封装热应力致半导体激光器“Smile”效应的抑制方法

陈 华， 李 静， 周兴林， 吕悦晶

(武汉科技大学 汽车与交通工程学院， 湖北 武汉 430081)

封装热应力致半导体激光器“Smile”效应的抑制方法

陈 华*， 李 静， 周兴林， 吕悦晶

(武汉科技大学 汽车与交通工程学院， 湖北 武汉 430081)

封装热应力所致smile效应是阵列封装大功率半导体激光器中普遍存在的问题。为解决这一问题，本文在研究smile效应产生机理的基础上，提出采用错温封装技术和热沉预应力封装技术降低smile效应的措施。以某808 nm水平阵列封装半导体激光器为例，采用仿真分析的办法研究了上述技术的可行性和有效性。仿真分析表明，采用传统封装技术，在恢复至室温22 ℃后，芯片smile值约为39.36 μm，采用封装前升高芯片温度至429 ℃的错温封装技术，可以将smile值降至1.9 μm；若采用热沉预应力技术，对热沉的两个端面沿长边方向分别施加190 N 的拉力，可以将smile值降至0.35 μm。结果表明，这两种封装措施是有效的。错温封装技术和热沉预应力封装技术具有易于实现的优点，其中热沉预应力技术对于各种smile效应类型和不同的smile值都可以调整和修正。

半导体激光器； smile效应； 热应力； 错温封装； 预应力

1 引 言

阵列封装大功率半导体激光器在工作时存在各发光单元不在一条直线上的现象，这种整体发光弯曲的现象被称为激光器的“smile”效应[1]。smile效应会显著影响激光器的光束质量[2-4]，成为限制半导体激光器光束直接应用的重要因素。要减小半导体激光器的近场非线性、提高激光器光束质量，抑制smile效应是关键[5]。

减小smile效应的一个途径是改进半导体激光器阵列的封装工艺[6]，如优化焊接回流曲线[7]、优化焊料和热沉的材料及厚度[8]、在芯片出光位置耦合光学校正系统[9]等。王淑娜等[5]通过仿真和实验对比的方法研究smile效应的特征及其与温度之间的关系，总结出smile效应主要来自于：(1)芯片与热沉之间材料的不匹配，即热应力导致的芯片弯曲；(2)封装前加工导致的芯片弯曲。根据芯片弯曲的方向不同，激光器工作过程中smile效应可能随着芯片温度升高而变大或减小。

鉴于smile效应的重要性，本文首先通过理论和仿真分析研究了封装热应力致smile效应的产生机理。结果表明，smile效应产生的根本原因在于焊接后冷却过程中芯片和热沉的收缩变形彼此形成了约束。基于此，提出了协调芯片与热沉的变形量不一致问题的解决思路。分别研究了错温封装技术和热沉预应力封装技术对于减小smile效应的可行性和有效性。仿真验证表明，封装热应力所致的smile值为39.35 μm，采用封装前升高芯片温度至429 ℃的错温封装技术，可以将smile值降至1.9 μm；若采用热沉预应力技术，对热沉的两个端面沿长边方向分别施加190 N的拉力，可以将smile值降至0.35 μm。这两种封装策略都具有易于实现的优点，其中预应力封装技术对于各种smile效应类型和不同的smile值都可以调整和修正，具有重要的应用价值。

2 热应力致smile效应机理

激光器芯片经过复杂工艺制成后需要通过焊接的方式将其固定在热沉上。焊接过程中，热沉和芯片被置于焊接炉内升温，待整体温度达到焊料熔点后将二者连接起来，其基本流程如图1所示[10-12]。

图1 芯片焊接流程

由于材料的热胀冷缩作用，冷却至室温后的芯片内部将产生应力。若将芯片和热沉简化为一维形状，则自由状态下芯片和热沉的收缩量分别为：

(1)

