基于C-mount封裝的半導(dǎo)體激光器熱特性模擬分析

韓立，徐莉，李洋，鄒永剛，馬曉輝，徐英添，金亮，張賀

（長春理工大學(xué)　高功率半導(dǎo)體激光器國家重點實驗室，長春　130022）

基于C-mount封裝的半導(dǎo)體激光器熱特性模擬分析

韓立，徐莉，李洋，鄒永剛，馬曉輝，徐英添，金亮，張賀

（長春理工大學(xué)高功率半導(dǎo)體激光器國家重點實驗室，長春130022）

通過對半導(dǎo)體激光器熱特性以及散熱方式的理論分析，建立了C-mount封裝半導(dǎo)體激光器的物理散熱模型，針對其在穩(wěn)態(tài)工作條件下的熱特性，利用ANSYS有限元軟件進行了模擬分析，對ANSYS自建模與外部導(dǎo)入兩種建模方式進行分析，發(fā)現(xiàn)自建模方式更加精確。通過改變C-mount熱沉的厚度，得到了芯片溫度的變化規(guī)律，并從熱流的角度進行分析。最后，通過引入導(dǎo)熱性能良好的金剛石膜與石墨烯膜，設(shè)計了一種較為理想的復(fù)式散熱結(jié)構(gòu)。

半導(dǎo)體激光器；C-mount；ANSYS；石墨烯；金剛石

半導(dǎo)體激光器以其體積小、質(zhì)量輕、轉(zhuǎn)換效率高、壽命長、易于調(diào)制、可靠性高等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于國防（激光雷達、制導(dǎo)、引信等）和國民經(jīng)濟（光通信、材料加工、醫(yī)療美容）以及科學(xué)研究等各領(lǐng)域［1-3］。隨著半導(dǎo)體激光器技術(shù)的日趨成熟，大功率半導(dǎo)體激光器功率密度的不斷增加，其工作過程中產(chǎn)生的大量廢熱嚴重制約半導(dǎo)體激光器性能的進一步提高［4］。半導(dǎo)體激光器的輸出特性與芯片的有源區(qū)溫度密切相關(guān)，當(dāng)溫度過高時，將會導(dǎo)致器件的閾值電流升高、輸出光功率下降、光譜展寬、波長紅移等，嚴重時會致使器件徹底毀壞［5］。所以如何使激光器的廢熱快速逸散一直是科學(xué)家研究的工作重點之一。本文利用ANSYS軟件，從C-mount熱沉厚度的變化中，得到了芯片溫度的變化規(guī)律，并從熱流的角度進行解釋分析。并在最佳厚度時，通過引入導(dǎo)熱性能良好的金剛石膜與石墨烯膜，設(shè)計了一種較為理想的復(fù)式散熱結(jié)構(gòu)。

1　理論分析

1.1半導(dǎo)體激光器熱源

半導(dǎo)體激光器正常工作時，產(chǎn)熱過程大致可以分為三類［6-8］：

（1）電流注入有源區(qū)后，電子與空穴的非輻射復(fù)合釋放的熱量。

（2）注入電流達到閾值之后，有源區(qū)內(nèi)與光子吸收的相關(guān)過程，包括自發(fā)輻射復(fù)合再吸收、自由載流子吸收、其他對光子的散射、衍射、吸收等產(chǎn)生的熱。

（3）注入電流繼續(xù)增大，各材料層的歐姆損耗產(chǎn)生的焦耳熱。

1.2半導(dǎo)體激光器熱傳遞的方式

半導(dǎo)體激光器內(nèi)部芯片產(chǎn)生的熱量必然引起芯片與其他部位和周圍介質(zhì)間的溫度差，因此，在半導(dǎo)體激光器中存在三種熱傳遞方式［9-10］：熱傳導(dǎo)（Conduction）、熱對流（Convection）和熱輻射（Radiation）。

