隨著半導(dǎo)體激光器的廣泛應(yīng)用，其熱 問(wèn)題一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn)之一 。特別是 對(duì)于大功率半導(dǎo)體激光器來(lái)說(shuō)，如何提高 光輸山效率、減小熱量 產(chǎn)生，更是伴隨著整 個(gè)研究發(fā)展歷程。對(duì)半導(dǎo)體激光器熱特性產(chǎn)生影響的因素主要是激光器芯片的外延結(jié)構(gòu)和封裝方 式和結(jié)構(gòu)。封裝屬于半導(dǎo)體激 光器的后工 藝，在芯片確定的情況下，封裝效果直接影 響半導(dǎo)體激光器的熱特性 。

1.封裝設(shè)計(jì)

首先封裝一個(gè)激光器的封裝中，In焊料或AuSn焊料采用真空蒸鍍的方 法預(yù)置在Mount熱沉上。為半導(dǎo)體激光 器熱特性分析作準(zhǔn)備，采用808nm2W芯片，封裝的類(lèi)型為T(mén)O型,如圖1所示。采用芯片倒裝方式(芯 片P面與焊料層結(jié)合)。

圖1

2、封裝結(jié)構(gòu)的模擬與分析

 2.1 熱阻的計(jì)算與分析 對(duì)于In/AuSn焊料封裝和AIN過(guò)渡熱沉封裝 半導(dǎo)體激光器，可以根據(jù)半導(dǎo)體激光 器激射波長(zhǎng)變化與有源區(qū)溫升的關(guān)系來(lái)計(jì) 算出有源區(qū)溫度，從而計(jì)算出器件的熱阻。

      有源區(qū)溫度的變化影響其激射波長(zhǎng)的 主要原因是有源區(qū)溫度變化引起 了有源區(qū) 半導(dǎo)體激光物質(zhì)的禁帶寬度Eg的變化。計(jì) 算激光器激射波長(zhǎng)隨有 源區(qū)溫度變化的關(guān) 系 ：     

式中h為普朗克常量，c為光波在真空 中的傳播速度，Eg為半導(dǎo)體激光器有 源區(qū)所用半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，在室溫附近，我們可以近似地將認(rèn)為 是一常量。808nm半導(dǎo)體激光器的激光物質(zhì)主要是GaAs，所以。將其帶入式計(jì)算出808nm半導(dǎo)體激光器激射波長(zhǎng)隨溫度的變化率為：。

對(duì)這激光器分別做了脈沖和穩(wěn)定連 續(xù)工作的參數(shù)測(cè)試。其中脈沖測(cè)試條件是50us@200Hz，其占空比為1％，此時(shí)的激光物質(zhì)還沒(méi)有溫升，有源區(qū)溫度等于環(huán) 境溫度(25℃)，在脈沖條件下測(cè)得激 光器的激射波長(zhǎng)分別805.4nm；連續(xù)測(cè)試的條件是穩(wěn)定連續(xù)工作5分鐘后種激光器的激射波長(zhǎng)為813.2nm，所以其波長(zhǎng)漂移分別為7.8nm。進(jìn)一步得到In/AuSn焊料半導(dǎo) 體激光器和AlN過(guò)渡熱沉封裝激光器的有源區(qū)溫升為35.6K，對(duì)應(yīng)的激光器在連續(xù)工 作時(shí)有源區(qū)最高溫度為60.6℃ 。

根據(jù)激光器的熱阻是指有源區(qū)溫升與 激光器所承受的發(fā)熱功率(之間的比值可 以計(jì)算出這種激光器的發(fā)熱功率為1.52W。將發(fā)熱功率和激光器有源溫升的結(jié)果根據(jù)公式計(jì)算得到In/AuSn焊料到AlN過(guò)渡熱沉的熱阻為25.7K／W。

2.2 有限元軟件分析

由于半導(dǎo)體激光器和ALN過(guò)渡熱沉封裝實(shí)現(xiàn) 了脈沖激射，采用瞬態(tài)模擬。采用環(huán)境溫度為300K，將熱源看 成由有源區(qū)單一產(chǎn)生熱量。生熱率為1.1E15W/m3,脈沖信號(hào)為50us@200Hz，占空比1%。通過(guò)軟件分析得知該模型在該時(shí)刻的 瞬態(tài)熱阻為l00K/W?？梢詮膱D2看出模型的中分布在有 源區(qū)的最高溫度為60℃，此時(shí)模型的瞬態(tài)熱阻為68.9K／W。我們可以得出 結(jié)論：隨著模擬時(shí)間的增長(zhǎng)，半導(dǎo)體激光器 的瞬態(tài)熱阻逐漸減小。ALN過(guò)渡熱沉封裝LD熱特性的有限元 軟件模擬與分析，對(duì)于AlN過(guò)渡熱沉封裝激光器，我們從 圖2可以看到，激光器有源區(qū)傳出的90％以 上的熱量都堆積 在了AlN過(guò)渡熱沉內(nèi)，這是 由于ALN過(guò)渡熱沉的低熱導(dǎo)率所造成的，這 些熱 量很難散失到環(huán)境中，這在激光器的 脈沖激射條件下可能是無(wú)關(guān)緊要的，但如 果對(duì)其進(jìn)行連續(xù)激射，由于ALN中熱量不能 及時(shí)散去，很容易導(dǎo)致激 光器的有源區(qū)溫 度過(guò)高從而導(dǎo)致激光器芯片腔面燒毀等失 效現(xiàn)象 。

 圖2 

3 結(jié)語(yǔ) 

  ALN過(guò)渡熱沉封裝激光器解決了芯片與 銅熱沉熱膨脹系數(shù)不匹配的問(wèn)題，但其低 熱導(dǎo)率直接導(dǎo)致了器件的高熱阻，有進(jìn)一 步改進(jìn)和完善的必要 ?？?以根據(jù)待封裝激光器的不同要求、不同用途選擇相應(yīng)的封裝類(lèi)型 。