其中，ΔL1、ΔL2分别表示自由状态下芯片和热沉的长度收缩量；α1、α2分别表示芯片和热沉材料的热膨胀系数；L表示二者长边的长度；T1、T2分别表示焊接温度和室温。从公式可以看出，不同热膨胀系数的材料，冷却后其收缩量也不同。由于焊料的焊接作用，芯片和热沉的收缩受到约束，从而在冷却后产生了内应力和变形。

以808nm传导冷却封装的高功率半导体激光器阵列为研究对象来阐述上述问题。水平阵列封装的激光器阵列包含20个发光单元，每个发光单元宽100μm，腔长2mm，25%填充因子，芯片的长度为10mm，长边为出光端。芯片结构如图2所示[13]，从上往下依次为P极金属端/SiO2绝缘区、P-外延层、有源区(发光区)、N-外延层、GaAs基体，然后通过In焊料作为过渡焊接材料焊接到铜热沉上。其中有源区为出光区域，也是激光器工作过程中产生热量的集中区域，其厚度约为0.01μm；P-外延层、N-外延层的厚度约为1μm；P极金属端/SiO2绝缘区厚度约为0.2μm；GaAs基体厚度约为120μm；In焊料厚度约为5μm。

激光器芯片通过材料选择、外延片生长、腐蚀度和宽度都非常小，将芯片模型合理简化为图3所示，仿真时忽略从有源区向热沉反方向的热量散失[14]，以有源区的变形情况代替发光单元的smile效应。

图2 水平封装半导体激光器结构示意图Fig.2 Schematicdiagramofasemiconductorlaserdiodearray光刻、电极制作、封装等工艺制成[11]，具有复杂的内部结构和材料组成，因此详细的芯片建模非常困难。考虑到芯片各层的厚度几何尺寸相对于长

图3 简化的半导体激光器结构

仿真分析用到的材料属性见表1。建立1/4轴对称模型，选芯片的长、宽方向的中间平面为对称面，观察有源区长边边缘(亦即出光面)的变形情况。取焊接温度为180 ℃，室温为22 ℃。

表1 半导体激光器材料属性

对比仿真分析了直接将芯片和热沉各自升温至180 ℃再降至室温后二者的变形情况(即自由状态下的变形)以及模拟焊接作用，在180 ℃将芯片和热沉通过焊料连接到一起后再降至室温后二者的变形情况(即焊接后的变形)。

图4(a)、(b)、(c)是获得焊接后激光器冷却至室温后的应力分布和变形情况。分析中不考虑芯片本身在焊接前的形变以及在冷却过程中铟焊料的延展作用而产生的塑性变形，因此仿真分析结果是理论值。

从图4(a)、(b)、(c)仿真结果可以看出，冷却至室温后激光器阵列发生了变形，产生了上凸型的smile效应。图4(d)统计了芯片、热沉在两种状态下在X轴方向(即垂直PN结方向)的变形量。图4(d)中的数据表明，在自由状态下将芯片和热沉升温至焊接温度再冷却至室温，二者本身在垂直PN结方向的变形量接近为0；焊接后芯片的变形曲线和热沉的变形曲线基本一致，芯片产生的smile值为39.35 μm，热沉上边缘在垂直PN结方向的最大变形量为39.36 μm。对比分析结果表明，热应力导致的芯片smile效应是由于芯片与热沉的收缩变形受到约束而产生的，约束产生的原因主要在于芯片、焊料和热沉的热膨胀系数不一致，而焊接应力的集中区也在芯片和热沉的连接区域，即焊料层。

图4 封装热应力致激光器变形分析。(a) 激光器应力分布；(b) 激光器变形结果；(c) 激光器在X向的变形(垂直PN节方向)分布；(d) 芯片和热沉在X向的变形量。

Fig.4 Analysis of laser diode array deformation caused by thermal stress during soldering. (a) Stress distribution in laser diode array. (b) Deformation of the laser diode array. (c) Laser diode array deformation inXdirection. (d) Deformations of chip and heat sink inXdirection.