（1）熱傳導(dǎo)（Conduction）

傳導(dǎo)傳熱是指溫度不同的物體直接接觸，由于自由電子的運動或分子的運動而發(fā)生的熱交換現(xiàn)象。溫度不同的接觸物體間或一個物體中各部分之間熱能的傳遞過程，稱為傳導(dǎo)傳熱。

傳熱過程中，物體的微觀粒子不發(fā)生宏觀的相對移動，而在其熱運動相互振動或碰撞中發(fā)生動能的傳遞，宏觀上表現(xiàn)為熱量從高溫部分傳至低溫部分。微觀粒子熱能的傳遞方式隨物質(zhì)結(jié)構(gòu)而異，在氣體和液體中依靠分子的熱運動和彼此相撞，在金屬中靠電子自由運動和原子振動。熱傳遞遵循傅里葉定律：

式中，q?為熱流密度（Km2）；k為導(dǎo)熱系數(shù)為沿向的溫度梯度，符號表示熱量流向溫度降低的方向。

（2）熱對流（Convection）

對流傳熱是指由于流體的宏觀運動，固體的表面與它周圍接觸的流體之間，由于溫差的存在引起熱量的交換，流體各部分之間發(fā)生相對位移、冷熱流體相互摻混所引起的熱量傳遞過程。流體中質(zhì)點發(fā)生相對位移而引起熱交換。對流傳熱僅發(fā)生在流體中，因此它與流體的流動狀態(tài)密切相關(guān)。在對流傳熱時，必然伴隨著流體質(zhì)點間的熱傳導(dǎo)。

熱對流可以分為兩類：自然對流和強制對流，對流一般作為邊界條件施加。熱對流用牛頓冷卻方程來描述：

式中，hf為對流換熱系數(shù)（或稱膜傳熱系數(shù)、給熱系數(shù)、膜系數(shù)等）；TS為固體表面的溫度，TB為周圍流體的溫度。

（3）熱輻射（Radiation）

熱輻射是指物體發(fā)射電磁能，并被其他吸收轉(zhuǎn)變?yōu)闊岬臒崃拷粨Q過程。物體溫度越高，單位時間輻射的熱量越多。熱傳導(dǎo)和熱對流都需要有傳熱介質(zhì)，而熱輻射無須任何介質(zhì)。實質(zhì)上，在真空中的熱輻射效率最高。

在工程中通?？紤]兩個或兩個以上物體之間的輻射，系統(tǒng)中每個物體同時輻射并吸收熱量。它們之間的凈熱量傳遞可以用斯蒂芬（Stefan）—玻爾茲曼（Boltzmann）方程來計算：

式中，Q為熱流率；ε為輻射率或吸收率（黑度）；σ稱為斯蒂芬—玻爾茲曼常數(shù)，其值約為5.67×10-8W/ （m2·K4）；A1為輻射面1的面積；F12為由輻射面1到輻射面2的形狀系數(shù)；T1為輻射面1的熱力學(xué)溫度；T2為輻射面2的熱力學(xué)溫度。由上式可以看出，包含熱輻射的熱分析是高度非線性的。

在多數(shù)工程問題中，對于一般的熱力學(xué)模型，熱傳導(dǎo)、熱對流、熱輻射三種形式的傳熱方式都存在，而對于熱輻射來說，一般情況下用不到，由于所測試的零件溫度不高，可以忽略不計，但是，熱輻射在任何情況下都存在。

2　模型建立

仿真過程中所使用的模型可以通過兩種方式來獲取，一是ANSYS中直接手工建模和實體建模，二是從其他軟件（Pro/e、Solidworks等）中導(dǎo)入實體模型。本文中，對于這兩種建模方式進行了對比分析。對所研究的半導(dǎo)體激光器來說，采用ANSYS環(huán)境中創(chuàng)建實體模型更為合適。模擬所用到單管芯半導(dǎo)體激光器材料參數(shù)如表1所示。

表1　材料參數(shù)表

對半導(dǎo)體激光器進行穩(wěn)態(tài)熱分析過程中，為了簡化數(shù)學(xué)模型，在軟件模擬計算過程中，針對模型作了如下假設(shè)［11-14］：

