半导体激光器封装

上节课回顾： 半导体激光器的制备流程；
半导体激光器的结构要求
• 机械稳定性； • 电连接； • 散热问题；
以每个发光单元2W，有源区尺寸 1um×100um计算，体发热密度 2×1010W/m3。 以50%电光转换效率计算，一个典型的中等功率50W/bar，腔长 为1mm，热流密度为500W/cm2，电流密度1000A/cm2
整体结构简单、理想化的情况。
求解方法—数值解法
• 数值解法： 利用有限个离散点值的集合表征物理场 （量）的连续变化情况。
• 适用领域： 外形结构比较复杂、很难获得解析解的情 况下。
热阻概念的引入
• 热量的传递同自然界中的其它转移过程， 如电量的转移、质量的转移有着共同的规 律，可归结为： 过程中的转移量 = 过程中的动力/过程中的 阻力
Cu heat sink
PL wavelength (nm) PL wavelength (nm)
847
mounted on Cu heatsink
846
847
Mounted on expansion-matched heatsink
846
845 0
2000
4000
6000
8000
Lateral position (µm)
Intensity (A.U.) E fficiency (A .U .)
Laser power (W) Voltage (V)
热阻的实验测试
1.0
0.8
15A
55A
0.6
55A (after 30')
0.4
0.2
0.0
780
790
800
810
820
Wavelength (nm)
0.5
50
0.4
40
Bar 焊接的“Smile”效应
Bar 封装时的应力特性
• 由于bar 的GaAs衬底的热膨胀系数与热沉 热膨胀系数不一致引入应力。
半导体激光器的工作状态
• 按电流的持续时间分： 1、连续（CW） 2、准连续（QCW） 3、脉冲（pulse）
• 按电流的变化程度分： 1、连续（CW） 2、软脉冲（Soft pulse） 3、硬脉冲（Hard pulse）
• 体积小重量轻，具有致冷和加热两种功能：改变 直流电源的极性，同一致冷器可实现加热和致冷 两种功能。
无源热沉的热结构
普通水冷热沉
普通水冷热沉
牛顿冷却公式（对流散热） q=hΔt h: 表面传热系数
计算结果
Thermal resistance (K/W)
0.45
0.40
0.35
0.30
0.25
典型的封装形式
• Bar p面朝下焊接到热沉上，热沉充当正极； • 热沉根据散热量不同分为有源、无源热沉； • N面电连接采用Cu箔或金丝引线。
上电极 下电极
电流方向 发光方向
热散出方向
Bar焊接焊料的选择
• 软焊料 纯In材料具有非常好的延展性，抗疲劳性
以及抗裂纹传播率.适用于CTE与GaAs差别较 大的热沉材料与激光bar之间的焊接，例如： CVD金刚石、无氧铜和AlN等材料。 • 硬焊料
R(y z)
b
e b
2mc
2qdbsin mg b
e
m b
z
cos
m
y
2mc
b
m 1
am22 1 e
b
am22 1 e
b
I(x y z)
Ae
n
2
m
2
z
a b Be
n a
2
m b
2 z
cos
nx
cos
my
热阻与热沉长、(1) 宽的关系 热阻与热沉(2)厚度与长度的关系
半导体制冷
• 半导体致冷也叫温差电致冷是利用半导体材料的 温差电效应——即珀尔帖效应来实现致冷。把不 同极性的两种半导体材料（P型、N型），联成电 偶对，电流由N型元件流向P型元件时便吸收热量， 这个端面为冷面，电流由P型元件流向N型元件时 便放出热量，这个端面为热面。
• 斯泰藩-波尔兹曼定律（热辐射） q=ξA（T1- T2）
固体中的热传导
• 核心：目标物体温度场函数t（x.y.z)的 确定。
稳态无内热源情况下的Laplace方程
求解方法—解析函数法
• 解析函数法： 利用合理的数学语言把实际工况变换
成导热微分方程，然后利用数学物理方 法解之，得到温度场函数。 • 适用领域：
热量传递的基本方式
• 导热：物体各部分之间不发生相对位移 时依靠微观粒子热运动而产生的 热量传递。
• 对流：由于流体之间相对位移、冷热流 体相互掺混引起的热量传递。
• 热辐射：通过电磁波来传递能量的方式 称为辐射
几个基本公式
