大功率半导体激光阵列芯片封装关键技术研究

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1、中文图书分类号：TN248密级：公开UDC：535学校代码：10005博士学位论文DOCTORALDISSERTATION论文题目：大功率半导体激光阵列芯片封装关键技术研究论文作者：贾冠男学科：光学工程指导教师：王智勇研究员论文提交日期:2017年5月UDC：535学校代码：10005中文图书分类号：TN248学号：B201313012密级：公开北京工业大学工学博士学位论文题目：大功率半导体激光阵列芯片封装关键技术研究英文题目：Researchonkeytechnologiesofhighpowerdiodelaserar

2、raypackaging论文作者：贾冠男学科：光学工程研究方向：能量光电子申请学位：工学博士指导教师：王智勇研究员所在单位：激光工程研究院答辩日期：2017年5月授予学位单位：北京工业大学独创性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名：贾冠男日期：

3、2017年5月20日关于论文使用授权的说明本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。（保密的论文在解密后应遵守此规定）签名：贾冠男日期：2017年5月20日导师签名：王智勇日期：2017年5月20日摘要摘要大功率半导体激光器是激光行业中极具成长潜力和极富研究价值的器件，其应用遍及众多事关国计民生的重要领域。半导体激光阵列（LDA）芯片作为大功率半导体激光器的核心部件，其封装质量不仅

4、严重影响半导体激光器的输出特性（如功率、波长、偏振特性、光束质量等），而且直接决定了半导体激光器的可靠性，特别是寿命。因此LDA芯片封装技术是大功率半导体激光器研发与制造的基础技术。本论文针对LDA芯片封装中需要解决的三个关键技术问题——Smile效应、芯片散热和芯片焊接稳定性进行了系统的理论和实验研究，取得了以下成果：1、提出了应力补偿法抑制Smile效应技术，该技术基于应力补偿原理，通过控制焊接前LDA裸芯片的弯曲，对芯片施加一个与封装热应力反向的外加应力，用以对封装热应力进行充分补偿，可以将Smile效应稳定控制在0

5、.5μm之内，且不会影响LDA器件的各项光电性能参数。裸芯片的外加应力可以用其弯曲方向和弯曲量来表征，通过测量芯片弯曲量来间接量化外加应力，从而建立外加应力与Smile效应之间的稳定对应关系，实现对Smile效应的稳定控制。2、提出了探针扫描法测量Smile效应技术，该技术以LDA芯片N面的起伏来表征芯片本身的弯曲，利用精密探针，通过机械接触式扫描的技术测量N面起伏来快速获得Smile效应的近似结果。该技术可以获得准确的Smile效应形态，Smile效应大小的测量值与实际值之差小于1μm，且实际值不会超出测量值。此外，该技

6、术操作简单，测量耗时短，可在1分钟之内完成测量。更重要的是，使用该技术测量Smile效应时，无需对LDA器件加电，可在芯片焊接完成后立即进行测量。因此该技术可以方便地集成在LDA芯片批量化封装的流水中，实现对焊接Smile效应的实时在线监测，从而确保焊接工艺的稳定性，提高焊接良品率。3、设计开发了基于激光3D打印的镍基稀土合金微通道冷却热沉，减小了LDA器件的Smile效应，提高了激光器稳定性与寿命。通过数值模拟优化微通道热沉的内部结构，弥补了镍基稀土合金热导率较低的缺陷，获得了散热能力良好的微通道热沉。热沉性能测试结果显

7、示，该热沉最高可满足120W/bar连续输出LDA芯片的散热。在冷却水流量0.3L/min，水温25℃的条件下，该热沉用于冷却功率80W/bar连续输出的LDA芯片，热阻0.4K/W，仅比商用无氧铜微通道热沉高出11.1%，压降0.5bar。Smile效应0.8μm，比商用无氧铜热沉降低了46.7%。经过1000小时常规老化后，器件功率衰减程度小于3%。-I-北京工业大学工学博士学位论文4、采用控制变量法系统研究了AuSn焊接工艺参数对LDA器件性能的影响，获得了焊接温度、保温时间和焊接压强对LDA器件焊层质量、功率、波长

8、红移值和Smile效应的影响规律，并得出了优化的AuSn焊接工艺曲线。采用该焊接工艺曲线封装的传导冷却Mini-bar激光器，在冷却温度25℃，工作电流连续60A的条件下，输出功率58.7W，波长红移值11.1nm，Smile效应小于0.3μm，且焊层无空洞。封装效果在现有的报道中处于领先水平。关键词：