高功率半導(dǎo)體激光器過渡熱沉封裝技術(shù)研究

馬德營，李 萌，邱 冬

（山東省創(chuàng)新發(fā)展研究院，山東 濟(jì)南 250101）

1 研究背景

半導(dǎo)體激光器具有體積小、質(zhì)量輕、能耗小、易調(diào)制、可以批量化生產(chǎn)等眾多優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)加工、信息通信、醫(yī)療、生命科學(xué)和軍事等領(lǐng)域。雖然半導(dǎo)體激光器電光轉(zhuǎn)換效率高，但在激光器芯片有源區(qū)內(nèi)存在非輻射復(fù)合損耗和自由載流子的吸收，工作時會產(chǎn)生大量的熱；同時，各層材料存在著電阻，也會產(chǎn)生焦耳熱，這使得很大一部分電能轉(zhuǎn)化為熱能，再加上芯片材料的熱導(dǎo)率低，熱量不能快速傳導(dǎo)出去，從而導(dǎo)致有源區(qū)溫度升高，有源區(qū)材料禁帶寬度變小，出現(xiàn)激射波長紅移、效率降低、功率降低、閾值電流增大等一系列的問題，嚴(yán)重影響激光器的壽命和可靠性。當(dāng)前，隨著技術(shù)不斷更新進(jìn)步，應(yīng)用市場對激光器的輸出功率提出了更高的要求，而輸出功率的提高，伴隨著的則是更多熱量的產(chǎn)生，這對激光器的散熱管理提出了更高的要求。

半導(dǎo)體激光器的散熱問題一直是國內(nèi)外研究熱點。提升激光器的散熱能力，可以減少熱量在有源區(qū)的積蓄，降低有源區(qū)的溫度，提高效率，降低工作電流，減小波長，改善光斑輸出等。研究發(fā)現(xiàn)，激光器芯片對傳導(dǎo)冷卻半導(dǎo)體激光器的總散熱貢獻(xiàn)僅為8%[1]，因此，激光器的散熱設(shè)計應(yīng)更多地集中在封裝上。高功率半導(dǎo)體激光器散熱封裝方式主要有自然對流熱沉冷卻、微通道、電制冷和噴霧冷卻等形式。其中，對于單管半導(dǎo)體激光器來說，自然對流熱沉冷卻方式易于加工和組裝，是最經(jīng)濟(jì)、常用的冷卻方式。一般采用高熱導(dǎo)率材料做熱沉，擴(kuò)大自然對流散熱面積來增加散熱量，降低激光芯片的溫度。為使激光器芯片發(fā)光的有源區(qū)更貼近熱沉，減少熱量傳輸路徑，便于熱量更快地傳輸出去，現(xiàn)在普遍采用芯片朝下的倒裝封裝結(jié)構(gòu)，通過銦或者金錫等焊料把半導(dǎo)體激光器芯片粘貼到熱沉上。銅具有高熱導(dǎo)率和導(dǎo)電性，在半導(dǎo)體激光器的封裝中常被用作熱沉，但銅的熱膨脹系數(shù)與芯片的熱膨脹系數(shù)相差近1.58倍，容易產(chǎn)生熱應(yīng)力，影響激光器的輸出性能。在芯片和常規(guī)熱沉之間加入高熱導(dǎo)率且膨脹系數(shù)接近芯片熱膨脹系數(shù)的過渡熱沉，可以有效解決這一問題。

本文從高功率半導(dǎo)體激光器散熱原理出發(fā)，對各種過渡熱沉材料和封裝用的焊料進(jìn)行對比分析，得到了較為理想的過渡熱沉材料和封裝工藝，并對未來封裝技術(shù)進(jìn)行了展望。

2 半導(dǎo)體激光器散熱原理

半導(dǎo)體激光器的封裝結(jié)構(gòu)如圖1所示，激光器熱量絕大部分產(chǎn)生在芯片的有源區(qū)，通過焊料層、絕緣層、界面層傳導(dǎo)至過渡熱沉和常規(guī)熱沉，常規(guī)熱沉與冷卻介質(zhì)接觸形成對流換熱，將熱量散出。

