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

聂志强; 王明培; 孙玉博; 李小宁; 吴迪

doi:10.3788/IRLA201948.S105003

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

doi: 10.3788/IRLA201948.S105003

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试验室,陕西西安 710119;
2.
中国科学院大学,北京 100049;
3.
西安炬光科技股份有限公司,陕西西安 710077

基金项目:

国家自然科学基金（61334010）

详细信息

作者简介:
聂志强(1982-),男,副研究员,主要从事高功率半导体激光器封装方面的研究。Email:niezq@opt.ac.cn

中图分类号: TN248.4

High power semiconductor laser lifetime prediction and failure analysis based on Weibull and Log-normal distribution

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;
3.
Focuslight Technologies Inc.,Xi'an 710077,China

摘要: 分别采用韦布尔分布和对数分布模型对额定功率60 W（CW条件下）的808 nm铟焊料封装的传导冷却型单巴高功率半导体激光器在恒定电流条件下进行的三个不同温度的加速老化试验数据进行分析并估计了常温下的寿命。在韦布尔分布统计分析中计算了各温度下器件的特征寿命和统计平均寿命，发现早期失效情况下形状参数小于1且数学平均寿命的计算方法误差加大，不如使用统计平均的方法。在对数分布统计分析中计算了各温度下器件的中位寿命和统计平均寿命，发现早期失效下的对数标准差较大且影响统计平均寿命的计算，这种情况不适合用对数正态分布估计寿命。最后对不同时期的加速寿命器件进行了失效分析。
- 高功率半导体激光器 /
- 热加速老化试验 /
- 韦布尔分布 /
- 对数正态分布 /
- 失效分析
Abstract: The accelerated aging test of 60 W(CW mode) 808 nm indium-packaged conductively cooled single bar high power semiconductor laser with constant current under three different temperatures was analyzed by Weibull and Log-normal distributions models, respectively. The characteristic lifetime and statistical average lifetime of the device under all the tempertures including room temperature were calculated in Weibull distribution analysis, and it is found that for early failure test, the shape parameter is less than 1, and the calculation error of mathematical average lifetime is larger, which is not as good as statistical average lifetime. In Log-normal distribution analysis, the medium lifetime and statistical average lifetime under all the tempertures are calculated. It is found that for early failure test, the logarithmic standard deviation is larger and creates larger error of statistical average lifetime. It means that Log-normal distribution mode is not suitable for lifetime estimation of early failure device. Finally failure analysis of accelerated lifetime devices is carried out.
- high power semiconductor laser /
- thermally accelerated ageing test /
- Weibull distribution /
- Log-normal distribution /
- failure analysis

