半导体激光器巴条封装应力及评价
半导体激光巴条（裸巴、激光芯片）、CS封装、堆栈
半导体激光巴条（裸巴、激光芯片）、CS封装、堆栈关键词：巴条激光巴条激光裸巴激光芯片激光外延片半导体激光巴条半导体巴条bar chip CS封装半导体激光堆栈激光堆叠垂直堆栈型水平堆栈型千瓦级堆栈一般认为的半导体激光器产品是指从半导体激光器芯片生长、封装到光纤耦合的完整产品线，具体包括：1、晶片外延生长：提供2inch、4inch、6inch的晶片外延生长服务，可外延生长高质量的Al-In-Ga-As-P材料（用户提供结构）。
2、巴条(裸巴)：Jenoptic提供多种裸巴产品，功率范围在连续工作模式（CW）下8W~160W的产品、准连续工作模式（QCW）下功率高达300W，其波长有7种选择，分别是792 nm、808 nm、825 nm、880 nm、915 nm、940 nm、976nm，腔长有3种：1mm、1.5mm和2mm，填充因子有4种：20%、30%、50%和75%，这些参数通过不同的搭配进行组合。
3、CS封装Jenoptic提供40W~300W的半导体激光器CS封装结构，波长808 nm、880 nm、915 nm、940 nm、976nm，还提供808nm的8W单管热沉封装结构。
所有这些封装结构均可选择快轴准直或快轴慢轴同时准直，以满足不同的应用需求。
（更多半导体激光模块知识可参见深圳顶尖（科仪）的博客）4、堆栈Jenoptic提供水平堆栈型和垂直堆栈型的半导体激光器，堆栈的输出功率为240~3200W，巴条的个数为3、4、5、6、8、9、10、12个，单巴功率为40W、50W、60W、80W、100W、120W，并且也可以选择快轴准直或快轴慢轴同时准直，以满足不同的应用需求。
好的半导体激光器的特点1、长寿命，寿命测试数据是对产品在真实连续工作的条件下测试得到的数据2、高稳定性，在有效寿命期间，功率输出非常稳定，无明显波动3、工艺控制水平，每一批次的产品的一致性4、是否得到广大客户的一致认同。
808nm高功率半导体激光巴条
808nm高功率半导体激光巴条：创新驱动的激光技术应用随着科技的不断发展，激光技术已经渗透到各个领域，为人们的生产和生活带来了前所未有的变革。
在众多激光技术中，808nm高功率半导体激光巴条以其独特的优势和应用前景，正逐渐受到业界的关注和重视。
一、808nm高功率半导体激光巴条简介808nm高功率半导体激光巴条是一种采用808nm波长的半导体激光器制造的激光巴条。
这种激光巴条具有高功率、高亮度、高可靠性等特点，被广泛应用于材料加工、医疗、科研等领域。
与传统的激光器相比，808nm高功率半导体激光巴条具有更高的光电转换效率、更长的使用寿命和更低的成本，成为了一种极具竞争力的激光技术。
二、808nm高功率半导体激光巴条的应用领域1．材料加工领域在材料加工领域，808nm高功率半导体激光巴条可以用于金属和非金属材料的切割、焊接、熔覆等加工过程。
与传统激光器相比，808nm高功率半导体激光巴条具有更高的加工效率、更低的加工成本和更好的加工质量。
此外，由于其高功率和高亮度的特点，还可以实现大型工件的远程加工，从而降低了工件表面的热影响区和变形量。
这些优势使得808nm高功率半导体激光巴条在材料加工领域具有广泛的应用前景。
2．医疗领域在医疗领域，808nm高功率半导体激光巴条可以用于皮肤科、外科等领域，用于治疗血管瘤、雀斑、痤疮等皮肤疾病。
与传统激光器相比，808nm高功率半导体激光巴条具有无痛、无副作用、恢复快等优点。
此外，由于其高精度和高稳定性的特点，还可以实现精确的皮肤重塑和美容整形手术。
这些优势使得808nm高功率半导体激光巴条在医疗领域具有广泛的应用前景。
3．科研领域在科研领域，808nm高功率半导体激光巴条可以用于光谱分析、激光雷达、光学通信等领域。
与传统激光器相比，808nm高功率半导体激光巴条具有更高的精度和稳定性，以及更长的使用寿命和更低的维护成本。
这些优势使得808nm高功率半导体激光巴条在科研领域具有广泛的应用前景。
业纳半导体激光巴条
业纳半导体激光巴条
