen in Strahlen mit flacher Oberseite umwandeln. Flat-Top-Strahlen sind in vielen industriellen, wissenschaftlichen und medizinischen Anwendungen von Vorteil, beispielsweise in der Materialbearbeitung, beim Laserdruck, in der optischen Kommunikation und bei der Laseranzeige. Flachbalken sorgen für eine gleichmäßigere Energieverteilung, reduzieren thermische Spannungen und verbessern die Verarbeitungsqualität und -effizienz.

3.2. Verpackung zur Verbesserung der Laseroptik

Leistung

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. 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.

Bei organischen Halbleiterlasern besteht das gleiche Problem der optischen Stabilität, da sich organische Materialien unter der kombinierten Wirkung von Licht und Sauerstoff zersetzen, was dazu führt, dass die Wahl der Verpackung für diesen Laser ein großes Problem darstellt und somit die optische Leistung beeinträchtigt [61]. Foucher [62] berichtete über einen vollständig gekapselten, mechanisch flexiblen organischen Halbleiterlaser, der mithilfe eines ultradünnen Glases realisiert wurde. Das Paket kann das Degradationsproblem umgehen, um die optische Stabilität zu verbessern. Anhand der experimentellen Ergebnisse lässt sich erkennen, dass die optische Stabilität unter dieser verkapselten Struktur im Vergleich zum Referenzgerät für die Verkapselung um zwei Größenordnungen verbessert ist. Auch die mechanische Flexibilität ist gewährleistet. Für die flexible Verpackung verwendete Wang [63] eine kantenemittierende Laserdiode als Lichtquelle des fotoelektrischen Sensors und Chips und verpackte sie direkt auf einem Polymerträger. Sie verwendeten FR4 als Standardsubstrat und behandelten es mit Standardverkapselungstechniken, um einen sinnvollen Vergleich mit dem in PMMA-Polymer verkapselten LD zu ermöglichen. Gleichzeitig wurden beide Gruppen nicht wärmebehandelt. Es wurde getestet, dass die optische Leistung der PMMA-gekapselten LDs im Vergleich zu den FR4-gekapselten LDs weiter verbessert werden konnte, einschließlich höherer Ausgangsleistung und stabilerer Langzeitlasermuster. Der Entwurf spezieller Strukturen sowie die Verwendung und Kombination fortschrittlicher wärmeleitender Materialien werden der Hauptentwicklungstrend für die weitere Wärmeableitung polymerverkapselter optoelektronischer Komponenten sein. Es besteht ein zunehmender Bedarf an mechanischer Flexibilität der Verpackung, und die Frage, wie sich die Kosten für das Verpackungsmaterial, das Wärmemanagement und die Auswirkungen auf die optische Leistung reduzieren lassen, ist Gegenstand kontinuierlicher Experimente und Forschung. Li [64] schlug eine verbesserte Spiegelreflexions-ESR-Struktur vor, um die Strahlungseffizienz von VCSEL-Geräten (Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser) zu verbessern. Die Struktur ist in Abbildung 23 dargestellt. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass die Struktur die Strahlungseffizienz streuender primärer VCSEL-Geräte erheblich verbessern kann. Es bietet großes Potenzial für Beleuchtung und 3D-Bildgebung.

Tabelle 6 Zusammenfassung der Strahlformungstechniken

Abbildung 21 TO-Can-Paketstruktur

Abbildung 22 (a) Vereinfachtes Schema des DM-Lasers und (b) Bild des 14-Pin-Butterfly-Moduls

3.3. Zusammenfassung technischer Untersuchungen zur Verbesserung der optischen Laserleistung

Dieser Abschnitt bietet einen Überblick über Techniken zur Verbesserung der optischen Laserleistung, einschließlich Strahlformungstechniken und Verpackungstechniken. Es besteht kein Zweifel, dass die Entwicklung der Strahlformungstechnologie die Laserindustrie vorangebracht hat. Die Strahlqualität wurde erheblich verbessert. Die meisten der oben genannten Forschungsarbeiten basieren auf der Frage, wie Gaußsche Strahlen in Strahlen mit flacher Oberseite umgewandelt werden können, und auch mit dem Nachweis, dass Strahlen mit flacher Oberseite für Laseranwendungen sehr vielversprechend sind. Hinzu kommt die Herstellung verschiedener Linsen. Wie sich der Flat-Top-Strahl besser realisieren lässt und wie Linsen mit besserer Kollimationswirkung hergestellt werden können, bedarf kontinuierlicher Forschung. Strahlformungstechnologie bei der Realisierung dynamisch einstellbarer, intelligenter, hoher Effizienz und hoher Zuverlässigkeit sowie anderer Aspekte davon sind der zukünftige Entwicklungstrend.

Abbildung 23 Schematische Darstellung eines VCSEL-Geräts mit ESR-Struktur

4. Untersuchung von Zuverlässigkeitsproblemen bei der Laserverpackung

Mit der Entwicklung von Wissenschaft und Technologie wurde die Lasertechnologie aufgrund ihrer einzigartigen Vorteile in vielen Bereichen weit verbreitet eingesetzt. Insbesondere in der Verpackungstechnik ist die Laserverpackung aufgrund ihrer hohen Präzision, hohen Effizienz und Zuverlässigkeit zu einem unverzichtbaren Bestandteil der modernen Elektronikfertigung 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 weitere 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 bei der Laserverpackung.

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.

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.

Abbildung 24 Vereinfachtes Diagramm des Versuchsaufbaus

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.

Abbildung 25 Vereinfachtes Diagramm der Simulation eines Halbleiterlasermodells

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 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.

Schäden an optischen Spiegeln sowie Belastungen und 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.

5. Zusammenfassung

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.

Finanzierungsunterstützung

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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