CN104267036A - 一种半导体激光器芯片焊接面表征方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明设计了一种半导体激光器封装器件芯片焊接面表征方法及装置，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空洞，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焊接回流工艺，以及实现无空洞封装具有非常重要的现实意义。

Description

一种半导体激光器芯片焊接面表征方法及装置
技术领域
本发明属于半导体激光器技术领域，涉及半导体激光器芯片焊接面特性的测试。 
背景技术
半导体激光器具有体积小、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。 
目前半导体激光器的发展趋势是进一步提高功率、亮度及可靠性。目前的单发光点半导体激光器连续波输出功率为十几瓦，多发光单元（巴条）半导体激光器，其长度大多为1cm，包含几个至几十个发光点，其连续波输出功率可达几百瓦。在几百瓦的输出功率下，电流密度将超过103W/cm2，因此对封装技术提出了挑战。 
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，主要包括半导体激光器芯片（巴条）、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。 
在大功率半导体激光器回流焊接过程中，由于热沉表面的不平整、杂质的侵入、表面氧化等不确定因素导致焊料层形成空洞；由于金属间化合物的形成及生长，会形成空洞。焊料层空洞对器件的散热状况具有显著影响，位于空洞上方的发光单元散热效果将明显降低，导致结温急剧上升，形成一个局部高温区，各发光单元所发出的光叠加后偏离原本的高斯线型，产生光谱展宽等问题。 
对半导体激光器芯片焊接面内部进行测试和表征是深刻理解激光器特性的关键，同时也是判断激光器好坏的重要依据；只有这样才能筛选出性能良好的器件，并为提高半导体激光器封装工艺提供理论指导。 
目前，表征半导体激光器芯片焊接面内部缺陷的方法主要是采用扫描声学显微镜。扫描声学显微镜是一种破坏性方法，对于封装的半导体激光器芯片来说，必须将芯片N面的铜箔或者金线去掉才能够进行表征，在实际半导体激光器的表征过程中，扫描声学显微方法并不十分实用。因此，亟需发展一种无损表征半导体激光器连接界面的技术，为大功率半导体激光器封装提供指导。 
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焊接面的表征方法及装置。 
本发明的目的是通过以下技术方案来解决的： 
本发明半导体激光器芯片焊接面表征方法包括以下步骤：
（1）向半导体激光器提供脉冲电流，超过半导体激光器的阈值电流，使电流稳定在 I0；
（2）采集半导体激光器各个发光点的光谱S0，并记录每一个发光点的基准波长λ0；
（3）向半导体激光器提供连续电流 I0；
（4）采集半导体激光器各个发光单元的光谱S1，并记录每一个发光点的波长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之间的差值△λ，从而获得各个发光单元下方的焊接面空洞分布（差值越大，表明此发光单元下方的焊接面空洞越大）。
上述步骤1中向半导体激光器提供脉冲电流的是脉冲电流源；步骤3中向半导体激光器提供持续电流的是连续或者准连续电流源。 
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发光单元选择元件实现，发光单元放大元件为透镜系统，发光单元选择元件为光纤或者光导管，控制发光单元选择元件使其可以依次采集各个发光单元的波长信息。 
上述半导体激光器固定于冷却系统上。 
上述散热装置为TEC、水冷块、风扇等。 
该半导体激光器芯片焊接面表征装置，包括半导体激光器，其特征在于：还包括连续/准连续电源、脉冲电源、工控机、光谱仪、发光单元放大元件、发光单元选择元件，连续/准连续电源和脉冲电源用于向半导体激光器供电；工控机用于调节连续/准连续电源和脉冲电源之间切换供电和供电电流大小；所述的发光单元放大元件用于将半导体激光器的发光单元进行放大，发光单元选择元件用于分别收集每一个发光单元的波长信息，所述半导体激光器激光出射方向依次设置发光单元放大元件、发光单元选择元件，发光单元选择元件连接至光谱仪。 
该装置还包括过流保护系统和过压保护系统，过流保护系统和过压保护系统分别与半导体激光器和工控机连接。 
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。 
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焊接面表征方法及装置，该装置能够通过无损方法表征导体激光器芯片焊接面存在的缺陷等性质，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回流工艺，以及实现无空洞封装具有非常重要的现实意义。
附图说明
图1为本发明半导体激光器芯片焊接面表征装置示意图。 
图2半导体激光器空间光谱测试装置图。 
图3为典型的半导体激光器封装结构。 
图4为实施例半导体激光器发光单元波长信息表。 
图5为本实施例发光单元位置-△λ图。 
附号说明：1为半导体激光器；2为发光单元放大元件；3为发光单元选择元件；4为光谱仪；5为工控机；6为负极块；7为正极块；8为焊料层；9为激光芯片；10为发光单元。 
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焊接面表征装置，包括半导体激光器，其特征在于：还包括连续/准连续电源、脉冲电源、工控机、光谱仪、发光单元放大元件、发光单元选择元件，连续/准连续电源和脉冲电源用于向半导体激光器供电；工控机用于调节连续/准连续电源和脉冲电源之间切换供电和供电电流大小；所述的发光单元放大元件用于将半导体激光器的发光单元进行放大，发光单元选择元件用于分别收集每一个发光单元的波长信息，所述半导体激光器激光出射方向依次设置发光单元放大元件、发光单元选择元件，发光单元选择元件连接至光谱仪。
为了提高装置工作的安全性和可靠性，该装置中可以增加过流保护系统和过压保护系统，过流保护系统和过压保护系统分别与半导体激光器和工控机连接。 
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焊接面表征方法具体包括以下步骤： 
(1)将半导体激光器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Iop；
(2)通过发光单元放大元件和发光单元选择元件，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；
将半导体激光器的正负极与连续电源的正负极断开；
(3)将半导体激光器的正负极与连续/准连续电源的正负极分别连接，逐渐增控制连续/准连续电源的电流，使电流稳定于Iop；
(4)通过发光单元放大元件和发光单元选择元件，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空洞分布（差值越大，表明此发光点下方的连接界面空洞越大）。
重复上述步骤，仅改变其中的工作电流Iop值，获得其它电流下的S0和S1，并进行比较，对所得结果进行加权平均，获得半导体激光器芯片焊接面空洞分布。 
图2半导体激光器空间光谱测试装置图，半导体激光器所发出的激光通过发光单元放大元件，控制发光单元选择元件依次采集每一个发光单元的波长信息并分别利用光谱仪测量半导体激光器各个发光单元的光谱。 
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7个发光单元和第8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7个发光单元7和第8个发光单元下方的焊接面存在较大空洞。 

