作者：劉興勝，楊林，張豔春
(西安炬光科技有限公司，陝西 西安，710119)
本文綜述了現有高功率半導體雷射器（其中包括單發射腔，bar條，水平陣列和垂直疊陣）的封裝技術，並討論其發展趨勢。分析半導體雷射器封裝技術存在的問題和面臨的挑戰，並給出解決問題和迎接挑戰的方法和策略。
高功率半導體雷射器及其泵浦固體雷射器具有體積小、重量輕、光電轉換效率高、性能穩定、可靠性高、和壽命長等優點，已經成為光電行業中最有發展前途的產品，被廣泛應用於工業、軍事、醫療和直接的材料處理等領域。組成大功率半導體雷射器的基本單元是單發射腔或者單陣列（單陣列由多個單發射腔線性排列而成）。圖 1給出了單發射腔半導體雷射器示意圖，圖 2給出了單陣列半導體雷射器的發光示意圖。
對於半導體雷射器而言，輸出功率、轉換效率和可靠性是描述器件性能的三個主要參數。隨著晶片製備技術的成熟、成本的降低、性能的提高，半導體雷射器出現了新的發展趨勢，主要有高輸出功率、高亮度、無銦化封裝、窄光譜和低「smile」效應。本文綜述了現有高功率半導體雷射器的封裝技術，並討論了其發展趨勢。隨著半導體雷射器的發展，半導體雷射器封裝技術目前存在的具體問題和面臨的挑戰，本文給出解決問題和迎接挑戰的方法和策略。
高輸出功率
許多新的應用領域要求半導體雷射器具有更高的輸出功率。增加輸出功率主要有兩種方式：1、提高晶片生長技術從而增加單發射腔半導體雷射器輸出功率。2、提陣列高半導體雷射器發光單元的個數從而提高輸出功率。為進一步提高光輸出功率，提出了多種封裝技術，其中包括多單管模組、水平疊陣、垂直疊陣、面陣。
單發射腔：單發射腔半導體雷射器最大光輸出功率受限於災難性光學腔面損傷（COMD）或Thermal Rollover現象，其輸出功率與這兩個參數的關係如圖 3所示。COMD產生的主要原因是由於光吸收和非輻射複合導致的腔面過熱而使腔毀壞。目前發展了一些新技術能很好的克服COMD，從而提高輸出功率，例如腔面鈍化、非吸收鏡面和非泵浦窗。Thermal Rollover現象是由於產生的熱量高於製冷裝置能夠冷卻的熱量，通常此時在腔內將累積大量熱量，使腔內的溫度顯著上升。為了避免Thermal Rollover現象產生，應儘量降低器件的熱阻。增加腔長和增大發光區寬度能夠明顯的降低熱阻，因而單發射腔半導體雷射器的腔長越長，其輸出功率越高。隨著COMD和Thermal Rollover現象的改善，輸出功率為5-8W，波長λ=808nm和輸出功率為8-12W ，波長λ=9xxnm，發光區寬度分別為200um和100um的單發射腔半導體雷射器已在市場上廣泛應用。
單陣列：為增加晶片的輸出功率，將單發射腔排成一維線陣集成為陣列，此結構通常稱為巴條，其結構如圖 2所示。最常見的巴條封裝結構包括傳導冷卻型CS封裝和微通道液體製冷型封裝兩種，它們的結構分別如圖 4（a）和（b）所示。根據填充因子和腔長的不同，連續波條件下陣列半導體雷射器輸出功率可高達上百瓦。為保證商業產品的可靠性，通常市場上使用的半導體雷射器的填充因子為20%或30%，波長λ=808nm，輸出功率為60W，採用傳導冷卻方式；對於更高填充因子的單陣列半導體雷射器，輸出功率可高達80W至100W。對於輸出功率為100W的巴條，通常採用液體製冷。圖 5給出兩類冷卻方式的商用單陣列半導體雷射器，分別採用傳導製冷和微通道液體製冷時的功率-電壓-電流和光譜特性曲線。
圖 4陣列雷射器實物圖（a）單陣列傳導冷卻封裝（b）單陣列微通道液體製冷封裝帶有準直（右圖）和不帶準直（左圖）
圖 5商用的典型的功率-電壓-電流和光譜曲線（a）傳導冷卻型（b）液體製冷型
提高陣列半導體雷射器輸出功率所面臨的主要問題就是熱管理和熱應力管理[1]。熱管理包括散熱系統的設計和「無空洞」貼片技術：對於單陣列半導體雷射器，由於陣列半導體雷射器各個發光單元產生的熱量相互幹擾和整體散熱不均勻，導致器件性能穩定性降低和限制功率上升；如果貼片層中存在空洞將明顯的影響陣列半導體雷射器的性能，包括輸出功率和可靠性等。針對熱管理儘管已提出了多種散熱方式，例如金剛石傳導散熱和微通道散熱技術，如何提高散熱效率仍然是阻礙陣列半導體雷射器高功率輸出的主要因素。現已有兩種降低貼片層中的空洞的方法：一種是在合理的控制環境溫度和壓力情況下使用貼片技術；另一種方法是真空回流技術。熱應力通常是由於陣列雷射器和襯底的熱膨脹係數（CTE）失配所導致。熱應力不僅限制了用於封裝的襯底材料/熱沉的選擇，而且影響半導體雷射bar的可靠性、光譜寬度和光束的「smile」效應。為了減小熱應力，目前正在研製高的熱傳導率和熱膨脹係數更加匹配的襯底/熱沉材料。
