隨著半導體激光器的廣泛應用，其熱 問題一直是人們關注的焦點之一 。特別是 對于大功率半導體激光器來說，如何提高 光輸山效率、減小熱量 產生，更是伴隨著整 個研究發展歷程。對半導體激光器熱特性產生影響的因素主要是激光器芯片的外延結構和封裝方 式和結構。封裝屬于半導體激 光器的后工 藝，在芯片確定的情況下，封裝效果直接影 響半導體激光器的熱特性 。
1.封裝設計
首先封裝一個激光器的封裝中，In焊料或AuSn焊料采用真空蒸鍍的方 法預置在Mount熱沉上。為半導體激光 器熱特性分析作準備，采用808nm2W芯片，封裝的類型為TO型,如圖1所示。采用芯片倒裝方式(芯 片P面與焊料層結合)。
圖1
2、封裝結構的模擬與分析
2.1 熱阻的計算與分析 對于In/AuSn焊料封裝和AIN過渡熱沉封裝 半導體激光器，可以根據半導體激光 器激射波長變化與有源區溫升的關系來計 算出有源區溫度，從而計算出器件的熱阻。
有源區溫度的變化影響其激射波長的 主要原因是有源區溫度變化引起 了有源區 半導體激光物質的禁帶寬度Eg的變化。計 算激光器激射波長隨有 源區溫度變化的關 系 ：
式中h為普朗克常量，c為光波在真空 中的傳播速度，Eg為半導體激光器有 源區所用半導體材料的禁帶寬度，在室溫附近，我們可以近似地將認為 是一常量。808nm半導體激光器的激光物質主要是GaAs，所以
。將其帶入式計算出808nm半導體激光器激射波長隨溫度的變化率為：
。
對這激光器分別做了脈沖和穩定連 續工作的參數測試。其中脈沖測試條件是50us@200Hz，其占空比為1％，此時的激光物質還沒有溫升，有源區溫度等于環 境溫度(25℃)，在脈沖條件下測得激 光器的激射波長分別805.4nm；連續測試的條件是穩定連續工作5分鐘后種激光器的激射波長為813.2nm，所以其波長漂移分別為7.8nm。進一步得到In/AuSn焊料半導 體激光器和AlN過渡熱沉封裝激光器的有源區溫升為35.6K，對應的激光器在連續工 作時有源區最高溫度為60.6℃ 。
根據激光器的熱阻是指有源區溫升與 激光器所承受的發熱功率(之間的比值可 以計算出這種激光器的發熱功率為1.52W。將發熱功率和激光器有源溫升的結果根據公式計算得到In/AuSn焊料到AlN過渡熱沉的熱阻為25.7K／W。
2.2 有限元軟件分析
由于半導體激光器和ALN過渡熱沉封裝實現 了脈沖激射，采用瞬態模擬。采用環境溫度為300K，將熱源看 成由有源區單一產生熱量。生熱率為1.1E15W/m3,脈沖信號為50us@200Hz，占空比1%。通過軟件分析得知該模型在該時刻的 瞬態熱阻為l00K/W。可以從圖2看出模型的中分布在有 源區的最高溫度為60℃，此時模型的瞬態熱阻為68.9K／W。我們可以得出 結論：隨著模擬時間的增長，半導體激光器 的瞬態熱阻逐漸減小。ALN過渡熱沉封裝LD熱特性的有限元 軟件模擬與分析，對于AlN過渡熱沉封裝激光器，我們從 圖2可以看到，激光器有源區傳出的90％以 上的熱量都堆積 在了AlN過渡熱沉內，這是 由于ALN過渡熱沉的低熱導率所造成的，這 些熱 量很難散失到環境中，這在激光器的 脈沖激射條件下可能是無關緊要的，但如 果對其進行連續激射，由于ALN中熱量不能 及時散去，很容易導致激 光器的有源區溫 度過高從而導致激光器芯片腔面燒毀等失 效現象 。
圖2
3 結語
ALN過渡熱沉封裝激光器解決了芯片與 銅熱沉熱膨脹系數不匹配的問題，但其低 熱導率直接導致了器件的高熱阻，有進一 步改進和完善的必要 。可 以根據待封裝激光器的不同要求、不同用途選擇相應的封裝類型 。
轉載請注明出處。
相關文章
熱門資訊
精彩導讀
關注我們
