熱管理

熱管理對(duì)于高功率半導(dǎo)體激光器而言至關(guān)重要，因?yàn)榘雽?dǎo)體激光器大約50%的電能都轉(zhuǎn)換成熱量損耗掉了。熱管理直接影響激光器的結(jié)溫，結(jié)溫過(guò)高將顯著影響半導(dǎo)體激光器巴條的性能，如導(dǎo)致輸出功率下降、閾值電流增大、斜坡效率減小、慢軸發(fā)散角增大以及壽命縮短等。

對(duì)于高功率單巴條半導(dǎo)體激光器，結(jié)溫由式（1）而得^[1]

         (1)

其中T_h為器件熱沉溫度、R_th為器件熱阻、V₀為結(jié)偏壓、I為工作電流、Rs為串聯(lián)電阻、Po為輸出光功率。由上式可見(jiàn)，激光器的結(jié)溫主要由熱沉的溫度和器件本身的熱阻決定，其中熱沉溫度由激光器的使用條件決定。

半導(dǎo)體激光器的輸出功率與熱阻的關(guān)系和器件使用壽命與熱阻的關(guān)系分別為（2）和（3）式：

       (2)

          (3)

其中，η_d、I_th、T₁、T₀為室溫下器件的轉(zhuǎn)換效率、閾值電流、斜率特征溫度和閾值特征溫度，t為半導(dǎo)體激光器壽命，Ea為激活能（activation energy），K為波爾茲曼常數(shù)，R_th為半導(dǎo)體激光器的熱阻。由式（2）和式（3）可以看出，降低熱阻可以增加半導(dǎo)體激光器的輸出功率，提高可靠性。

半導(dǎo)體激光器的熱阻包括芯片的熱阻和封裝帶來(lái)的熱阻。有效的熱管理是提高器件性能的關(guān)鍵。提高熱管理主要從減小芯片熱阻、減小貼片界面熱阻和設(shè)計(jì)封裝結(jié)構(gòu)三個(gè)方面來(lái)實(shí)現(xiàn)。熱阻的計(jì)算方法如下^[2]：

    R_th=L/kA              (4)

其中：L為熱傳導(dǎo)距離（m），A為熱傳導(dǎo)通道的截面積（m²），k為熱傳導(dǎo)系數(shù)（W/mK）。

由（4）式可知，要減小芯片的熱阻主要有以下途徑：一是選擇熱傳導(dǎo)系數(shù)大的材料，二是在材料確定的情況下盡可能減小熱傳導(dǎo)距離或增大熱傳導(dǎo)通道截面積。基于此，可通過(guò)增加芯片腔長(zhǎng)（從1mm增加到2mm）和提高填充因子來(lái)減小熱阻。目前，2mm腔長(zhǎng)、50%填充因子的9xx nm巴條可以實(shí)現(xiàn)高可靠性連續(xù)波輸出150W。

貼片界面的熱阻主要受各貼片層存在的空洞影響。與相對(duì)完整的貼片層相比，貼片層的空洞大小和密度嚴(yán)重影響器件的熱阻^[3]。圖1給出了封裝貼片層的完整性�？梢酝ㄟ^(guò)優(yōu)化金屬層結(jié)構(gòu)以及采用無(wú)空洞貼片技術(shù)，來(lái)增加貼片界面的完整性，以減小貼片界面的熱阻，降低貼片層空洞。

（a）有空洞                                  （b）無(wú)空洞

圖1：貼片層完整性

另外，不同的封裝結(jié)構(gòu)對(duì)器件的熱阻影響不同。最常見(jiàn)的巴條封裝結(jié)構(gòu)包括傳導(dǎo)冷卻型CS封裝和微通道液體制冷型封裝兩種。相對(duì)熱傳導(dǎo)封裝結(jié)構(gòu)，微通道液體制冷型封裝結(jié)構(gòu)的熱阻明顯降低，利用此結(jié)構(gòu)封裝的激光器的輸出功率顯著高于傳導(dǎo)封裝的器件。對(duì)于808nm半導(dǎo)體激光器巴條，填充因子20%的芯片傳導(dǎo)冷卻封裝后的輸出功率可達(dá)60W；而填充因子75%的芯片采用微通道液體制冷封裝后的輸出功率可達(dá)到120W。