圖1 半導(dǎo)體激光器熱沉傳導(dǎo)散熱示意

若有源區(qū)的溫度為Tj，熱沉底面的溫度為T0，則有源區(qū)和熱沉表面形成的溫度差ΔT為：

ΔT=Tj－T0

激光器中熱傳遞遇到的阻力，即熱阻Rth可以表示為：

在式（1）中，ΔP為熱功率，即輸入功率P減去光功率Po，輸入功率P可以通過測量激光器的電壓U和輸入電流I計算得出，光功率Po可以通過光功率計測量得到。

在實驗中，一般采用波長偏移法測量激光器的熱阻。在連續(xù)波或脈沖模式下，測量熱沉在不同溫度時激光器的波長，計算出波長飄移系數(shù)λ（T）：

在熱沉溫度保持恒定，測量2次不同輸出功率下，激光峰值波長差dλ，再測量出這2次的功率差dP，就可以計算出激光器的熱阻：

根據(jù)傅里葉定律，熱阻Rth又可以表示為：

式（2）中：h為層厚度；K為熱導(dǎo)率；S為垂直熱流方向的導(dǎo)熱面積。

根據(jù)公式（2），為了降低熱阻，過渡熱沉和激光器芯片間各層材料的導(dǎo)熱面積要增大，同時要減小各層厚度，而且各層要選用高熱導(dǎo)率的材料。為了更好地傳遞熱量，不僅需要選擇熱導(dǎo)率更高的過渡熱沉材料，同時也要考慮熱失配問題。

3 熱應(yīng)力分析

在封裝過程中，從焊料凍結(jié)溫度冷卻至室溫，芯片和熱沉之間由于熱膨脹系數(shù)不同，隨著溫度下降會產(chǎn)生較大的應(yīng)力，而且該應(yīng)力會被引入有源區(qū)[2]，降低激光器的可靠性和輸出功率。激光器工作時會產(chǎn)生熱量，芯片溫度隨之升高，由于熱沉的熱膨脹系數(shù)與激光器芯片材料熱膨脹系數(shù)不同，接觸界面受到熱-機(jī)械應(yīng)力作用，長時間工作后，容易在芯片材料內(nèi)部產(chǎn)生蠕變和塑性變形，進(jìn)而產(chǎn)生裂紋、空洞等，嚴(yán)重影響激光器輸出性能[3]。

在常規(guī)封裝結(jié)構(gòu)中加入過渡熱沉可以有效緩解芯片和熱沉間的熱應(yīng)力。袁慶賀等[4]采用銅做傳統(tǒng)熱沉，鎢銅（銅占比為10%）做過渡熱沉，分別采用銦焊料和金錫焊料封裝，采用多物理場仿真軟件COMSOL Multiphysics計算了熱應(yīng)力分布，結(jié)果顯示，采用銦焊料封裝的芯片熱應(yīng)力為3.57 GPa，金錫焊料芯片的熱應(yīng)力為3.83 GPa。在整個封裝結(jié)構(gòu)中，無論是采用銦焊料，還是金錫焊料，熱應(yīng)力最大的地方均在熱沉和過渡熱沉界面，分別為215 GPa和240 GPa，遠(yuǎn)大于芯片與過渡熱沉界面的熱應(yīng)力3.57 GPa和3.83 GPa，可以看出，過渡熱沉承受了絕大部分封裝造成的熱應(yīng)力，大大減小激光器芯片中存在的熱應(yīng)力。

4 過渡熱沉材料的選擇

理想的過渡熱沉材料應(yīng)具有高熱導(dǎo)率，同時能與激光器芯片的熱膨脹系數(shù)相匹配。常用的過渡熱沉材料有氮化鋁陶瓷、氧化鈹陶瓷、碳化硅陶瓷、鎢銅合金、碳化硅晶片、金剛石薄膜片等，其相關(guān)熱性能參數(shù)如表1所示。

表1 各種過渡熱沉材料的熱性能參數(shù)

碳化硅陶瓷、氮化鋁陶瓷熱膨脹系數(shù)與激光器芯片的熱膨脹系數(shù)相差不大，熱導(dǎo)率也較高，常被用作過渡熱沉材料，倪羽茜等[5]分別采用碳化硅陶瓷、氮化鋁陶瓷做過渡熱沉進(jìn)行對比研究，實驗測得基于碳化硅陶瓷材料過渡熱沉封裝的激光器熱阻更低，比基于氮化鋁陶瓷材料封裝的激光器低14.7%；在注入電流15 A時，基于碳化硅陶瓷過渡熱沉封裝的激光器的電光轉(zhuǎn)換效率高12.1%。碳化硅晶片比碳化硅陶瓷的熱導(dǎo)率更高，吳胤禛等[6]在傳統(tǒng)C-mount銅熱沉的基礎(chǔ)上加入碳化硅晶片做過渡熱沉，與C-mount銅熱沉封裝的激光器相比，熱阻降低了0.49℃/W，電光轉(zhuǎn)換效率和功率均提高了10%以上，散熱效果明顯。

