C-mount封装激光器热特性分析与热沉结构优化研究

张晓磊， 薄报学， 张哲铭， 顾华欣， 刘力宁， 徐雨萌， 乔忠良， 高 欣

(长春理工大学 高功率半导体激光国家重点实验室， 吉林 长春 130022)

C-mount封装激光器热特性分析与热沉结构优化研究

张晓磊， 薄报学， 张哲铭， 顾华欣， 刘力宁， 徐雨萌， 乔忠良， 高 欣*

(长春理工大学 高功率半导体激光国家重点实验室， 吉林 长春 130022)

为了降低单管半导体激光器的结温、提高器件的散热效果，基于C-mount热沉的热特性分析提出了一种优化的台阶热沉结构，研究了单管激光器结温和腔面侧向温度分布曲线的影响。在热沉温度298 K和连续输出功率10 W的条件下，腔长为1.5 mm的典型C-mount封装结构激光器的结温为343.6 K，热阻为4.6 K/W。通过在典型C-mount热沉中引入台阶结构，使封装激光器的结温降低为333.8 K，热阻减小到3.5 K/W。计算表明，其输出功率可提高近20%。

焊料厚度； 热阻； 结温； 热沉； 输出功率；

1 引 言

近年来，高功率半导体激光器因为其体积小、电光转换效率高、性能稳定、可靠性高和寿命长等优点已经成为光电行业中最具有发展前途的产品，在工业、医疗以及直接的材料处理等各种领域被广泛应用[1-7]。单管半导体激光器由于光学镜面损伤(COMD)和热饱和的影响，最大光输出功率受到限制[8]。热饱和现象是由于激光器在工作过程中产生的热量大于散热装置能够散去的热量，造成腔内的温度明显增高。为了防止热饱和现象的形成，要尽可能地减小器件有源区的温度(即结温)，结温的升高将导致器件的阈值电流变大、斜率效率变小、输出功率变低及器件寿命缩短[9]，已变成阻碍半导体激光器性能稳定的重要因素。在热沉温度以及输出功率一定的情况下，结温主要受器件的热阻和转换效率所影响，而热沉结构对器件的热阻有很大的影响[10]。

随着半导体激光器输出功率的增大，随之而来的废热问题也越来越重要，传统的C-mount热沉越来越难以满足散热需求。本文研究了半导体激光器的热特性，采用自行设计的热沉优化结构改善了半导体激光器的散热特性，提高了输出功率。

2 模型建立

半导体激光器在工作过程中的废热主要由以下两个方式产生[11-16]：

(1)当注入电流低于阈值电流时，基本没有激光会产生，这一部分注入的电流主要形成了废热；当注入电流高于阈值电流时，大部分电子和空穴就会进行受激复合产生激光，并在腔面输出。非辐射复合、波导光吸收等能量损耗产生废热。当激光器正常运行时，主要在有源区附近形成非辐射复合和光吸收。

(2)体材料和欧姆接触层电阻产生的焦耳热。表达为：

Q=j2ρ，

(1)

式中，Q代表焦耳热功率密度，j代表注入电流密度，ρ代表各材料层的电阻率。

激光器稳态工作时，热传导方程表达为：

(2)

式中，T为温度，K为材料热传导系数，Q为热功率密度。

单管半导体激光器的典型封装结构(C-mount)如图1所示。

图1 C-mount封装结构

热特性分析所涉及的激光器各层材料参数如表1所示。

表1 激光器材料参数

针对该模型，在模拟过程中作了以下假设[17-21]：

(1)在激光器工作过程中，来源于有源区中载流子的复合、吸收以及自发发射的热量为主要热源。

(2)采用腔长1.5 mm的808 nm芯片，转换效率为50%，输出功率为10 W，热功率为10 W。由表1计算得出有源区的体积为1.510-13m3，进而得到热功率密度为6.71013W/m3。

(3)暴露在空气中的激光器芯片各表面积很小，忽略芯片表面的辐射散热以及空气对流散热。

(4)热沉底部温度设为298 K，并采用芯片倒装的形式封装，选择AuSn焊料与C-mount铜热沉封装，空气对流散热忽略不计。

3 模拟结果分析

计算的温度分布云如图2所示。

图2 激光器温度分布云图

芯片温度分布红色部分为最高温度区，即结温用T1表示，热沉底部温度用T0表示。激光器热阻表达为：

(3)

原理上焊料越薄越好，但出于焊装质量的要求，需要一个基本的厚度(约3 μm)以满足芯片均匀焊装的技术要求。经过计算得到的结果如图3所示，焊料厚度为3 μm时，结温达到了343.6 K，热阻达到了4.6 K/W。如图4所示，芯片热源的散热主要通过向下和向两侧再传播到热沉。因为焊料的热导率小于铜热沉的热导率，所以随着焊料层厚度的增加，热量快速传播到热沉的路径被阻挡，导致散热效果越来越差，有源区温度和热阻也就会受到影响。故本文全部模拟统一焊料厚度为3 μm。

图3 端面方向温度分布曲线

Fig.3 Temperature distribution curve along the output facet

图4 热流矢量图。(a)沿腔长方向；(b)沿端面方向。

Fig.4 Heat flux vector diagram. (a) Along the cavity length. (b) Along the output facet.

