随着高功率半导体激光器(HPLD)在极端环境中的应用越来越广泛, 互连界面的可靠性已成为制约其性能和寿命的关键瓶颈之一。文中利用有限元方法(FEM)对传导冷却(CS)高功率半导体激光器巴条互连界面在-55～125 ℃热冲击条件下的失效行为和寿命进行了模拟与分析。基于粘塑性Anand本构模型和Darveaux能量积累理论, 对比了热冲击后界面层边缘及中心位置铟互连界面的可靠性, 发现互连界面边缘的应力最大, 达到0.042 5 GPa; 相应的边缘位置的寿命最短, 只有3 006个周期, 即边缘位置为互连界面的“最危险单元”。预测了采用铟、金锡合金和纳米银焊膏封装的半导体激光器巴条的寿命, 计算出铟、金锡合金和纳米银焊膏三种不同键合材料在边缘位置的寿命分别为3 006、4 808和4 911次循环, 表明纳米银焊膏和金锡合金在热冲击条件下具有更长的寿命, 更适合于用于极端环境的高功率半导体激光器封装。

提出一种采用双铜-金刚石的“三明治”封装结构, 利用有限元分析方法研究了其与传统的Cu+CuW硬焊料封装结构激光器的热应力与Smile.对比模拟结果发现新封装结构热应力降低43.8%, Smile值增加95%.在次热沉热膨胀系数与芯片材料匹配的情况下, 使用弹性模量更大的次热沉材料, 可对芯片层热应力起到更好的缓冲作用.以硬焊料封装结构为例, 分析了负极和次热沉厚度对器件Smile的影响.结果表明负极片厚度从50 μm增加到300 μm, 器件工作结温降低2.26 ℃, Smile减小0.027 μm, 芯片的热应力增加22.95 MPa.当次热沉与热沉的厚度比小于29%时, Smile随次热沉厚度增加而增加; 而当次热沉厚度超过临界点后, Smile随次热沉厚度增加而减小.当次热沉厚度达到临界点(2300 μm)时, 硬焊料封装的半导体激光器具有最大的Smile值3.876 μm.制备了CuW厚度分别为300 μm和400 μm的硬焊料封装976 nm激光器, 并测量了其发光光谱.通过对比峰值波长漂移量, 发现CuW厚度增加了100 μm, 波长红移增加了1.25 nm, 根据温度和应力对波长的影响率可知应力减小了18.05 MPa.测得两组器件的平均Smile值分别为0.904 μm和1.292 μm.实验证明增加CuW厚度可减小芯片所受应力, 增大Smile值.

利用有限元模型分别研究了回流过程和工作过程中传导冷却高功率半导体激光器的正应力、切应力和形变，并借助理论公式分析了热应力和smile的产生原因和分布规律.分析表明，在回流过程中热膨胀系数不匹配造成的切应力是正应力和变形的根源，而在工作过程中，热膨胀系数不匹配和温度梯度共同影响着热应力和变形.在此基础上，将回流导致的剩余应力和变形作为初始条件施加在有限元模型上，对工作状态器件的热应力和smile进行模拟，以获得更精确的模拟结果.最后，通过有限元模型和实验手段研究了不同热沉温度对 smile 的影响.结果表明，工作过程会导致器件的smile增大，热沉温度的升高也会造成smile进一步增大.