高功率半导体激光器互连界面可靠性研究

彭勃; 张普; 陈天奇; 赵崟岑; 吴的海; 刘晖

doi:10.3788/IRLA201847.1105002

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

高功率半导体激光器互连界面可靠性研究

彭勃, 张普, 陈天奇, 赵崟岑, 吴的海, 刘晖

文章导航 > 红外与激光工程 > 2018 > 47(11): 1105002-1105002(8)

彭勃, 张普, 陈天奇, 赵崟岑, 吴的海, 刘晖. 高功率半导体激光器互连界面可靠性研究[J]. 红外与激光工程, 2018, 47(11): 1105002-1105002(8). doi: 10.3788/IRLA201847.1105002

引用本文:

Peng Bo, Zhang Pu, Chen Tianqi, Zhao Yincen, Wu Dihai, Liu Hui. Reliability of bonding interface in high power diode lasers[J]. Infrared and Laser Engineering, 2018, 47(11): 1105002-1105002(8). doi: 10.3788/IRLA201847.1105002

Citation:

Peng Bo, Zhang Pu, Chen Tianqi, Zhao Yincen, Wu Dihai, Liu Hui. Reliability of bonding interface in high power diode lasers[J]. Infrared and Laser Engineering, 2018, 47(11): 1105002-1105002(8). doi: 10.3788/IRLA201847.1105002

高功率半导体激光器互连界面可靠性研究

doi: 10.3788/IRLA201847.1105002

彭勃^1,2,
张普¹,
陈天奇^1,2,
赵崟岑²,
吴的海^1,2,
刘晖¹

1.
中国科学院西安光学精密机械研究所瞬态光学与光子技术国家重点实验室,陕西西安 710119;
2.
中国科学院大学,北京 100049

基金项目:

国家自然科学基金（61334010，61404172）

详细信息

作者简介:
彭勃(1991-),男,硕士生,主要从事高功率半导体激光器可靠性方面的研究。Email:pengbo2015@opt.cn

中图分类号: TN248.4

Reliability of bonding interface in high power diode lasers

1.
State Key Laboratory of Transient Optics and Photonics,Xi'an Institute of Optics and Precision Mechanics,Chinese Academy of Sciences,Xi'an 710119,China;
2.
University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China

摘要: 随着高功率半导体激光器（HPLD）在极端环境中的应用越来越广泛，互连界面的可靠性已成为制约其性能和寿命的关键瓶颈之一。文中利用有限元方法（FEM）对传导冷却（CS）高功率半导体激光器巴条互连界面在-55~125℃热冲击条件下的失效行为和寿命进行了模拟与分析。基于粘塑性Anand本构模型和Darveaux能量积累理论，对比了热冲击后界面层边缘及中心位置铟互连界面的可靠性，发现互连界面边缘的应力最大，达到0.042 5 GPa；相应的边缘位置的寿命最短，只有3 006个周期，即边缘位置为互连界面的最危险单元。预测了采用铟、金锡合金和纳米银焊膏封装的半导体激光器巴条的寿命，计算出铟、金锡合金和纳米银焊膏三种不同键合材料在边缘位置的寿命分别为3 006、4 808和4 911次循环，表明纳米银焊膏和金锡合金在热冲击条件下具有更长的寿命，更适合于用于极端环境的高功率半导体激光器封装。
- 可靠性 /
- 高功率半导体激光器 /
- 互连界面 /
- 寿命 /
- 有限元
Abstract: With the rapidly increasing applications of high power laser diode(HPLD) in extreme environments, the reliability of bonding interface has become one of the critical bottlenecks affecting the HPLD's performance and lifetime. In this work, failure behavior and lifetime of a single-bar CS-packaged HPLD under -55-125℃ thermal-shock were analyzed by finite element method(FEM). Based on Anand constitutive model and Darveaux energy accumulation theory, the reliability of indium bonding layer on the edge and at the central position after the themal-shock was compared. It shows that the bonding interface on the edge has the highest stress (0.042 5 GPa) and lowest lifetime (3 006 cycles), in other words, the edge is the riskiest element of the bonding interface. In addition, the lifetimes of three kinds of bonding layers on the edge, including indium, 80Au20Sn and nanosilver paste, were simulated to be 3 006, 4 804 and 4 911 cycles, respectively. The results show nanosilver paste and 80Au20Sn have longer lifetimes and better reliability, which are better bonding materials in the packaging of high power laser diodes used in extreme enviroments.
- reliability /
- high power laser diode /
- bonding interface /
- lifetime /
- finite element

