Способ проверки работоспособности матрицы лазерных диодов Российский патент 2025 года по МПК H01S5/02 

Изобретение относится к способам изготовления матриц лазерных диодов (МЛД), более конкретно, к способам повышения надежности полупроводниковых устройств со стимулированным излучением (инжекционным лазерам) при требуемых режимах эксплуатации, которые могут быть использованы как в качестве самостоятельного источника излучения, так и для накачки твердотельных лазеров.

Надежность является комплексным свойством объекта, одним из показателей которого является безотказность - свойство объекта непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или наработки. Таким образом, вопрос долговременной стабильности выходных характеристик МЛД и влияния различных факторов, ускоряющих процесс деградации, что, в конечном счете, влияет на безотказность, является на сегодняшний день очень актуальным. Однако, надежность полупроводниковых лазерных излучателей, в том числе МЛД, зависит от многих факторов, например, от типа используемых лазерных диодов (ЛД) или линеек лазерных диодов (ЛЛД), от особенностей конструкции лазерных излучателей, режимов работы и условий эксплуатации, что существенно затрудняет выявление причин деградации.

При исследовании уровня техники рассматривались способы изготовления решеток ЛД и МЛД, а также способы улучшения эксплуатационных возможностей и характеристик указанных устройств и увеличение количества годных изделий, отбраковывания негодных решеток ЛД и МЛД на этапе изготовления (например, п. РФ 2691152 МПК В23К 1/005, 35/26, H01L 21/02, 21/58, опубл. 11.06.2019, п. РФ 2396654, МПК H01S 5/32, опубл. 10.08.2010, п. РФ 2544875, МПК H01S 5/02, 5/024, 5/42, опубл. 20.03.2015, п. РФ 2746710, МПК H01L 21/58, 21/00, H01S 5/32, опубл. 11.08.2020, п. США 6700913 МПК H01S 5/042, 3/04, 5/02, 5/00, опубл. 02.03.2004). Однако, это не дает решения вопроса долговременной стабильности выходных характеристик МЛД и влияния различных факторов, ускоряющих процесс деградации.

Задача предлагаемого изобретения - повышение безотказности работы МЛД в течение заявленного срока эксплуатации.

Технический результат, получаемый при использовании предлагаемого технического решения, - стабилизация энергетических характеристик МЛД, получение информации для использования при управлении качеством продукции.

Указанный технический результат достигается тем, что способ повышения безотказности матрицы лазерных диодов состоит в том, что проводят технологическую тренировку МЛД, которая заключается в том, что в дополнение к процессу изготовления собранную МЛД устанавливают методом пайки посадочной поверхностью на теплообменник, проверяют значение тока утечки, устанавливают МЛД с теплообменником на испытательный стенд, закрепляют термопреобразователь сопротивления на теплообменнике, на котором устанавливают рабочую температуру, подают электрическое питание на МЛД в соответствии с установочными значениями, такими как частота повторения импульсов тока накачки, длительность импульса тока накачки и амплитуда импульса тока накачки, при этом обеспечивают количество импульсов не менее 2×10⁷ при амплитуде импульса тока накачки 100÷120 А, частоте повторения импульсов тока накачки не менее 100 Гц, перед началом тренировки, а также по окончании тренировки контролируют среднюю мощность импульса излучения, длину волны излучения, ширину огибающей спектра излучения, падение напряжения на МЛД при номинальном токе накачки, а также через каждые два часа после начала контролируют среднюю мощность импульса излучения, при отклонении контролируемых параметров от требуемых значений МЛД признают несоответствующей продукцией.

