C-mount封裝激光器熱特性分析與熱沉結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

張曉磊， 薄報學， 張哲銘， 顧華欣， 劉力寧， 徐雨萌， 喬忠良， 高 欣

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

C-mount封裝激光器熱特性分析與熱沉結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

張曉磊， 薄報學， 張哲銘， 顧華欣， 劉力寧， 徐雨萌， 喬忠良， 高 欣*

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

為了降低單管半導(dǎo)體激光器的結(jié)溫、提高器件的散熱效果，基于C-mount熱沉的熱特性分析提出了一種優(yōu)化的臺階熱沉結(jié)構(gòu)，研究了單管激光器結(jié)溫和腔面?zhèn)认驕囟确植记€的影響。在熱沉溫度298 K和連續(xù)輸出功率10 W的條件下，腔長為1.5 mm的典型C-mount封裝結(jié)構(gòu)激光器的結(jié)溫為343.6 K，熱阻為4.6 K/W。通過在典型C-mount熱沉中引入臺階結(jié)構(gòu)，使封裝激光器的結(jié)溫降低為333.8 K，熱阻減小到3.5 K/W。計算表明，其輸出功率可提高近20%。

焊料厚度； 熱阻； 結(jié)溫； 熱沉； 輸出功率；

1 引 言

近年來，高功率半導(dǎo)體激光器因為其體積小、電光轉(zhuǎn)換效率高、性能穩(wěn)定、可靠性高和壽命長等優(yōu)點已經(jīng)成為光電行業(yè)中最具有發(fā)展前途的產(chǎn)品，在工業(yè)、醫(yī)療以及直接的材料處理等各種領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用[1-7]。單管半導(dǎo)體激光器由于光學鏡面損傷(COMD)和熱飽和的影響，最大光輸出功率受到限制[8]。熱飽和現(xiàn)象是由于激光器在工作過程中產(chǎn)生的熱量大于散熱裝置能夠散去的熱量，造成腔內(nèi)的溫度明顯增高。為了防止熱飽和現(xiàn)象的形成，要盡可能地減小器件有源區(qū)的溫度(即結(jié)溫)，結(jié)溫的升高將導(dǎo)致器件的閾值電流變大、斜率效率變小、輸出功率變低及器件壽命縮短[9]，已變成阻礙半導(dǎo)體激光器性能穩(wěn)定的重要因素。在熱沉溫度以及輸出功率一定的情況下，結(jié)溫主要受器件的熱阻和轉(zhuǎn)換效率所影響，而熱沉結(jié)構(gòu)對器件的熱阻有很大的影響[10]。

隨著半導(dǎo)體激光器輸出功率的增大，隨之而來的廢熱問題也越來越重要，傳統(tǒng)的C-mount熱沉越來越難以滿足散熱需求。本文研究了半導(dǎo)體激光器的熱特性，采用自行設(shè)計的熱沉優(yōu)化結(jié)構(gòu)改善了半導(dǎo)體激光器的散熱特性，提高了輸出功率。

2 模型建立

半導(dǎo)體激光器在工作過程中的廢熱主要由以下兩個方式產(chǎn)生[11-16]：

(1)當注入電流低于閾值電流時，基本沒有激光會產(chǎn)生，這一部分注入的電流主要形成了廢熱；當注入電流高于閾值電流時，大部分電子和空穴就會進行受激復(fù)合產(chǎn)生激光，并在腔面輸出。非輻射復(fù)合、波導(dǎo)光吸收等能量損耗產(chǎn)生廢熱。當激光器正常運行時，主要在有源區(qū)附近形成非輻射復(fù)合和光吸收。

(2)體材料和歐姆接觸層電阻產(chǎn)生的焦耳熱。表達為：

Q=j2ρ，

(1)

式中，Q代表焦耳熱功率密度，j代表注入電流密度，ρ代表各材料層的電阻率。

激光器穩(wěn)態(tài)工作時，熱傳導(dǎo)方程表達為：

(2)

式中，T為溫度，K為材料熱傳導(dǎo)系數(shù)，Q為熱功率密度。

單管半導(dǎo)體激光器的典型封裝結(jié)構(gòu)(C-mount)如圖1所示。

圖1 C-mount封裝結(jié)構(gòu)

熱特性分析所涉及的激光器各層材料參數(shù)如表1所示。

表1 激光器材料參數(shù)

針對該模型，在模擬過程中作了以下假設(shè)[17-21]：

(1)在激光器工作過程中，來源于有源區(qū)中載流子的復(fù)合、吸收以及自發(fā)發(fā)射的熱量為主要熱源。

(2)采用腔長1.5 mm的808 nm芯片，轉(zhuǎn)換效率為50%，輸出功率為10 W，熱功率為10 W。由表1計算得出有源區(qū)的體積為1.510-13m3，進而得到熱功率密度為6.71013W/m3。