[1]	Wu D, Zhang P, Nie Z, et al. Optimization of microchannel cooler of high power diode laser array package[C]//SPIE, 2017, 100851:100850I.
[2]	Wang Yinshun, Ren Yongxue, An Zhenfeng. Study of high brightness fiber coupled diode lasers[J]. Infrared and Laser Engineering, 2016, 45(S2):S206004. (in Chinese)
[3]	He Guorong, Zheng Wanhua, Qu Hongwei. Influence of fusion interface on optical and thermal characteristics of vertical cavity lasers[J]. Infrared and Laser Engineering, 2007, 36(6):798-801. (in Chinese)
[4]	Zhang P, Liu X, Zhu Q, et al. Thermal characteristics of compact conduction-cooled high power diode laser array packages[C]//SPIE, 2017, 10085:100850A.
[5]	Chang Ruiwu. Influence of cryogenic temperature and microstructure on fatigue failure of indium solder joint[D]. Maryland:Maryland University, 2008.
[6]	Kong Da, Zhang Liang, Yang Fan. Fatigue lifetime p-rediction of SnAgCu-X solder based on Anand model[J]. Transactions of The China Welding Institution, 2017, 38(4):17-21, 129. (in Chinese)
[7]	Zhang Guoshang. Research on the mechanical properties of 80Au/20Sn solder alloy[D]. Tianjin:Tianjin University, 2010. (in Chinese)
[8]	Zhang Pengzhe. Research on process and mechanism of bonding using small nanosil ver paste at low temperature and pressure[D]. Harbin:Harbin Institute of Technology, 2016. (in Chinese)
[9]	Paydar N H, Tong Y, Akay H U. A finite element study of factors affecting fatigue life of solder joints[J]. ASME Journal of Electronic Packaging, 1994, 116(2):265-273.
[10]	Darveaux R. Effect of simulation methodology on solder joint crack growth correlation and fatigue life prediction[J]. Journal of Electronic Packaging, 2002, 124(3):147-154.

[1]	朱伟鸿, 汪洋, 王栎皓, 刘艺晨, 武震宇. 卫星激光通信MEMS快速反射镜可靠性研究进展 . 红外与激光工程, 2023, 52(9): 20230179-1-20230179-13. doi: 10.3788/IRLA20230179
[2]	张业奇, 王贞福, 李特, 陈琅, 张佳晨, 吴顺华, 刘嘉辰, 杨国文. 双应力交叉步进加速退化试验下大功率半导体激光器寿命预测方法 . 红外与激光工程, 2023, 52(5): 20220592-1-20220592-10. doi: 10.3788/IRLA20220592
[3]	李建林, 刘卓林, 陈晓燕, 雷永畅, 董伟, 钱昆伦. 红外焦平面探测器杜瓦组件的热致破坏及其环境试验 . 红外与激光工程, 2022, 51(4): 20210337-1-20210337-10. doi: 10.3788/IRLA20210337
[4]	李建林, 谢刚, 刘炼, 陈晓燕, 董伟, 雷永畅. 碲镉汞焦平面阵列无效像元（盲元）特征与成因 . 红外与激光工程, 2021, 50(2): 20200202-1-20200202-12. doi: 10.3788/IRLA20200202
[5]	朱双双, 吴洋, 邹鹏, 崔珊珊, 胡强, 刘振海, 裘桢炜, 洪津. 星载红外探测器组件环境适应性分析与性能优选 . 红外与激光工程, 2020, 49(2): 0204001-0204001. doi: 10.3788/IRLA202049.0204001
[6]	李建林, 张绍裕, 孙娟, 谢刚, 周嘉鼎, 马颖婷. 热应力加速试验评定碲镉汞焦平面阵列像元储存寿命 . 红外与激光工程, 2019, 48(10): 1004003-1004003(9). doi: 10.3788/IRLA201948.1004003
[7]	聂志强, 王明培, 孙玉博, 李小宁, 吴迪. 基于韦布尔分布和对数正态分布的高功率半导体激光器寿命估计和失效分析研究 . 红外与激光工程, 2019, 48(S1): 64-71. doi: 10.3788/IRLA201948.S105003
[8]	唐进迎, 雷武虎, 任晓东, 张坤, 张明鑫. 星载荷热控制辐冷板激光致热计算分析 . 红外与激光工程, 2018, 47(12): 1243002-1243002(8). doi: 10.3788/IRLA201847.1243002
[9]	李建林, 李惟夏, 徐世春. 非蒸散型吸气剂维持红外焦平面探测器杜瓦组件工作真空度的性能与应用 . 红外与激光工程, 2018, 47(10): 1004001-1004001(9). doi: 10.3788/IRLA201847.1004001
[10]	马腾, 苏丹丹, 周航, 郑齐文, 崔江维, 魏莹, 余学峰, 郭旗. γ射线辐照对130 nm部分耗尽SOI MOS器件栅氧经时击穿可靠性的影响 . 红外与激光工程, 2018, 47(9): 920006-0920006(6). doi: 10.3788/IRLA201847.0920006
[11]	蒙裴贝, 史文宗, 颜凡江, 李旭. 谐振腔失谐对二极管泵浦Nd：YAG激光器性能的影响 . 红外与激光工程, 2017, 46(6): 605001-0605001(7). doi: 10.3788/IRLA201746.0605001
[12]	朱其文, 张普, 吴的海, 聂志强, 熊玲玲, 刘兴胜. 千瓦级传导冷却半导体激光器阵列热特性 . 红外与激光工程, 2017, 46(10): 1005003-1005003(7). doi: 10.3788/IRLA201754.1005003
[13]	战宇, 刘常升, 薛俊川. 等效载荷法模拟激光超声微裂纹检测 . 红外与激光工程, 2016, 45(10): 1006004-1006004(5). doi: 10.3788/IRLA201645.1006004
[14]	郝立超, 黄爱波, 赖灿雄, 陈星, 陈辉, 郝明明, 路国光, 黄云, 恩云飞. 盲元作为红外焦平面可靠性分析手段的探讨 . 红外与激光工程, 2016, 45(5): 504004-0504004(5). doi: 10.3788/IRLA201645.0504004
[15]	吴飞, 董杰, 田海霞, 蔡璐璐. 黑体腔高温传感器结构设计 . 红外与激光工程, 2015, 44(9): 2609-2614.
[16]	王洋, 鲁星, 孟超, 刘俊明, 邝永变, 孟庆端, 朱旭波, 司俊杰. InSb焦平面探测器高低温循环特性研究 . 红外与激光工程, 2015, 44(12): 3701-3706.
[17]	李建林, 刘湘云, 朱颖峰, 孙娟. 红外焦平面探测器杜瓦组件真空失效及其检测方法 . 红外与激光工程, 2015, 44(10): 2874-2879.
[18]	王振宝, 吴勇, 杨鹏翎, 冯国斌, 张磊. 强激光辐照铝靶温度分布数值模拟及实验研究 . 红外与激光工程, 2014, 43(7): 2061-2065.
[19]	马鑫, 杨萱, 杨辰, 钱航, 郑龙飞. 太阳帆航天器姿态控制滚转轴稳定机设计 . 红外与激光工程, 2014, 43(S1): 72-77.
[20]	王为清, 杨立, 范春利, 吕事桂, 石宏臣. Q235钢拉伸过程热塑性效应试验研究及有限元分析 . 红外与激光工程, 2013, 42(5): 1153-1160.