Claims (8)

1.一种半导体激光器芯片焊接面表征方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）向半导体激光器提供脉冲电流，超过半导体激光器的阈值电流，使电流稳定在 I0；
（2）采集半导体激光器各个发光单元的空间光谱S0，并记录每一个发光点的基准波长λ0；
（3）向半导体激光器提供连续电流 I0；
（4）采集半导体激光器各个发光单元的空间光谱S1，并记录每一个发光点的波长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之间的差值△λ，从而获得各个发光单元下方的连接界面空洞分布；
（6）在确保电流大于半导体激光器阈值电流的前提下，改变电流值大小，重复步骤1~5，对所得结果进行加权平均，获得半导体激光器连接层界面空洞分布。
2.根据权利要求1所述的半导体激光器芯片焊接面表征方法，其特征在于：所述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焊接面表征方法，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所述的半导体激光器芯片焊接面表征方法，其特征在于：所述步骤1中向半导体激光器提供脉冲电流的是脉冲电流源；步骤3中向半导体激光器提供持续电流的是连续或者准连续电流源。
5. 根据权利要求1至4任一所述的半导体激光器芯片焊接面表征方法，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发光单元选择元件实现，发光单元放大元件为透镜系统，发光单元选择元件为光纤或者光导管。
6.一种半导体激光器芯片焊接面表征装置，包括半导体激光器，其特征在于：还包括连续/准连续电源、脉冲电源、工控机、光谱仪、发光单元放大元件、发光单元选择元件，连续/准连续电源和脉冲电源用于向半导体激光器供电；工控机用于调节连续/准连续电源和脉冲电源之间切换供电和供电电流大小；所述半导体激光器激光出射方向依次设置发光单元放大元件、发光单元选择元件，发光单元选择元件连接至光谱仪。
7.根据权利要求6所述的半导体激光器芯片焊接面表征装置，其特征在于：还包括过流保护系统和过压保护系统，过流保护系统和过压保护系统分别与半导体激光器和工控机连接。
8.根据权利要求6所述的半导体激光器芯片焊接面表征装置，其特征在于：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。
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