高功率半导体激光器过渡热沉封装技术研究

摘要：首先，通过有效改善激光器的热管理和稳定性能，包括热沉设计、封装材料选择、界面优化等，这些措施共同作用于激光器的热管理系统中，以确保激光器在高功率运行下仍能保持稳定和高效的性能。其次，通过热分析和模拟，优化过渡热沉与激光器芯片之间的界面接触，降低接触热阻，提高热传导效率。最后，通过仿真计算和实验验证，评估技术的性能和优化效果。基于此，对提高激光器的散热效果和长期稳定性具有重要意义，并推动激光器技术的发展。

关键词：过渡热沉高功率半导体激光器焊料材料热阻

中图分类号：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

随着高功率半导体激光器在工业、医疗和通信等领域的广泛应用，对其散热和稳定性能的需求也越来越高。过渡热沉封装技术作为一种重要的解决方案，能够有效提高激光器的热管理能力和长期工作能力。该技术主要涉及热沉设计、封装材料选择、界面优化等方面。通过合理的设计和优化，可以改善激光器的热传导效率和机械强度，提高整个系统的性能和可靠性。

1半导体激光器散热原理

半导体激光器的散热是通过将产生的热量导出到周围环境中来实现的。其中，散热的方式可以通过导热、对流和辐射等途径进行。导热是最常见的散热方式之一。半导体激光器通常会采用金属基座，并将半导体芯片与金属基座紧密接触，利用金属的导热性能将热量从芯片传导到基座上，并通过基座的外部面积来散热[1]。对流散热是通过将周围空气或液体引入散热设备中，通过流体的对流来带走热量。总体而言，半导体激光器的散热原理是通过导热、对流和辐射等方式将热量从芯片传导到周围环境中，以保证激光器的正常工作温度和稳定性。

2高功率半导体激光器过渡热沉封装技术

2.1高功率半导体激光器热特性分析

本文以一种高功率半导体激光器为例，其中激光器芯片尺寸为2mm×2mm，并使用金属基座进行散热。通过热仿真软件进行模拟，得到以下结果。

激光器芯片在激发过程中产生的热量为10W；芯片与金属基座之间的接触热阻为0.5℃/W；金属基座的热导率为200W/（m·K）；散热器的风速为2m/s，对流系数为20W/（m2·K）；散热器的散热面积为4cm2。

通过热仿真软件，可以模拟出激光器芯片及其周围区域的温度分布情况，激光器芯片表面的最高温度为80℃，座表面的最高温度为40℃[2]。计算芯片到金属基座的热阻，即

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

式（1）中：Θjc为芯片到基座的热阻；Tj为芯片最高温度；Tc为基座最高温度；P为芯片产生的热量。芯片最高温度为80℃，基座最高温度为40℃，则Θjc=（8040）/10=4℃/W。

散热效果分析方面，可以计算整个散热系统的热阻。

Θtot=（TjTa）/P（2）

式（2）中：Θtot为整个散热系统的热阻；Ta为环境温度。环境温度为25℃，则Θtot=（8025）/10=5.5℃/W。

计算散热器的实际散热功率，即

Pr=（TjTa）/Θtot（3）

式（3）中：Pr为散热器的实际散热功率。环境温度为25℃，则Pr=（8025）/5.5=9.1W。

2.2过渡热沉材料

高功率半导体激光器在过渡热沉封装中，过渡热沉材料的选择是非常重要的。以下是一个假设的例子，针对金刚石、石墨烯和氮化铝陶瓷进行了热应力、热阻以及对激光传导功率影响的分析和比较[3]。高功率半导体激光器的尺寸为2mm×2mm，并与过渡热沉材料紧密接触。通过有限元分析软件进行模拟，得到以下结果：金刚石的热膨胀系数为1.1×106/℃；石墨烯的热膨胀系数为8×106/℃；氮化铝陶瓷的热膨胀系数为4.5×106/℃；激光器在工作过程中的最大温度变化为100℃。

