论文部分内容阅读
高功率半导体激光器(HPLD)具有体积小、重量轻、效率高、可靠性高、波长覆盖范围大、成本低等诸多优点,在固体激光器和光纤激光器泵浦、医疗美容、投影显示、材料加工以及红外照明等领域都获得了广泛应用。互连界面作为半导体激光器中连接激光器芯片和底部热沉的中间结构,除了起到机械连接和电连接的作用之外,还能够缓冲芯片和热沉之间由热膨胀系数(CTE)不匹配引起的应力应变。热冲击、振动冲击、电脉冲循环等因素会导致互连界面材料内部产生蠕变和塑性变形,然后进一步产生空洞、裂纹,最终影响到输出激光的功率、光谱光束质量、存储寿命以及工作寿命。因此研究高功率半导体激光器互连界面的可靠性,尤其是研究互连界面在热冲击和极端环境温度条件下工作时的可靠性和有效寿命,具有非常重要的理论意义和实际应用价值。本文研究了互连界面在热冲击和极端温度工作条件下的失效机理,建立了高功率半导体激光器阵列互连界面在不同结构、不同材料组成以及不同温度等条件下的疲劳失效过程及寿命预测模型。具体研究工作介绍如下:(1)基于统一粘塑性Anand本构模型和Darveaux寿命预测模型,采用有限元软件模拟了In材料封装的软焊料封装(CS)器件在-55℃~125℃(228 K~398K)循环热冲击条件下的完整疲劳失效过程,分析了互连界面的应力、应变分布和变化情况,得到了“最危险单元”的位置位于互连界面远离中心位置的边缘顶角,并根据裂纹产生和扩散的预测结果归纳了互连界面在循环热冲击条件下的失效机理。(2)模拟得到了在-55℃~125℃循环热冲击条件下CS器件不同发光点位置的互连界面寿命,结果表明位于边缘发光点位置下的互连界面区域最容易发生疲劳失效,寿命最短,为3006个循环;位于中心发光点位置下的互连界面寿命最高,达到171131个循环。计算得到在-55℃~125℃循环热冲击条件下CS器件三种不同互连界面材料In、80Au20Sn和纳米银焊膏的寿命分别是3006、4080、4911个周期,表明80Au20Sn和纳米银焊膏相对于In在温度梯度较大的热冲击环境中具有更加优越的可靠性和寿命,适合作为该条件下的HPLD互连界面材料使用。(3)分别模拟了常温(25℃)和极低温(-70℃)环境里,峰值功率700 W,脉冲宽度500μs,频率60 Hz,占空比8%的准连续(QCW)808 nm微通道冷却(MCC)半导体激光器工作过程,分析了激光器互连界面在15个工作脉冲之后的应力应变分布情况,建立了半导体激光器互连界面的失效判据,并与实际工程中要求的高功率半导体激光器互连界面寿命标准进行了对比分析。结果表明常温下准连续MCC半导体激光器互连界面的工作寿命可以达到1.36×10~9个脉冲,高于工程应用标准的1×10~9个脉冲;-70℃下准连续MCC半导体激光器互连界面寿命只有6.55×10~8个脉冲,不能满足极低温条件下的工作要求。建立的准连续工作寿命预测模型为未来开展极低温环境下的HPLD疲劳测试实验提供了具有参考价值的数据。