(3)暴露在空氣中的激光器芯片各表面積很小，忽略芯片表面的輻射散熱以及空氣對流散熱。

(4)熱沉底部溫度設(shè)為298 K，并采用芯片倒裝的形式封裝，選擇AuSn焊料與C-mount銅熱沉封裝，空氣對流散熱忽略不計。

3 模擬結(jié)果分析

計算的溫度分布云如圖2所示。

圖2 激光器溫度分布云圖

芯片溫度分布紅色部分為最高溫度區(qū)，即結(jié)溫用T1表示，熱沉底部溫度用T0表示。激光器熱阻表達為：

(3)

原理上焊料越薄越好，但出于焊裝質(zhì)量的要求，需要一個基本的厚度(約3 μm)以滿足芯片均勻焊裝的技術(shù)要求。經(jīng)過計算得到的結(jié)果如圖3所示，焊料厚度為3 μm時，結(jié)溫達到了343.6 K，熱阻達到了4.6 K/W。如圖4所示，芯片熱源的散熱主要通過向下和向兩側(cè)再傳播到熱沉。因為焊料的熱導(dǎo)率小于銅熱沉的熱導(dǎo)率，所以隨著焊料層厚度的增加，熱量快速傳播到熱沉的路徑被阻擋，導(dǎo)致散熱效果越來越差，有源區(qū)溫度和熱阻也就會受到影響。故本文全部模擬統(tǒng)一焊料厚度為3 μm。

圖3 端面方向溫度分布曲線

Fig.3 Temperature distribution curve along the output facet

圖4 熱流矢量圖。(a)沿腔長方向；(b)沿端面方向。

Fig.4 Heat flux vector diagram. (a) Along the cavity length. (b) Along the output facet.

4 臺階熱沉結(jié)構(gòu)的設(shè)計

從圖4可以看出，熱量主要通過C-mount熱沉擴散出去，所以其結(jié)構(gòu)特征對器件散熱的效果起到?jīng)Q定性作用，而且可以明顯看出芯片前腔面附近散熱最差。為了增強這部分的散熱效果，對C-mount熱沉的結(jié)構(gòu)采取了如圖5所示的改進，即將C-mount熱沉的芯片焊裝面做成臺階結(jié)構(gòu)，使激光器前腔面的散熱途徑得到擴展。設(shè)臺階深度為x，臺階高度為y，考慮到一般需要安裝準直透鏡，要求x>0.2 mm且0

單管半導(dǎo)體激光器芯片的改進封裝模擬結(jié)果如圖6所示。對比可知x=0.4 mm、y=1.4 mm

圖5 改進的C-mount封裝結(jié)構(gòu)

圖6 沿端面的溫度分布曲線。(a)x=0.4 mm，y=0.4～1.4 mm； (b)y=0.4 mm，x=0.4～1.4 mm；(c) 傳統(tǒng)熱沉結(jié)構(gòu)與臺階熱沉結(jié)構(gòu)的對比。

Fig.6 Temperature distribution curves along the output facet. (a)x= 0.4 mm,y=0.4-1.4 mm. (b)y= 0.4 mm,x=0.4-1.4 mm. (c) Comparision of the traditional heat sink and the step heat sink.

時的散熱效果較好，相比于優(yōu)化前結(jié)溫降低了10 K。如圖7所示，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)相對于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)進一步擴展了散熱路徑，更有利于熱量的散發(fā)和傳導(dǎo)，減少了芯片有源區(qū)附近的熱量堆積，從而降低了芯片結(jié)溫，達到了較好的散熱效果。

由以上分析計算可得傳統(tǒng)C-mount熱沉以及優(yōu)化后的臺階熱沉結(jié)構(gòu)的熱阻分別為4.4 K/W和3.5 K/W。對于高功率單管半導(dǎo)體激光器，其結(jié)溫由下式表示：

Tj=Ta+(IV-P)Rth,

(4)

式中，Tj代表結(jié)溫，Ta代表激光器熱沉溫度，V代表

圖7 優(yōu)化后結(jié)構(gòu)的熱流矢量圖

Fig.7 Heat flux vector diagram of the improved C-mount package structure

結(jié)偏壓，I代表工作電流，P代表激光器的輸出光功率，Rth代表熱阻。由式(4)可知，高功率半導(dǎo)體激光器的有源區(qū)溫度主要受激光器功率、熱沉溫度以及激光器的熱阻影響，其中熱沉溫度由激光器的工作條件決定。