多單管模組：雖然單發射腔雷射器在近幾年的輸出功率有所提高，總體而言單發射腔半導體雷射器輸出功率依然較低，採用多單管組合的方式是增大輸出功率的另一途徑。圖 6給出多單管模組的示意圖。圖中各個獨立的發光單元採用串聯連接，並將模組各單個發光單元輸出光束通過光學系統的會聚後耦合入光纖輸出。採用多單管模組，各個發光單元之間沒有熱幹擾，且各個發單元的輸出功率互不影響。然而採用光學系統進行光束會聚和光纖耦合時存在光能量損耗。市場上多單管模組的輸出功率已達到數十瓦甚至上百瓦。
由於單發射腔輸出功率有限，且光束會聚系統複雜，多單管模塊面臨的主要問題是如何將輸出功率提高到數百瓦。由於模塊中的單發射腔越來越多，光學系統的設計就越複雜，且微光學系統的成本越高，從而導致該方法缺乏實際的應用意義。多單管模塊面臨的另一挑戰是如何使各個發射腔的輸出波長匹配。模塊中各個發光單元必須經過波長匹配篩選才能確保模塊具有窄的光譜。
水平陣列：對於特定的應用，例如側面泵浦固體雷射器，要求更高的光輸出功率但並不要求光束會聚，因此將多個bar條封裝水平排即可滿足要求。圖 7為兩類水平陣列半導體雷射器的實物圖，圖 7（a）是由三個巴條水平串聯連接封裝的水平陣列半導體雷射器。三個巴條互相獨立，採用熱傳導的製冷器和電絕緣材料進行封裝。圖 7（b）中各巴條同樣採用串聯連接，但是各個巴條採用微通道液體製冷。根據封裝的巴條的數量和單個巴條的功率範圍，水平陣列半導體雷射器的輸出功率從數十瓦到數百瓦甚至上千瓦不等。圖 8給出了準連續輸出的水平陣列半導體雷射器輸出功率-電流和光譜的特性曲線。
圖 7水平陣列實物圖；（a）1x3（b）1x4
如圖 7（a）所示的水平陣列雷射器的巴條與製冷器之間絕緣連接，可採用工業水作為冷卻介質；另外由於各巴條與製冷器絕緣，各巴條之間產生的熱量相互影響，前端巴條產生的熱量將傳遞到後端巴條，導致後端的巴條的結溫上升和各巴條的溫度不一致，從而使得雷射器的可靠性降低，波長漂移和光譜展寬。因此如圖 7（a）所示的水平陣列雷射器封裝結構，受到封裝巴條數目限制，總的輸出功率受到限制。
垂直疊陣：由於應用雷射器輸出功率不斷提高，而要得到高的輸出功率，垂直疊陣成為首選結構。圖 9（a）所示為典型的準連續輸出傳導冷卻G-stack型半導體雷射器，圖 9（b）為微通道液體製冷垂直疊陣半導體雷射器。對於這兩種疊陣都是採用串聯連接。如圖 9（a）所示，各巴條採用傳導冷卻方式。圖 9（b）所示為各個巴條相互獨立的微通道液體製冷。以G-stack為例，由於散熱能力的限制該結構只能應用於準連續輸出，佔空比的選擇與巴條之間的熱沉的厚度有關。目前已經商品化單巴條最高輸出功率達可到250W，一個G-stack產品能夠同時封裝20個巴條。圖 9（b）所示的垂直疊陣半導體雷射器各巴條的輸出功率可高達300W，疊陣可實現30個巴條的封裝。其中20bar垂直疊陣半導體雷射器連續條件下輸出功率達到2000W，準連續條件輸出功率達到5000W。
圖 9垂直疊陣實物圖（a）準連續條件應用的傳導冷卻型G-Stack（b）微通道液體製冷疊陣帶有準直系統（右圖）不帶準直系統（左圖）
垂直疊陣封裝遇到主要技術挑戰是光束和光譜的控制問題。垂直疊陣半導體雷射器各巴條之間產生的熱相互幹擾，且水流不均勻導致巴條的冷卻溫度分布不均勻，這將導致巴條的波長漂移和疊陣的光譜展寬。光束控制包括輸出光斑尺寸控制、光強密度均勻控制和光束傳輸方向控制，因此需設計和安裝光束整形系統來實現光束控制。圖 10給出了由微通道液體製冷的垂直疊陣通過整形後輸出方形光斑照片和光強分布圖。
（a）
（b）
圖 10微通道液體製冷的垂直疊陣通過整形後輸出方形光斑照片和光強分布圖。
