APP  >> Vol. 9 No. 2 (February 2019)

    不同焊料对微盘腔半导体激光器散热的影响
    Effect of Different Solders on Heat Dissi-pation of Micro-Disk Cavity Semiconductor Laser

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作者:  

刘 云,晏长岭,杨静航,逄 超,冯 源,郝永芹,李 辉,徐东昕,张剑家: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

关键词:
微盘腔半导体激光器ANSYS焊料热分析 Micro-Disk Cavity Semiconductor Laser ANSYS Solder Thermal Analysis

摘要:

通过对微盘腔半导体激光器热特性及散热方式的理论分析,建立倒封装微盘腔半导体激光器物理散热模型,针对其在稳态工作下的热特性,利用ANSYS有限元分析软件,分析了三种焊料分别为In、Sn0.2Au0.8、Sn0.48In0.52、以及AlN散热片对微盘腔半导体激光器的散热效果的影响。结果显示,In焊料的散热效果较好,芯片温升为4.506 K;Sn0.48In0.52焊料的散热效果较差,最高温升为6.501 K;Sn0.2Au0.8焊料散热效果较In焊料略差接近0.1 K。AlN散热片的热扩散区域更大,散热效果受散热片尺寸影响比较大。从热膨胀系数、焊料热稳定性以及焊料成本来看,In焊料适用于基础实验,Sn0.2Au0.8适用于要求严格的科研实验或批量生产。
Based on the theoretical analysis of thermal characteristics and heat dissipation modes of micro-disk cavity semiconductor lasers, a physical heat dissipation model of inverted encapsulated micro-disk cavity semiconductor lasers is established. Aiming at the thermal characteristics of inverted encapsulated micro-disk cavity semiconductor lasers under steady state operation, the effects of three solders on heat dissipation of micro-disk cavity semiconductor lasers are analyzed by using ANSYS finite element analysis software, namely In, Sn0.2Au0.8, Sn0.48In0.52, and AlN radiators. The results show that the heat dissipation effect of In solder is better, the chip temperature rise is 4.506 K; the heat dissipation effect of Sn0.48In0.52 solder is worse; the maximum temperature rise is 6.501 K; and the heat dissipation effect of Sn0.2Au0.8 solder is slightly worse than that of In solder, but not more than 0.1 K. The heat diffusion area of AlN radiator is larger, and the heat dissipation effect is greatly affected by the size of the radiator. In terms of thermal expansion coefficient, thermal stability of solder and cost of solder, In solder is suitable for general experiments, and Sn0.2Au0.8 is suitable for rigorous scientific research experiments or batch production.


1. 引言

半导体微盘激光器具有简单的几何形状、较小的占用空间、低阈值以及可集成度高等特点,可以作为大规模光子集成电路和超大规模光通信系统的理想光源。在全光网络和光电子信息集成网络中具有重要的应用。并在生物探测器、传感器等方面有着重要的应用价值 [1] 。

对于半导体激光器来说,热效应一直是影响激光器正常稳定工作的重要因素 [2] 。由于半导体激光器在工作的时候产生的热量大于散热装置能够散去的热量,使得腔体内部的温度增高,产生热饱和现象 [3] 。为了避免热饱和现象,所以应尽可能地降低半导体器件产热区的温度(即结温)。半导体器件的阈值电流变大、电光转换效率减小、输出功率变低及器件寿命缩短,很多都是由于结温的升高,这已变成阻碍半导体激光器性能稳定的一项非常重要的因素。

微盘腔半导体激光器高反射的微盘结构使其具有超低的阈值电流、极高的能量密度,超高的品质因子 [4] [5] 。但是高反射的微盘结构造成微盘激光器的光耦合输出较低,通常器件的电光转换效率较低,也造成微腔激光器的热效应对器件性能的影响更明显 [6] 。研究微盘腔半导体激光器的热特性,改善散热效果,不但能够延长器件的使用寿命,更能够提升器件的电光转换效率,击穿电流等。本文采用ANSYS有限元软件分析In焊料、Sn0.2Au0.8焊料、Sn0.48In0.52焊料、AlN散热片对微盘腔半导体激光器工作时芯片温度的影响,为提升半导体激光器散热效果、延长器件使用寿命、提高其电光转换效率提供了参考依据。

2. 理论分析

目前半导体激光器封装时一般采用In焊料,In材料价格便宜,质软,延展性好;此外还有Au-Sn合金、In-Sn合金等焊料,以及AlN散热片等。为了能够更好的分析封装技术对半导体激光器散热性能的影响,采用ANSYS软件分析了In焊料、Sn0.2Au0.8焊料、Sn0.48In0.52焊料、AlN散热片在外部条件相同时,对微盘腔半导体激光器散热的影响。