业纳公司是一家全球领先的激光技术和系统解决方案的供应商，有着悠久的历史，拥有多种用途的激光产品，其中之一就是业纳半导体激光巴条。
业纳半导体激光巴条是一种功能强大的工具，具有多种用途，可以用于激光雕刻、激光焊接、激光切割等工作。
它采用高功率、高可靠性的半导体激光器，具有闭环激光调节功能，可实现精准度高达0.04毫米，标准行程为200mm，可以实现高精度级别操作，具有很好的灵敏性和稳定性。
此外，业纳半导体激光巴条具有可靠的安全防护功能，可防止无形的激光损伤，确保使用者的安全和舒适。
它的激光视觉反馈系统可以根据实际工作需要，快速定位、实现高精度而稳定的激光焊接、雕刻和切割。
此外，该产品具有高效率和高可靠性的激光调节功能，可实现最大的功效，同时可以节约大量能源。
通过多重安全保护，业纳的半导体激光巴条可以保护操作者免受激光损伤，并且可以高效地完成多种任务，如激光焊接、雕刻和切割，从而有效地提高生产效率。
从安全和效率的角度来看，业纳的半导体激光巴条是一种理想的激光解决方案。
总之，业纳的半导体激光巴条可以实现高精度级别的操作，具有出色的可靠性、安全性和效率，可以在应用中发挥出它的最大价值。
面对未来，业纳将继续致力于开发更高效、更安全、更低污染的新技
术，以满足每一位客户的需求。
半导体力学特性与应力分析
半导体力学特性与应力分析半导体材料作为现代电子工业的基础，其力学特性和应力分析具有重要的实际意义。
本文将对半导体力学特性和应力分析进行深入探讨，以便更好地理解和应用这些概念。
一、半导体的力学特性半导体材料通常具有以下几个重要的力学特性：1. 弹性模量：半导体材料的弹性模量是衡量其抵抗形变的能力的一个重要参数。
常见的半导体材料如硅（Si）、镓砷化镓（GaAs）等具有较高的弹性模量，可以保持在一定的应力下不发生塑性变形。
2. 弹性极限：弹性极限是指半导体材料在受力作用下能够保持弹性变形的最大极限值。
当应力超过弹性极限时，半导体材料将发生塑性变形或破裂。
3. 热膨胀系数：半导体材料的热膨胀系数是指在温度变化下，材料长度或体积的变化比例。
由于半导体材料在电子器件中经常遭受高温变化，了解其热膨胀系数对应用性能的控制具有重要意义。
4. 硬度：半导体材料的硬度是指其表面抵抗划痕和压痕的能力。
硬度较高的半导体材料具有较好的抗磨损和耐腐蚀性能，在电子器件中具有更长的寿命。
二、应力分析与应用应力分析是对半导体材料在受力作用下的变形和应力分布进行定量研究和分析的过程。
应力分析在半导体器件设计和制备过程中扮演着重要的角色。
1. 弹性力学分析：弹性力学分析是一种定量研究半导体材料在受力作用下的弹性变形和应力分布的方法。
通过数学模型和有限元分析等方法，可以有效地预测半导体器件在工作条件下的应力状态，为优化设计和制造工艺提供重要参考。
2. 热应力分析：由于半导体材料在工作过程中常常会发生温度变化，这会引起材料的热应力。
热应力分析可以用于评估材料和器件在温度变化下的稳定性，以及在高温环境下的可靠性和寿命预测等。
3. 应力松弛：应力松弛是指半导体材料在长时间力学负荷下逐渐降低应力的过程。
了解和分析应力松弛现象对于提高半导体器件的可靠性和寿命具有重要意义。
4. 芯片封装应力管理：在半导体芯片封装过程中，由于材料的热膨胀系数差异或非均匀性，会产生应力集中和应力失控的问题。
单bar大功率半导体激光器寿命评价技术
２组寿命试验数据区间进行等
距分割，利用上述数据处理方法，通过计算尺２值判 定单组寿命试验的最佳试验时间。此时既能保证外 推结果的误差很小，也能最大程度的缩短寿命试验 时间，实现短期寿命试验数据对激光器长寿命的快 速评价。表４～表５为计算结果。
表４ ２５℃、１００Ａ最佳寿命试验时间计算结果
Ｔａｂ．４ Ｏｐｔｉｍａｌ ａｇｉｎｇ ｔｉｍｅ ｆｏｒ
ｔｏ
５０℃，１ １５
ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ
ｔｈｅ ｌｉｎｅａｒ ｒｅｇｒｅｓｓｉｏｎ
ａｎａｌｙｓｉｓ，ｔｈｅ
ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｌｅａｓｔ ｓｑｕａｒｅｓ，ｇｏｏｄｎｅｓｓ・ｏｆ－ｆｉｔ ｂａｒｓ
ａｔ
ｔｅｓｔ
ａｎｄ ｏｔｈｅｒ ｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌ ｋｎｏｗｌｅｄｇｅ，ｔｈｅ ｅｘｔｒａｐｏｌａｔｅｄ ｌｉｆｅｔｉｍｅ ｏｆ ｃｍ—
中图分类号：ＴＮ２４８．４
寿命；
激活能；
加速因子
文章编号：１００７—２２７６（２０１２）０９—２３２８—０５
文献标志码：Ａ
Ｌｉｆｅｔｉｍｅ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ
ｏｎ
ｈｉｇｈ ｐｏｗｅｒ ｃｍ－ｂａｒｓ
Ｌｕ Ｇｕｏｇｕａｎｇ，Ｈｕａｎｇ Ｙｕｎ，Ｌｅｉ Ｚｈｉｆｅｎｇ
（Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
Ｆｉｇ．２
图１试验器件外延层结构
Ｆｉｇ．１ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ａｇｉｎｇ ｓａｍｐｌｅ
３组寿命实验条件分别为温度２５℃、电流１００Ａ， 温度５０℃、电流１００Ａ，温度５０℃、电流１１５Ａ，试验 采用自主研制的大功率半导体激光器寿命试验系 统，试验数据自动采集，试验器件温度通过多通道循 环水制冷机控制。图２一图４为３组寿命试验器件功 率随时间的退化曲线，其中第３组寿命试验达到失 效判据。
管式炉中半导体激光器巴条Au80Sn20焊料封装研究
管式炉中半导体激光器巴条Au80Sn20焊料封装研究YUAN Qing-he;ZHANG Qiu-yue;JING Hong-qi;ZHONG Li;LIU Su-ping;MA Xiao-yu【摘要】为了提高半导体激光器的封装质量和效率,引入管式炉利用夹具进行批量封装.由于封装质量的好坏直接影响半导体激光器的输出特性和使用寿命,利用MOCVD生长808 nm芯片,重点分析了管式炉温度和封装时间对半导体激光器巴条双面金锡封装质量的影响.利用X射线检测、结电压、光电特性参数和smile效应测试手段,确定了管式炉封装半导体激光器巴条的最优封装条件,为以后的产业化提供了指导意义.【期刊名称】《发光学报》【年(卷),期】2019(040)002【总页数】7页(P231-237)【关键词】半导体激光器;巴条;金锡焊料;X射线检测;smile效应【作者】YUAN Qing-he;ZHANG Qiu-yue;JING Hong-qi;ZHONG Li;LIU Su-ping;MA Xiao-yu【作者单位】;;;;;【正文语种】中文【中图分类】TN248.41 引言随着半导体激光技术的进步和应用领域的不断扩展，大功率半导体激光器的应用覆盖了众多领域，成为光电子器件的核心。
由于大功率半导体激光器具有体积小、质量轻、转换效率高、易于调制等优点[1-2]，被广泛应用于通讯与存储、激光医疗与美容、激光打标与切割、材料加工和军事等领域[3-4]。
相比于传统的固体和气体激光器，半导体激光器具有较高的电光转换效率，最高达80%[5]，但在工作时仍会产生大量的热，若不将这些多余的热量及时散出，会严重影响器件的光电特性、空间特性和可靠性[6-10]，因此对半导体激光器的封装工艺提出了较高的要求。
为了提高大功率半导体激光器巴条的可靠性及使用寿命，采用金锡焊料取代铟焊料作为封装焊料。
Au80Sn20焊料属于硬焊料，其抗疲劳、抗蠕变性能优异，屈服强度高，导热性能好，无需助焊剂，也不存在严重的电迁移现象[11]，广泛应用于气密封装、射频和微波封装、发光二极管封装等[12]。
浅谈影响高功率半导体激光器巴条性能的因素
浅谈影响高功率半导体激光器巴条性能的因素兴胜，袁振邦，艳春，许国栋炬光科技王警卫，恩涛，熊玲玲，彦鑫中科院西光所瞬态光学与光子技术实验室高功率半导体激光器可用来泵浦固体/光纤激光器，也可直接用于材料处理如焊接、切割、表面处理等。
为了进一步拓宽半导体激光器的应用领域，不断提高激光器的输出功率，半导体激光器从单发射腔发展为多个发光单元的巴条。
