高功率半導體激光器過渡熱沉封裝技術研究

摘要：首先，通過有效改善激光器的熱管理和穩定性能，包括熱沉設計、封裝材料選擇、界面優化等，這些措施共同作用于激光器的熱管理系統中，以確保激光器在高功率運行下仍能保持穩定和高效的性能。其次，通過熱分析和模擬，優化過渡熱沉與激光器芯片之間的界面接觸，降低接觸熱阻，提高熱傳導效率。最后，通過仿真計算和實驗驗證，評估技術的性能和優化效果。基于此，對提高激光器的散熱效果和長期穩定性具有重要意義，并推動激光器技術的發展。

關鍵詞：過渡熱沉高功率半導體激光器焊料材料熱阻

中圖分類號：TN365

ResearchonTransitionHeatSinkPackagingTechnologyforHigh-PowerSemiconductorLasers

ZHOUXiaoshuHUANGQing

Guilin JulianTechnologyCo.，Ltd.，GuilinCity，GuangxiZhuangAutonomousRegion，541004China

Abstract：Firstly，byimprovingthethermalmanagementandstabilityperformanceoflasers，includingheatsinkdesign，packagingmaterialselection，interfaceoptimization，etc.，thesemeasuresworktogetherinthethermalmanagementsystemofthelasertoensurethatthelasercanmaintainstableandefficientperformanceevenunderhigh-poweroperation.Secondly，throughthermalanalysisandsimulation，itoptimizestheinterfacecontactbetweenthetransitionheatsinkandthelaserchip，reducescontactthermalresistance，andimprovesthermalconductivityefficiency.Finally，itevaluatestheperformanceandoptimizationeffectofthetechnologythroughsimulationcalculationsandexperimentalverification.Basedonthis，itisofgreatsignificancetoimprovetheheatdissipationeffectandlong-termstabilityoflasers，andtopromotethedevelopmentoflasertechnology.

KeyWords：Transitionalheatsink;High-powersemiconductorlaser;Solder;Materialthermalresistance

隨著高功率半導體激光器在工業、醫療和通信等領域的廣泛應用，對其散熱和穩定性能的需求也越來越高。過渡熱沉封裝技術作為一種重要的解決方案，能夠有效提高激光器的熱管理能力和長期工作能力。該技術主要涉及熱沉設計、封裝材料選擇、界面優化等方面。通過合理的設計和優化，可以改善激光器的熱傳導效率和機械強度，提高整個系統的性能和可靠性。

1半導體激光器散熱原理

半導體激光器的散熱是通過將產生的熱量導出到周圍環境中來實現的。其中，散熱的方式可以通過導熱、對流和輻射等途徑進行。導熱是最常見的散熱方式之一。半導體激光器通常會采用金屬基座，并將半導體芯片與金屬基座緊密接觸，利用金屬的導熱性能將熱量從芯片傳導到基座上，并通過基座的外部面積來散熱[1]。對流散熱是通過將周圍空氣或液體引入散熱設備中，通過流體的對流來帶走熱量。總體而言，半導體激光器的散熱原理是通過導熱、對流和輻射等方式將熱量從芯片傳導到周圍環境中，以保證激光器的正常工作溫度和穩定性。

2高功率半導體激光器過渡熱沉封裝技術

2.1高功率半導體激光器熱特性分析

本文以一種高功率半導體激光器為例，其中激光器芯片尺寸為2mm×2mm，并使用金屬基座進行散熱。通過熱仿真軟件進行模擬，得到以下結果。

激光器芯片在激發過程中產生的熱量為10W；芯片與金屬基座之間的接觸熱阻為0.5℃/W；金屬基座的熱導率為200W/（m·K）；散熱器的風速為2m/s，對流系數為20W/（m2·K）；散熱器的散熱面積為4cm2。

通過熱仿真軟件，可以模擬出激光器芯片及其周圍區域的溫度分布情況，激光器芯片表面的最高溫度為80℃，座表面的最高溫度為40℃[2]。計算芯片到金屬基座的熱阻，即

Θjc=（TjTc）/P &ALdydj/V+OFUM0frHLBb5w==nbsp;（1）

式（1）中：Θjc為芯片到基座的熱阻；Tj為芯片最高溫度；Tc為基座最高溫度；P為芯片產生的熱量。芯片最高溫度為80℃，基座最高溫度為40℃，則Θjc=（8040）/10=4℃/W。