微盘腔半导体激光器正常工作时的废热产生主要有三个方面 [7] [8] [9] :

1) 当注入电流小于阈值时,不会产生激光,这部分注入的电流要产生一定的废热。

2) 当注入的电流大于阈值电流时,一些电子和空穴将会发生非辐射复合;同时部分辐射复合产生的光子将会被波导层吸收,产生废热。

3) 半导体激光器工作期间由于各材料层间欧姆损耗引起的焦耳热,计算公式为:

Q = j 2 ρ (1)

式中Q为焦耳热功率密度,j为电流注入密度, ρ 为各材料层的电阻率。激光器达到稳定的工作状态后遵循的热传导方程为:

K ( 2 T x 2 + 2 T y 2 + 2 T z 2 ) + Q = 0 (2)

式中,T为温度,K为材料热传导系数,Q为热功率密度。

半导体激光器内部芯片产生的热量必然引起芯片与其他部位和周围介质之间的温度差,因此,在半导体激光器中存在三种热传递方式 [10] :热传导,热对流和热辐射。对于一般的热力学模型来说,热传导,热对流和热辐射这三种形式的传热方式是都存在的。但是对于半导体激光器来说,芯片尺寸较小工作温度较室温差别不大,热辐射一般可以忽略不计,只考虑器件直接的热传导,和器件与空气的对流指数。

为了更好的解决散热问题,在实验中一般将芯片焊接在无氧铜热沉上,由于芯片材质和铜热沉的热膨胀系数不同,相互作用将会产生应力。而焊料作为连接芯片与热沉直接的过渡层,选择适当的焊料不但能够使半导体激光器获得更好的散热效果,还能够弥补芯片与热沉之间由于热膨胀系数不同而带来的应力。为此我们使用ANSYS软件分析了四种散热材料对微盘腔半导体激光器散热的影响。

3. 不同焊料的热分析

3.1. 模型的建立

ANSYS作为有限元分析软件有很强大的模拟计算功能,在热分析方面有强大的处理能力,其处理结果快速而高效 [11] 。对于采用ANSYS软件进行模拟,可以分为三个主要步骤:前期模型处理、中期软件计算、后期结果分析。

1) 前期模型处理,通过前处理可以将要求解的问题模型化,主要有确认算法、建立模型、网格划分、施加载荷等。

2) 中期软件计算,主要通过对线性以及非线性的方程组求解,然后得到节点的数值。

3) 后期结果分析,将已经计算出来的结果表示出来,计算结果可以显示为彩色等值线、立体切片、半透明以及透明图形等,还可以把结果显示成曲线、图表形式。

为充分体现不同焊料对微盘腔半导体激光器散热的影响,模拟中采用倒封装模型,使芯片与焊料直接接触。如图1所示,是倒封装微盘半导体激光器的结构示意图,表1为器件各部分实际的参数大小。据此,使用ANSYS17.0建立倒封装的微盘腔半导体激光器的模型。

由于AlN不同于普通焊料,实验中一般使用尺寸为10 mm *10 mm *1.5 mm硬质散热片,为此我们为AlN散热片单独建立了模型,取150 μm *150 μm *300 μm的AlN散热片使用In焊料焊接在铜热沉上。如图2(a)所示为网格划分后的倒封装微盘腔半导体激光器模型,图2(b)为网格划分后的AlN散热片的倒封装微盘腔半导体激光器模型。

Figure 1. Structural schematic diagram of inverted encapsulated micro-disk cavity semiconductor lasers

图1. 倒封装微盘腔半导体激光器结构示意图

(a) (b)

Figure 2. (a) Reverse-encapsulated micro-cavity semiconductor laser model; (b) Model of AlN radiator inverted encapsulated micro-cavity semiconductor lasers

图2. (a) 倒封装微盘腔半导体激光器模型;(b) AlN散热片倒封装微盘腔半导体激光器模型

Table 1. Modeling parameters in ANSYS simulation

表1. ANSYS模拟中的建模参数

3.2. 模拟结果

为分析不同焊料对微盘腔半导体激光器的散热影响,单一变量为焊料层热导率,在模拟中除焊料层热导率不同外,其他参数完全一致。模拟实验中不同焊料热导率如表2所示。对建立的模型进行网格划分,设置环境温度为298 K,与空气接触面设置空气的对流系数20 W/(m2℃),在有源层,上、下波导层施加载荷。当器件的注入电流为1 A,工作电压为6 V,泵浦功率为6 W,出射光功率为7 mW时,器件产热为5.993 W。产热区主要在有源层和上下波导层中,因此在热分析过程中,定义这三层为产热区。这三部分的体积V分别为,有源层: V 1 = π r 2 d = π × 0.0122 × 2.68 × 10 4 = 1.2 × 10 7 cm 3 ;上下波导层: V 2 = π × 0.0122 × 3.5 × 10 4 = 1.6 × 10 7 cm 3 。设源区产热为总热量的80%,波导层各为10%,则有源区的单位体积热量为:4 × 104 W/mm2,波导层的单位体积热量分别为:3.7 × 103 W/mm2