激光器閾值電流和有源區(qū)溫度之間近似存在指數(shù)關(guān)系:

(5)

其中，Ith代表閾值電流；T代表半導(dǎo)體激光器工作溫度；I0為常數(shù)；T0代表閾值特征溫度，表示閾值電流對溫度的敏感程度，主要由激光器材料和結(jié)構(gòu)決定。

激光器斜率效率η隨結(jié)溫度T的變化可以表示為：

η(T)=η(Tr)exp[-(T-Tr)/T1]，

(6)

其中T1代表器件斜率效率的特征溫度。

激光器的輸出功率與熱阻的關(guān)系由下式表示：

{I-Ithexp[Rth(IV-P)/T0]}，

(7)

圖8 不同熱阻下的P-I特性曲線

由此，可以得出激光器輸出功率與電流之間的關(guān)系，如圖8所示。可以看出隨著熱阻的減小，激光器的最大輸出功率會增加。新型臺階熱沉封裝下的半導(dǎo)體激光器的最大輸出功率為18.6 W，要大于傳統(tǒng)封裝下的15.5 W。與傳統(tǒng)封裝相比，新型臺階熱沉結(jié)構(gòu)封裝的半導(dǎo)體激光器的輸出功率提高了近20%。

5 結(jié) 論

為了降低單管半導(dǎo)體激光器的結(jié)溫、改善器件的散熱效果以及提高輸出功率，設(shè)計了一種臺階結(jié)構(gòu)的C-mount熱沉激光器封裝結(jié)構(gòu)，并分析了其與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的散熱能力與輸出效率的對比。在熱沉溫度298 K和連續(xù)輸出功率10 W的條件下，腔長為1.5 mm時，傳統(tǒng)C-mount熱沉封裝的器件的結(jié)溫為343.6 K，熱阻為4.6 K/W；優(yōu)化后的臺階熱沉結(jié)構(gòu)結(jié)溫為333.8 K，熱阻為3.5 K/W。臺階熱沉結(jié)構(gòu)器件的芯片結(jié)溫降低了近10 K，散熱效果得到明顯的改善。計算表明，激光器的最大輸出功率提高了近20%。本設(shè)計的理念也為今后熱沉結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供了可靠的依據(jù)。

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張曉磊(1992-)，男，吉林舒蘭人，碩士研究生，2015年于長春理工大學獲得學士學位，主要從事半導(dǎo)體激光器的研究。

E-mail: zxlcust@163.com

高欣(1965-)，女，吉林省吉林市人，博士，教授，博士生導(dǎo)師，2007年于長春理工大學獲得博士學位，主要從事高功率半導(dǎo)體激光器的研究。

E-mail: gaoxin@cust.edu.cn

Thermal Characteristics Analysis of C-mount Sink Package Laser and Optimization of Heat Sink Structure

ZHANG Xiao-lei, BO Bao-xue, ZHANG Zhe-ming,GU Hua-xin, LIU Li-ning, XU Yu-meng, QIAO Zhong-liang, GAO Xin*

(State Key Laboratory of High Power Semiconductor Laser, Changchun University of Science and Technology, Changchun 130022, China)

In order to reduce single-tube laser diode junction temperature and improve heat dissipation effects of the device, an optimized step sink structure was come up based on the thermal characteristic analysis of C-mount heat sink. The distribution of junction temperature and the lateral temperature of single-tube lasers were investigated. Under the conditions of the heat sink temperature of 298 K and continuous output power of 10 W, the junction temperature of typical C-mount heat sink package structure with 1.5 mm cavity length and 3 μm solder thickness is 343.6 K, and the thermal resistance is 4.6 K/W. By introducing level heat sink structure, the junction temperature of single-tube laser diode is 333.8 K and thermal resistance is 3.5 K/W. Theoretical calculation shows that the output power can be improved nearly 20%.

solder thickness; thermal resistance; junction temperature; heat sink; output power

1000-7032(2017)07-0891-06

2016-12-15；

2017-02-04

國家自然科學基金(61176048，61177019，61308051)； 吉林省科技發(fā)展計劃(20150203007GX,20160203017GX)； 中物院高能激光重點實驗室基金(2014HEL01)； 吉林省自然科學基金(20170101047JC)資助項目 Supported by National Natural Science Foundation of China(61176048,61177019,61308051)； Science and Technology Development Program of Jilin Province(20150203007GX,20160203017GX)； Key Laboratory of High Energy Laser of China Academy of Sciences(2014HEL01)； Natural Science Foundation of Jilin Province(20170101047JC)

TN248.4

A

10.3788/fgxb20173807.0891

*Corresponding Author, E-mail: gaoxin@cust.edu.cn