摘要：高功率半導體(ti) 激光器工作時，有源區會(hui) 產(chan) 生大量的熱，降低激光器輸出功率，縮短使用壽命。金剛石具有高熱導率特性，將其作為(wei) 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(wei) 過渡熱沉的高功率半導體(ti) 激光器的封裝工藝，測試激光器輸出特性，進行了歸納總結，為(wei) 對金剛石熱沉封裝高功率半導體(ti) 激光器設計有需求的項目提供了參考意見，具有一定借鑒意義(yi) 。

　　關(guan) 鍵詞： 金剛石；CVD金剛石；封裝；過渡熱沉；半導體(ti) 激光器

　　引言

　　高功率半導體(ti) 激光器具有電光效率高、易調製、體(ti) 積小、重量輕等優(you) 點，廣泛應用於(yu) 激光通信、激光打印、醫療儀(yi) 器等方麵 。隨著高功率半導體(ti) 激光器的發展，由於(yu) 熱效應影響，降低了激光器的輸出功率、電光轉換效率，甚至減少激光器使用壽命或者導致激光器失效等問題已不容忽視。

　　金剛石由於(yu) 具有高熱導率對於(yu) 高功率半導體(ti) 激光器擁有廣泛的應用前景，使用金剛石作為(wei) 高功率半導體(ti) 器件的熱沉將大大提高這些器件的性能 。目前高功率半導體(ti) 激光器普遍使用的散熱材料是氮化鋁熱沉，將其作為(wei) 過渡熱沉燒結在銅熱沉上。隨著金剛石製造技術的大力發展，金剛石的成本得到降低，使得金剛石得到了廣泛的應用 。目前人造金剛石熱沉的熱導率最高已經達到 1800W/（K·m）以上，遠遠大於(yu) 氮化鋁和銅的熱導率。若將其作為(wei) 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

　　高功率半導體(ti) 激光器封裝對過渡熱沉的要求主要有兩(liang) 個(ge) 方麵，低熱阻與(yu) 低熱失配。過渡熱沉熱導率越高越可以有效地降低激光器熱阻，同時需考慮芯片與(yu) 熱沉的熱膨脹係數匹配程度，根據需求選擇合適的燒結焊料，減少熱失配，進而提高高功率半導體(ti) 激光器輸出特性。

　　圖 1 高功率半導體(ti) 激光器結構示意圖

　　由傅裏葉定律得：

　　R 為(wei) 熱阻，h 為(wei) 焊料層厚度， K 為(wei) 熱導率，S 為(wei) 垂直熱流方向的導熱麵積。因此在其他條件相同的情況下，激光器的熱阻與(yu) 熱導率成反比關(guan) 係，熱沉材料的熱導率越高，越可有效降低器件熱阻。相比於(yu) 熱導率為(wei) 230W/（K·m）的氮化鋁過渡熱沉，金剛石熱沉的高熱導率作為(wei) 高功率半導體(ti) 激光器的過渡熱沉可顯著提高激光器的散熱效果。

　　芯片與(yu) 過渡熱沉的熱膨脹係數失配產(chan) 生熱應力，熱應力會(hui) 影響半導體(ti) 激光器輸出功率、光譜寬度、可靠性等，因此需選用與(yu) 激光器芯片熱膨脹係數更加匹配的熱沉材料。芯片材料為(wei) 砷化镓，熱膨脹係數為(wei) 4.5×10 -6/K，氮化鋁熱沉熱膨脹係數為(wei) 4.5×10 -6/K，相比於(yu) 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(wei) 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力。

　　封裝工藝

　　高功率半導體(ti) 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、穩定性等特征。封裝工藝流程包括一次燒結、二次燒結、鍵合、測試、老化等。

　　為(wei) 消除封裝熱應力，減少芯片形變，封裝時采用銦焊料。使用真空蒸發台將高純度銦蒸發於(yu) CVD 金剛石熱沉上，蒸鍍時須嚴(yan) 格控製蒸距、電流、加電速率等參數

　　一次燒結為(wei) 使用甲酸燒結台將芯片貼裝於(yu) 蒸有銦焊料的CVD 金剛石熱沉上。對於(yu) 高功率半導體(ti) 激光器而言，一般采用倒裝燒結的封裝方式，更有助於(yu) 芯片散熱。在燒結時會(hui) 通入一定流量的摻有甲酸的氮氣，甲酸作為(wei) 還原劑可提高燒結質量，氮氣作為(wei) 保護氣體(ti) 防止焊料氧化。在燒結時使用大小合適的真空吸頭吸取芯片，放置於(yu) CVD 金剛石熱沉合適位置上，該過程中使用 CCD 相機監控。