圖2(a)和(b)分別為西安矩光公司生產(chǎn)的808nm單巴條半導(dǎo)體激光器，傳導(dǎo)冷卻填充因子為20%，輸出功率為60W；液體冷卻填充因子75%，輸出功率可達(dá)120W。圖3為圖2（a）和（b）中單巴條半導(dǎo)體激光器的功率-電壓-電流和光譜特性曲線(xiàn)。

（a）傳導(dǎo)冷卻封裝                 b）液體制冷封裝

圖2：?jiǎn)伟蜅l半導(dǎo)體激光器

 圖3：圖2（a）和（b）單巴條半導(dǎo)體激光器的功率-電壓-電流和光譜曲線(xiàn)

由以上分析可見(jiàn)，要提高熱管理，需要從芯片、貼片工藝和封裝結(jié)構(gòu)三個(gè)方面考慮：一是優(yōu)化芯片設(shè)計(jì)、降低芯片熱阻；二是提高貼片工藝技術(shù)，進(jìn)行無(wú)空洞貼片封裝；三是優(yōu)化封裝結(jié)構(gòu)，采用散熱效率高的封裝結(jié)構(gòu)。

 溫度不均勻性

溫度的不均勻性對(duì)半導(dǎo)體激光器巴條性能有很大影響，將導(dǎo)致半導(dǎo)體激光器巴條光譜展寬、近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)光強(qiáng)分布不均勻和腔面損傷(COD)。

半導(dǎo)體激光器的發(fā)射波長(zhǎng)隨溫度有很明顯的變化，如808nm半導(dǎo)體激光器的波長(zhǎng)隨節(jié)點(diǎn)溫度以0.28nm/℃的速率變化。當(dāng)半導(dǎo)體激光器芯片中每個(gè)發(fā)光單元的溫度分布不均勻時(shí)，每個(gè)發(fā)光單元發(fā)射的波長(zhǎng)就不同，就會(huì)引起激光器光譜展寬，如圖4所示，可能出現(xiàn)“雙峰”或“右肩膀”。

4：半導(dǎo)體激光器巴條光譜

激光器巴條有源區(qū)每個(gè)發(fā)光單元溫度不均勻也會(huì)造成該發(fā)光區(qū)域的近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)光強(qiáng)分布不均，出現(xiàn)較大的波峰，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致腔面損傷。É.O’Neill等人對(duì)此進(jìn)行了深入研究^[4]，采用三束激光照射有源區(qū)的不同位置，再進(jìn)行近場(chǎng)光強(qiáng)測(cè)量，如圖5所示，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在溫度高的區(qū)域出現(xiàn)了光強(qiáng)峰值，激光照射處產(chǎn)生了較大的峰值光強(qiáng)（如圖6所示）。

圖5：激光照射有源區(qū)的不同位置

圖6：不同激光照射位置時(shí)近場(chǎng)光強(qiáng)分布

半導(dǎo)體激光器巴條溫度的不均勻性主要由半導(dǎo)體激光器芯片中各個(gè)發(fā)光單元的自身差異以及封裝過(guò)程中貼片層內(nèi)產(chǎn)生的空洞引起。前者主要由芯片結(jié)構(gòu)決定，每個(gè)發(fā)光單元的接觸電阻不同，引起電流分布不均勻，導(dǎo)致溫度分布不均勻；后者則由封裝工藝決定，貼片層中出現(xiàn)的空洞導(dǎo)熱性很差，易引起溫度分布不均。目前制造激光器芯片的工藝技術(shù)比較成熟，芯片本身的不均勻性較小；而封裝不好時(shí)，貼片層內(nèi)會(huì)產(chǎn)生較多的空洞，這些空洞導(dǎo)致芯片局部熱量的積累和溫升，從而造成溫度的不均勻。

減小溫度的不均勻性可從兩方面實(shí)現(xiàn)。首先從芯片入手，控制芯片外延生長(zhǎng)，使各個(gè)發(fā)光單元外延生長(zhǎng)均勻，并使芯片各發(fā)光單元表面的歐姆接觸電阻均勻一致。其次，改進(jìn)貼片工藝，盡可能做到“無(wú)空洞”貼片，保證散熱均勻。