点击查看大图

计量

文章访问数: 388
HTML全文浏览量: 67
PDF下载量: 52
被引次数: 0

高功率半导体激光器互连界面可靠性研究

doi: 10.3788/IRLA201847.1105002

1. 中国科学院西安光学精密机械研究所瞬态光学与光子技术国家重点实验室,陕西西安 710119;

2. 中国科学院大学,北京 100049

作者简介:
彭勃(1991-),男,硕士生,主要从事高功率半导体激光器可靠性方面的研究。Email:pengbo2015@opt.cn

收稿日期: 2018-06-05
修回日期: 2018-07-03
刊出日期: 2018-11-25

基金项目:

国家自然科学基金（61334010，61404172）

中图分类号: TN248.4

关键词:

摘要: 随着高功率半导体激光器（HPLD）在极端环境中的应用越来越广泛，互连界面的可靠性已成为制约其性能和寿命的关键瓶颈之一。文中利用有限元方法（FEM）对传导冷却（CS）高功率半导体激光器巴条互连界面在-55~125℃热冲击条件下的失效行为和寿命进行了模拟与分析。基于粘塑性Anand本构模型和Darveaux能量积累理论，对比了热冲击后界面层边缘及中心位置铟互连界面的可靠性，发现互连界面边缘的应力最大，达到0.042 5 GPa；相应的边缘位置的寿命最短，只有3 006个周期，即边缘位置为互连界面的最危险单元。预测了采用铟、金锡合金和纳米银焊膏封装的半导体激光器巴条的寿命，计算出铟、金锡合金和纳米银焊膏三种不同键合材料在边缘位置的寿命分别为3 006、4 808和4 911次循环，表明纳米银焊膏和金锡合金在热冲击条件下具有更长的寿命，更适合于用于极端环境的高功率半导体激光器封装。

English Abstract

Reliability of bonding interface in high power diode lasers

1. State Key Laboratory of Transient Optics and Photonics,Xi'an Institute of Optics and Precision Mechanics,Chinese Academy of Sciences,Xi'an 710119,China;

2. University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China

Received Date: 2018-06-05
Rev Recd Date: 2018-07-03
Publish Date: 2018-11-25

Keywords:

Abstract: With the rapidly increasing applications of high power laser diode(HPLD) in extreme environments, the reliability of bonding interface has become one of the critical bottlenecks affecting the HPLD's performance and lifetime. In this work, failure behavior and lifetime of a single-bar CS-packaged HPLD under -55-125℃ thermal-shock were analyzed by finite element method(FEM). Based on Anand constitutive model and Darveaux energy accumulation theory, the reliability of indium bonding layer on the edge and at the central position after the themal-shock was compared. It shows that the bonding interface on the edge has the highest stress (0.042 5 GPa) and lowest lifetime (3 006 cycles), in other words, the edge is the riskiest element of the bonding interface. In addition, the lifetimes of three kinds of bonding layers on the edge, including indium, 80Au20Sn and nanosilver paste, were simulated to be 3 006, 4 804 and 4 911 cycles, respectively. The results show nanosilver paste and 80Au20Sn have longer lifetimes and better reliability, which are better bonding materials in the packaging of high power laser diodes used in extreme enviroments.