石墨片作輔助熱沉的高功率半導體激光器熱傳導特性

房俊宇， 石琳琳， 張 賀， 楊智焜， 徐英添， 徐 莉， 馬曉輝

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

1 引 言

半導體激光器具有體積小、重量輕、光電轉換效率高、可靠性高等優點，在醫學、軍事、工業等領域有著廣泛的應用[1-3]。隨著科學技術的發展，人們對半導體激光器的輸出功率需求越來越高。激光器工作時有源區溫度升高，造成激光器波長紅移，閾值電流增大，光電轉換效率下降，壽命降低等，嚴重時會使激光器徹底損壞[4-5]。因此，熱管理技術是高功率半導體激光器發展的一個重要環節。通過研究高功率半導體激光器熱傳導特性來提高其熱管理技術、增加封裝結構散熱性、提高半導體激光器的輸出功率具有重要意義。

提高器件散熱途徑的方法主要有兩種：一是采用散熱性能更好的散熱結構；二是研發出熱導率更高的散熱材料。為使高熱導率的材料能與管芯熱膨脹系數相匹配，通常使用與激光器芯片熱膨脹系數相差較小的過渡熱沉來提高材料間的匹配度，以減小硬焊料對芯片產生的殘余應力，提高器件的可靠性[6]。常見過渡熱沉有氮化鋁、 碳化硅等陶瓷材料和鎢銅合金、 銅鉬合金等金屬合金材料[7-11]。目前，國內外所研究的導熱性能良好的過渡熱沉材料普遍價格昂貴，且不能突破兼顧熱膨脹系數匹配和熱導率較高這一瓶頸，因而在過渡熱沉材料的選擇與設計方面還有很大的提升空間，因此需要對熱沉材料與結構進行優化設計。

近年來，石墨因具有優異的機械、光學、電子和熱性能引起了國內外科研工作者的極大關注。石墨作為一種超高導熱材料，體積小、重量輕，是電子和光子器件熱管理的理想材料，目前在電子器件中已經有了廣泛的應用。Ono等提出使用石墨片作為一種被動部署的散熱器，該散熱器可以通過根據溫度改變其散熱面來控制散熱量，被用作小型衛星上的新型熱控裝置[12]。Wen等使用商業石墨片用作燃料電池的散熱器，石墨片切割成流通形狀與通道板結合使熱量通過石墨片向外傳導，有效降低燃料電池的反應區域的溫度[13]。研究表明石墨具有超高導熱性，最高可達1 000 W/(m·K)，比一般金屬導熱材料高約3倍，但是由于石墨導熱率的各向異性特征，橫向熱傳導率較高而縱向熱傳導率較低以及石墨的熱膨脹系數與半導體激光器材料GaAs不匹配等難題，使得石墨在半導體激光器封裝結構的應用方面很少有人研究[14]。因此，如何將這種超高熱導率石墨應用在半導體激光器封裝結構中具有較高的研究價值，利用其較高的橫向導熱性，增大水平方向熱通量傳導效率，從而達到減少半導體激光器有源區溫度、增大半導體激光器輸出功率的目的，成為本文的研究重點[15]。

本文在傳統封裝結構的基礎上，通過在過渡熱沉兩側引入石墨片作為該結構的輔助熱沉，依據C-Mount封裝方式熱傳導路徑，充分利用石墨極高的橫向熱導率以達到更好的降低結溫的目的。同時石墨片通過過渡熱沉銅鎢合金傳導芯片所產生的熱量，解決了石墨片與半導體激光器熱膨脹系數不匹配的問題。利用有限元分析軟件ANSYS建立模型，選用熱導率較高的導電材料銅鎢合金(WCu)作為過渡熱沉。通過模擬結果可以發現，在減少過渡熱沉WCu長度和寬度尺寸的情況下，可以更好地減少封裝結構的熱阻，降低半導體激光器結溫，達到了降低器件熱阻的目的，從而提高半導體激光器的輸出功率。

