OFP 封裝技術(shù)
–一種高功率光纖耦合半導(dǎo)體激光器的封裝技術(shù)
    01/26/2005，眾望達(dá)技術(shù)有限公司 鄭鴻章 
摘要
    最近幾年來，高功率半導(dǎo)體激光器越來越多地為許多應(yīng)用而生產(chǎn)，如直接的材料處理、光纖激光和放大器泵浦、自由空間光通訊、印刷和醫(yī)療等。這些首要?dú)w功于激光器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、半導(dǎo)體材料和可靠的封裝技術(shù)的發(fā)展。特別是，半導(dǎo)體激光器的封裝使得激光器件能獲得高墻插效率，提高穩(wěn)定性能并節(jié)省使用者的使用成本。盡管最近幾年來獲得的種種進(jìn)展，但封裝、測(cè)試及可靠性等依然占據(jù)光纖耦合輸出的半導(dǎo)體激光器的大量成本。我們開發(fā)的新半導(dǎo)體激光耦設(shè)計(jì)和工藝使得
低成本、高可靠性的半導(dǎo)體光纖激光器耦合變成可能，同時(shí)也使得可以使用自動(dòng)化大批量的機(jī)器封裝。
    本文里，我們獻(xiàn)上一種小側(cè)面尺寸、非制冷的單反射陣面、高功率輸出的半導(dǎo)體封裝技術(shù)。
    這里討論這款小尺寸、小側(cè)面尺寸、高亮度、4w、100um、0.15NA光纖輸出的半導(dǎo)體激光器的平板式光學(xué)封裝的細(xì)化的設(shè)計(jì)信息、熱建模和可靠性數(shù)據(jù)以及這種獨(dú)特的封裝技術(shù)在非制冷環(huán)境中具有的良好熱性能和可靠性能。所有的封裝過程是在無流體環(huán)境中進(jìn)行的。這種無膠的密封封裝，使得激光器的運(yùn)行可靠性很高；此外，使用材料和封裝程序的節(jié)省，減低了可觀的封裝成本；因消除了所有非垂直裝配步驟，使得自動(dòng)化封裝帶光纖耦合輸出得半導(dǎo)體激光器成為可能；其他獨(dú)到之處還包括緊固的無源連接部分和集成的光纖耦合等。這種封裝是特地為光纖激光泵浦、工業(yè)材料處理、固體激光泵浦、印刷和激光醫(yī)療市場(chǎng)而設(shè)計(jì)的。
關(guān)鍵詞：激光封裝，高功率半導(dǎo)體激光器，無制冷封裝，光學(xué)平板式封裝，多模封裝，光纖耦合激光器，小側(cè)面光學(xué)封裝，半導(dǎo)體激光器可靠性
1.介紹
     高功率、寬發(fā)光面、多模半導(dǎo)體激光器在各種領(lǐng)域的應(yīng)用市場(chǎng)，如材料處理、光纖激光泵浦、印刷以及醫(yī)療等，在上個(gè)年代獲得了強(qiáng)勁的發(fā)展。在未來幾年中，這些領(lǐng)域的激光應(yīng)用市場(chǎng)將于2位數(shù)百分比的速度增長(zhǎng)。此外，由于改良的可靠性能、成本和工作效率的顯著優(yōu)越性繼續(xù)推進(jìn)新應(yīng)用市場(chǎng)的發(fā)展。此外，本階段的半導(dǎo)體激光器市場(chǎng)的發(fā)展也來自替代那些用于泵浦半導(dǎo)體激光器的短壽命、低效率的閃光燈。隨功率和可靠性能的發(fā)展，直接采用半導(dǎo)體激光器進(jìn)行材料處理也獲的一定的市場(chǎng)份額。
    高功率泵浦里的半導(dǎo)體激光器有兩種類型：?jiǎn)伟l(fā)射體和列陣。采用單發(fā)射體激光器進(jìn)行泵浦時(shí)，每一個(gè)激光器是單獨(dú)封裝在封裝物和熱沉上的，并且是獨(dú)立驅(qū)動(dòng)或與其他類似的器件串聯(lián)驅(qū)動(dòng)。
    單發(fā)射體的光纖耦合，每根光纖是單獨(dú)耦合到對(duì)應(yīng)發(fā)射體的。一組這樣的獨(dú)立發(fā)射體可以通過外光學(xué)器件或光纖器件非相干地組合在一起，獲得更高的功率。這類高功率激光器的工業(yè)應(yīng)用的可靠性數(shù)據(jù)已經(jīng)被建立。相比之下，列陣激光器是多個(gè)發(fā)射體安裝在一個(gè)公共的熱沉上的，并且是絕對(duì)并OFP 封裝技術(shù)行運(yùn)行的。當(dāng)然，列陣激光器比單發(fā)射體激光器更有能力獲得更高的，低成本的連續(xù)激光功率，然而，列陣激光器需要高精度的光學(xué)和對(duì)準(zhǔn)措施來獲得高的光纖耦合效率。
    同樣的輸出功率，半導(dǎo)體激光器的光斑質(zhì)量比商用的Nd:YAG和CO2 激光器差一到二個(gè)級(jí)別。當(dāng)使用長(zhǎng)焦距（100~150mm）的透鏡聚焦時(shí)，這種劣質(zhì)光斑使得在工作表面上的光功率密度限制在105W/cm左右。象厚鋼片之類的材料處理需要比這高得多的功率密度。一種使半導(dǎo)體激光獲得更高功率密度的辦法是采用光纖激光器。使用半導(dǎo)體泵浦，光纖激光器可以獲得高功率光斑。大部分通用的高功率光纖激光器系采用摻Y(jié)b纖芯的光纖和包層端泵或側(cè)泵方案。最近，千瓦級(jí)半導(dǎo)體泵浦光纖激光器(DPFL)已經(jīng)商用化，這與傳統(tǒng)的CW激光系統(tǒng)的材料處理能力相媲美。此外，與Nd:YAG或CO2 激光器的系統(tǒng)相比，采用光纖激光器的用戶可以節(jié)省一筆可觀的運(yùn)行費(fèi)用。然而，為減低當(dāng)前光纖激光器的成本，需要高性能低更成本的半導(dǎo)體激光器。一臺(tái)千瓦光纖激光器使用幾百個(gè)單管半導(dǎo)體激光器作為泵源。所以，開發(fā)一種低成本、可生產(chǎn)的泵浦半導(dǎo)體激光器的光纖耦合技術(shù)是很重要的。這種封裝技術(shù)必須允許光纖激光器的成本能與傳統(tǒng)激光器競(jìng)爭(zhēng)。此外，這些器件要求比氣體和固體激光器的泵源擁有更高的可靠性。
    在Zewda, 我們專為這種高速市場(chǎng)需求的發(fā)展開發(fā)了一種高功率半導(dǎo)體激光器的封裝技術(shù)。
    本文獻(xiàn)上這種光學(xué)平板封裝(OFP)的設(shè)計(jì)和相應(yīng)數(shù)據(jù)。這種封裝是為光纖耦合的單發(fā)射體，寬發(fā)射面的半導(dǎo)體激光器的工業(yè)應(yīng)用環(huán)境而設(shè)計(jì)的。
2. 封裝設(shè)計(jì)
    圖1顯示光學(xué)平板封裝OFP的圖形和尺寸圖解。這種封裝主要由一個(gè)Cu-W的平板基片組成。
    這個(gè)基片的面積大小是0.5in. x 0.5in (12.7 x 12.7cm)。兩只引腳是激光器相應(yīng)的陽(yáng)極和陰極引腳。這種OFP設(shè)計(jì)使得在激光器運(yùn)行中可以合適地夾緊熱沉。
    
