CN104236769A - 一种半导体激光器芯片残余应力分布测试方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明设计了一种半导体激光器芯片残余应力分布测试方法及装置，该装置能够通过无损方法测试半导体激光器芯片残余应力分布，能够广泛应用于半导体激光器封装器件性能的表征，对于提高半导体激光器性能具有非常重要的现实意义。

Description

一种半导体激光器芯片残余应力分布测试方法及装置
技术领域
本发明属于半导体激光器技术领域，涉及一种半导体激光器芯片残余应力分布测试方法及装置，即将激光芯片封装为半导体激光器后其半残余应力分布测试方法及装置。 
背景技术
随着半导体激光器相关技术的飞速发展，其输出功率越来越大，也因半导体激光器输出功率大同时具有体积小、重量轻、电光转换效率高、波长范围广、可靠性高和寿命长等优点，已经成为光电行业中最有发展前途的领域，可广泛应用于通信、计算机（主要是数据存储和输入输出设备）、影视、制造业、航天、航空、材料处理、医疗、娱乐、科研、安全防护、军事、反恐、工艺品、显示和印刷等行业。 
图2给出了一个典型的大功率半导体激光器封装结构示意图，其采用倒装芯片封装形式，主要包括激光芯片、焊料层、热沉（正极）、绝缘层、负极几部分，其中焊料层起着电、热及机械连接的作用，对于大功率半导体激光器的性能及可靠性具有决定性的影响。 
在高功率半导体激光器封装过程中，由于热沉与激光芯片的热膨胀系数存在差异，同时热沉表面的不平整、杂质的侵入、表面氧化等不确定因素会使激光芯片与热沉材料之间产生明显的应力。激光芯片与热沉材料之间的应力大时会拉伤激光芯片，在有源区引入位错或缺陷，从而劣化半导体激光器的光电特性，使得器件寿命减少，如果应力进一步加大，甚至会使半导体激光器断裂造成激光器突然失效。 
目前，尚未有较好的方法测试半导体激光器芯片的残余应力分布。 
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种能够无损表征半导体激光器芯片残余应力分布测试的方法及装置。 
本发明的目的是通过以下技术方案来解决的： 
一种半导体激光器芯片残余应力分布测试方法，包括以下步骤：
（1）激光芯片未封装前，向激光芯片，即裸芯片施加脉冲电流，该电流超过激光芯片的阈值电流，使电流稳定在 I0；
（2）采集裸芯片各个发光单元的光谱S0，并记录每一个发光单元的基准波长λ0；
（3）将裸芯片进行封装，向封装后的半导体激光器施加脉冲电流 I0；
（4）采集半导体激光器各个发光单元的光谱S1，并记录每一个发光单元的波长λ1；
（5）比较S1和S0，即分别比较每一个发光单元的波长λ1和基准波长λ0差值，从而获得半导体激光器芯片各个发光单元下方的残余应力分布（差值越大，表明此发光点下方的连接界面所受应力越大）。
上述步骤中激光芯片和半导体激光器固定于冷却系统上。 
所述步骤2和步骤4中采集各个发光单元的光谱是通过发光单元放大元件和光收集器实现，发光单元放大元件为透镜系统，光收集器为光纤、光导管。 
该半导体激光器芯片焊接面应力分布测试装置包括脉冲电源、工控机、光谱仪、发光单元放大元件、光收集器，脉冲电源用于为裸芯片和半导体激光器供电；工控机用于调节脉冲电源供电电流大小以及处理数据；在激光出射方向依次设置发光单元放大元件、光收集器，光收集器连接至光谱仪，。 
该装置还包括冷却系统，所述的半导体激光芯片和半导体激光器设置于冷却系统上，冷却系统是电子制冷、水冷块或风扇。 
 本发明具有以下有益效果： 
本发明研究并开发了半导体激光器芯片残余应力分布测试方法及装置，该装置能够通过无损方法表征半导体激光器芯片焊接面存在的残余应力分布，能够广泛应用于半导体激光器封装器件性能的表征，对于提高半导体激光器性能和封装工艺具有较大意义。
附图说明
图1为本发明半导体激光器芯片残余应力分布测试装置示意图。 
图2为未封装激光芯片（裸芯片）结构图。 
图3为典型的半导体激光器封装结构。 
图4为实施例发光单元波长信息表。 
图5为本实施例发光单元位置-△λ图。 
附图编号说明：1为半导体激光器芯片；2为发光单元； 3为正极块；4为焊料层；5为负极块。 
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述，如图1所示： 
该半导体激光器芯片残余应力分布测试装置包括脉冲电源、工控机、光谱仪、发光单元放大元件、光收集器，脉冲电源用于裸芯片和半导体激光器供电；工控机用于调节脉冲电源供电电流大小以及处理数据；所述的发光单元放大元件用于将发光单元进行放大，光收集器件用于分别收集每一个发光单元的波长信息；在激光出射方向依次设置发光单元放大元件、光收集器，光收集器连接至光谱仪。
该装置还包括冷却系统，所述的半导体激光芯片和半导体激光器设置于冷却系统上，冷却系统是电子制冷、水冷块或风扇。 
该装置还包括冷却系统，所述的半导体激光器设置于冷却系统上，冷却系统是电子制冷、水冷块或风扇。 
该半导体激光器芯片残余应力分布测试方法具体包括以下步骤： 
（1）如图2所示为未封装的激光芯片（裸芯片）结构图，将未封装前半导体激光器芯片即裸芯片的正负极分别与脉冲电源的正负极连接完好，逐渐增加脉冲电源的电流，超过半导体激光器的阈值电流，使半导体激光器连续出光，此时工作电流为Io；
（2）通过发光单元放大元件和光收集器，分别利用光谱仪测量半导体激光器各个发光单元的光谱S0，并由工控机记录每一发光单元的基准波长λ0；
将未封装前激光芯片即裸芯片的正负极与脉冲电源的正负极断开；
（3）将封装后半导体激光器的正负极与脉冲电源的正负极分别连接，逐渐增电源的电流，使电流稳定于Io；
（4）通过发光单元放大元件和光收集器，分别利用光谱仪测量半导体激光器各个发光单元的光谱S1，并由工控机记录每一发光单元的基准波长λ1；
（5）比较S1和S0，即分别比较每一个发光单元的长λ1和基准波长λ0之间的差值△λ，从而获得各个发光单元下方的焊接面应力的分布（差值越大，表明此发光点下方的连接界面应力越大）。
图4为实施例半导体激光器发光单元波长信息表，测试了具有19个发光单元的半导体激光器每一个发光单元的波长信息，比较λ1和基准波长λ0，得出差值△λ，图5为本实施例发光单元位置-△λ图，由图5可知第6个发光单元和第13个发光单元的波长λ1和基准波长λ0之间的差值△λ的差值较大，表明第6个发光单元和第13个发光单元下方的焊接面存在较大的残余应力。 