• 傅立叶定律（热传导） q= -λ(dt/dx) λ：热导率
• 牛顿冷却公式（对流散热） q=hΔt h: 表面传热系数
a b
n1 m1
2
qgasin
nd
e
2
n a
c
n z
J(x z)
a
e a
2nc
2qgasin nd a
e
n a
z
cos
n
x
2nc
a
n 1
bn22 1 e
a
bn22
1
e
a
计算结果
I
t
t
热沉尺寸：
25 257.5mm3 热流密度： 4 106W/m2 λ=398W/m﹒K
0.30
0.25
0.20
0.15 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4
Thickness of submount (mm)
0.0 0.50
Thickness of insulator (mm)
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
0.45
g=0.4mm
0.40
Submount Insulator
0.35
AuSn合金为激光bar焊接的首选硬焊料。 适用于热沉材料热膨胀系数(CTE)与GaAs差别 非常小的情况，例如：BeO热沉和CuW合金 热沉。
In 焊料的缺点
• 极限寿命为104小时左右； • 光束质量随工作时间增加而降低（In蠕变加剧Smile效
应）； • 不利于更高功率工作（连续输出功率<120W/bar）； • 工业用低占空比完全调制硬脉冲条件下工作寿命几百小时； • 控制激光bar结温≤55℃。
10000
845 0
2000
4000
6000
8000
Lateral position (µm)
10000
半导体激光器的热特性
• 阈值电流随有源区温度的指数增长； • 电光转换效率随有源区温度的指数下降； • 有源区温度增加器件寿命下降； • 腔面温度升高非辐射复合导致ＣＯＤ问题。
有源区温度控制大功率半导体激光器 应用的核心问题。
不同脉宽情况下的热效应
低占空比硬脉冲工作状态
AuSn焊料的特点
高温、高电流密度条件下稳定性好； 激光bar结温可允许达80 ℃； 寿命高达3-4万小时； 工业用低占空比完全调制硬脉冲条件下
寿命与普通工作状态寿命差别不大。
AuSn焊料的使用
新一代CTE热沉材料
Bar 内应力分布
bar facet
0.20
0.15 1
2 3 4 5 6 7 8 9 10
Volumetric flow rate (L/min)
基于普通水冷热沉的亚封装模块
Thermal resistance (K/W)
Thermal resistance (W/K)
0.55
0.50
g=0.4mm
0.45
g=0.1mm
0.40
0.35
0.3
30
0.2
20
0.1
10
0.0
0
0
2.4
2.2
2.0
1.8
1.6
1.4
1.2
1.0
10
20
30
40
50
60
Current (A)
t Rth
热阻0.34K/W
计算结果与实验结果差异分析
• Bar自身结构热阻； • 焊接界面热阻； • 微通道制备结构与理想结构差异。
背冷式微通道热沉
Temperature ( OC)
0.30 a=1.4mm
0.25
0.20 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6
Thickness of submount (mm)
普通微通道热沉
计算结果
1mm腔长bar，80W连续工作，电光转换效率60%，微 通道壁和微通道宽度均为200um时的温度分布。热阻 为0.29K/W.
56
54
52
50 h2=2mm
48
h2=1mm
46 h2=1.5mm
44 h2=0.5mm
42
40
0.000 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010
Length ( m )
背冷式微通道热沉的应用
下一代背冷式微通道散热结构
提高现有微通道热沉 散热能力30%以上
END
半导体激光单元器件
依靠自然对流散热，热阻较高， 热阻约为５Ｋ／Ｗ左右
阵列器件热沉的分类
• 无源热沉（passive heatsinks) ：
• 有源热沉（active heatsinks)：