         圖1: 光學(xué)平板封裝（OFP）的外型規(guī)格和尺寸。
     部分這種光學(xué)平板封裝（OFP）的設(shè)計(jì)特征包括：
1． 小的占空面積：如上圖所示，OFP占用很小的面積。這點(diǎn)使的在需要使用大量OFP的光纖激光器應(yīng)用場(chǎng)合節(jié)省可觀的空間。另外，OFP的高度只有3.4mm，這比其他封裝形式，如14腳蝶形封裝小了不少。
2． 垂直封裝：OFP設(shè)計(jì)來消除在安裝過程中所有非垂直封裝的步驟。這使得這種設(shè)計(jì)非常適合自動(dòng)化生產(chǎn)。
3． 無流質(zhì)和膠：所有的封裝過程都在無流質(zhì)和膠的環(huán)境中進(jìn)行的，保證器件的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。
4． 低熱阻率：這種OFP設(shè)計(jì)具有比其他傳統(tǒng)封裝形式更低的熱阻率。這得益于減少了激光芯片和熱沉基板之間的材料接觸面的數(shù)量。我們已經(jīng)測(cè)得在運(yùn)行條件下，OFP的熱阻率小于6oC/W。
5． 低材料成本：OFP封裝的材料成本(BOM)在設(shè)計(jì)階段就已經(jīng)節(jié)省了客觀的一筆。這使得有更少的封裝和工藝步驟，節(jié)省的庫(kù)存控制和低的材料和人工成本。節(jié)省的BOM如圖2所描述。OFP的組成包括采用一根直接與激光半導(dǎo)體耦合的金屬化透鏡光纖，裝在一個(gè)平板基板上。光纖基板是集成在封裝里面的，光纖用Au-Sn焊錫進(jìn)行固定。
     