Claims (6)

1.一种半导体激光器芯片残余应力分布测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）激光芯片未封装前，向激光芯片，即向裸芯片施加脉冲电流，超过激光芯片的阈值电流，使电流稳定在 I0；
（2）采集裸芯片各个发光单元的光谱S0，并记录每一个发光单元的基准波长λ0；
（3）将裸芯片进行封装，向封装后的半导体激光器施加脉冲电流 I0；
（4）采集半导体激光器各个发光单元的光谱S1，并记录每一个发光单元的波长λ1；
（5）比较S1和S0，即分别比较每一个发光单元的波长λ1和基准波长λ0差值，从而获得各个发光单元下方的残余应力分布。
2.根据权利要求1所述的半导体激光器芯片残余应力分布测试方法，其特征在于：所述激光芯片和半导体激光器固定于冷却系统上。
3.根据权利要求2所述的半导体激光器芯片残余应力分布测试方法，其特征在于：所述冷却系统是电子制冷、水冷块或风扇。
4.根据权利要求1至3任一所述的半导体激光器芯片残余应力分布测试方法，其特征在于：所述步骤2和步骤4中采集半导体激光器各个发光单元的光谱是通过发光单元放大元件和光收集器实现，发光单元放大元件为透镜系统，光收集器为光纤、光导管。
5.一种半导体激光器芯片残余应力分布测试装置，其特征在于：包含脉冲电源、工控机、光谱仪、发光单元放大元件、光收集器，脉冲电源用于对激光芯片和半导体激光器供电；工控机用于调节脉冲电源供电电流大小以及处理数据；所述发光单元放大元件、光收集器，光收集器连接至光谱仪依次设置在激光出射方向。
6.根据权利要求5所述的半导体激光器芯片残余应力分布测试装置，其特征在于：所述的激光芯片和半导体激光器设置于冷却系统上，冷却系统是电子制冷、水冷块或风扇。
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