随着激光器输出功率的提高，对半导体激光器的热管理、热设计、封装等技术提出了更高要求。
表征巴条半导体激光器主要特性的参数有输出功率、光谱宽度、波长、近场非线性（smile效应）、电光转换效率、近场和远场、寿命等。
本文分析和讨论了影响高功率半导体激光器巴条特性参数的因素，如热管理、温度不均匀性、热应力和焊料选择等，并在此基础上提出了提高巴条半导体激光器性能的策略和方法。
热管理热管理对于高功率半导体激光器而言至关重要，因为半导体激光器大约50%的电能都转换成热量损耗掉了。
热管理直接影响激光器的结温，结温过高将显著影响半导体激光器巴条的性能，如导致输出功率下降、阈值电流增大、斜坡效率减小、慢轴发散角增大以及寿命缩短等。
对于高功率单巴条半导体激光器，结温由式（1）而得[1](1)其中Th为器件热沉温度、Rth为器件热阻、V0为结偏压、I为工作电流、Rs为串联电阻、Po为输出光功率。
由上式可见，激光器的结温主要由热沉的温度和器件本身的热阻决定，其中热沉温度由激光器的使用条件决定。
半导体激光器的输出功率与热阻的关系和器件使用寿命与热阻的关系分别为（2）和（3）式：(2)(3)其中，ηd、Ith、T1、T0为室温下器件的转换效率、阈值电流、斜率特征温度和阈值特征温度，t为半导体激光器寿命，Ea为激活能（activation energy），K为波尔兹曼常数，Rth为半导体激光器的热阻。
由式（2）和式（3）可以看出，降低热阻可以增加半导体激光器的输出功率，提高可靠性。
半导体激光器的热阻包括芯片的热阻和封装带来的热阻。
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半导体激光器巴条封装应力及评价张哲铭;薄报学;张晓磊;顾华欣;刘力宁;徐雨萌;乔忠良;高欣【摘要】In order to detect the packaging induced stress of semiconductor lasers quickly and effec-tively,an experimental device which can reveal the encapsulation stress by detecting the polarization degree of each unit of laser bar was designed. The parameters of the semiconductor laser bar were experimentally tested and the finite element software was used to simulate the relationship between the degree of polarization and the packaging induced stress through the theory of the semiconductor energy band and stress. The experiment results show that the individual light-emitting unit of the bar is less polarized,the higher threshold current is due to the larger packaging stress. Through the cal-culation,the packing stress is 141.92 MPa, and the polarization equivalent stress is 26.73 MPa. The degree of polarization of the device below the threshold reflects the distribution trend of the packaging induced stress,and the degree of polarization of the device can be measured by using the following threshold current. It can provide a quicker and more efficient method for selecting the heat sink and the solder material and the improvement of the welding process parameters.