大功率半导体激光器芯片连接热循环和电脉冲疲劳失效机理

大功率半导体激光器可广泛应用于固体激光器和光纤激光器泵浦、材料加工、国防、医疗及光信息处理等领域，已经被广泛认为是最有发展潜力的高技术领域之一。然而由于工作时的热循环和电脉冲导致的界面疲劳损伤，成为大功率半导体激光器失效的重要原因。通过研究纳米银焊膏的低温烧结连接技术在大功率半导体激光器封装中应用的机理和科学原理，使大功率半导体激光器散热效率，导电性，光学性能大大提高。通过发展波长漂移和热阻测量的损伤测量技术，研究大功率半导体激光器热循环和电脉冲疲劳损伤机理，及大功率半导体激光器热界面材料损伤对光衰、波长漂移和光谱展宽的影响，并得到大功率半导体激光器的失效判据和寿命预测方法。通过对芯片连接关键力学问题,封装工艺以及失效机制的研究，最终获得适用于大功率半导体激光器封装热界面连接及寿命可靠性的关键技术，为研制超大功率半导体激光器阵列打下基础。

分析了纳米银焊膏中纳米银粒子与粘结剂/分散剂之间的作用原理以及粘结剂的烧蚀和纳米粉末烧结的致密性、晶粒长大等物理机制，研究热界面材料与半导体激光器巴条及基板镀层金属之间的烧结扩散兼容性问题，研究芯片连接模块热界面材料，镀层，基板，巴条等多材料界面的疲劳失效模式和性能, 与微观分析相结合最终获得了芯片连接最佳烧结工艺。研究得到纳米银接头粘接强度，蠕变及疲劳性能。实现了大功率密度和长期可靠性使用的半导体激光器模块的连接和封装工艺，解决了大面积激光巴条（芯片）的连接技术。通过制造新型的大功率半导体激光器模块并测试它的封装性能和热机械可靠性，从而验证纳米银焊膏低温烧结技术的可行性，为国际上首次报道。与铟焊料及金锡焊料的连接工艺进行了全面比较，证明了纳米银焊膏烧结的优越性，使大功率半导体激光器散热效率，光学性能有了明显的提高。研究在不同电流幅值下电脉冲疲劳大功率半导体激光器模块光衰和老化特性，发现电脉冲疲劳失效的规律。通过对纳米银焊膏烧结激光器芯片连接模块的有限单元热稳态和瞬态分析及电脉冲下的可靠性寿命测试，为研制超大功率半导体激光器阵列打下基础。发表国际期刊论文14篇，国际会议论文5篇，申请专利2项。