    圖2：OFP封裝與傳統(tǒng)激光封裝相比擁有降低的材料成本 (BOM)
6． 密封設(shè)計(jì)：對(duì)需要不透氣密封的應(yīng)用要求，OFP封裝是可以做到的。
7． 承受高功率：對(duì)于單發(fā)射體半導(dǎo)體激光器，OFP封裝可以承受高達(dá)6W的光纖輸出功率。這對(duì)不同芯片廠家的更高功率的單反射體半導(dǎo)體激光器芯片是有幫助的。
3. 熱建模
    在OFP設(shè)計(jì)初期，熱建模扮演重要的角色。OFP設(shè)計(jì)用于運(yùn)行在非制冷的工業(yè)環(huán)境中，運(yùn)行溫度15到45oC。溫度值是在封裝基片上測(cè)得的。圖3顯示了OFP在基板溫度40oC ，激光芯片6w均勻熱穿透裝載功率下的熱模型。兩種不同的熱模型顯示如下：圖3a顯示芯片溫度（不是小平面的溫度）在直接與40oC 熱沉接觸時(shí)是61oC。 這個(gè)箱體定義在完美的平面基板和熱沉的接觸表面。當(dāng)在封裝基板和熱沉之間插入一個(gè)熱接觸平片時(shí)芯片溫度上升到68oC。從這個(gè)數(shù)據(jù)可以計(jì)算出小平面的溫度，來估算這種封裝的壽命和可靠性。

    (a) 61oC 最高芯片溫度

    (b) 68oC 最高芯片溫度
    圖3： OFP封裝上的激光芯片熱模型數(shù)據(jù)�；�體的溫度是40oC。兩組數(shù)據(jù)分別為(a)在熱沉和基板間無接觸材料和(b) 在熱沉和基板間有熱接觸材料。
    不同材料對(duì)熱擴(kuò)散效率(CTE)的影響如下面的圖示（圖4）。移動(dòng)楔角光纖頭對(duì)應(yīng)半導(dǎo)體激光器的快軸特有意思，可以導(dǎo)致耦合輸出功率的減少。所有大于0.1-0.2 µm的任何移動(dòng)都可以導(dǎo)致顯著的光纖耦合功率的下降。模型數(shù)據(jù)告訴我們，在運(yùn)行中，相對(duì)激光面的楔角光纖頭的相對(duì)位移是很好地限制在這個(gè)限度內(nèi)并認(rèn)為不產(chǎn)生明顯的光學(xué)功率變化。
    
    圖4：基于給定一個(gè)導(dǎo)入OFP 6w熱負(fù)載的CTE模型，光纖到激光半導(dǎo)體界面的偏差。結(jié)果顯示偏差小于0.03µm，這能很好吻合維持高耦合效率的指標(biāo)的要求。
4. 測(cè)試及性能OFP器件在CW的條件下測(cè)試各種參數(shù)值。展示的測(cè)試數(shù)據(jù)是在915或965nm連續(xù)模式下測(cè)得的數(shù)據(jù)。該半導(dǎo)體激光器有100µm的發(fā)射孔徑，并被耦合到105µm 纖芯/125µm包層，0.22NA的二氧化硅光纖中。激光驅(qū)動(dòng)電流調(diào)節(jié)到在室溫下獲得4w出纖功率。OFP封裝被固定在一個(gè)溫控平臺(tái)上，以研究封裝性能的熱影響。器件波長(zhǎng)用光譜分析儀測(cè)量。一批(10pc)簡(jiǎn)易裝配的（未光纖耦合）半導(dǎo)體激光器裸芯出芯LIV數(shù)據(jù)顯示如圖5。這種裝配被嵌入水冷銅片上，并測(cè)試在25oC 溫度下最大額定電流6A，所有10個(gè)器件發(fā)射大于5W的光功率無顯示任何熱流動(dòng)的跡象。
     
