大功率半導(dǎo)體激光器封裝熱應(yīng)力分析

白棟雷

摘? 要：本文對(duì)不同材料的焊料和厚度不同的鎢銅次熱沉封裝激光器，采用COMSOL Multiphysics仿真軟件進(jìn)行巴條模擬，得出不同類型的焊料其最大熱應(yīng)力，均產(chǎn)生于鎢銅次熱沉封裝激光器的材料熱沉界面處。對(duì)于不同材料，厚度相同的焊料在封裝時(shí)，激光器管芯熱應(yīng)力與光譜峰值波長(zhǎng)相差不大。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)降低焊料的整體厚度可，以有效減少激光器管芯熱應(yīng)力以及腔體內(nèi)的溫度。同時(shí)焊料的厚度也不應(yīng)該過(guò)于薄，焊料過(guò)薄可能會(huì)引起銜接不牢固以及整體表面不均勻，甚至出現(xiàn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)孔洞等現(xiàn)象。所以在進(jìn)行焊料選取時(shí)，應(yīng)該注意考慮材料以及激光器整體環(huán)境。通過(guò)本次研究發(fā)現(xiàn)鎢銅次熱沉封裝厚度不斷增加，會(huì)使得激光器熱應(yīng)力減小，激光器內(nèi)管芯溫度提高。經(jīng)過(guò)多次測(cè)試，發(fā)現(xiàn)其最優(yōu)厚度是370微米。本文簡(jiǎn)單論述優(yōu)化大功率半導(dǎo)體激光器的封裝熱應(yīng)力的途徑，為同行提供參考意義。

關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體激光器;封裝;熱應(yīng)力

1大功率半導(dǎo)體激光器發(fā)展現(xiàn)狀

大功率半導(dǎo)體激光器在我國(guó)的加工領(lǐng)域以及軍事國(guó)防等重要單位，具有很強(qiáng)的應(yīng)用性，其特點(diǎn)是激光器的體積較小，便于攜帶，發(fā)光效率高，光源穩(wěn)定，并且容易維修。當(dāng)前我國(guó)的大功率半導(dǎo)體激光器的光電轉(zhuǎn)化效率最優(yōu)的數(shù)據(jù)是70%左右。在進(jìn)行激光器運(yùn)作時(shí)，光能利用率還需進(jìn)一步提升，減少熱量的揮發(fā)。因?yàn)榧す馄鞴苄緝?nèi)溫度會(huì)隨著熱量的難以釋放，導(dǎo)致半導(dǎo)體材料禁帶寬度變窄，這會(huì)導(dǎo)致激光器光源輸出不穩(wěn)定，極大的降低了光源的發(fā)光質(zhì)量，并且激光器管芯和使用的焊接材料由于其膨脹系數(shù)沒(méi)有達(dá)到預(yù)定理論數(shù)值，會(huì)使得整體熱應(yīng)力提升，使光譜發(fā)生變化。如果激光器中的熱應(yīng)力擴(kuò)大會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)結(jié)構(gòu)件斷裂以及結(jié)合部裂開(kāi)等情況，極大的影響了器件的使用壽命和穩(wěn)定性，因此提升激光器的封裝熱應(yīng)力十分重要。

當(dāng)前莫爾法、X射線衍射法等有效方法都可以測(cè)試熱應(yīng)力。但通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法來(lái)進(jìn)行測(cè)量，操作難以掌握并且測(cè)試成本高，數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。通過(guò)COMSOL Multiphysics仿真軟件來(lái)進(jìn)行測(cè)算，可以得到更好的數(shù)據(jù)，如果可以進(jìn)一步優(yōu)化模型以及端口等環(huán)境就可以得到與實(shí)際實(shí)驗(yàn)相一致的數(shù)據(jù)。本文通過(guò)利用多物理場(chǎng)景COMSOL Multiphysics仿真軟件對(duì)不同厚度的焊料和不同材料以及鎢銅次熱沉封裝激光器的巴條進(jìn)行模擬。對(duì)不同環(huán)境下激光器巴條的光譜分析，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行有效分析，進(jìn)一步優(yōu)化當(dāng)前的大功率半導(dǎo)體激光器巴條的封裝方式和選取材料，對(duì)今后的生產(chǎn)提供有效指導(dǎo)。