[1]	Mao Shisong, Wang Lingling. Accelerated Aging Test[M]. Beijing:Science Press, 1997. (in Chinese)茆诗松, 王玲玲. 加速寿命试验[M]. 北京:科学出版社, 1997.
[2]	Xu Xiaoling, Wang Ronghua, Gu Beiqing, et al. Fitting test of Weibull and Lognormal distribution for small sample under type-Ⅱ censored situation[J]. Journal of Applied Statistics and Management, 2017, 36(5):810-820. (in Chinese)徐晓岭, 王蓉华, 顾蓓青, 等. 小样本定数截尾场合下威布尔和对数正态分布的拟合检验[J]. 数理统计与管理, 2017, 36(5):810-820.
[3]	Chen Jinghai, Wu Yong, Shan Changwei, et al. Application of tow distribution functions on the torsion fatigue life analysis of crankshafts[J]. Physical Testing and Chemical Analysis Part A:Physical Test, 2016, 52(11):781-785. (in Chinese)陈敬海, 吴勇, 单长伟, 等. 两种分布函数在曲轴扭转疲劳寿命分析中的应用[J]. 理化检验-物理分册, 2016, 52(11):781-785.
[4]	Santhosh Tens Valg, Gopika Vinas, Ghosh Abay Kenmy, et al. An approach for reliability prediction of instrumentation control cables by artificial neural networks and Weibull theory for probabilistic safety assessment of NPPs[J]. Reliability Engineering and System Safety, 2018, 170:31-44.
[5]	Bi Qixuan, Gui Wenhao. Bayesian and classical estimation of stress-strength reliability for inverse Weibull lifetime models[J]. Algorithms, 2017, 10(71):1-16.
[6]	Mekonnen Yemeserach, Aburbu Haneen, Sarwat Aburbu. Life cycle prediction of sealed lead acid batteries based on a Weibull model[J]. Journal of Energy Storage, 2018, 18:467-475.
[7]	Kohei Kumo, Ken Yokey, Masayuki Umkia. A lognormal distribution of the length of terminal twigs on self-similar bracnches of elm trees[J]. Proceedings of the Royal Society B:Biological Sciences, 2017, 284:1846-1852.
[8]	Ma Xiaoyu, Wang Jun, Liu Suping. Present situation of investigations and applications in high power semiconductor lasers[J]. Infrared and Laser Engineering, 2008, 37(2):189-194. (in Chinese)马晓宇, 王俊, 刘素萍. 国内大功率半导体激光器研究及应用现状[J]. 红外与激光工程, 2008, 37(2):189-194.
[9]	Wu Deyong, Lv Wenqiang, Wei Bin, et al. Beam reshape of high power laser diode stack[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2014, 26(10):101001. (in Chinese)武德勇, 吕文强, 魏彬, 高松信. 高功率叠阵二极管激光器光束整形[J]. 强激光与粒子束, 2014, 26(10):101001.
[10]	Wang Wen, Gao Xin, Zhou Zepeng, et al. Steady-state thermal analysis of hundred-watt semiconductor laser with multichip-packaging[J]. Infrared and Laser Enginering, 2014, 43(5):1438-1443. (in Chinese)王文, 高欣, 周泽鹏, 等. 百瓦级多芯片半导体激光器稳态热分析[J]. 红外与激光工程, 2014, 43(5):1438-1443.
[11]	Wang Jiabin, Yan Changling. Influence of solder thickness on semiconductor laser packaging thermal character[J]. Electronics World, 2018(8):106-120. (in Chinese)王佳彬, 晏长岭. 焊料厚度对半导体激光器封装热特性的影响[J]. 电子世界, 2018(8):106-120.
[12]	Ren Yongxue, Deng Haili, Cheng Yitao, et al. Continuous semiconductor laser single array burning selection system[J]. Micronanoelectronic Technology, 2011(7):236-243. (in Chinese)任永学, 邓海丽, 程义涛, 等. 连续半导体激光器单条阵列老化筛选系统[J]. 微纳电子技术,2011(7):236-243.
[13]	Tomm Jens, Hempel Martin, Venables David, et al. Rapid stress-testing vs. long-term aging:a case study of 980nm emitting single-spatial mode lasers[C]//SPIE, 2016, 9733:31-36.
[14]	Sin Yongkun, Presser Nathan, Lingley Zachary, et al. Reliability, failure modes, and degradation mechanisms in high power single-and multi-mode InGaAs-AlGaAs strained quantum well lasers[C]//SPIE, 2016, 9733:973304.