    圖5：一批(10pc)簡(jiǎn)易裝配的（未光纖耦合）半導(dǎo)體激光器裸芯出芯直流LIV數(shù)據(jù)圖,下圖（圖6）顯示同一批(10pc)采用105µm 纖芯/125µm包層，0.22NA的二氧化硅光纖耦合后半導(dǎo)體激光器出光纖LIV數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)是在恒定25oC的激光器基板溫度下測(cè)得的。
    
    圖6：一批(10pc)采用105µm 纖芯/125µm包層，0.22NA的二氧化硅光纖耦
合后半導(dǎo)體激光器出光纖DCLIV數(shù)據(jù)圖,如上圖5和圖6所示，當(dāng)激光器耦合到未鍍AR膜的楔角光纖中時(shí)，獲得80%或更佳的耦合效率。整個(gè)器件的工作范圍內(nèi)，都維持這個(gè)耦合效率，說明這個(gè)結(jié)果與熱建模是一致的。許多OFP封裝被安排做長(zhǎng)期的壽命實(shí)驗(yàn)，以檢驗(yàn)這種封裝在非制冷應(yīng)用中的可靠性。由于OFP是設(shè)計(jì)在箱體溫度45oC以下的工作溫度，第一批長(zhǎng)期壽命實(shí)驗(yàn)就安排在該溫度下進(jìn)行。然而，為了一步步跟進(jìn)研究這種封裝設(shè)計(jì)在更惡劣環(huán)境中的工作穩(wěn)定性，500小時(shí)侯，箱體的溫度提高到55oC（如圖7），在4800小時(shí)的加速老化后沒有觀察到失效。OFP封裝將繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以探測(cè)這些封裝的失效和故障率。
    
    圖7：OFP封裝運(yùn)行在6A持續(xù)驅(qū)動(dòng)電流下的壽命數(shù)據(jù)。測(cè)試溫度55oC，除了前500小時(shí)為45oC外。同時(shí)，OFP封裝也完全通過了Telcordia GR-468的以下機(jī)械性能測(cè)試：震動(dòng)、高低溫循環(huán)和光纖拉力
5. 未來方向
     在下一代OFP封裝的半導(dǎo)體激光器中，將同時(shí)進(jìn)行許多進(jìn)一步的改良。進(jìn)一步改善的OFP封裝已經(jīng)在進(jìn)行，用于容納大量的平板半導(dǎo)體激光器封裝，以獲支持更高功率的半導(dǎo)體的激光器。一定數(shù)量的OFP可以光學(xué)耦合在一起，以獲更高的光纖輸出功率。我們正在發(fā)展包含耦合多模OFP所需的光學(xué)器件、冷卻方案和驅(qū)動(dòng)電路的模塊。這些模塊將擁有高透亮度的幾十瓦光纖輸出功率。緊湊的光纖功率耦合可采用風(fēng)冷和水冷方式。這種模塊的雛形如下圖所示。
    
    圖8：水冷和風(fēng)冷多OFP激光器耦合成高功率光纖耦合模塊的雛形圖
6. 結(jié)論
    總之，我們這里獻(xiàn)上一款高功率光纖耦合、單發(fā)射面、扁平光學(xué)封裝（OFP）的數(shù)據(jù)。這種OFP封裝具有許多獨(dú)特的性能，使得它非常適用于對(duì)那些要求高功率、低成本及高可靠運(yùn)行的泵源的工業(yè)應(yīng)用。這種封裝是為光纖激光泵浦、工業(yè)材料處理、固態(tài)激光器泵浦、印刷及醫(yī)療等市場(chǎng)而設(shè)計(jì)的。
7. 后記
    筆者在完成本文時(shí)，Zewda已經(jīng)可以商用化大批量提供單發(fā)射體出纖功率高達(dá)6w的OFP半導(dǎo)體激光器。同時(shí)，高達(dá)100w的光纖耦合半導(dǎo)體激光器也商用化。
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