Table 2. Heat dissipating material parameters

表2. 散热材料参数

运算得到结果如图3~6所示,分别为Sn0.48In0.52焊料、Sn0.2Au0.8焊料、In焊料、AlN散热片的热场分布,从结果中来看,Sn0.2Au0.8焊料芯片工作温度为302.559 K,温升4.559 K;Sn0.48In0.52焊料芯片工作温度为304.501 K,温升为6.501 K;In焊料芯片工作温度为302.506 K,温升为4.506 K;AlN散热片的芯片工作温度为303.131 K,温升为5.131 K。

Figure 3. Thermal analysis results of Sn0.48In0.52 solder reverse packaging

图3. Sn0.48In0.52焊料倒封装热分析计算结果

Figure 4. Thermal analysis results of Sn0.2Au0.8 solder reverse packaging

图4. Sn0.2Au0.8焊料倒封装热分析计算结果

Figure 5. Thermal analysis results of In solder reverse packaging

图5. In焊料倒封装热分析计算结果

Figure 6. Thermal analysis and calculating results of AlN radiator reverse packaging

图6. AlN散热片倒封装热分析计算结果

从热分析结果可以看出In焊料导热性最好,芯片工作时温度最低,能够达到302.506 K,Sn0.48In0.52焊料导热性最差,芯片工作温度最高,达到304.501 K。Sn0.2Au0.8及In两种焊料芯片工作温度相差不大,仅为0.053 K。从AlN散热片的计算结果图中可以看出,芯片温升为5.131 K,温度颜色的条宽明显大于Sn0.2Au0.8、Sn0.48In0.52、In三种焊料计算结果的温度颜色条宽,AlN散热片散热效果优于Sn0.2Au0.8、Sn0.48In0.52、In三种焊料。但AlN散热片的计算结果中,AlN散热片的边界温度大于环境温度,可见模型中散热片的尺寸过小,没能充分将芯片产生的热完全散去,AlN散热片的尺寸大小影响着微盘腔半导体激光器的散热效果。

此外我们对比了Sn0.2Au0.8、Sn0.48In0.52、In三种焊料的价格,In焊料的消耗成本最低,Sn0.2Au0.8与Sn0.48In0.52的成本均高于In焊料,其中Sn0.2Au0.8略高于Sn0.48In0.52焊料,可见In焊料具有非常高的性价比。但是由于In焊料的在高温下不够稳定,容易污染腔面,对芯片造成污损,影响正常工作。因此In焊料更适合少量实验封装测试,不适合大规模投产应用。Sn0.2Au0.8、Sn0.48In0.52两种焊料虽然价格昂贵,保质期短,存储条件比较苛刻,但是在封装使用上更加稳定,熔点高性能稳定,能够适应长期的工作使用,因此现在很多量化的使用中更多的使用Sn0.2Au0.8、Sn0.48In0.52两种焊料。

4. 结论

本文采用有限元分析软件ANSYS建立倒封装微盘腔半导体激光器模型,分析了在稳态条件下,Sn0.2Au0.8、Sn0.48In0.52、In三种焊料以及AlN散热片对微盘腔半导体激光器散热效果的影响。由热分析结果可见,In焊料的散热效果最好温升为4.506 K,Sn0.48In0.52焊料的散热效果最差为6.501 K,Sn0.2Au0.8焊料散热效果较In焊料略差接近0.1 K。AlN散热片的热扩散区域更大,散热效果受散热片尺寸影响比较大。最后,从热膨胀系数、焊料热稳定性以及焊料成本来看,In焊料适用于基础实验,Sn0.2Au0.8适用于要求严格的科研实验或批量生产。通过模拟In焊料、Sn0.2Au0.8焊料、Sn0.48In0.52焊料、AlN散热片对微盘腔半导体激光器散热效果的影响,为提升半导体激光器散热效果、延长器件使用寿命、提高其电光转换效率提供了参考依据。

基金项目

吉林省科技厅项目(编号:20160101254JC);国家自然科学基金项目(编号:11474038);预研基金项目(编号:6141B010328);预研基金项目(编号:6142405030216240502)。

NOTES

*通讯作者。

文章引用:
刘云, 晏长岭, 杨静航, 逄超, 冯源, 郝永芹, 李辉, 徐东昕, 张剑家. 不同焊料对微盘腔半导体激光器散热的影响[J]. 应用物理, 2019, 9(2): 87-93. https://doi.org/10.12677/APP.2019.92010

参考文献

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