（1）由于芯片各層材料熱導(dǎo)率變化較小，為簡化建模過程，將管芯作為一個整體。

（2）封裝過程中所用到的焊料層和連接層熱阻較小，厚度較薄，對廢熱效應(yīng)貢獻較小，所以建模過程中忽略個焊料連接層。

（3）芯片的熱功率為10W，芯片的體積為0.1 mm3，所以，熱功率密度為1×1011W/m3。

（4）與空氣接觸的激光器芯片各表面面積相對微小，認為芯片表面的輻射散熱和空氣對流散熱忽略不計。

（5）熱沉底部溫度設(shè)為293K，環(huán)境溫度為293K，空氣的傳導(dǎo)系數(shù)為6W/（m2·K）。

3　結(jié)果與分析

3.1建模方式選取

本文對C-mount封裝的半導(dǎo)體激光器進行仿真，在進行厚度模擬之前，在相同的實驗條件下，我們對ANSYS自建模與外部導(dǎo)入模型兩種不同建模方式進行對比，分別得到了兩種情況下模型的溫度分布云圖，如圖1所示。

圖1　模型溫度分布云圖

圖2　不同厚度，芯片最高溫度（部分）

從圖1中可以看出，不同的建模方式，芯片的最高溫度存在不同的數(shù)值，相比從外部導(dǎo)入的模型，在ANSYS環(huán)境中建模所得到的芯片最高溫度要比其低0.25℃。所以，接下來本文中所用到的模型均為自建模所得到。

3.2C–mount熱沉厚度變化

在模擬的過程中，采用參數(shù)表2，通過改變C-mount熱沉的厚度D（初始值為2.00mm，截止值為3.80mm，間隔為0.20mm，共10組）的尺寸，研究不同厚度對芯片溫度的影響情況，如圖2所示。

表2 結(jié)構(gòu)參數(shù)表

針對上述實驗，整理所得結(jié)果，得到表3模擬結(jié)果以及芯片溫度隨厚度變化曲線擬合圖3。

表3 模擬結(jié)果表

圖3　芯片溫度隨厚度變化曲線擬合圖

可以根據(jù)熱量的散發(fā)過程，分析產(chǎn)生上述結(jié)果的原因，可由ANSYS軟件模擬的過程中，熱量的流動方向，即熱流（如圖4），來進行分析說明。

圖4　模型的熱流分布圖

從圖4中熱流分布以及流動方向可以看出，熱量的逸散主要集中在端面處，隨著厚度的變化，熱沉與芯片的接觸面進一步增大，熱量的流動范圍也隨著變化，散熱的效果也會發(fā)生顯著的變化。在實際半導(dǎo)體激光器封裝所用的C-mount中，隨著厚度D 從2.00mm增加到3.80mm時，激光器芯片可達到10.80℃溫降，這種厚度的增加對高功率器件的散熱效果具有很明顯的改善。

3.3復(fù)式散熱結(jié)構(gòu)

熱管理技術(shù)當(dāng)中，合理選取熱沉材料，可以降低高頻率、高功率、高密度電子設(shè)備的溫升，以保證元器件的壽命和工作穩(wěn)定，高導(dǎo)熱材料可協(xié)調(diào)不斷增加的功率密度與環(huán)境的溫差。進而達到高效散熱的目的。而在選擇高導(dǎo)熱材料的同時，要充分考慮熱沉材料與芯片材料的熱膨脹系數(shù)匹配問題。從表1中可以看出，石墨烯材料與芯片的熱膨脹系數(shù)存在匹配問題，為此，我們利用與芯片材料相近的金剛石膜來進行過渡匹配。

模擬過程中，我們選擇固定厚度D為2.60mm，為了達到較好的散熱效果，充分利用Cu（390W/m· K）、金剛石（1800W/m·K）、石墨烯（4000W/m·K）三種不同高熱導(dǎo)率（一般認為熱導(dǎo)率高于300W/m· K）材料，結(jié)合這三種材料，設(shè)計了一種復(fù)式結(jié)構(gòu)熱沉，結(jié)構(gòu)參數(shù)如表4所示，復(fù)式結(jié)構(gòu)示意圖以及對應(yīng)溫度分布云圖如圖5所示。