Всей совокупностью существенных признаков достигается заявленный технический результат. Это стало возможным за счет того, что ввели в технологический процесс изготовления МЛД ее технологическую тренировку, когда при изготовлении МЛД после завершения процесса сборки, конструкцию подвергают воздействию рабочих температур при поданном на МЛД электрическом питании в соответствии с установочными значениями, такими как частота повторения импульсов тока накачки, длительность импульса тока накачки и амплитуда импульса тока накачки, при этом перед началом тренировки, по окончании тренировки контролируют среднюю мощность импульса излучения, длину волны излучения, ширину огибающей спектра излучения, падение напряжения на МЛД при номинальном токе накачки, а также через каждые два часа после начала контролируют среднюю мощность импульса излучения. Технологическая тренировка позволяет при заданных режимах нагружений оценить минимальное время безотказной работы, выявить потенциально ненадежные изготовленные изделия, провести анализ результатов измерений контролируемых параметров, выявить причину отказа, а также установить возможные причины его возникновения (нарушение технологии сборки, режимов пайки, некачественные линейки лазерных диодов, теплоотвод и пр). Таким образом, при технологической тренировке происходит отсоединение некачественно соединенных контактирующих поверхностей элементов конструкции МЛД по причине несоблюдения технологических процессов пайки, к примеру, ЛЛД к теплоотводам, электрических контактов (шинок) к токоподводам и пр. Может произойти потеря работоспособности некачественно изготовленных линеек лазерных диодов. Эти выявленные причины несоответствий необходимо учесть при изготовлении последующих МЛД.

Таким образом, получают информацию для использования при управлении качеством продукции, стабилизируют энергетические характеристики МЛД и обеспечивают повышение безотказности работы МЛД в течение заявленного срока эксплуатации.

При анализе уровня техники не обнаружено аналогов, характеризующихся признаками, тождественными всем существенным признакам данного изобретения. А также не выявлено факта известности влияния признаков, включенных в формулу, на технический результат заявляемого технического решения. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условиям «новизна» и «изобретательский уровень».

Способ повышения безотказности матрицы лазерных диодов состоит в том, что проводят ее технологическую тренировку.

Технологическая тренировка является частью технологического процесса изготовления МЛД. Объем технологической тренировки МЛД назначается, исходя из следующих условий:

- увеличение длительности цикла изготовления за счет введения технологической тренировки с минимальными временными затратами;

- устанавливаемые в изделия лазерной техники МЛД при помощи припоя, без возможности последующего демонтажа, должны быть подвергнуты максимальному объему проверок до операции монтажа в изделие.

Порядок операций технологической тренировки МЛД.

- установить МЛД методом пайки посадочной поверхностью на теплообменник;

- выполнить проверку значения тока утечки после установки МЛД на теплообменник;

- установить МЛД с теплообменником на испытательный стенд;

- подключить МЛД к источнику питания;

- закрепить на корпусе теплообменника термопреобразователь сопротивления;

- установить рабочую температуру на теплообменнике при помощи термостабилизатора;

- контролировать при помощи термопреобразователя сопротивления повышение температуры теплообменника до рабочей;

- подать электрическое питание на МЛД в соответствии с установочными значениями, такие как частота повторения импульсов тока накачки, длительность импульса тока накачки и амплитуда импульса тока накачки;

- обеспечить количество импульсов не менее 2×10 при амплитуде импульса тока накачки 100÷120 А, частоте повторения импульсов тока накачки не менее 100 Гц;

- перед началом тренировки контролировать технические характеристики МЛД, такие как средняя мощность импульса излучения, длина волны излучения, ширина огибающей спектра излучения, падение напряжения на МЛД при номинальном токе накачки;

- через каждые два часа после начала контролировать среднюю мощность импульса излучения;

- по окончании тренировки контролировать среднюю мощность импульса излучения, длину волны излучения, ширину огибающей спектра излучения, падение напряжения на МЛД при номинальном токе накачки;

- при отклонении значений от требуемых МЛД считать несоответствующей продукцией;

- при положительных результатах контроля МЛД использовать по назначению.