　　二次燒結為(wei) 使用甲酸燒結爐將一次燒結好的芯組燒結於(yu) F-mount 載體(ti) 上。本文使用的半導體(ti) 單管芯片為(wei) 單發射腔器件，一般情況單發射腔器件的輸出功率相對較低，連續輸出功率通常不超過 30W，可通過銅熱沉的傳(chuan) 導將熱散掉，因此本文采用傳(chuan) 導冷卻式被動散熱的 F-mount 封裝形式。
由於(yu) 一次燒結使用銦焊料，二次燒結需選用與(yu) 銦焊料有燒結溫度梯度的焊料，因此選用銦錫焊料，根據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，提高燒結質量。

　　鍵合為(wei) 使用金絲(si) 球焊機將芯片的上下電極與(yu) F-mount載體(ti) 上過渡電極相連接。鍵合線選用金絲(si) 作為(wei) 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，鍵合完成後需檢驗金絲(si) 鍵合拉力是否滿足要求、焊點是否牢固。

　　圖 2 激光器實物圖

　　為(wei) 驗證 CVD 金剛石熱沉作為(wei) 過渡熱沉的封裝效果，本文選用激射波長 976nm 的同批次半導體(ti) 激光器芯片共 5 隻，芯片腔長 4mm，發光孔徑 200μm，封裝完成的激光器如圖 2 所示。

　　測試與(yu) 結果分析

　　測試時采用半導體(ti) 激光器測試係統進行測試，測試過程中通過溫度控製器對激光器進行溫度控製，發光麵正對積分球，積分球通過光纖外接功率計與(yu) 光譜儀(yi) ，激光器電源、電壓表、電流表、功率計、光譜儀(yi) 均與(yu) 電腦連接，可通過半導體(ti) 激光器測試係統軟件控製，使用該係統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、光電轉換效率等參數。

　　首先測試激光器熱阻。激光器熱阻表示為(wei) R th，根據熱阻的定義(yi) ：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(wei) 有源區溫升， Pt 為(wei) 熱功率。
半導體(ti) 激光器有源區溫升不易測量，可通過波長漂移量?λ 計算可得：

　　式中 λ(T ) 為(wei) 波長漂移係數。
激光器熱功率 Pt 的計算公式為(wei) ：

　　式中 P 為(wei) 注入電功率， Pop 為(wei) 激光器輸出功率。
熱阻 Rth 可表示為(wei) ：

　　激光器結溫 Tj 的計算公式為(wei) ：

　　式中 Ta 為(wei) 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(wei) 20℃、25℃、30℃、35℃時，10A 工作電流條件下激光器波長的變化，測試結果如圖 3 所示，計算可得該器件的波長漂移係數為(wei) 0.308nm/℃。

　　圖 3 不同溫度時的波長變化曲線

　　熱沉溫度設定值為(wei) 20℃時，測試並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，進而可得出激光器中心波長與(yu) 激光器熱功率關(guan) 係的擬合曲線，如圖4 所示，計算可得dλ / dP t =0.535nm/W

　　圖 4 波長與(yu) 激光器熱功率關(guan) 係曲線

　　由公式可得激光器的熱阻為(wei) 1.74℃ /W，激光器注入電流 25A 時芯片結溫為(wei) 53.94℃。

　　使用氮化鋁熱沉作為(wei) 過渡熱沉封裝同批次芯片 5 隻，封裝完成後采用同種方式測試激光器熱阻，可得氮化鋁熱沉作為(wei) 過渡熱沉封裝的激光器熱阻為(wei) 2.91℃ /W。由此可見，金剛石過渡熱沉與(yu) 傳(chuan) 統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(yu) 光譜半寬

　　測試使用金剛石熱沉作為(wei) 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-mount 熱沉溫度設定為(wei) 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(wei) 24.0W，25A 時中心波長與(yu) 光譜半寬典型值如圖 6 所示，中心波長為(wei) 980.19nm，光譜半寬 4.04nm，激光器閾值電流典型值為(wei) 0.95A，激光器的光電轉換效率如圖 7 所示:

　　圖 7 轉化效率與(yu) 電流的關(guan) 係

　　結論

　　本文使用 CVD 金剛石作為(wei) 過渡熱沉封裝高功率半導體(ti) 激光器，激光器熱阻為(wei) 1.73℃ /W，與(yu) 傳(chuan) 統的氮化鋁熱沉相比，選擇金剛石熱沉作為(wei) 過渡熱沉可有效降低熱阻。在連續電流條件下測試激光器的輸出特性，閾值電流為(wei) 0.95A；在電流為(wei) 25A 時，激光器功率為(wei) 24.0W，中心波長 980.19nm，光譜半寬 4.04nm，在注入電流 0-25A 範圍內(nei) ，激光器輸出功率並未出現飽和趨勢，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，針對高功率半導體(ti) 激光器的散熱問題，擁有高熱導率的金剛石熱沉作為(wei) 過渡熱沉是有顯著優(you) 勢的。

　　相關(guan) 文獻：

　　DOI:10.16589/j.cnki.cn11-3571/tn.2020.23.029