高亮度
對於大多數應用，無論是多單管模組、巴條、疊陣或面陣結構，均要求輸出光束的光斑尺寸小。光束亮度是表徵光束質量的參數，被定義為雷射源在單位面積或單位立體角發射光束總的功率。光源的亮度越高，越容易將其光束壓縮為點光源、線光源、或者壓縮為尺寸很小的面元。
目前已有幾種光束整形技術用於提高光亮度。如上文所述，對單發射腔集成的陣列光束，整形的技術發展趨勢是多單管耦合入單光纖模塊將取代單發射腔耦合光纖併合束輸出的方式。對陣列半導體雷射器，採用每個發射腔耦合光纖再合束的方法提高耦合輸出的亮度[2]。
獲得高亮度輸出光束面臨的挑戰是設計新光束整形系統和光學耦合系統。所有的光束整形器件都必須擁有高的光纖控制能力，對於光纖耦合的大功率輸出的控制技術需要高質量的光纖端面以及可以承受反饋光損傷的特殊連接器。
無銦化貼片技術
大功率半導體雷射器封裝，銦焊料是最常用的焊料之一。由於銦焊料在高電流下易產生電遷移和電熱遷移的問題，影響半導體雷射器的穩定性。研究發現銦焊料封裝的雷射器壽命遠遠短於金錫焊料封裝的器件，如圖 11所示。銦焊料封裝雷射器在使用時可以觀察到器件性能突然退化的現象。採用無銦化封裝技術可克服銦焊料層的電遷移，此技術在某些商業產品中得到很好的使。在無銦化焊料的選擇中金錫焊料由於其封裝器件的性能穩定性而成為封裝中的重要焊料[3]。
圖 11不同焊料封裝雷射器加速壽命測試對比曲線
銦化封裝技術面臨的最大挑戰是熱管理和應力管理。由於在陣列雷射器巴條和熱沉之間增加了熱膨脹係數匹配的緩衝層，所以會有更多的交界面，在封裝過程中易產生空洞，且熱膨脹係數匹配的緩衝層在熱傳導能力上不如銅熱沉，都會給器件的熱管理帶來困難。另一方面，儘管熱膨脹係數匹配的緩衝層與雷射器巴條的熱膨脹係數相近，但是仍然存在熱膨脹係數失配的問題，且金錫焊料不能像銦焊料那樣有效地釋放熱應力。通常而言，金錫焊料封裝的雷射器的熱應力比銦焊料封裝激器件要大。
窄光譜
應用中，常常需要陣列半導體雷射器的光譜較窄。通過減少泵浦半導體雷射器的光譜寬度來提高光譜精度，使得雷射系統設計者能夠改善雷射系統的體積、效率、功率和光束質量等參數，同時又減少了系統散熱成本。光譜寬度是陣列半導體雷射器產品的關鍵指標之一，因此改善光譜特性有利於提高產品質量，減少成本及增加產品競爭力。
陣列雷射器光譜展寬主要是由各單發射腔發射波長不一致。雷射器陣列的寬光譜分布可能會出現雙峰甚至多峰；光譜的一側或兩側出現肩膀或者尾巴，如圖 12所示。各單個發射腔輸出波長不一致及由封裝導致的熱和熱應力效應都將使巴條輸出光譜展寬，其中後者是主要因素[4]。
圖 12幾種典型的光譜分布
了解光譜展寬的機制，為判斷展寬屬於散熱不均勻還是應力效應提供依據，從而有針對性的窄化光譜。獲得窄光譜的困難是如何保持各個巴條的溫度均勻和應力均勻，從而消除局部熱效應和應力效應。
低「smile」效應
各發射腔的近場非線性效應（又名「smile」效應）給陣列半導體雷射器光束耦合和光束整形帶來了巨大的挑戰，它已成為限制半導體雷射器陣列增大的最主要的障礙。如果陣列雷射器近場線性很差，將使陣列半導體雷射器的光纖耦合效率降低。提高泵浦半導體雷射器的近場線性可使雷射系統緊湊、提高耦合效率、輸出功率及光束質量，同時降低半導體雷射器泵浦的固態雷射器和光纖雷射器的成本。因此，近場線性是陣列雷射器產品關鍵的指標之一，提高半導體雷射器近場線性對提高產品質量、減少成本以及增加競爭力都尤為重要。
圖 13給出了陣列半導體雷射器的各類近場線性（「smile」效應）的放大圖像。高質量的陣列半導體雷射器的近場分布近似於線性。這類半導體雷射bar可作為高質量的耦合光源[5]。
陣列半導體雷射器的近場非線性是由巴條本身熱膨脹係數失配合封裝過程中巴條和熱沉之間熱膨脹係數失配造成的。影響「smile」效應的主要參數有焊料層材料、熱沉材料和厚度、晶片封裝過程所使用的貼片工具以及貼片層溫度。
結 論
本文綜述了大功率半導體雷射器的發展趨勢，封裝技術的發展趨勢主要是高輸出功率，高亮度，無銦化封裝，窄光譜和低「smile」效應。本文分析了大功率半導體雷射器封裝技術存在的問題和面臨的挑戰，在此基礎上提出了解決問題的方法和策略。