表4　結(jié)構(gòu)參數(shù)表

圖5　復(fù)式結(jié)構(gòu)示意圖以及對應(yīng)溫度分布云圖

將上述設(shè)計的結(jié)構(gòu)模型引入到熱分析的仿真中，進行有效的載荷施加，并經(jīng)過后處理分別得到了圖5（a），（b），（c）的芯片最高溫度。從圖中可以看出，無高導(dǎo)熱率膜的芯片最高溫度為55.48℃，引入石墨烯膜之后，芯片溫度達到51.88℃，芯片最高溫度降低了3.60℃；考慮到熱膨脹系數(shù)匹配問題，又引入了金剛石膜作為過渡匹配熱沉，此時，得到芯片最高溫度為51.66℃，相比于無高導(dǎo)熱率膜，溫度降低了3.82℃。這種復(fù)式結(jié)構(gòu)的設(shè)計可以在改變厚度的基礎(chǔ)上，選取最佳的厚度之后，通過引入高導(dǎo)熱率膜，應(yīng)用這種復(fù)式結(jié)構(gòu)，達到更好的散熱效果。

4　結(jié)論

本文對ANSYS自建模與外部導(dǎo)入兩種建模方式進行對比分析，發(fā)現(xiàn)在ANSYS環(huán)境中建立模型得到的芯片溫度低于外部導(dǎo)入0.25℃，在模擬仿真過程中，適合采取前者；通過改變C-mount熱沉的厚度，得到了芯片溫度的變化規(guī)律，在實際半導(dǎo)體激光器封裝所用的C-mount中，隨著厚度D從2.00mm增加到3.80mm時，激光器芯片可達到10.80℃溫降，這種厚度的增加對高功率器件的散熱效果具有很明顯的改善。在增大相同厚度時，溫度的降低程度逐漸下降，導(dǎo)致這種結(jié)果是因為隨著厚度的變化，芯片與熱沉的接觸面積增大，從而熱流的擴散區(qū)域擴大，但是，從圖3擬合曲線可看出，隨著厚度D增大的同時，這種散熱的效果也在逐漸的降低；最后，考慮到熱膨脹系數(shù)匹配問題，通過引入導(dǎo)熱性能良好的金剛石膜與石墨烯膜，設(shè)計了一種較為理想的復(fù)式散熱結(jié)構(gòu)，相比于之前芯片溫度降低了3.82℃，達到更好地散熱效果，對實際封裝材料的選取具有一定的參考意義。

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Thermal Characteristic Simulation and Analysis of Semiconductor Laser Based on C-mount

HAN Li，XU Li，LI Yang，ZOU Yonggang，MA Xiaohui，XU Yingtian，JIN Liang，ZHANG He
（State Key Laboratory of High Power Semiconductor Lasers，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）

This paper analyzed the theory of thermal characteristics of semiconductor laser and established the physical model of heat dissipation of semiconductor laser of C-mount packaging.Using finite element software of ANSYS to simulated thermal characteristic of semiconductor laser in steady-state，analyzed two methods of modeling including modeling of ANSYS self and external introduction，and discovered the former is more accurate.By changing the thickness of heat sink of C-mount，the article obtained the regulation of chip temperature，analyzed the cause from the perspective of heat flow.In the end，a kind of compound heat dissipation structure is designed by introducing the diamond film and the graphene film with good thermal conductivity.

semiconductor laser；C-mount；ANSYS；graphene；diamond

TN305.94

A

1672-9870（2016）03-0027-05

2016-01-09

吉林省科技計劃重點項目（20140204028GX，20150204068GX）；長春理工大學(xué)青年科學(xué)基金（XQNJJ-2014-15）

韓立（1990-），男，碩士研究生，E-mail：565533321@qq.com

張賀（1985-），男，博士，助理研究員，E-mail：zhhe920@sina.com