2 建立模型

對傳統邊發射單管半導體激光器封裝結構建立模型，其中在理論模擬過程中做出如下設定[16-18]：在半導體激光器正常工作過程中，所產生的熱量主要來源于有源區中載流子復合、吸收和自發發射；由于半導體激光器體積較小，因此忽略激光器的輻射散熱及與空氣對流散熱；由于C-Mount封裝結構的后表面固定在其他制冷結構上，所以模擬過程中，在其結構的后平面設置固定溫度298 K，并且半導體激光器芯片采用倒裝式封裝。該C-Mount銅熱沉尺寸為6.86 mm×6.35 mm×2.18 mm，由于該半導體激光器封裝方式采用C-Mount封裝，其導熱路徑如圖1所示[19]。

圖1 C-Mount封裝導熱路徑示意圖

模擬計算中所使用的半導體激光器光電參數為：波長808 nm，電光轉換效率50%，連續條件下輸出功率10 W，激光器芯片尺寸為1.5 mm×0.5 mm×0.15 mm，發光區寬度100 μm。WCu熱沉尺寸為3.35 mm×2.18 mm×0.5 mm。為滿足與激光器芯片熱膨脹系數匹配的要求和此后過渡熱沉的尺寸設計要求，選用與銅熱膨脹系數匹配的電導率較好的WCu材料作為過渡熱沉。為阻擋焊料向下擴散，便于引線鍵合，在過渡熱沉銅鎢合金的上下表面分別鍍有金屬層。

模擬分析所涉及的材料參數如表1所示。

表1 材料參數

在半導體激光器工作過程中，所產生的熱量主要來自以下方面[20-21]：

(1)激光器有源區在正常工作狀態下有很高的載流子密度和光子密度，部分電子與空穴非輻射復合、輻射吸收與自發輻射吸收，其產生的熱量Q1為:

[1-ηex-(1-ηi)fspηsp]}，

(1)

其中，V為PN結上的結電壓，ηsp為自發輻射內量子效率，fsp為自發輻射光子逃逸因子，dact為有源區厚度，j為電流密度，jth為閾值電流密度，ηex為外微分量子效率，ηi為受激輻射內量子效率。

(2)當半導體激光器工作時，由于各層材料電阻引起的焦耳熱，計算公式為：

(2)

其中，Q2為焦耳熱功率密度，ρ為各材料層的電阻率，dc為歐姆接觸層厚度。

(3)蓋層以及襯底材料對有源區自發輻射逃逸光子的吸收所產生的熱量為：

(3)

其中，di為除有源區外各層材料的厚度。

激光器在正常工作狀態下，熱傳導方程為：

(4)

其中，T為激光器有源區溫度，K為材料熱傳導系數，Q為半導體激光器熱功率密度。

3 模擬結果與分析

3.1 WCu熱沉寬度的變化對芯片結溫的影響

金屬銅與芯片材料GaAs的熱膨脹系數差距較大，為減少封裝過程中所帶來的封裝應力，采用與GaAs的熱膨脹系數相近的WCu材料作為過渡熱沉，同時由于WCu材料具有很好的導電性，便于正電極連接。利用有限元分析法探討在傳統封裝結構中，WCu熱沉寬度的變化對芯片結溫的影響，WCu熱沉的長度與厚度分別為2.18 mm和0.5 mm，WCu寬度由3.35 mm減少到0.6 mm時，半導體激光器有源區溫度變化如圖2所示。半導體激光器有源區溫度為Tj，熱沉的最低溫度為T0，熱功率為Ptem，根據激光器熱阻Rth的表達式：

圖2 半導體激光器有源區溫度與銅鎢合金寬度W變化曲線

Fig.2 Variation curve of active region temperature and tungsten copper(CuW) widthWvalue of semiconductor laser

(5)