%为了快捷而有效地检测半导体激光器的封装应力,设计了一种通过检测激光器巴条各个单元偏振度揭示出其封装应力分布的实验方法.实验测试半导体激光器巴条的各项参数,并利用有限元软件模拟,通过半导体能带与应力理论,说明偏振度与封装应力的影响关系.实验表明,巴条个别发光单元的偏振度较低、阈值电流较高是由于封装应力较大.通过计算,封装应力为141.92 MPa,偏振等效应力最大为26.73 MPa.实验器件在阈值以下的偏振度较好地反映了封装应力的分布趋势.利用阈值电流以下测量器件偏振度,可以为选择热沉及焊料材料、焊接工艺参数的改进等方面提供一个较为快捷而有效的检测方法.【期刊名称】《发光学报》【年(卷),期】2018(039)003【总页数】6页(P343-348)【关键词】巴条;偏振度;封装应力;偏振等效应力【作者】张哲铭;薄报学;张晓磊;顾华欣;刘力宁;徐雨萌;乔忠良;高欣【作者单位】长春理工大学,高功率半导体激光国家重点实验室,吉林长春 130022;长春理工大学,高功率半导体激光国家重点实验室,吉林长春 130022;长春理工大学,高功率半导体激光国家重点实验室,吉林长春 130022;长春理工大学,高功率半导体激光国家重点实验室,吉林长春 130022;长春理工大学,高功率半导体激光国家重点实验室,吉林长春 130022;长春理工大学,高功率半导体激光国家重点实验室,吉林长春 130022;长春理工大学,高功率半导体激光国家重点实验室,吉林长春 130022;长春理工大学,高功率半导体激光国家重点实验室,吉林长春 130022【正文语种】中文【中图分类】TN248.41 引言随着大功率半导体激光器的芯片加工与封装技术的快速发展，其应用范围也日趋广泛，进而对大功率半导体激光器的可靠性要求日渐提高。
在高功率半导体激光器(HPLD)的封装过程中，减小封装应力有利于保证HPLD设计的优良工作参数，减小由于封装引入有源区的应变及晶格缺陷，从而延长激光器的使用寿命[1-4]。
近年来，国内外学者发表了大量研究应力与半导体激光器器件性能的文献，其中最有代表性的是德国的TOMM领导的课题组提出了诸如微区拉曼光谱、微区光致发光、电致发光光谱法等众多方法[5-8]，其检测原理是通过测量微米或纳米级别有源区材料的带隙变化或晶格变化，计算出由于封装引入有源区的应力大小。
其优点是可以探测出芯片每一个发光单元甚至各个点的应力变化，分辨率最高可达纳米级别。
但由于其要求实验设备较为昂贵，测量方法较为繁琐，且着重于理论研究，对大批量实际商业应用涉及较少。
本文利用应力与半导体能带的关系，设计了一种快速有效的检测半导体激光器巴条封装应力的实验装置。
通过理论推导封装应力对半导体激光器波长、偏振的影响，并测量巴条各个单元偏振度、阈值电流的变化趋势，较为详细地解释了实验数据。
实验证明，利用偏振法测量半导体激光器的封装应力是一种快捷而有效的试验方法。
2 应变理论与分析应力会改变半导体材料的能带结构与带隙宽度。
在张应力的情况下，半导体能带中导带下移，价带上移，造成其禁带宽度变窄从而激射波长红移；在压应力的情况下，造成带隙宽度变宽，激射波长蓝移。
在半导体材料的带隙宽度随应力改变的同时，价带底部也会发生微小变化。
如图1所示，C(Conduction band)为导带，HH(Heavy hole)、LH(Light hole)和SO(Spin-orbit split band)分别为重空穴带、轻空穴带和自旋-轨道分裂带。
在压应变或无应力状态下，重空穴带(HH)在上，轻空穴带(LH)在下，由此被激发时，TE模占主导。
封装过后张应力将导致LH上升，由此造成TE模减小TM模增大。
