大功率半导体激光器封装热应力分析

白栋雷

摘  要：本文对不同材料的焊料和厚度不同的钨铜次热沉封装激光器，采用COMSOL Multiphysics仿真软件进行巴条模拟，得出不同类型的焊料其最大热应力，均产生于钨铜次热沉封装激光器的材料热沉界面处。对于不同材料，厚度相同的焊料在封装时，激光器管芯热应力与光谱峰值波长相差不大。通过研究发现降低焊料的整体厚度可，以有效减少激光器管芯热应力以及腔体内的温度。同时焊料的厚度也不应该过于薄，焊料过薄可能会引起衔接不牢固以及整体表面不均匀，甚至出现内部结构出现孔洞等现象。所以在进行焊料选取时，应该注意考虑材料以及激光器整体环境。通过本次研究发现钨铜次热沉封装厚度不断增加，会使得激光器热应力减小，激光器内管芯温度提高。经过多次测试，发现其最优厚度是370微米。本文简单论述优化大功率半导体激光器的封装热应力的途径，为同行提供参考意义。

关键词：半导体激光器;封装;热应力

1大功率半导体激光器发展现状

大功率半导体激光器在我国的加工领域以及军事国防等重要单位，具有很强的应用性，其特点是激光器的体积较小，便于携带，发光效率高，光源稳定，并且容易维修。当前我国的大功率半导体激光器的光电转化效率最优的数据是70%左右。在进行激光器运作时，光能利用率还需进一步提升，减少热量的挥发。因为激光器管芯内温度会随着热量的难以释放，导致半导体材料禁带宽度变窄，这会导致激光器光源输出不稳定，极大的降低了光源的发光质量，并且激光器管芯和使用的焊接材料由于其膨胀系数没有达到预定理论数值，会使得整体热应力提升，使光谱发生变化。如果激光器中的热应力扩大会导致出现结构件断裂以及结合部裂开等情况，极大的影响了器件的使用寿命和稳定性，因此提升激光器的封装热应力十分重要。

当前莫尔法、X射线衍射法等有效方法都可以测试热应力。但通过实验的方法来进行测量，操作难以掌握并且测试成本高，数据不准确。通过COMSOL Multiphysics仿真软件来进行测算，可以得到更好的数据，如果可以进一步优化模型以及端口等环境就可以得到与实际实验相一致的数据。本文通过利用多物理场景COMSOL Multiphysics仿真软件对不同厚度的焊料和不同材料以及钨铜次热沉封装激光器的巴条进行模拟。对不同环境下激光器巴条的光谱分析，对实验结果进行有效分析，进一步优化当前的大功率半导体激光器巴条的封装方式和选取材料，对今后的生产提供有效指导。

2项目实验过程

该实验过程主要是首先用焊料将芯片焊接在激光器的热沉上，但进行封装时不同材料的热膨胀系数不一样，温度提升后会进一步导致激光器的热应力改变整个管芯发生形变。在进行仿真计算时将复杂的管芯结构替代砷化镓材料，并且规定材料的膨胀系数不随着管芯内的其他条件发生改变，只考虑因温度引起的热应力。当温度过高时，激光器的管芯内无应力。COMSOL Multiphysics软件的仿真模拟步骤。首先是建立模型，采用结构力学等理论来构建三维模型，建立出整体激光器的热应力。在COMSOL Multiphysics中软件中建立出相应几何模型并构成体系，然后添加所需要的材料，最后设定热源温度以及各种边界条件。这一步将直接导致结果的真实性以及准确性。热应力分析对于固体传热和力学应用较多，在力学中垂直于管芯的参数应该设置为自由膨胀。在边界处不同材料设定为一致连续对并且在铜热沉底面设置时间约束条件。而在固体传热时将管芯作为激光器的热源，将其热量损耗设定为50W。将不同材料的交接处设置为热接触条件，将铜热沉底面设置为常温。将热流通环境设置为20℃。然后对构建的几何模型进行网格化，网格数量越多，计算结果越精确，但由于工作量的提升，这对于计算机性能的要求也更高，会使得模拟时间变长，计算负担加重。再通过COMSOL Multiphysics软件的模拟后，使得整体的热应力分布计算更加的精确。将不同材料以及焊接节点进行网格化处理，进一步提升了计算机的运行效率。最后对设计的模型进行处理，对最终结果进行进一步分析，将结果可视化。

3结果分析与讨论

3.1选取焊接材料不同

在进行大功率半导体激光器封装时，主要采用铟或者是金锡合金。铟材料塑性变形能力较强，延展性较好，其内部应力也较少，但在高温环境下容易发生不规则生长，使得老化加剧，严重时会出现电迁移等不良现象，导致二极管损耗加速。金锡合金是一种硬性焊料，其在抗形变、抗屈服等方面性能较好，导热性能优良。在焊接时也不需要助焊剂的使用，在进行发热时，也不会出现电迁移现象，但该焊料及延展性较差，温度过高会使其内部应力加大，这对于焊接工艺要求更高。通过实验可以得出铟焊料其热膨胀系数与大功率半导体激光器的热膨胀系数匹配程度更高，并且由于铟属于软焊料，使得半导体激光器中的应力可以良好的釋放出来，并且其导热率较高，整体散热能力更强。对两者进行光谱分析后发现，金锡合金焊料由于其硬性焊料的特性，导致在封装中管芯热应力的波长蓝移现象也更加明显。

3.2选取焊料厚度不同

铟和金锡合金两种焊料的传热速率和膨胀系数与大功率半导体激光器的管芯参数差距较大，所以对于焊料的厚度选择时会直接影响热应力的分布。通过实验可以看出焊料厚度逐渐加强，管芯内的热应力也会进一步上升，温度也在逐渐升高。从热膨胀系数角度分析金锡合金焊料的热膨胀系数与激光器的差别较大，使得其内部产生较大热应力，并且金锡合金导热率较差，其焊料厚度加重会直接导致管芯内部热量难以发散。通过模拟结果可以看出焊料厚度越小，激光器管芯内的热应力越小，但在实际操作过程中焊料厚度过薄，会使得管芯焊接不牢固，并且在焊料内出现孔洞，严重会导致结构开裂，影响器件的工作寿命。

结语

随着科技的进一步发展，材料研究技术逐渐成熟，在材料制备以及激光器芯片制备等工艺也越来越逐渐完善，大功率半导体激光器的封装工艺上也越来越重要。大功率半导体激光器的封装质量，直接影响到了器件今后的工作效率以及使用寿命。本文通过对半导体激光器的巴条封装进行研究，采用COMSOL Multiphysics仿真软件进行数据处理，对于不同焊料以及选取焊料厚度进行实验分析，结果发现在进行激光器管芯焊接时，其内部热应力较低，通过有效减少焊料厚度，使得整体应力下降，但是焊料过薄会导致焊接不充分，内部会出现疏松多孔现象。

参考文献：

[1]袁庆贺，井红旗，仲莉，刘素平，马骁宇.大功率半导体激光器封装热应力研究[J].中国激光，2019，46（10）：91-96.

[2]陈天奇，张普，彭勃，张宏友，吴的海.封装对大功率半导体激光器阵列热应力及Smile的影响[J].光子学报，2018，47（06）：129-139.

[3]王辉.半导体激光器封装中热应力和变形的分析[J].半导体技术，2008（08）：718-720.