從圖2中可以看出，當WCu熱沉寬度尺寸從3.35 mm減少到0.6 mm時，結溫從339.4 K增加為352.2 K，熱阻從4.14 K/W增加到5.42 K/W。其原因是熱沉寬度的減小影響了熱流的橫向散熱，降低了器件散熱能力。因此，提高半導體激光器的橫向導熱性能是改善激光器散熱能力的重要瓶頸。

3.2 石墨片作輔助熱沉熱模擬

3.2.1 石墨片導熱性能

在固體材料中，熱傳導方式主要分為兩種。一種是通過自由電子振動實現，如金屬材料。另一種由晶體內晶格原子的振動波即聲子振動實現，如石墨[22]。在石墨的網狀結構中，聲子振動的熱振幅很大，致使石墨具有高的晶面導熱系數，可達1 000 W/(m·K)以上[23]；但在垂直網狀結構的方向，由于聲子振動的熱振幅很小，在該方向的熱導率僅有35 W/(m·K)。因此，石墨片是一種各向導熱異性的導熱材料，橫向導熱率明顯優于縱向導熱率，且明顯高于常用的金屬熱沉熱導率，所以在封裝領域中有著極高的研究價值。

3.2.2 新型封裝結構

使用石墨片作輔助熱沉的新型封裝結構示意圖如圖3所示。在傳統封裝結構中，WCu熱沉兩邊分別使用石墨作為輔助熱沉，石墨首先通過化學鍍銅法或電鍍銅法使石墨表面金屬化，使石墨表面具有金屬的性質，從而實現石墨分別與銅熱沉、WCu過渡熱沉接觸面的焊接工藝[24-26]。表面金屬化后的石墨與WCu接觸部分使用焊料焊接，使得二者在工作過程中緊密接觸。石墨長度和厚度分別為2.18 mm和0.5 mm，在石墨輔助熱沉、WCu熱沉以及C-Mount銅熱沉的后表面設置固定溫度為298 K。圖3(b)所示為由芯片所產生的熱量通過過渡熱沉分別向后表面冷卻面、銅熱沉以及石墨片輔助熱沉傳導散熱，使半導體激光器有源區的溫度降低。

圖3 (a)石墨片作輔助熱沉的新型封裝結構示意圖;(b)石墨局部熱傳遞示意圖。

Fig.3 (a ) Schematic diagram of new packaging structure of graphite sheet as auxiliary heat sink. (b) Schematic diagram of local heat transfer in graphite.

增加石墨片平行于半導體激光器芯片端面方向的尺寸，同時減少銅鎢合金的寬度(W)，保證二者寬度尺寸總和為3.35 mm。當WCu尺寸分別由2.0 mm變化到0.6 mm時，計算各個參數下的芯片結溫。如圖4所示，通過不同尺寸下的激光器溫度分布云圖可以看出，WCu寬度從2.0 mm減小到0.6 mm時，結溫逐漸下降，分別從338.9 K減小到334.9 K，熱阻Rth也逐漸降低，從4.09 K/W變化為3.69 K/W。隨著WCu尺寸的減小，更多熱量傳導到石墨片上，散熱效果明顯提高，當銅鎢合金熱沉的寬度為0.6 mm時，半導體激光器有源區溫度達到最小。