天然金剛石材料的熱導(dǎo)率高達(dá)2 000 W/（m·K），但是金剛石的切割、表面平整拋光以及金屬化等加工難度較大，若是因為表面粗糙而造成較高的接觸電阻，則會產(chǎn)生大量的焦耳熱，反而使金剛石熱沉的散熱優(yōu)勢無法發(fā)揮。顧長志等[7]采用微波等離子體CVD制備的金剛石薄膜做過渡熱沉，與傳統(tǒng)銅熱沉相比，半導(dǎo)體激光器的光功率輸出提升25%，熱阻減低45%以上，散熱優(yōu)勢明顯。戴瑋等[8]采用電子輔助化學(xué)氣相沉積（EACVD）法制備金剛石薄膜作為半導(dǎo)體激光器過渡熱沉，優(yōu)化了金剛石薄膜的生長工藝，使金剛石薄膜的熱導(dǎo)率從1 158.6 W/（m·K）提升至1 812.3 W/（m·K），激光器的斜率效率可提高至1.3 W/A，芯片的工作溫度下降了4.6 K，熱阻下降了28.4%。孫芮等[9]采用CVD金剛石作為過渡熱沉封裝的半導(dǎo)體激光器熱阻與采用氮化鋁陶瓷作過渡熱沉封裝的激光器相比，熱阻降低了40%。

石墨烯是一種二維晶體，具有優(yōu)良的電學(xué)、光學(xué)和熱學(xué)特性，單層石墨烯的橫向熱導(dǎo)率可以高達(dá)5 300 W/（m·K），遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于碳化硅、氮化鋁等熱沉材料。YAN等[10]在氮化鎵晶體管中生長了一層石墨烯，引入了一種新的散熱通道，顯著提高了散熱效率。WANG等[11]設(shè)計了基于石墨烯薄膜熱沉封裝結(jié)構(gòu)，在芯片上直接覆蓋一層石墨烯薄膜，利用石墨烯基薄膜的平面內(nèi)高導(dǎo)熱特性，將有源區(qū)產(chǎn)生的熱量橫向快速傳遞分散，使有源區(qū)域的熱量可以從襯底向下傳導(dǎo)，也可以通過石墨烯基薄膜水平傳導(dǎo)到銅散熱器。由于芯片和石墨烯基薄膜之間沒有焊料，在封裝過程中沒有引入過多的熱應(yīng)力，這使得有源區(qū)應(yīng)力較小，確保了半導(dǎo)體激光器的可靠性。實驗結(jié)果表明，與非石墨烯薄膜封裝結(jié)構(gòu)相比，石墨烯基薄膜封裝結(jié)構(gòu)的有源區(qū)結(jié)溫度降低了9.1 K，熱阻降低了1.52 K/W。

岳云震等[12]采用Ansys Workbench有限元方法，分別對將氮化鋁陶瓷、鎢銅、碳化硅晶片、化學(xué)氣相沉積（CVD）金剛石和石墨烯作為過渡熱沉封裝的半導(dǎo)體激光器進(jìn)行對比研究，從器件工作狀態(tài)下溫度、熱應(yīng)力及熱應(yīng)變分布進(jìn)行模擬，結(jié)果顯示：基于碳化硅晶片封裝的器件熱應(yīng)力最低，而且器件溫度比氮化鋁、鎢銅封裝低了2.18℃、3.078℃；基于CVD金剛石、石墨烯封裝的器件熱阻最低，但是由于熱膨脹系數(shù)相差較大，造成熱應(yīng)力較大，影響了激光器的功率輸出和可靠性。

5 焊料的選擇

半導(dǎo)體激光器芯片有源區(qū)產(chǎn)生的熱量是通過焊料層傳遞到過渡熱沉層，所以焊料的選擇非常重要，不僅要考慮焊料的熱導(dǎo)率，還要考慮焊料與接觸層之間的熱膨脹系數(shù)失配，以及能否適應(yīng)激光器溫度的變化等。合理選擇焊料和封裝工藝，能使芯片產(chǎn)生的熱量更快地向熱沉傳遞，有效提高器件的壽命和可靠性。目前常用焊料可分為2種：一種是軟焊料，有銦（In）焊料、納米銀焊膏（Nanosilver Paste）等；另一種是硬焊料，常用的是金錫（Au80Sn20）焊料。

銦焊料具有熔點低、延展性好、熱傳導(dǎo)性能好等優(yōu)點，封裝工藝簡單，適合快速封裝。但銦容易氧化，形成氧化銦（In2O3）薄膜，影響導(dǎo)電性能，而且在激光器高溫工作時，銦容易產(chǎn)生銦須，使焊料層疲勞，最終導(dǎo)致激光器損壞。