西安炬光采用了光譜寬度控制技術(shù)，對(duì)半導(dǎo)體激光器巴條的光譜寬度進(jìn)行了有效控制。隨機(jī)選擇了200個(gè)808nm的微通道液體制冷半導(dǎo)體激光器巴條，測(cè)得其光譜特性統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖7所示。83%的器件的光譜寬度控制在2nm以?xún)?nèi)，100%的器件的光譜寬度控制在2.5nm以?xún)?nèi)。

圖7：?jiǎn)伟桶雽?dǎo)體激光器FWHM統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

熱應(yīng)力

半導(dǎo)體激光器的熱應(yīng)力將導(dǎo)致器件波長(zhǎng)漂移、光譜展寬和巴條“smile效應(yīng)”等，極大影響了器件的性能。

熱應(yīng)力的產(chǎn)生是由于芯片和襯底的熱膨脹系數(shù)（CTE）失配所導(dǎo)致。熱應(yīng)力與熱膨脹系數(shù)和溫度的關(guān)系為：

              (5)

其中，E₁、E₂分別為材料的彈性模量，α₁、α₂分別為材料的熱膨脹系數(shù)，T_f為焊料凝固點(diǎn)的溫度，T_s為應(yīng)力測(cè)試點(diǎn)的溫度（工作溫度）。

激光器外延材料內(nèi)的熱應(yīng)力影響器件的發(fā)射波長(zhǎng)，應(yīng)力對(duì)波長(zhǎng)的影響系數(shù)為~1*10^-5 eV/bar（或~0.005nm/bar)。半導(dǎo)體激光器的張應(yīng)力和壓應(yīng)力對(duì)光譜漂移產(chǎn)生不同的效果，張應(yīng)力引起紅移，壓應(yīng)力引起藍(lán)移^[5]。

而整個(gè)半導(dǎo)體激光器巴條寬度內(nèi)發(fā)光單元所遭受的非均勻熱應(yīng)力將會(huì)造成波長(zhǎng)分布不均，導(dǎo)致光譜展寬，如圖8所示。

圖8：熱應(yīng)力不均勻?qū)е鹿庾V展寬

熱應(yīng)力較大時(shí)候，導(dǎo)致半導(dǎo)體激光器巴條損傷，甚至導(dǎo)致芯片斷裂，如圖9所示。

圖9：熱應(yīng)力導(dǎo)致的芯片損傷 

熱應(yīng)力還將導(dǎo)致“smile效應(yīng)”^[6]，由于半導(dǎo)體激光器和銅熱沉之間的熱膨脹系數(shù)差異為10.1×10^-6/℃，在封裝過(guò)程中，器件的溫度需要由銦的熔點(diǎn)（156℃）降到室溫（25℃），溫差達(dá)131℃。根據(jù)公式（5）得出產(chǎn)生的熱應(yīng)力對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的10mm長(zhǎng)的激光器巴條來(lái)說(shuō)，將使銅熱沉和激光器巴條間出現(xiàn)14μm的收縮差異，從而導(dǎo)致激光器巴條變形。圖10示意性地說(shuō)明了銦從熔點(diǎn)降至室溫過(guò)程中，熱應(yīng)力導(dǎo)致巴條彎曲的原理。圖11給出了半導(dǎo)體激光器巴條的各類(lèi)近場(chǎng)非線(xiàn)性（smile）的放大圖像。

圖10：近場(chǎng)非線(xiàn)性形成的原理示意圖

圖11：放大后的半導(dǎo)體激光器巴條各類(lèi)“smile”圖

減小熱應(yīng)力的影響有三個(gè)途徑：第一，采用高的熱傳導(dǎo)率和熱膨脹系數(shù)與芯片更加匹配的襯底/熱沉材料；第二，通過(guò)優(yōu)化封裝工藝降低施加在激光器線(xiàn)陣上的熱應(yīng)力；第三，通過(guò)優(yōu)化封裝工藝降低熱應(yīng)力分布的不均勻性。

西安炬光科技有限公司擁有先進(jìn)的熱應(yīng)力控制技術(shù)，從上面三個(gè)方面減小器件的熱應(yīng)力，生產(chǎn)的99%的半導(dǎo)體激光器巴條產(chǎn)品的“smile效應(yīng)”小于1μm。圖12給出了隨機(jī)選取的900個(gè)半導(dǎo)體激光器巴條的“smile效應(yīng)”統(tǒng)計(jì)，結(jié)果顯示99%的近場(chǎng)非線(xiàn)性值都小于1μm。