為進一步分析橫向熱傳導性能，對傳統封裝結構和石墨片作輔助熱沉的封裝結構的端面方向熱流矢量進行模擬分析，如圖5所示。其中圖5(a)、(b)分別為W=0.6 mm和W=3.35 mm的傳統封裝結構，圖5(c)、(d)分別為W=0.6 mm和W=2.0 mm的石墨片作輔助熱沉的封裝結構的熱流矢量圖。從圖5(a)、(b)中可以看出，傳統封裝結構有源區熱量僅向下通過過渡熱沉WCu和銅熱沉進行散熱，當WCu熱沉尺寸增大(圖5(b))，封裝結構熱阻與結溫溫度有所降低。圖5(c)、(d)為采用石墨片作輔助熱沉的封裝結構的熱流矢量圖，從圖中可以看出，有源區熱量首先擴散到WCu熱沉中，由于石墨片具有較高的橫向熱導率，致使擴散到WCu的熱量首先通過石墨片進行散熱，其次再通過WCu和銅散熱，隨著石墨片尺寸的增大散熱效果明顯。因此，相比傳統封裝結構，通過對石墨輔助熱沉的引入，利用其極高的熱導率增大了封裝結構的散熱途徑，可以很好地減小封裝結構的熱阻Rth和半導體激光器有源區溫度Tj，進而可以很好地降低連續工作的半導體激光器所產生的熱量。

圖4 不同過渡熱沉寬度尺寸器件溫度分布云圖

圖5 傳統封裝結構和石墨片作輔助熱沉的封裝結構熱流矢量圖。(a、b)傳統封裝結構熱流矢量圖；(c、d)石墨片作輔助熱沉的封狀結構結構熱流矢量圖，熱量隨石墨片尺寸增加,散熱效果明顯。

Fig.5 Traditional package structure and graphite sheet as auxiliary heat sink package structure heat flow vector. (a, b) Traditional package structure heat flow vector diagram. (c, d) Graphite sheet as auxiliary heat sink seal structure heat flow vector . The heat is obviously increased with the size of the graphite sheet.

對于半導體激光器，其結溫計算表達式為：

Tj=T0+(Pin-P)Rth，

(6)

其中，Tj為激光器芯片結溫，T0為熱沉溫度，Pin為激光器的輸入功率，P為激光器的輸出功率,Rth為熱阻。由上述公式可知，激光器芯片結溫受工作電流、熱沉溫度及器件熱阻影響。

半導體激光器閾值電流和有源區溫度之間的關系為：

(7)

其中，IRet為溫度TRet下的閾值電流，Tt為激光器特征溫度，主要由激光器結構和材料決定。

激光器斜率效率η隨有源區溫度變化的表達式為：

(8)

式中T1為斜率效率的特征溫度。

激光器輸出功率與斜率效率和工作電流的關系為：

P=η(T)I，

(9)

結合公式(6)、(7)、(8)、(9)可得出輸出功率P：

(10)

圖6 不同熱阻下的P-I特性曲線

Fig.6 Characteristic curve ofP-Iunder different thermal resistance

半導體激光器的輸出功率與輸入電流的關系曲線如圖6所示。從圖中可以看出隨著封裝熱阻的減少，器件輸出功率會增加。經過本文封裝結構優化后，封裝熱阻降為3.69 K/W，其最大輸出功率為20.6 W。

4 結 論

為了降低邊緣式高功率半導體激光器有源區溫度，降低器件封裝成本，在C-Mount封裝結構的基礎上，研究了一種使用石墨材料作為輔助熱沉的封裝結構，并理論分析比較其輸出功率與傳統封裝結構的輸出功率。在傳統封裝結構中，過渡熱沉WCu寬度尺寸從3.35 mm減小到0.6 mm時，半導體激光器有源區溫度從339.4 K升高到352.2 K。在使用石墨作輔助熱沉的條件下，石墨片與WCu寬度和為3.35 mm，當過渡熱沉尺寸從2.0 mm減少到0.6 mm時，結溫從338.9 K降到334.9 K。相比于寬為3.35 mm的WCu傳統結構，其溫度降低4.5 K。在傳統封裝結構中，隨著WCu寬度的減少，有源區溫度升高。而新型封裝結構與其相反，相比于傳統結構，有源區溫度降低4.5 K，散熱效果明顯改善。通過計算可知，半導體激光器的最大輸出功率為20.6 W。該結構設計為今后高功率半導體激光器的發展提供了幫助，同時在商業上有著很高的使用價值。