散熱效果分析方面，可以計算整個散熱系統的熱阻。

Θtot=（TjTa）/P（2）

式（2）中：Θtot為整個散熱系統的熱阻；Ta為環境溫度。環境溫度為25℃，則Θtot=（8025）/10=5.5℃/W。

計算散熱器的實際散熱功率，即

Pr=（TjTa）/Θtot（3）

式（3）中：Pr為散熱器的實際散熱功率。環境溫度為25℃，則Pr=（8025）/5.5=9.1W。

2.2過渡熱沉材料

高功率半導體激光器在過渡熱沉封裝中，過渡熱沉材料的選擇是非常重要的。以下是一個假設的例子，針對金剛石、石墨烯和氮化鋁陶瓷進行了熱應力、熱阻以及對激光傳導功率影響的分析和比較[3]。高功率半導體激光器的尺寸為2mm×2mm，并與過渡熱沉材料緊密接觸。通過有限元分析軟件進行模擬，得到以下結果：金剛石的熱膨脹系數為1.1×106/℃；石墨烯的熱膨脹系數為8×106/℃；氮化鋁陶瓷的熱膨脹系數為4.5×106/℃；激光器在工作過程中的最大溫度變化為100℃。

根據以上數據，可進行以下熱應力分析：

金剛石的熱應力：

σdiamond=αdiamond×ΔT×Ediamond（4）

式（4）中：σdiamond為金剛石的熱應力；αdiamond為金剛石的熱膨脹系數；ΔT為最大溫度變化；Ediamond為金剛石的彈性模量。金剛石的彈性模量為1000GPa，則σdiamond=1.1×106/℃×100℃×1000GPa=110MPa。

石墨烯的熱應力：

σgraphene=αgraphene×ΔT×Egraphene （5）

式（5）中：σgraphene為石墨烯的熱應力；αgraphene為石墨烯的熱膨脹系數；ΔT為最大溫度變化；Egraphene為石墨烯的彈性模量。石墨烯的彈性模量為1TPa，則σgraphene=8×106/℃×100℃×1TPa=800MPa。

氮化鋁陶瓷的熱應力：

σALN=αALN×ΔT×EALN（6）

式（6）中：σALN為氮化鋁陶瓷的熱應力；αALN為氮化鋁陶瓷的熱膨脹系數；ΔT為最大溫度變化；EALN為氮化鋁陶瓷的彈性模量。氮化鋁陶瓷的彈性模量為300GPa，則σALN=4.5×106/℃×100℃×300GPa=135MPa。

之后對其進行熱阻分析，其中過渡熱沉材料的尺寸為4mm×4mm，并與激光器芯片密封。通過熱仿真軟件進行模擬，得到以下結果：金剛石的熱導率為2000W/（m·K）；石墨烯的熱導率為5000W/（m·K）；氮化鋁陶瓷的熱導率為200W/（m·K）；過渡熱沉材料與激光器芯片之間的接觸熱阻為0.5℃/W。

根據以上數據，可進行以下熱阻分析：

金剛石的熱阻：

Θdiamond=1/（A×Kdiamond+Θcontact）（7）

式（7）中：Θdiamond為金剛石的熱阻；A為過渡熱沉材料的面積；Kdiamond為金剛石的熱導率；Θcontact為接觸熱阻。假設過渡熱沉材料的面積為16mm2，則Θdiamond=1/（16mm2×2000W/（m·K）+0.5℃/W）=3.1℃/W。

石墨烯的熱阻：

Θgraphene=1/（A×Kgraphene+Θcontact）（8）

式（8）中：Θgraphene為石墨烯的熱阻；A為過渡熱沉材料的面積；Kgraphene為石墨烯的熱導率；Θcontact為接觸熱阻。假設過渡熱沉材料的面積為16mm2，則Θgraphene=1/（16mm2×5000W/（m·K）+0.5℃/W）=0.1℃/W。

氮化鋁陶瓷的熱阻：

ΘALN=1/（A×KALN+Θcontact）（9）

式（9）中：ΘALN為氮化鋁陶瓷的熱阻；A為過渡熱沉材料的面積；KALN為氮化鋁陶瓷的熱導率；Θcontact為接觸熱阻。假設過渡熱沉材料的面積為16mm2，則ΘALN=1/（16mm2×200W/（m·K）+0.5℃/W）=3.1℃/W。

在過渡熱沉對激光傳導功率的影響方面，設定激光器芯片的傳導功率為10W。根據以上熱阻分析結果，可計算出過渡熱沉材料的溫度上升：ΔT=Θ×P，其中ΔT為溫度上升，Θ為過渡熱沉的熱阻，P為激光器芯片的傳導功率。以金剛石材料為例，ΔT=3.1℃/W×10W=31℃。