图1 应力对半导体能带的影响[9-12]Fig.1 Effect of stress on semiconductor energy band[9-12]在半导体激光器巴条封装过程中，由于巴条宽度约为1 cm，腔长为0.1～0.3 cm，长宽比很大，为计算简便可用单轴应力模型[9-10]：ΔEhh,lh(ε)biaxial=(1)其中，ΔEhh,lh(ε)biaxial为应变造成的禁带宽度变化量，ε为封装引入有源区的应力，C11、C12分别为弹性劲度系数，a、b分别为静压形变势和切形变势。
本实验采用巴条芯片为GaAs，其各项参数如下：a=-8.33,b=-1.7,C11=11.879,C12=5.376，由胡克定律整理可得ΔEhh,lh(ε)biaxial=2.0357ε，(2)由于半导体激射波长由禁带宽度决定，代入上式即可得到波长漂移与封装应力的关系：(3)半导体激光器在阈值以上工作时，由于热效应及载流子的重新分布，偏振特性不能准确得出封装引入的应变量，而较小电流工作时的增益不足以补偿腔内损耗，即只有自发发射时，偏振特性才可以直接反映其受到的应力变化。
LD激射光束的偏振特性可用偏振度表示[6-8]：(4)ITE、ITM分别表示由光电二极管探测得出的TE、TM模光电流强度。
对于同一个激光器，TE模和TM模的自发发射功率主要差别体现在发射速率与光子频率不同。
自发发射速率可表示为[11-12]：(5)式中是谐振子有效质量，d为有源区厚度，f(E1)、f(E2)为费米狄拉克分布方程，A 是自发发射系数。
故TE模与TM模的功率比值为：(6)其中，分别为轻空穴与重空穴的有效质量，EqTE、EqTM分别为激光器量子阱的导带到重空穴与轻空穴的带隙，k为玻尔兹曼常数[12]。
(7)其中d为有源区厚度。
依据应变与半导体激光器有源区的带隙关系[10]，可推导出ΔEj=ajε+bjε2, j=TE,TM，(8)当测出封装后巴条的偏振度变化后，通过对(4)、 (6)、(7)、(8)方程组求解就可得出封装后引入有源区的应变值。
GaAs材料相关物理参数如表1所示。
表1 砷化镓材料参数Tab.1 GaAs material parametersGaAsmaterialTEpolarizationTMpolarizationa/eV5．8812．36b/e V0-61．75m∗r0．059720．03707Eg0/eV1．519m∗c0．067本文建模采用巴条、铟焊料、铜热沉三层结构，具体实验参数及模型参照表2及图2。
设定环境温度从铟焊料的熔点430 K降至室温298 K。
为了接近真实焊接情况以及避免模型无限转动，边界约束条件选取A、B、C 3点，AB点连线与X轴平行，BC点连线与Y轴平行，B点约束X、Y、Z轴分量移动，A点约束Y、Z轴分量移动，C点约束Z轴分量移动。
表2 模拟材料参数Tab.2 Material parameters for simulation材料CTE/(10-6·K-1)杨氏模量/(1010Pa)泊松比GaAs6．48．850．31In311．270．4498Cu16．5110．34有关文献表明，半导体材料的偏振特性仅由平面应力影响，与垂直应力无关，定义偏振等效应力为Dop=δx-δz[13-15]。
激光器芯片的前腔面应力仅对器件的可靠性及COD阈值有较大影响[5]，故选取巴条有源区中心从左至右的路径提取应力变化情况(图3)。
图2 巴条模拟模型Fig.2 Laser bar simulation model图3 沿出光面有源区中心偏振等效应力侧向分布Fig.3 Polarization equivalent stress lateral distribution along the surface active region由模拟结果可知，芯片的偏振等效应力在左右两端急剧变化，两端压应力为主，中心张应力为主。
这是由于在焊接温度降至室温的过程中，焊料两端散热较快首先凝固，而芯片材料的CTE系数比热沉材料小，造成凝固后芯片两端下压中心向上翘曲，使得两端以压应力为主，中心则以张应力为主。