根据以上数据，可进行以下热应力分析：

金刚石的热应力：

σdiamond=αdiamond×ΔT×Ediamond（4）

式（4）中：σdiamond为金刚石的热应力；αdiamond为金刚石的热膨胀系数；ΔT为最大温度变化；Ediamond为金刚石的弹性模量。金刚石的弹性模量为1000GPa，则σdiamond=1.1×106/℃×100℃×1000GPa=110MPa。

石墨烯的热应力：

σgraphene=αgraphene×ΔT×Egraphene （5）

式（5）中：σgraphene为石墨烯的热应力；αgraphene为石墨烯的热膨胀系数；ΔT为最大温度变化；Egraphene为石墨烯的弹性模量。石墨烯的弹性模量为1TPa，则σgraphene=8×106/℃×100℃×1TPa=800MPa。

氮化铝陶瓷的热应力：

σALN=αALN×ΔT×EALN（6）

式（6）中：σALN为氮化铝陶瓷的热应力；αALN为氮化铝陶瓷的热膨胀系数；ΔT为最大温度变化；EALN为氮化铝陶瓷的弹性模量。氮化铝陶瓷的弹性模量为300GPa，则σALN=4.5×106/℃×100℃×300GPa=135MPa。

之后对其进行热阻分析，其中过渡热沉材料的尺寸为4mm×4mm，并与激光器芯片密封。通过热仿真软件进行模拟，得到以下结果：金刚石的热导率为2000W/（m·K）；石墨烯的热导率为5000W/（m·K）；氮化铝陶瓷的热导率为200W/（m·K）；过渡热沉材料与激光器芯片之间的接触热阻为0.5℃/W。

根据以上数据，可进行以下热阻分析：

金刚石的热阻：

Θdiamond=1/（A×Kdiamond+Θcontact）（7）

式（7）中：Θdiamond为金刚石的热阻；A为过渡热沉材料的面积；Kdiamond为金刚石的热导率；Θcontact为接触热阻。假设过渡热沉材料的面积为16mm2，则Θdiamond=1/（16mm2×2000W/（m·K）+0.5℃/W）=3.1℃/W。

石墨烯的热阻：

Θgraphene=1/（A×Kgraphene+Θcontact）（8）

式（8）中：Θgraphene为石墨烯的热阻；A为过渡热沉材料的面积；Kgraphene为石墨烯的热导率；Θcontact为接触热阻。假设过渡热沉材料的面积为16mm2，则Θgraphene=1/（16mm2×5000W/（m·K）+0.5℃/W）=0.1℃/W。

氮化铝陶瓷的热阻：

ΘALN=1/（A×KALN+Θcontact）（9）

式（9）中：ΘALN为氮化铝陶瓷的热阻；A为过渡热沉材料的面积；KALN为氮化铝陶瓷的热导率；Θcontact为接触热阻。假设过渡热沉材料的面积为16mm2，则ΘALN=1/（16mm2×200W/（m·K）+0.5℃/W）=3.1℃/W。

在过渡热沉对激光传导功率的影响方面，设定激光器芯片的传导功率为10W。根据以上热阻分析结果，可计算出过渡热沉材料的温度上升：ΔT=Θ×P，其中ΔT为温度上升，Θ为过渡热沉的热阻，P为激光器芯片的传导功率。以金刚石材料为例，ΔT=3.1℃/W×10W=31℃。

综上所述，在选择过渡热沉材料时，需综合考虑热应力、热阻以及对激光传导功率的影响。金刚石具有较低的热应力和热阻，但对激光传导功率的影响较大；石墨烯的热阻非常低，但热应力较高；氮化铝陶瓷的热应力较小，热阻适中。因此，根据具体需求和限制，选择适合的过渡热沉材料。

