半導體鐳射器封裝(1)

相比固體鐳射器、光纖鐳射器等技術，半導體鐳射器的電光轉換效率較高，可達40%~60%，即便如此其工作時仍會產生大量的熱，如散熱效果不佳，則會造成晶片溫度升高——直接影響半導體鐳射器輸出功率、閾值電流密度、電光轉化效率、微分量子效率、偏振度等效能，並導致半導體鐳射器壽命和可靠性的下降，甚至會損毀晶片。良好的散熱是保障半導體鐳射器功率和光束質量關鍵因素之一。

氮化鋁、氧化鋁、金剛石等材料熱沉的應用可提升散熱能力，減少熱阻，提高鐳射器輸出功率，延長鐳射器壽命。

大功率鐳射熱沉工藝包含濺射、光刻、刻蝕、電鍍、蒸發、合金、劃片等。

高功率半導體鐳射器封裝對過渡熱沉的要求主要體現在低熱阻與低熱失配兩方面——過渡熱沉熱導率越高越能有效降低鐳射器熱阻；與此同時還要考慮晶片與熱沉熱膨脹係數匹配，選擇合適的燒結焊料，減少熱失配，進而保證/提升鐳射器輸出特性。

熱導率是材料的一個重要熱學效能參量。材料的熱導率是衡量熱能在介質中傳輸難易程度的一個物理量。實驗表明，熱流密度j（單位時間內透過單位截面的熱能）與溫度梯度（dT/dx）成正比，比例係數κ就是熱導率，即有熱傳導的Fourier定律（負號表示熱能總是從高溫端流向低溫端）：

j=-k（dT/dx）。

由傅立葉定律， 有：

R=h/KS

R 為熱阻，h 為焊料層厚度， K 為熱導率，S 為垂直熱流方向的導熱面積。在其它條件相同的情況下，鐳射器的熱阻與熱導率成反比關係，熱沉材料的熱導率越高，越可有效降低器件熱阻。

晶片與過渡熱沉的熱膨脹係數失配產生熱應力，熱應力會影響半導體鐳射器輸出功率、光譜寬度、可靠性等，因此需選用與鐳射器晶片熱膨脹係數匹配的熱沉材料。晶片材料為砷化鎵，熱膨脹係數為 4。5×10-6/K，氮化鋁熱沉熱膨脹係數為 4。1~4。5×10-6/K；金剛石1。0~4。5×10-6/K，金屬銅金剛石17×10-6/K。

部分應用領域過度熱沉需用到金剛石，其熱導率熱導率可達1000~2200W/（K·m），相比於熱導率為 140~230W/（K·m）的氮化鋁過渡熱沉，金剛石熱沉可顯著提高鐳射器散熱效果；但相比於金剛石熱沉，使用氮化鋁熱沉封裝晶片的熱失配度更低（基於熱膨脹引數等資料）。故，如採用金剛石熱沉作為過渡熱沉封裝鐳射器時，宜採用軟焊料封裝，可減小熱失配引入的熱應力。

評估熱沉實際封裝效果，可從檢測對應熱沉封裝後的鐳射器特性引數來評估，包括：輸出功率、閾值電流、熱飽和電流、工作電壓、中心波長、光譜半寬，斜率效率、光電轉換效率、偏振度等。

鐳射器熱阻可表示為 Rth，根據熱阻定義：耗散單位熱功率引起的溫升，熱阻 Rth 可用如下公式表示：

式中 ∆T 為有源區溫升， Pt 為熱功率。

半導體鐳射器有源區溫升不易測量，可透過波長漂移量∆λ 計算可得：

式中 λ （T ） 為波長漂移係數。

鐳射器熱功率 Pt 的計算公式為：

式中 P 為注入電功率， Pop 為鐳射器輸出功率。

熱阻 Rth 可表示為：

鐳射器結溫Tj 的計算公式為：

式中Ta 為熱沉溫度。

使用波長漂移法測得鐳射器熱阻。以金剛石熱沉為例：測量熱沉溫度分別為20℃、25℃、30℃、35℃時，10A 工作電流條件下鐳射器波長的變化，測試結果如下圖所示，計算可得該器件的波長漂移係數為 0。308nm/℃

不同溫度時的波長變化曲線

熱沉溫度設定值為 20℃時，測試並記錄不同電流條件下的鐳射器輸出功率、中心波長以及鐳射器工作電壓，由公式

可計算出不同電流條件下的鐳射器熱功率，進而可得出鐳射器中心波長與鐳射器熱功率關係的擬合曲線，如下圖所示，計算可得 dλ/ dPt =0。535nm/W。

波長與鐳射器熱功率關係曲線

由公式

可得鐳射器的熱阻為 1。74℃ /W（0。535/0。308）。

由公式

計算可得鐳射器注入電流 25A 時晶片結溫為 53。94℃。

該實驗中使用氮化鋁熱沉作為過渡熱沉封裝同批次晶片 5 只，封裝完成後用同種方式測試鐳射器熱阻，可得氮化鋁熱沉作為過渡熱沉封裝的鐳射器熱阻為 2。91℃ /W。從資料得知，金剛石過渡熱沉與傳統的氮化鋁過渡熱沉相比可有效降低鐳射器熱阻。

某司氮化鋁熱沉

其它參考