现有的技术研究主要集中于芯片与热沉的线膨胀系数匹配问题，即从协调热膨胀系数不一致问题入手，包括低熔点焊料的研发；以及焊接工艺的研究，包括焊接回流曲线的改进。

如上所述，焊接smile产生的根本原因在于芯片和热沉的收缩变形受约束。因此，可以从协调芯片与热沉的变形量不一致问题入手解决焊接热应力致芯片变形问题，这也是一个创新的解决问题的思路。

3 减小smile效应的对策

3.1 错温封装技术

在同样的温度变化量下，热沉由于热膨胀系数大于芯片，从而收缩变形被约束，芯片则受到拉伸。为此，提出“错温封装”技术。所谓错温封装技术，是指在封装时将芯片和热沉置于不同的温度。通过合理设计芯片的焊接初始温度，可以达到降低smile效应的目的。技术原理表述如下：

(2)

其中α1、α2、L的定义和上文一致，ΔT1表示芯片的焊接温差，ΔT0表示安装焊料焊接需求热沉的焊接温差。公式两边分别表示芯片长边的变形量、热沉沿芯片长边方向的变形量。公式两边相等表示通过温差控制从而使芯片和热沉的变形量一致。由于焊接温度是一定的，所以热沉的焊接温差ΔT0是已知量。因而可得：

(3)

以第2章的仿真条件为例，α1取基体热膨胀系数，为6.4E-6/℃；α2取Cu的热膨胀系数，为16.5E-6/℃。ΔT0=180 ℃-22 ℃=158 ℃，则ΔT1=407.3 ℃，即芯片的焊接初始温度为429.3 ℃。

实现上述条件，需要在传统的焊接流程基础上稍作调整。传统焊接流程中芯片和热沉同时置于一个焊接炉中升温至焊接温度。新的方法则需要将芯片和热沉置于不同的焊接炉中，分别升温至各自所需温度，然后再将芯片移至热沉所在的焊接炉中完成焊接。由于包含移动芯片的过程，焊接也需要一定的时间，实际操作时芯片温升要考虑到上述操作过程中芯片温度的散失量。

对上述方法进行仿真分析验证，结果见图5。

图5 错温封装激光器变形分析。(a) 激光器在X向的变形(垂直PN节方向)；(b) 芯片和热沉在X向的变形量。

Fig.5 Analysis of laser diode array deformation with differential temperature soldering. (a) Laser diode array deformation inXdirection. (b) Deformations of chip and heat sink inXdirection.

仿真分析表明，合理设计芯片焊接初始温度，可以将芯片的焊接应力所致smile值从39.35 μm降至约1.9 μm，表明错温封装法降低封装热应力是有效的。

3.2 热沉预应力技术

错温封装技术需要将芯片温度预先升至较高值，过高温度会导致铟焊料氧化，影响焊接效果。如果能结合减小热沉变形量的办法，则芯片所需温升就可以相应减小。为此，研究热沉预应力技术。

预应力技术被广泛应用于道路和桥梁工程中，它是指对服役期间将要承受拉应力的构件在施工时预先施加压应力，用以抵消或减小外载荷产生的拉应力，避免结构破坏。借鉴预应力技术思路，激光器阵列完成封装冷却至室温后，热沉的收缩变形受到其表面覆盖的铟焊料、芯片等材料的约束，长边方向总体产生的是压应力，因此可以在芯片短轴端对热沉施加平行于长边方向的拉力，用拉力产生的拉应力抵消或减小热沉收缩变形所产生的压应力。拉力施加方法如图6所示。

图6 热沉预应力技术示意图

Fig.6 Schematic diagram of prestressing force in the heat sink

对上述方案进行仿真验证。根据热沉的变形量，计算获得Z向拉力约为95 N，由于是1/4对称模型，实际拉力加载在热沉两端垂直于长边的两个端面上，每个面上的拉力为190 N。图7为仿真分析结果。

图7 预应力封装激光器变形分析。(a) 激光器应力分布；(b) 激光器变形结果；(c) 激光器在X向的变形(垂直PN节方向)分布；(d) 芯片在X向的变形量。

Fig.7 Analysis of laser diode array deformation with prestressing force in the heat sink. (a) Stress distribution in laser diode array. (b) Deformation of the laser diode array. (c) Laser diode array deformation inXdirection. (d) Deformations of chip inXdirection.

