摘要：高功率半導(dǎo)體激光器工作時，有源區(qū)會產(chǎn)生大量的熱，降低激光器輸出功率，縮短使用壽命。金剛石具有高熱導(dǎo)率特性，將其作為過渡熱沉將提高器件的散熱能力，減少熱阻，提高激光器輸出功率，延長激光器壽命。本文介紹使用金剛石作為過渡熱沉的高功率半導(dǎo)體激光器的封裝工藝，測試激光器輸出特性，進(jìn)行了歸納總結(jié)，為對金剛石熱沉封裝高功率半導(dǎo)體激光器設(shè)計有需求的項(xiàng)目提供了參考意見，具有一定借鑒意義。
關(guān)鍵詞： 金剛石；CVD金剛石；封裝；過渡熱沉；半導(dǎo)體激光器
引言
高功率半導(dǎo)體激光器具有電光效率高、易調(diào)制、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于激光通信、激光打印、醫(yī)療儀器等方面 。隨著高功率半導(dǎo)體激光器的發(fā)展，由于熱效應(yīng)影響，降低了激光器的輸出功率、電光轉(zhuǎn)換效率，甚至減少激光器使用壽命或者導(dǎo)致激光器失效等問題已不容忽視。
金剛石由于具有高熱導(dǎo)率對于高功率半導(dǎo)體激光器擁有廣泛的應(yīng)用前景，使用金剛石作為高功率半導(dǎo)體器件的熱沉將大大提高這些器件的性能 。目前高功率半導(dǎo)體激光器普遍使用的散熱材料是氮化鋁熱沉，將其作為過渡熱沉燒結(jié)在銅熱沉上。隨著金剛石制造技術(shù)的大力發(fā)展，金剛石的成本得到降低，使得金剛石得到了廣泛的應(yīng)用 。目前人造金剛石熱沉的熱導(dǎo)率最高已經(jīng)達(dá)到 1800W/（K·m）以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于氮化鋁和銅的熱導(dǎo)率。若將其作為過渡熱沉，將提高器件的散熱能力，減少熱阻，提高激光器輸出功率，延長激光器壽命。
理論分析
高功率半導(dǎo)體激光器封裝對過渡熱沉的要求主要有兩個方面，低熱阻與低熱失配。過渡熱沉熱導(dǎo)率越高越可以有效地降低激光器熱阻，同時需考慮芯片與熱沉的熱膨脹系數(shù)匹配程度，根據(jù)需求選擇合適的燒結(jié)焊料，減少熱失配，進(jìn)而提高高功率半導(dǎo)體激光器輸出特性。
圖 1 高功率半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)示意圖
由傅里葉定律得：
R 為熱阻，h 為焊料層厚度， K 為熱導(dǎo)率，S 為垂直熱流方向的導(dǎo)熱面積。因此在其他條件相同的情況下，激光器的熱阻與熱導(dǎo)率成反比關(guān)系，熱沉材料的熱導(dǎo)率越高，越可有效降低器件熱阻。相比于熱導(dǎo)率為 230W/（K·m）的氮化鋁過渡熱沉，金剛石熱沉的高熱導(dǎo)率作為高功率半導(dǎo)體激光器的過渡熱沉可顯著提高激光器的散熱效果。
芯片與過渡熱沉的熱膨脹系數(shù)失配產(chǎn)生熱應(yīng)力，熱應(yīng)力會影響半導(dǎo)體激光器輸出功率、光譜寬度、可靠性等，因此需選用與激光器芯片熱膨脹系數(shù)更加匹配的熱沉材料。芯片材料為砷化鎵，熱膨脹系數(shù)為 4.5×10 -6/K，氮化鋁熱沉熱膨脹系數(shù)為 4.5×10 -6/K，相比于金剛石熱沉，使用氮化鋁熱沉封裝芯片熱失配度更低。因此，若采用金剛石熱沉作為過渡熱沉封裝激光器時，宜采用軟焊料封裝，可減少熱失配引入的熱應(yīng)力。
封裝工藝
高功率半導(dǎo)體激光器的封裝工藝將直接影響它的工作特性、輸出光功率、壽命、穩(wěn)定性等特征。封裝工藝流程包括一次燒結(jié)、二次燒結(jié)、鍵合、測試、老化等。
為消除封裝熱應(yīng)力，減少芯片形變，封裝時采用銦焊料。使用真空蒸發(fā)臺將高純度銦蒸發(fā)于 CVD 金剛石熱沉上，蒸鍍時須嚴(yán)格控制蒸距、電流、加電速率等參數(shù)
一次燒結(jié)為使用甲酸燒結(jié)臺將芯片貼裝于蒸有銦焊料的CVD 金剛石熱沉上。對于高功率半導(dǎo)體激光器而言，一般采用倒裝燒結(jié)的封裝方式，更有助于芯片散熱。在燒結(jié)時會通入一定流量的摻有甲酸的氮?dú)猓姿嶙鳛檫€原劑可提高燒結(jié)質(zhì)量，氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣體防止焊料氧化。在燒結(jié)時使用大小合適的真空吸頭吸取芯片，放置于 CVD 金剛石熱沉合適位置上，該過程中使用 CCD 相機(jī)監(jiān)控。
二次燒結(jié)為使用甲酸燒結(jié)爐將一次燒結(jié)好的芯組燒結(jié)于F-mount 載體上。本文使用的半導(dǎo)體單管芯片為單發(fā)射腔器件，一般情況單發(fā)射腔器件的輸出功率相對較低，連續(xù)輸出功率通常不超過 30W，可通過銅熱沉的傳導(dǎo)將熱散掉，因此本文采用傳導(dǎo)冷卻式被動散熱的 F-mount 封裝形式。