[1]	杨涛, 李武森, 陈文建. 新型小功率半导体激光器驱动及温控电路设计 . 红外与激光工程, 2022, 51(2): 20210764-1-20210764-8. doi: 10.3788/IRLA20210764
[2]	王振宝, 冯刚, 吴勇, 张磊, 方波浪, 王飞, 王平, 武俊杰. 脉冲/连续高功率激光光斑分布阵列探测器 . 红外与激光工程, 2022, 51(10): 20220064-1-20220064-5. doi: 10.3788/IRLA20220064
[3]	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
[4]	吴涛, 庞涛, 汤玉泉, 孙鹏帅, 张志荣, 徐启铭. 半导体激光器驱动电路设计及环路噪声抑制分析 . 红外与激光工程, 2020, 49(6): 20190386-1-20190386-10. doi: 10.3788/IRLA20190386
[5]	蒋红艳, 仇洪冰, 何宁, 吴越, Zahir Ahmad, Sujan Rajbhandari. 对数正态分布衰落下的光OFDM水下可见光通信空间分集系统 . 红外与激光工程, 2020, 49(2): 0203008-0203008. doi: 10.3788/IRLA202049.0203008
[6]	薛梦凡, 彭冬亮, 荣英佼, 申屠晗, 骆吉安, 陈志坤, 刘智惟. 采用实时功率反馈的半导体激光器幅度调制方法 . 红外与激光工程, 2019, 48(9): 905002-0905002(7). doi: 10.3788/IRLA201948.0905002
[7]	郑天然, 王方, 孙喜博, 胡东霞. 基于光场分布特性分析的高功率激光吸收体设计方法研究 . 红外与激光工程, 2019, 48(10): 1005010-1005010(6). doi: 10.3788/IRLA201948.1005010
[8]	班雪峰, 赵懿昊, 王翠鸾, 刘素平, 马骁宇. 808 nm半导体分布反馈激光器的光栅设计与制作 . 红外与激光工程, 2019, 48(11): 1105003-1105003(6). doi: 10.3788/IRLA201948.1105003
[9]	王鑫, 朱凌妮, 赵懿昊, 孔金霞, 王翠鸾, 熊聪, 马骁宇, 刘素平. 915 nm半导体激光器新型腔面钝化工艺 . 红外与激光工程, 2019, 48(1): 105002-0105002(5). doi: 10.3788/IRLA201948.0105002
[10]	谢圣文, 杨成奥, 黄书山, 袁野, 邵福会, 张一, 尚金铭, 张宇, 徐应强, 倪海桥, 牛智川. 2 μm GaSb基大功率半导体激光器研究进展 . 红外与激光工程, 2018, 47(5): 503003-0503003(9). doi: 10.3788/IRLA201847.0503003
[11]	张龙, 陈建生, 高静, 檀慧明, 武晓东. 大功率半导体激光器驱动电源及温控系统设计 . 红外与激光工程, 2018, 47(10): 1005003-1005003(7). doi: 10.3788/IRLA201847.1005003
[12]	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 . 红外与激光工程, 2018, 47(11): 1105002-1105002(8). doi: 10.3788/IRLA201847.1105002
[13]	王立军, 彭航宇, 张俊, 秦莉, 佟存柱. 高功率高亮度半导体激光器合束进展 . 红外与激光工程, 2017, 46(4): 401001-0401001(10). doi: 10.3788/IRLA201746.0401001
[14]	罗小贤, 赵柏秦, 纪亚飞, 庞艺. 椭圆高斯分布半导体激光器泵浦被动调Q激光器的优化 . 红外与激光工程, 2017, 46(3): 305003-0305003(7). doi: 10.3788/IRLA201746.0305003
[15]	杨玉峰, 李挺, 李建勋, 王昭雷. 沙尘在FSO常用红外波段的散射特性研究 . 红外与激光工程, 2017, 46(6): 604004-0604004(6). doi: 10.3788/IRLA201746.0604004
[16]	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
[17]	陈河, 陈胜平, 侯静, 姜宗福. 1.06μm注入锁定增益开关半导体激光器特性分析与功率放大研究 . 红外与激光工程, 2015, 44(10): 2900-2905.
[18]	徐正文, 曲轶, 王钰智, 高婷, 王鑫. 高功率980nm非对称宽波导半导体激光器设计 . 红外与激光工程, 2014, 43(4): 1094-1098.
[19]	王文, 高欣, 周泽鹏, 许留洋, 周路, 薄报学. 百瓦级多芯片半导体激光器稳态热分析 . 红外与激光工程, 2014, 43(5): 1438-1443.
[20]	高飞, 陈飞, 谢冀江, 张来明, 李殿军, 杨贵龙, 郭劲. 半导体泵浦铯蒸汽激光器工作特性分析 . 红外与激光工程, 2013, 42(9): 2386-2391.

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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

doi: 10.3788/IRLA201948.S105003

作者简介:
聂志强(1982-),男,副研究员,主要从事高功率半导体激光器封装方面的研究。Email:niezq@opt.ac.cn

High power semiconductor laser lifetime prediction and failure analysis based on Weibull and Log-normal distribution

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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

doi: 10.3788/IRLA201948.S105003

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试验室,陕西西安 710119;

2. 中国科学院大学,北京 100049;

3. 西安炬光科技股份有限公司,陕西西安 710077

作者简介:
聂志强(1982-),男,副研究员,主要从事高功率半导体激光器封装方面的研究。Email:niezq@opt.ac.cn

English Abstract

High power semiconductor laser lifetime prediction and failure analysis based on Weibull and Log-normal distribution

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;

3. Focuslight Technologies Inc.,Xi'an 710077,China

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doi: 10.3788/IRLA201948.S105003

作者简介: 聂志强(1982-),男,副研究员,主要从事高功率半导体激光器封装方面的研究。Email:niezq@opt.ac.cn

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doi: 10.3788/IRLA201948.S105003

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试验室,陕西 西安 710119; 2. 中国科学院大学,北京 100049; 3. 西安炬光科技股份有限公司,陕西 西安 710077

作者简介: 聂志强(1982-),男,副研究员,主要从事高功率半导体激光器封装方面的研究。Email:niezq@opt.ac.cn

English Abstract

High power semiconductor laser lifetime prediction and failure analysis based on Weibull and Log-normal distribution

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; 3. Focuslight Technologies Inc.,Xi'an 710077,China

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作者简介:
聂志强(1982-),男,副研究员,主要从事高功率半导体激光器封装方面的研究。Email:niezq@opt.ac.cn

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试验室,陕西西安 710119;

2. 中国科学院大学,北京 100049;

3. 西安炬光科技股份有限公司,陕西西安 710077

作者简介:
聂志强(1982-),男,副研究员,主要从事高功率半导体激光器封装方面的研究。Email:niezq@opt.ac.cn

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;

3. Focuslight Technologies Inc.,Xi'an 710077,China