綜上所述，在選擇過渡熱沉材料時，需綜合考慮熱應力、熱阻以及對激光傳導功率的影響。金剛石具有較低的熱應力和熱阻，但對激光傳導功率的影響較大；石墨烯的熱阻非常低，但熱應力較高；氮化鋁陶瓷的熱應力較小，熱阻適中。因此，根據具體需求和限制，選擇適合的過渡熱沉材料。

2.3熱應力分析

高功率半導體激光器過渡熱沉封裝技術中，熱應力是一個重要的問題。由于激光器在工作過程中會產生大量的熱量，從而引起材料的膨脹，進而會對激光器封裝結構產生應力，而應力過大會影響激光器的性能和壽命。各種材料的熱膨脹系數不同，需要首先計算所使用材料的熱膨脹系數[4]。以銅金屬基板和InGaAsP半導體材料為例，分別計算出熱膨脹系數。通過有限元分析軟件進行熱仿真模擬，得到激光器在工作時的溫度分布情況。假設激光器的工作溫度為80℃，室溫為25℃。

根據模擬得到的溫度場和材料熱膨脹系數，計算激光器在封裝過程中產生的熱應力。例如，對于銅金屬基座和InGaAsP半導體芯片，在80℃的工作溫度下，其熱膨脹系數分別為16.8×10-6/℃和3.28×10-6/℃。

銅金屬基座和InGaAsP半導體芯片之間的熱應力為（16.8-3.28）×10-6/℃×（80-25）℃×100GPa=52.9MPa。如果超過了材料的極限承載力，會導致失效。基于分析結果，可以調整封裝結構和材料，以減少熱應力。

2.4激光器P-I特性分析

在高功率半導體激光器過渡熱沉封裝技術中，激光器的P-I特性分析是非常重要的。P-I特性可以反映激光器的輸出功率與注入電流之間的關系，是評估激光器性能的重要指標。通過外接電源，測量激光器的電流-電壓（I-V）特性。在測試過程中，可以逐步增加電流并記錄相應的電壓值，以繪制出激光器的I-V曲線。該曲線可以被用于確定激光器的正向工作點，即最佳注入電流值。在確定最佳注入電流后，可測量激光器在該電流下的輸出功率[5]。通過激光功率計等設備，可以測量激光器的輸出功率，并繪制出激光器的P-I曲線。根據測量得到的P-I曲線，可以分析激光器的性能。例如：可以計算出激光器的斜率效率、閾值電流等參數。斜率效率表示激光器的電-光轉換效率，即每增加一單位電流所產生的光功率增加值。閾值電流是激光器開始發光的電流值。這些參數可以用于評估激光器的性能和質量。根據分析結果，可以調整激光器的注入電流和其他參數，以優化激光器的性能。例如：可以通過調整電流密度、增加反射鏡反射率等方法來提高激光器的斜率效率和輸出功率。

當電流增加到35A時，每根管子的輸出都會漸漸飽和，再增加電流，就會出現反轉現象，但每根管子的熱飽和度都會受到影響。LD1型單管具有最低的阻值，其最大輸出功率為29.92W；LD3型單管具有最大的熱阻，其最低的熱阻為27.35W；這表明隨著熱阻的增加，單個管子的最大輸出功率將下降。另外，兩個器件的熱阻只有0.11k/W，而器件的最大輸出卻有2.57W的差距，這就表明雙管在高密度封裝中的熱阻差值對器件輸出功率的影響是不可忽略的。所以，對各個單管間的溫度干擾進行合理的改進，是能夠有效地提高大功率激光輸出效率的。

5結語

隨著科學技術的進步和研究工作的持續深入，相信高功率半導體激光器過渡熱沉封裝技術會得到更好的發展和應用。這將推動激光器在工業、醫療、通信等領域的廣泛應用，為各行各業帶來更多的創新和發展機會。

參考文獻

[1] 周勇，王琦，高翔，等.高功率藍光半導體激光器巴條的封裝技術研究[J].光學精密工程，2023，31（22）：3237-3244.

[2] 趙瑞.高功率半導體激光器高密度傳導封裝結構熱優化研究[D].長春：長春理工大學，2023.

[3] 馬德營，李萌，邱冬.高功率半導體激光器過渡熱沉封裝技術研究[J].科技與創新，2023（1）：78-81.

[4] 岳云震.微盤腔半導體激光器散熱分析及封裝工藝優化[D].長春：長春理工大學，2022.

[5] 葉衛斌.可調諧半導體激光器封裝的熱特性和熱應力的分析與優化[D].桂林：桂林電子科技大學，2021.

[6] 吳胤禛.808nm高功率半導體激光器封裝熱特性研究[D].長春：長春理工大學，2020.