极端温度下高功率半导体激光器线阵热应力演变行为动态研究

As with the widely application of the high power semiconductor laser, performance and reliability of high power semiconductor laser in extreme temperature environment is getting more and more important. This project intends to carry out dynamic study on the thermal stress evolution behavior of high power semiconductor laser bar under extreme temperature. By analyzing the thermal crosstalk and dynamic distribution of the temperature during transient heat conduction and steady-state heat conduction of high-power semiconductor laser array in extreme temperature environment, we reveal the thermal stress distribution evolution law. In the experimental aspect through dynamic measurement of smile value and the polarization characteristics we also detect thermal stress distribution of high power semiconductor laser bar under extreme temperature. This work is of great importance for improvement of high power semiconductor laser packaging technology, proposing solution to prevent or eliminate residual stress, improving performance and reliability of high power semiconductor laser in extreme temperature environment.

随着随着高功率半导体激光器的广泛应用，极端温度环境中高功率半导体激光器的性能和可靠性越来越重要。本项目拟开展极端温度下高功率半导体激光器线阵热应力演变行为动态研究。通过分析极端温度环境下大功率半导体激光器线阵热串扰行为和非稳态导热阶段与稳态导热阶段温度的动态分布，揭示大功率半导体激光器线阵热应力分布的演变规律。在实验方面我们通过大功率半导体激光器线阵smile和偏振特性动态测量检测极端温度环境下大功率半导体激光器线阵热应力分布。这对于改进高功率半导体激光器封装工艺，提出和预防或消除残余应力的措施，提高极端温度下高功率半导体激光器性能和可靠性具有非常重要的意义。

本项目开展了极端温度下高功率半导体激光器线阵（HPDL）热应力演变行为动态研究。首先，建立了传导冷却HPDL的有限元模型（FEA）和解析解模型分析研究了回流和工作过程中包含正应力、切应力和smile在内的热应力行为，把回流过程产生的热应力和smile作为残余应力和初始条件代入工作过程进行动态模拟演化。FEA模型模拟了真实器件的热应力细节，而解析解公式直接给出了热应力定性描述和各参数之间的函数关系。研究结果表明回流过程中热膨胀系数（CTE）不匹配产生了切应力并引起正应力和上凸smile，而在工作过程中CTE不匹配和温度梯度同时影响热应力并造成更上凸smile，极端工作温度下由于底面约束形成了随温度升高而smile增大的规律。其次，我们建立了铟焊料封装和金锡硬焊料封装的传导冷却HPDL有限元模型和中间过渡模型，比较了两种封装形式在回流和工作情况下的热应力分布差异，指出硬焊料封装会遭受更高的热应力，而这些热应力主要来自回流过程，切应力分布是边缘大中间小，而正应力是中间大边缘小。再次，我们对若干个传导冷却HPDL开展了阵列单个发光点偏振度测试和极端温度下smile动态演化测试，通过空间偏振和smile测试结果表征出了热应力变化的规律。最后，在极端温度下进行了恒定电流条件传导冷却HPDL的热应力加速老化试验，通过对老化数据进行分析，外推预测了器件在各极端温度下的寿命和室温下的寿命，分析和讨论了器件的失效退化机理。以上工作为研制高性能高可靠性极端环境下使用的HPDL打下基础。项目发表期刊论文2篇，会议论文5篇，申请专利1项。