圖12：Smile統(tǒng)計(jì)圖

貼片材料

對(duì)半導(dǎo)體激光器巴條的封裝，選擇貼片材料非常重要，直接影響器件的性能。由于銦具有熔點(diǎn)低和良好的塑性形變，能有效降低熱應(yīng)力，工藝較易實(shí)現(xiàn)，因此目前通常采用的是銦金屬。但銦在高電流下易產(chǎn)生電遷移和電熱遷移問(wèn)題，這又極大地降低了半導(dǎo)體激光器的可靠性^[7]。為了解決銦帶來(lái)的問(wèn)題，采用無(wú)銦化技術(shù)、用金錫焊料代替銦，可以克服銦焊料的電遷移和電熱遷移。圖13測(cè)試和對(duì)比了銦與金錫封裝的激光器在加速老化條件下的壽命。由圖13可知，銦焊料封裝的器件不到400小時(shí)輸出功率就出現(xiàn)突然退化的現(xiàn)象；而金錫焊料封裝的器件1500小時(shí)后功率仍然穩(wěn)定輸出。因此采用金錫焊料封裝的激光器壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于銦封裝的激光器。但金錫焊料由于組分控制難、帶來(lái)的熱應(yīng)力問(wèn)題以及熔點(diǎn)較高，也提升了工藝難度。

圖13：不同焊料封裝激光器加速壽命測(cè)試對(duì)比

無(wú)銦化技術(shù)工藝難度大，但無(wú)銦化激光器具有儲(chǔ)存時(shí)間長(zhǎng)、耐高溫、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。因此對(duì)于需要長(zhǎng)儲(chǔ)存時(shí)間的器件來(lái)說(shuō)，必須采用無(wú)銦化的封裝技術(shù)。西安炬光科技公司擁有無(wú)銦化封裝技術(shù)，生產(chǎn)了多款無(wú)銦化巴條、疊陣和面陣高功率半導(dǎo)體激光器產(chǎn)品，如圖14(a)～(d)所示。

 (a) 無(wú)銦化傳導(dǎo)冷卻線(xiàn)陣LD

(b) 無(wú)銦化G-stack LD     

 (c) 無(wú)銦化垂直疊陣LD

(d)20kW無(wú)銦化準(zhǔn)連續(xù)激光器面陣

圖14：無(wú)銦化傳導(dǎo)冷卻線(xiàn)陣、疊陣和面陣高功率半導(dǎo)體激光器

 將銦和金錫封裝的半導(dǎo)體激光器產(chǎn)品分別進(jìn)行極端環(huán)境儲(chǔ)存和測(cè)試實(shí)驗(yàn)：高溫（85℃、2000小時(shí)存儲(chǔ)）、低溫（-40℃、150小時(shí)存儲(chǔ)）及高低溫循環(huán)（-40～+85℃的循環(huán)環(huán)境下經(jīng)歷50次循環(huán)），然后測(cè)試并對(duì)比它們光譜特性。圖15(a)和(b)分別給出了銦和金錫封裝的產(chǎn)品在經(jīng)過(guò)三個(gè)階段存儲(chǔ)前、后的光譜曲線(xiàn)。對(duì)比圖15(a)和(b)可知，存儲(chǔ)后銦封裝的產(chǎn)品波長(zhǎng)發(fā)生顯著紅移，光譜已經(jīng)惡化；金錫封裝產(chǎn)品光譜基本保持不變。很顯然，采用無(wú)銦化技術(shù)，用金錫制備的激光器產(chǎn)品具有儲(chǔ)存時(shí)間長(zhǎng)、耐高溫、性能穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。

圖15：銦和全無(wú)銦化產(chǎn)品長(zhǎng)儲(chǔ)存后的光譜對(duì)比

 小結(jié)

本文介紹了影響高功率半導(dǎo)體激光器巴條性能的因素，包括：熱管理、溫度不均勻性、熱應(yīng)力和貼片材料四個(gè)方面，并提出了提高高功率半導(dǎo)體激光器巴條性能的方法和策略。

 參考文獻(xiàn)：