При изготовлении новых МЛД (патент РФ 2544875) производства РФЯЦ-ВНИИТФ с помощью усовершенствованного технологического процесса, при осуществлении технологической тренировки были выявлены и устранены потенциально ненадежные МЛД. Вследствие этого можно утверждать, что в РФЯЦ-ВНИИТФ был разработан уникальный способ повышения безотказности МЛД, при внедрении которого в технологический процесс изготовления МЛД можно будет избежать вероятности поставки продукции потенциальному заказчику ненадлежащего качества. Одновременно при технологической тренировке может происходить преждевременная деградация некачественных линеек лазерных диодов, при этом у МЛД происходит падение средней мощности импульса излучения ниже требуемых значений и МЛД признается не годной к дальнейшему использованию по назначению. МЛД, выдержавшие технологическую тренировку, в процессе жизненного цикла имеют стабильные энергетические генерационные характеристики, например, среднюю мощность импульса излучения. Таким образом, при осуществлении процесса технологической тренировки, происходит стабилизация энергетических характеристик МЛД.

Таким образом, представленные данные свидетельствуют о выполнении при использовании способа по заявляемому изобретению следующей совокупности условий:

- процесс, воплощающий заявленный способ при его осуществлении, предназначен для использования в оптико-механической промышленности при изготовлении твердотельных лазеров с диодной накачкой для аппаратуры широкого назначения;

- для заявляемого способа в том виде, в котором он охарактеризован в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления.

Следовательно, заявляемый способ соответствует условию «промышленная применимость».

Изобретение относится к способам изготовления матриц лазерных диодов (МЛД). Способ проверки работоспособности МЛД состоит в том, что проводят технологическую тренировку МЛД, которая заключается в том, что устанавливают МЛД методом пайки на теплообменник, проверяют ток утечки, устанавливают МЛД с теплообменником на испытательный стенд, закрепляют термопреобразователь сопротивления на теплообменнике, на котором устанавливают рабочую температуру, подают электрическое питание на МЛД в соответствии с установочными значениями, такими как частота повторения импульсов тока накачки, длительность импульса тока накачки и амплитуда импульса тока накачки, при этом обеспечивают количество импульсов не менее 2×10⁷ при амплитуде импульса тока накачки 100÷120 А, частоте повторения импульсов тока накачки не менее 100 Гц, перед началом тренировки, по окончании тренировки контролируют среднюю мощность импульса излучения, длину волны излучения, ширину огибающей спектра излучения, падение напряжения на МЛД при номинальном токе накачки, а также через каждые два часа после начала контролируют среднюю мощность импульса излучения, при отклонении контролируемых параметров от требуемых значений МЛД признают несоответствующей продукцией. Технический результат - стабилизация энергетических характеристик МЛД.

Способ проверки работоспособности матрицы лазерных диодов, состоящий в том, что проводят технологическую тренировку матрицы лазерных диодов, которая заключается в том, что устанавливают матрицу лазерных диодов методом пайки посадочной поверхностью на теплообменник, проверяют значение тока утечки, устанавливают матрицу лазерных диодов с теплообменником на испытательный стенд, закрепляют термопреобразователь сопротивления на теплообменнике, на котором устанавливают рабочую температуру, подают электрическое питание на матрицу лазерных диодов в соответствии с установочными значениями, такими как частота повторения импульсов тока накачки, длительность импульса тока накачки и амплитуда импульса тока накачки, при этом обеспечивают количество импульсов не менее 2×10⁷ при амплитуде импульса тока накачки 100-120 А, частоте повторения импульсов тока накачки не менее 100 Гц, перед началом тренировки, по окончании тренировки контролируют среднюю мощность импульса излучения, длину волны излучения, ширину огибающей спектра излучения, падение напряжения на матрице лазерных диодов при номинальном токе накачки, а также через каждые два часа после начала контролируют среднюю мощность импульса излучения, при отклонении контролируемых параметров от требуемых значений матрицу лазерных диодов признают несоответствующей продукцией.