2項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)過(guò)程

該實(shí)驗(yàn)過(guò)程主要是首先用焊料將芯片焊接在激光器的熱沉上，但進(jìn)行封裝時(shí)不同材料的熱膨脹系數(shù)不一樣，溫度提升后會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致激光器的熱應(yīng)力改變整個(gè)管芯發(fā)生形變。在進(jìn)行仿真計(jì)算時(shí)將復(fù)雜的管芯結(jié)構(gòu)替代砷化鎵材料，并且規(guī)定材料的膨脹系數(shù)不隨著管芯內(nèi)的其他條件發(fā)生改變，只考慮因溫度引起的熱應(yīng)力。當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)，激光器的管芯內(nèi)無(wú)應(yīng)力。COMSOL Multiphysics軟件的仿真模擬步驟。首先是建立模型，采用結(jié)構(gòu)力學(xué)等理論來(lái)構(gòu)建三維模型，建立出整體激光器的熱應(yīng)力。在COMSOL Multiphysics中軟件中建立出相應(yīng)幾何模型并構(gòu)成體系，然后添加所需要的材料，最后設(shè)定熱源溫度以及各種邊界條件。這一步將直接導(dǎo)致結(jié)果的真實(shí)性以及準(zhǔn)確性。熱應(yīng)力分析對(duì)于固體傳熱和力學(xué)應(yīng)用較多，在力學(xué)中垂直于管芯的參數(shù)應(yīng)該設(shè)置為自由膨脹。在邊界處不同材料設(shè)定為一致連續(xù)對(duì)并且在銅熱沉底面設(shè)置時(shí)間約束條件。而在固體傳熱時(shí)將管芯作為激光器的熱源，將其熱量損耗設(shè)定為50W。將不同材料的交接處設(shè)置為熱接觸條件，將銅熱沉底面設(shè)置為常溫。將熱流通環(huán)境設(shè)置為20℃。然后對(duì)構(gòu)建的幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格化，網(wǎng)格數(shù)量越多，計(jì)算結(jié)果越精確，但由于工作量的提升，這對(duì)于計(jì)算機(jī)性能的要求也更高，會(huì)使得模擬時(shí)間變長(zhǎng)，計(jì)算負(fù)擔(dān)加重。再通過(guò)COMSOL Multiphysics軟件的模擬后，使得整體的熱應(yīng)力分布計(jì)算更加的精確。將不同材料以及焊接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行網(wǎng)格化處理，進(jìn)一步提升了計(jì)算機(jī)的運(yùn)行效率。最后對(duì)設(shè)計(jì)的模型進(jìn)行處理，對(duì)最終結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步分析，將結(jié)果可視化。

3結(jié)果分析與討論

3.1選取焊接材料不同

在進(jìn)行大功率半導(dǎo)體激光器封裝時(shí)，主要采用銦或者是金錫合金。銦材料塑性變形能力較強(qiáng)，延展性較好，其內(nèi)部應(yīng)力也較少，但在高溫環(huán)境下容易發(fā)生不規(guī)則生長(zhǎng)，使得老化加劇，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)電遷移等不良現(xiàn)象，導(dǎo)致二極管損耗加速。金錫合金是一種硬性焊料，其在抗形變、抗屈服等方面性能較好，導(dǎo)熱性能優(yōu)良。在焊接時(shí)也不需要助焊劑的使用，在進(jìn)行發(fā)熱時(shí)，也不會(huì)出現(xiàn)電遷移現(xiàn)象，但該焊料及延展性較差，溫度過(guò)高會(huì)使其內(nèi)部應(yīng)力加大，這對(duì)于焊接工藝要求更高。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以得出銦焊料其熱膨脹系數(shù)與大功率半導(dǎo)體激光器的熱膨脹系數(shù)匹配程度更高，并且由于銦屬于軟焊料，使得半導(dǎo)體激光器中的應(yīng)力可以良好的釋放出來(lái)，并且其導(dǎo)熱率較高，整體散熱能力更強(qiáng)。對(duì)兩者進(jìn)行光譜分析后發(fā)現(xiàn)，金錫合金焊料由于其硬性焊料的特性，導(dǎo)致在封裝中管芯熱應(yīng)力的波長(zhǎng)藍(lán)移現(xiàn)象也更加明顯。

3.2選取焊料厚度不同

銦和金錫合金兩種焊料的傳熱速率和膨脹系數(shù)與大功率半導(dǎo)體激光器的管芯參數(shù)差距較大，所以對(duì)于焊料的厚度選擇時(shí)會(huì)直接影響熱應(yīng)力的分布。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以看出焊料厚度逐漸加強(qiáng)，管芯內(nèi)的熱應(yīng)力也會(huì)進(jìn)一步上升，溫度也在逐漸升高。從熱膨脹系數(shù)角度分析金錫合金焊料的熱膨脹系數(shù)與激光器的差別較大，使得其內(nèi)部產(chǎn)生較大熱應(yīng)力，并且金錫合金導(dǎo)熱率較差，其焊料厚度加重會(huì)直接導(dǎo)致管芯內(nèi)部熱量難以發(fā)散。通過(guò)模擬結(jié)果可以看出焊料厚度越小，激光器管芯內(nèi)的熱應(yīng)力越小，但在實(shí)際操作過(guò)程中焊料厚度過(guò)薄，會(huì)使得管芯焊接不牢固，并且在焊料內(nèi)出現(xiàn)孔洞，嚴(yán)重會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開(kāi)裂，影響器件的工作壽命。

結(jié)語(yǔ)

隨著科技的進(jìn)一步發(fā)展，材料研究技術(shù)逐漸成熟，在材料制備以及激光器芯片制備等工藝也越來(lái)越逐漸完善，大功率半導(dǎo)體激光器的封裝工藝上也越來(lái)越重要。大功率半導(dǎo)體激光器的封裝質(zhì)量，直接影響到了器件今后的工作效率以及使用壽命。本文通過(guò)對(duì)半導(dǎo)體激光器的巴條封裝進(jìn)行研究，采用COMSOL Multiphysics仿真軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，對(duì)于不同焊料以及選取焊料厚度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在進(jìn)行激光器管芯焊接時(shí)，其內(nèi)部熱應(yīng)力較低，通過(guò)有效減少焊料厚度，使得整體應(yīng)力下降，但是焊料過(guò)薄會(huì)導(dǎo)致焊接不充分，內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)疏松多孔現(xiàn)象。

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