由于一次燒結(jié)使用銦焊料，二次燒結(jié)需選用與銦焊料有燒結(jié)溫度梯度的焊料，因此選用銦錫焊料，根據(jù)芯組大小選取合適的焊料用量，加入適量助焊劑防止焊料氧化，提高燒結(jié)質(zhì)量。
鍵合為使用金絲球焊機(jī)將芯片的上下電極與 F-mount載體上過渡電極相連接。鍵合線選用金絲作為電流注入引線。鍵合過程中需注意焊接功率、時間、底溫等參數(shù)，鍵合完成后需檢驗(yàn)金絲鍵合拉力是否滿足要求、焊點(diǎn)是否牢固。
圖 2 激光器實(shí)物圖
為驗(yàn)證 CVD 金剛石熱沉作為過渡熱沉的封裝效果，本文選用激射波長 976nm 的同批次半導(dǎo)體激光器芯片共 5 只，芯片腔長 4mm，發(fā)光孔徑 200μm，封裝完成的激光器如圖 2 所示。
測試與結(jié)果分析
測試時采用半導(dǎo)體激光器測試系統(tǒng)進(jìn)行測試，測試過程中通過溫度控制器對激光器進(jìn)行溫度控制，發(fā)光面正對積分球，積分球通過光纖外接功率計與光譜儀，激光器電源、電壓表、電流表、功率計、光譜儀均與電腦連接，可通過半導(dǎo)體激光器測試系統(tǒng)軟件控制，使用該系統(tǒng)測試激光器輸出功率、閾值電流、工作電壓、中心波長、光譜半寬，可計算斜率效率、光電轉(zhuǎn)換效率等參數(shù)。
首先測試激光器熱阻。激光器熱阻表示為 R th，根據(jù)熱阻的定義：耗散單位熱功率引起的溫升，熱阻 R t h 可用公式
式中 ?T 為有源區(qū)溫升， Pt 為熱功率。
半導(dǎo)體激光器有源區(qū)溫升不易測量，可通過波長漂移量?λ 計算可得：
式中 λ(T ) 為波長漂移系數(shù)。
激光器熱功率 Pt 的計算公式為：
式中 P 為注入電功率， Pop 為激光器輸出功率。
熱阻 Rth 可表示為：
激光器結(jié)溫 Tj 的計算公式為：
式中 Ta 為熱沉溫度。
使用波長漂移法測得激光器熱阻。測量熱沉溫度分別為20℃、25℃、30℃、35℃時，10A 工作電流條件下激光器波長的變化，測試結(jié)果如圖 3 所示，計算可得該器件的波長漂移系數(shù)為 0.308nm/℃。
圖 3 不同溫度時的波長變化曲線
熱沉溫度設(shè)定值為 20℃時，測試并記錄不同電流條件下的激光器輸出功率、中心波長以及激光器工作電壓，由公式可計算出不同電流條件下的激光器熱功率，進(jìn)而可得出激光器中心波長與激光器熱功率關(guān)系的擬合曲線，如圖4 所示，計算可得dλ / dP t =0.535nm/W
圖 4 波長與激光器熱功率關(guān)系曲線
由公式可得激光器的熱阻為 1.74℃ /W，激光器注入電流 25A 時芯片結(jié)溫為 53.94℃。
使用氮化鋁熱沉作為過渡熱沉封裝同批次芯片 5 只，封裝完成后采用同種方式測試激光器熱阻，可得氮化鋁熱沉作為過渡熱沉封裝的激光器熱阻為 2.91℃ /W。由此可見，金剛石過渡熱沉與傳統(tǒng)的氮化鋁過渡熱沉相比可有效降低激光器熱阻。
圖 5 激光器 P-I 曲線
圖 6 25A 條件下的中心波長與光譜半寬
測試使用金剛石熱沉作為過渡熱沉的激光器在注入電流 0-25A 時的輸出功率、中心波長、光譜半寬、閾值電流，F(xiàn)-mount 熱沉溫度設(shè)定為 20℃。P-I 曲線如圖 5 所示，25A條件下激光器輸出功率平均值為 24.0W，25A 時中心波長與光譜半寬典型值如圖 6 所示，中心波長為 980.19nm，光譜半寬 4.04nm，激光器閾值電流典型值為 0.95A，激光器的光電轉(zhuǎn)換效率如圖 7 所示:
圖 7 轉(zhuǎn)化效率與電流的關(guān)系
結(jié)論
本文使用 CVD 金剛石作為過渡熱沉封裝高功率半導(dǎo)體激光器，激光器熱阻為 1.73℃ /W，與傳統(tǒng)的氮化鋁熱沉相比，選擇金剛石熱沉作為過渡熱沉可有效降低熱阻。在連續(xù)電流條件下測試激光器的輸出特性，閾值電流為 0.95A；在電流為 25A 時，激光器功率為 24.0W，中心波長 980.19nm，光譜半寬 4.04nm，在注入電流 0-25A 范圍內(nèi)，激光器輸出功率并未出現(xiàn)飽和趨勢，說明金剛石熱沉可明顯改善大電流條件下激光器散熱問題，提高激光器輸出特性。因此在大電流條件下，針對高功率半導(dǎo)體激光器的散熱問題，擁有高熱導(dǎo)率的金剛石熱沉作為過渡熱沉是有顯著優(yōu)勢的。
相關(guān)文獻(xiàn)：
DOI:10.16589/j.cnki.cn11-3571/tn.2020.23.029
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