4 台阶热沉结构的设计

从图4可以看出，热量主要通过C-mount热沉扩散出去，所以其结构特征对器件散热的效果起到决定性作用，而且可以明显看出芯片前腔面附近散热最差。为了增强这部分的散热效果，对C-mount热沉的结构采取了如图5所示的改进，即将C-mount热沉的芯片焊装面做成台阶结构，使激光器前腔面的散热途径得到扩展。设台阶深度为x，台阶高度为y，考虑到一般需要安装准直透镜，要求x>0.2 mm且0

单管半导体激光器芯片的改进封装模拟结果如图6所示。对比可知x=0.4 mm、y=1.4 mm

图5 改进的C-mount封装结构

图6 沿端面的温度分布曲线。(a)x=0.4 mm，y=0.4～1.4 mm； (b)y=0.4 mm，x=0.4～1.4 mm；(c) 传统热沉结构与台阶热沉结构的对比。

Fig.6 Temperature distribution curves along the output facet. (a)x= 0.4 mm,y=0.4-1.4 mm. (b)y= 0.4 mm,x=0.4-1.4 mm. (c) Comparision of the traditional heat sink and the step heat sink.

时的散热效果较好，相比于优化前结温降低了10 K。如图7所示，优化后的结构相对于传统结构进一步扩展了散热路径，更有利于热量的散发和传导，减少了芯片有源区附近的热量堆积，从而降低了芯片结温，达到了较好的散热效果。

由以上分析计算可得传统C-mount热沉以及优化后的台阶热沉结构的热阻分别为4.4 K/W和3.5 K/W。对于高功率单管半导体激光器，其结温由下式表示：

Tj=Ta+(IV-P)Rth,

(4)

式中，Tj代表结温，Ta代表激光器热沉温度，V代表

图7 优化后结构的热流矢量图

Fig.7 Heat flux vector diagram of the improved C-mount package structure

结偏压，I代表工作电流，P代表激光器的输出光功率，Rth代表热阻。由式(4)可知，高功率半导体激光器的有源区温度主要受激光器功率、热沉温度以及激光器的热阻影响，其中热沉温度由激光器的工作条件决定。

激光器阈值电流和有源区温度之间近似存在指数关系:

(5)

其中，Ith代表阈值电流；T代表半导体激光器工作温度；I0为常数；T0代表阈值特征温度，表示阈值电流对温度的敏感程度，主要由激光器材料和结构决定。

激光器斜率效率η随结温度T的变化可以表示为：

η(T)=η(Tr)exp[-(T-Tr)/T1]，

(6)

其中T1代表器件斜率效率的特征温度。

激光器的输出功率与热阻的关系由下式表示：

{I-Ithexp[Rth(IV-P)/T0]}，

(7)

图8 不同热阻下的P-I特性曲线

由此，可以得出激光器输出功率与电流之间的关系，如图8所示。可以看出随着热阻的减小，激光器的最大输出功率会增加。新型台阶热沉封装下的半导体激光器的最大输出功率为18.6 W，要大于传统封装下的15.5 W。与传统封装相比，新型台阶热沉结构封装的半导体激光器的输出功率提高了近20%。

5 结 论

为了降低单管半导体激光器的结温、改善器件的散热效果以及提高输出功率，设计了一种台阶结构的C-mount热沉激光器封装结构，并分析了其与传统结构的散热能力与输出效率的对比。在热沉温度298 K和连续输出功率10 W的条件下，腔长为1.5 mm时，传统C-mount热沉封装的器件的结温为343.6 K，热阻为4.6 K/W；优化后的台阶热沉结构结温为333.8 K，热阻为3.5 K/W。台阶热沉结构器件的芯片结温降低了近10 K，散热效果得到明显的改善。计算表明，激光器的最大输出功率提高了近20%。本设计的理念也为今后热沉结构的设计提供了可靠的依据。

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张晓磊(1992-)，男，吉林舒兰人，硕士研究生，2015年于长春理工大学获得学士学位，主要从事半导体激光器的研究。

E-mail: zxlcust@163.com

高欣(1965-)，女，吉林省吉林市人，博士，教授，博士生导师，2007年于长春理工大学获得博士学位，主要从事高功率半导体激光器的研究。

E-mail: gaoxin@cust.edu.cn

Thermal Characteristics Analysis of C-mount Sink Package Laser and Optimization of Heat Sink Structure

ZHANG Xiao-lei, BO Bao-xue, ZHANG Zhe-ming,GU Hua-xin, LIU Li-ning, XU Yu-meng, QIAO Zhong-liang, GAO Xin*

(State Key Laboratory of High Power Semiconductor Laser, Changchun University of Science and Technology, Changchun 130022, China)

In order to reduce single-tube laser diode junction temperature and improve heat dissipation effects of the device, an optimized step sink structure was come up based on the thermal characteristic analysis of C-mount heat sink. The distribution of junction temperature and the lateral temperature of single-tube lasers were investigated. Under the conditions of the heat sink temperature of 298 K and continuous output power of 10 W, the junction temperature of typical C-mount heat sink package structure with 1.5 mm cavity length and 3 μm solder thickness is 343.6 K, and the thermal resistance is 4.6 K/W. By introducing level heat sink structure, the junction temperature of single-tube laser diode is 333.8 K and thermal resistance is 3.5 K/W. Theoretical calculation shows that the output power can be improved nearly 20%.

solder thickness; thermal resistance; junction temperature; heat sink; output power

1000-7032(2017)07-0891-06

2016-12-15；

2017-02-04

国家自然科学基金(61176048，61177019，61308051)； 吉林省科技发展计划(20150203007GX,20160203017GX)； 中物院高能激光重点实验室基金(2014HEL01)； 吉林省自然科学基金(20170101047JC)资助项目 Supported by National Natural Science Foundation of China(61176048,61177019,61308051)； Science and Technology Development Program of Jilin Province(20150203007GX,20160203017GX)； Key Laboratory of High Energy Laser of China Academy of Sciences(2014HEL01)； Natural Science Foundation of Jilin Province(20170101047JC)

TN248.4

A

10.3788/fgxb20173807.0891

*Corresponding Author, E-mail: gaoxin@cust.edu.cn