納米銀焊膏是由納米級銀顆粒混合粘結(jié)劑、表面活性劑等制備成的，其中納米銀顆粒占80%以上。由于其納米銀顆粒粒徑很小，多在10～50 nm，燒結(jié)過程可以不經(jīng)過液相燒結(jié)直接固化，其燒結(jié)溫度可以低至100℃[13]。納米銀焊膏具有低溫下快速燒結(jié)、高溫工作穩(wěn)定、熱導(dǎo)率高、熱膨脹系數(shù)小等性能，越來越受到科研人員關(guān)注，未來可能會成為主流焊料。

金錫焊料硬度較高，抗疲勞、抗蠕變性能好，具有良好的電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率，無需助焊劑，熔化溫度為280℃，凝固溫度為277℃。金錫焊料抗拉強(qiáng)度276 MPa，受應(yīng)力作用容易產(chǎn)生彈性形變，延展性較差，在燒結(jié)過程中容易引入應(yīng)力。相較于其他焊料，金錫焊料的成本更高，現(xiàn)在多采用定制的金錫預(yù)成型焊片，可以精確控制金錫的成分和厚度，降低封裝成本。彭勃等[3]對銦、金錫焊料以及納米銀焊膏3種焊料封裝激光器進(jìn)行理論計算研究，得出金錫焊料和納米銀焊膏的應(yīng)力和應(yīng)變值相對銦較小。這是因為這2種焊料的熱膨脹系數(shù)比銦焊料小，其中納米銀焊膏熱膨脹系數(shù)極小，延展性非常好，降低了互連界面的應(yīng)力。焊料性能參數(shù)如表2所示。

表2 焊料性能參數(shù)

6 焊料的厚度

無論是銦焊料、納米銀焊膏還是金錫焊料，熱膨脹系數(shù)、彈性模量均與激光器芯片和過渡熱沉不同，焊料層厚度的大小將影響熱應(yīng)力分布和熱量傳遞。根據(jù)前面公式（2）可以看出，焊料的厚度與激光器的熱阻成正比，焊料層厚度的增加會使激光器的熱阻升高。焊料厚度的大小將對激光器芯片溫度和熱應(yīng)力分布產(chǎn)生重要影響，袁慶賀等[4]通過多物理場仿真軟件COMSOL Multiphysics，以金錫焊料為列，模擬了5 μm、10 μm、15 μm、20 μm不同厚度焊料的激光器芯片溫度和熱應(yīng)力分布情況，結(jié)果顯示，隨著金錫焊料厚度增大，激光器芯片的溫度和熱應(yīng)力也在增加。這是因為金錫焊料的熱導(dǎo)率較低，僅為銅的1/7，厚度增加，散熱能力變差，溫度會升高；另一方面，金錫焊料的熱膨脹系數(shù)與激光器芯片材料的熱膨脹系數(shù)相差較大，溫度升高，激光器芯片內(nèi)部產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。

焊料的厚度并不是越小越好。減小焊料厚度，可以減小激光器芯片與焊料間的熱阻和熱應(yīng)力，但是焊料厚度過薄，則會導(dǎo)致激光器芯片與過渡熱沉焊接不牢，造成芯片與過渡熱沉之間開裂，或者芯片與過渡熱沉沒有完全潤濕而產(chǎn)生空洞，這會出現(xiàn)局部熱點效應(yīng)，嚴(yán)重影響激光器的可靠性和壽命[14]。一般焊料層的厚度多選擇在10 μm左右，精確厚度需要進(jìn)一步在具體封裝中進(jìn)行工藝優(yōu)化。

7 結(jié)束語

當(dāng)今，半導(dǎo)體激光器外延生長技術(shù)和芯片生產(chǎn)工藝已趨于穩(wěn)定，激光器的封裝技術(shù)成為研究熱點。本文對高功率半導(dǎo)體激光器的過渡熱沉封裝技術(shù)進(jìn)行研究，總結(jié)分析了目前常用的幾種過渡熱沉材料和不同的焊料。研究結(jié)果表明：碳化硅晶片和CVD金剛石片是高功率半導(dǎo)體激光器比較理想的過渡熱沉材料，焊料宜選用納米銀焊膏和金錫焊料。碳化硅晶片外延生長或用氣相沉積法生長石墨烯技術(shù)現(xiàn)已成熟，在碳化硅晶片覆蓋一層石墨烯，作為過渡熱沉效果也許會更好，但尚未有人進(jìn)行理論和實驗研究；納米銀焊膏熱導(dǎo)率高，在理論上優(yōu)于金錫焊料，但尚未被用于半導(dǎo)體激光器的封裝，尚未有人從實驗的角度來驗證納米銀焊膏封裝激光器的可靠性。