仿真分析表明，施加预应力后芯片的焊接应力所致smile值从39.35 μm降至约0.35 μm，表明预应力封装法降低封装热应力是非常有效的。

预应力封装法降低smile效应的缺点主要表现在预应力会加大芯片的内应力，芯片内部应力一方面会影响发光波长，另一方面过大的内应力可能会损坏芯片[15-16]。热沉预应力封装法的优点是技术灵活，对于各种smile效应，如上凸型smile、下凹型smile都可以调整，对于不同的smile值也可以通过装调调整力的大小加以修正。

4 结 论

研究了阵列封装半导体激光器封装热应力致smile效应的产生机理；以808 nm水平阵列封装半导体激光器为例，通过仿真分析的办法验证了封装热应力致smile效应的根本原因在于芯片、焊料和热沉的热膨胀系数不一致而产生的相互约束作用。在此基础上提出改善smile效应的错温封装技术和热沉预应力技术。仿真验证表明，封装热应力所致的smile值为39.35 μm，采用封装前升高芯片温度至429 ℃的错温封装技术，可以将smile值降至1.9 μm；若采用热沉预应力技术，对热沉的两个端面沿长边方向分别施加190 N的拉力，可以将smile值降至0.35 μm。仿真分析结果验证了两种封装措施对于降低smile效应的有效性。采用错温封装技术，较高的芯片温度可能会导致焊料氧化问题，热沉预应力技术也存在加大芯片内应力的缺点。将这两种方法结合起来可以获得最优的解决方案。错温封装技术和热沉预应力封装技术都具有易于实现的优点，其中热沉预应力技术对于各种smile效应和不同的smile值都可以调整和修正。

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陈华(1983-)，女，湖北十堰人，博士，讲师，2011年于中国科学院长春光学精密机械与物理研究所获得博士学位，主要从事LED车前照灯散热和道路检测技术的研究。

E-mail: chenhua.tyb@126.com

Measures to Reduce Smile Effect of Semiconductor Laser Diode Arrays Caused by Packaging Thermal Stress

CHEN Hua*, LI Jing, ZHOU Xing-lin, LYU Yue-jing

(SchoolofAutomobileandTrafficEngineering,WuhanUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430081,China)

The smile effect caused by thermal stress is a common problem in high power semiconductor laser array packaging. The mechanism of smile effect caused by packaging thermal stress was studied firstly. Then two measures, the differential temperature soldering technique and the prestressing force technique, were putted forward. The feasibility and effectiveness of the above mentioned techniques, were studied through the simulation method for an 808 nm semiconductor laser diode array. Using the traditional soldering technique, the smile effect is about 39.36 μm at 22 ℃. Using the differential temperature soldering technique, increasing the chip’s temperature to 429 ℃ before soldering can reduce the smile effect to 1.9 μm. Using the prestressing force technique, applying a tensile force of 190 N along the long axis direction on each side of the heat sink can reduce the smile effect to 0.35 μm. Both techniques are proved to be effective. The two techniques are easy to implement, and the prestressing force technique can be used to adjust or modify various smile effect types and different smile values.

semiconductor laser diode; smile effect; thermal effect; differential temperature soldering; prestressing force

1000-7032(2017)05-0655-07

2016-12-15；

2017-02-24

湖北省自然科学基金面上项目(2015CFB220)； 湖北省科技支撑计划(2014BEC055)； 国家自然科学基金面上项目(51578430)； 武汉科技大学青年科技骨干培育计划资助项目 Supported by General Program of Natural Science Foundation of Hubei province(2015CFB220); Hubei Science and Technology Support Program(2014BEC055); General Program of Natural Science Foundation of China(51578430); Youth Science and Technology Backbone Training Program of Wuhan University of Science and Technology

TN248.4

A

10.3788/fgxb20173805.0655

*CorrespondingAuthor,E-mail:chenhua.tyb@126.com