2.3热应力分析

高功率半导体激光器过渡热沉封装技术中，热应力是一个重要的问题。由于激光器在工作过程中会产生大量的热量，从而引起材料的膨胀，进而会对激光器封装结构产生应力，而应力过大会影响激光器的性能和寿命。各种材料的热膨胀系数不同，需要首先计算所使用材料的热膨胀系数[4]。以铜金属基板和InGaAsP半导体材料为例，分别计算出热膨胀系数。通过有限元分析软件进行热仿真模拟，得到激光器在工作时的温度分布情况。假设激光器的工作温度为80℃，室温为25℃。

根据模拟得到的温度场和材料热膨胀系数，计算激光器在封装过程中产生的热应力。例如，对于铜金属基座和InGaAsP半导体芯片，在80℃的工作温度下，其热膨胀系数分别为16.8×10-6/℃和3.28×10-6/℃。

铜金属基座和InGaAsP半导体芯片之间的热应力为（16.8-3.28）×10-6/℃×（80-25）℃×100GPa=52.9MPa。如果超过了材料的极限承载力，会导致失效。基于分析结果，可以调整封装结构和材料，以减少热应力。

2.4激光器P-I特性分析

在高功率半导体激光器过渡热沉封装技术中，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输出功率与注入电流之间的关系，是评估激光器性能的重要指标。通过外接电源，测量激光器的电流-电压（I-V）特性。在测试过程中，可以逐步增加电流并记录相应的电压值，以绘制出激光器的I-V曲线。该曲线可以被用于确定激光器的正向工作点，即最佳注入电流值。在确定最佳注入电流后，可测量激光器在该电流下的输出功率[5]。通过激光功率计等设备，可以测量激光器的输出功率，并绘制出激光器的P-I曲线。根据测量得到的P-I曲线，可以分析激光器的性能。例如：可以计算出激光器的斜率效率、阈值电流等参数。斜率效率表示激光器的电-光转换效率，即每增加一单位电流所产生的光功率增加值。阈值电流是激光器开始发光的电流值。这些参数可以用于评估激光器的性能和质量。根据分析结果，可以调整激光器的注入电流和其他参数，以优化激光器的性能。例如：可以通过调整电流密度、增加反射镜反射率等方法来提高激光器的斜率效率和输出功率。

当电流增加到35A时，每根管子的输出都会渐渐饱和，再增加电流，就会出现反转现象，但每根管子的热饱和度都会受到影响。LD1型单管具有最低的阻值，其最大输出功率为29.92W；LD3型单管具有最大的热阻，其最低的热阻为27.35W；这表明随着热阻的增加，单个管子的最大输出功率将下降。另外，两个器件的热阻只有0.11k/W，而器件的最大输出却有2.57W的差距，这就表明双管在高密度封装中的热阻差值对器件输出功率的影响是不可忽略的。所以，对各个单管间的温度干扰进行合理的改进，是能够有效地提高大功率激光输出效率的。

5结语

随着科学技术的进步和研究工作的持续深入，相信高功率半导体激光器过渡热沉封装技术会得到更好的发展和应用。这将推动激光器在工业、医疗、通信等领域的广泛应用，为各行各业带来更多的创新和发展机会。

参考文献

[1] 周勇，王琦，高翔，等.高功率蓝光半导体激光器巴条的封装技术研究[J].光学精密工程，2023，31（22）：3237-3244.

[2] 赵瑞.高功率半导体激光器高密度传导封装结构热优化研究[D].长春：长春理工大学，2023.

[3] 马德营，李萌，邱冬.高功率半导体激光器过渡热沉封装技术研究[J].科技与创新，2023（1）：78-81.

[4] 岳云震.微盘腔半导体激光器散热分析及封装工艺优化[D].长春：长春理工大学，2022.

[5] 叶卫斌.可调谐半导体激光器封装的热特性和热应力的分析与优化[D].桂林：桂林电子科技大学，2021.

[6] 吴胤禛.808nm高功率半导体激光器封装热特性研究[D].长春：长春理工大学，2020.