基于COS封装的高可靠性空间光输出蓝光激光器

1.引言

随着激光雕刻机光源价格下降及功率快速提升，消费级激光雕刻机市场迅速增长。激光雕刻机可辅助手工艺创作者在木材、亚克力、不锈钢、皮革甚至树叶等材料上完成DIY加工。

 

图1.使用蓝光激光器雕刻的木雕作品

蓝光激光器因其优异的聚焦能量密度及在木材等材料中的高吸收率，成为消费级激光雕刻机的主要光源。激光功率直接决定雕刻机的加工效果和速度，近年来，雕刻机光源功率快速提升：2021年市场主流产品为5W，2023至2024年功率持续攀升，10W、20W及40W等新产品相继问世。

早期的消费级激光雕刻机采用TO封装蓝光激光器和CoreXY机械结构。激光器与风冷散热器固定于机械结构上，加工时随机械结构高速移动。随着光源功率增加，废热也随之升高，笨重的风冷散热结构及增加的重量限制了CoreXY结构的加工速度。为提高雕刻速度，采用振镜和场镜结构的激光雕刻机应运而生。此类设备中激光器保持固定，通过振镜系统的快速响应实现大幅面高速加工。

由于蓝光激光器的高光子能量，封装工艺会影响其长期可靠性。Nichia和Osram等厂商的TO封装蓝光激光器已在激光显示和汽车市场得到长期运行验证。然而在激光雕刻机应用中，成像点的光束质量和光斑尺寸直接影响加工效果。TO封装蓝光激光器的芯片缩进会影响光学准直和整形，导致出现如图2所示的单侧光斑散斑。此外，随着功率提升，TO封装蓝光激光器的高热阻问题逐渐凸显。

 

图2.TO封装蓝光激光器的芯片缩进对光学准直的影响

基于COS封装的蓝光激光器具有低热阻、优异的光学准直和聚焦效果等优点，本文将介绍我们在COS封装的蓝光激光器的失效模式、可靠性改进和验证方面的研究成果。

 

2. 蓝光激光器失效模式与工艺控制方法

短波长半导体激光器，高能量的光子易与环境气氛发生化学反应，封装引起的失效是GaN基蓝光半导体激光器的主要失效模式。已有研究报道405nm GaN激光器腔面退化过程中表面出现碳沉积^[1]。2021年，王晓伟等人发现未密封激光器在老化30小时后端面出现黑色条纹，与光功率下降现象一致；SEM与EDS分析表明条纹成分为SiO₂，源于空气中悬浮的微米级硅颗粒^[2]。

为实现激光器模块小型化，封装内除激光芯片外还需集成光学透镜和透镜固定胶水，在激光器模块整体密封的情况下，我们的早期老化实验中仍观察到类似的SiO₂沉积失效模式，如图3至图6所示。

图3.模块老化后的芯片前腔

图4.前腔沉积区域的SEM结果

 

图5.前腔沉积区域的FIB结果

图6.前腔沉积区域的EDS结果

针对SiO₂沉积失效，我们通过多组实验设计（DOE）分析影响因素，并对显著因素进行工艺优化，主要控制方法包括：

A.低释气的胶水选择；

B.胶水充分的预固化与后固化；

C.密封气体组分及比例；

D.工艺环境与密封气体洁净度；

E.密封气体湿度控制。

 

静电放电、瞬态过流和短路过流等导致的芯片体损伤是另一典型失效模式，典型现象如图7所示。

 

图7(a).失效芯片侧视图，体损伤区材料融化

图7(b).失效芯片去除N面金属层后俯视图，存在体损伤区域

针对电学损伤防护措施包括：

A.制造过程中静电防护（如离子风机、防静电手环）；

B.在COS或激光器模块上增加瞬态电压抑制器（TVS）或稳压二极管保护。

 

3. 高可靠性蓝光激光器设计与验证

针对COS蓝光激光芯片，分别对快轴和慢轴进行准直，随后通过快轴方向空间合束结合偏振合束技术，BWT完成了10-60W空间输出高可靠性蓝光激光器的设计与制造。图8为典型20W与40W激光器的功率-电流-电压（PIV）曲线及光谱。

   

图8(a).20W空间光输出激光器PIV曲线   图8(b).40W空间光输出激光器PIV曲线

 

图8(c).空间光输出激光器光谱图

为不同的激光雕刻机结构提供定制化光源解决方案：针对CoreXY运动结构的激光雕刻机，提供固定焦深的空间输出激光器；针对振镜和场镜结构的激光雕刻机，提供准直输出、发散角可调功能的空间输出激光器，如图9所示。

 

图9(a).针对CoreXY运动结构雕刻机的激光器示意图

 

图9(b).针对振镜和场镜结构激光雕刻机的激光器示意图

基于COS封装的蓝光激光器已通过多项可靠性测试，包括85℃高温存储、-40℃低温存储、-40℃~85℃温度循环、振动与机械冲击测试以及3000小时高温加速老化测试（图10）。

 

图10(a).20W蓝光激光器可靠性测试方案

 

图10(h).加速老化测试结果

基于在COS封装蓝光激光芯片及模块工艺控制方法方面的经验，我们也实现了50μm芯径、0.22NA的80W光纤输出，其PIV曲线如图11所示。耦合效率超过90%，且0.15NA/0.22NA功率占比高达95%以上，满足高亮度应用需求。

 

图11.80W高亮度光纤输出蓝光激光器的PIV曲线   

  图12.80W光纤输出激光器结构图

 

4. 结论

消费级激光雕刻机等应用市场的快速增长为蓝光激光器带来更多机遇。通过对典型失效模式的分析，我们优化了模块封装设计与工艺控制方法。10-60W空间输出蓝光激光器残余发散角小于0.1°，并通过多项环境可靠性测试，是桌面雕刻机的理想光源选择。

本研究得到国家重点研发计划（项目编号：2023YFB4604400）资助。

 

参考文献

[1] C. C. Kim, Y. Choi, Y. H. Jang, M. K. Kang, M. Joo, and M. S. Noh, “Degradation modes of high power InGaN/GaN laser diodes on low-defect GaN substrates,” Proc. SPIE 6894, 689400–689401 (2008).

[2] Xiao-Wei Wang, Zong-Shun Liu, De-Gang Zhao, Ping Chen, FengLiang, JingYang, “New mechanisms of cavity facet degradation for GaN-based laser diodes” Journal of Applied Physic 129,223106(2021)