姜曉光，趙英杰，吳志全

(1.長春理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，長春 130022；2.長春理工大學(xué) 高功率半導(dǎo)體激光器國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長春 1300222)

半導(dǎo)體激光器具有效率高，單色性與方向性好，體積較小(采用TO封裝)，工作電源電壓較低及使用較方便等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于光纖通信、制導(dǎo)、測(cè)量、醫(yī)療及信息存取等領(lǐng)域[1]。近年來，隨著半導(dǎo)體激光器芯片制造工藝的不斷提高，半導(dǎo)體激光器實(shí)現(xiàn)了在去除熱電制冷器后仍能穩(wěn)定工作。由于缺少熱電制冷器，這使得半導(dǎo)體激光器的工作溫度將受封裝結(jié)構(gòu)的影響。另外隨著激光器芯片輸出功率的不斷提高，其芯片的熱量積累將變得更加嚴(yán)重。因此，減少激光器封裝結(jié)構(gòu)的熱阻，控制激光器熱量的產(chǎn)生，是設(shè)計(jì)激光器結(jié)構(gòu)主要考慮的因素。

有限元法是求解數(shù)理方程的一種數(shù)值計(jì)算方法，是解決工程實(shí)際問題的一種有力的數(shù)值計(jì)算工具。

有限元法具有以下特點(diǎn)[4]：

1.由于采用小區(qū)域劃分，可以把各種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)劃分成簡單的正規(guī)的小區(qū)域，因此有限元模型可以適用于各種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。

2.劃分的子域足夠小，邊界條件就可以近似相等，因此有限元模型可以適用于各種復(fù)雜的邊界條件求解。

3.足夠小的子域可使區(qū)域內(nèi)的材料特性可以看成均勻的，因此有限元模型對(duì)復(fù)雜的材料也能很好的求解。

利用有限元方法在傳熱學(xué)中的應(yīng)用，能夠解決復(fù)雜的三維連續(xù)體熱傳導(dǎo)問題。Ansys是一款功能強(qiáng)大，融合結(jié)構(gòu)、熱、流體電磁等一體的大型通用有限元分析軟件，目前已廣泛用于電子技術(shù)、土木工程、船舶制造、航空航天、能源、國防軍工等工業(yè)領(lǐng)域和科學(xué)研究領(lǐng)域[4]。Ansys作為新穎的有限元分析軟件在處理熱分析問題方面具有強(qiáng)大的功能，而且在涉及熱學(xué)特性的多物理場(chǎng)耦合分析中也具有很好的處理能力。

本文采用Ansys有限元分析軟件針對(duì)中紅外In-AlAs/InGaAs/InP量子級(jí)聯(lián)激光器熱特性進(jìn)行研究。優(yōu)化設(shè)計(jì)激光器封裝結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)參數(shù)，用Ansys對(duì)激光器進(jìn)行了熱場(chǎng)模擬和分析，得到一系列對(duì)封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造工藝有參考價(jià)值的數(shù)據(jù)。

1 結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)和有限元熱特性模擬分析

Ansys進(jìn)行熱分析計(jì)算的基本原理是將所處理的對(duì)象劃分成有限個(gè)單元(包含相應(yīng)的若干節(jié)點(diǎn))，然后根據(jù)能量守恒原理求解給定邊界條件和初始條件下每一節(jié)點(diǎn)處的熱平衡方程，由此計(jì)算出各節(jié)點(diǎn)溫度，繼而進(jìn)一步求解出其他相關(guān)量。總體來說，單元?jiǎng)澐值迷叫?，?jì)算精度就越高。但根據(jù)具體情況可以靈活地改變單元尺寸。這樣，我們無須增加單元和節(jié)點(diǎn)即可以提高計(jì)算精度。Ansys進(jìn)行模擬步驟基本步驟如圖1所示。

圖1 Ansys模擬步驟Fig.1 Ansys simulation steps

1.1 引入假設(shè)

為了最大的減少激光器的熱阻，必須對(duì)激光器整體封裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。半導(dǎo)體激光器一般的寬度和厚度均為m量級(jí)，長度為mm量級(jí)，熱沉的尺寸為cm量級(jí)，而外延層結(jié)構(gòu)厚度可達(dá)nm量級(jí)，這就使得我們?cè)谠O(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)模型時(shí)必須加以假設(shè)。

針對(duì)激光器結(jié)構(gòu)我們引入的假設(shè):

1.在實(shí)際濕法刻蝕很難刻蝕出完全垂直的脊條，我們假設(shè)為完全垂直的脊條。

2.對(duì)于一些厚度很薄的層，如量子級(jí)聯(lián)激光器有源區(qū)上下梯度緩沖層等，可以忽略不計(jì)；對(duì)于有源區(qū)的量子阱和超晶格結(jié)構(gòu)我們假設(shè)為一層。

3.電流注入與熱流密度在諧振腔方向是均勻分布。

圖2 脊條形激光器橫截面示意圖Fig.2 Cross section sketch map of ridge laser

1.2 熱產(chǎn)生機(jī)制

在工作狀態(tài)下，激光器主要的熱量是由于有源區(qū)中載流子非輻射復(fù)合，輻射吸收和自發(fā)發(fā)射所產(chǎn)生的[2]。為了簡化計(jì)算，假定電流限制區(qū)的電流密度是均勻的。

1.有源區(qū)產(chǎn)生的熱量Qavtive：

式中：dactive為有源區(qū)的厚度，Vj為PN結(jié)上的電壓降，j為注入電流密度，jth為閾值電流密度，sp為自發(fā)發(fā)射內(nèi)量子效率，i為受激輻射內(nèi)量子效率，fsp為自發(fā)輻射光子逃逸因子。

2.電極層中熱量主要是表面接觸電阻產(chǎn)生的焦耳熱，用Q0表示式中con表示電極層與p型GaAs的接觸電阻值，d為該層的厚度。

3.其他各層的熱量都以焦耳熱的形式產(chǎn)生，用Qi表示

1.3 模型建立

Ansys中建立模型的方法有:直接手工建模法、實(shí)體建模法、導(dǎo)入其他建模工具如：CAD、pro/e等創(chuàng)建的模型。對(duì)于本論文所研究的半導(dǎo)體激光器來說，采用實(shí)體建模法比較合適。實(shí)體建模法需要建模人員具備很強(qiáng)的空間思維能力，其中還需要一些技巧。實(shí)體模型建立以后，再對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分生成有限元模型。

在Ansys中建立模型有幾個(gè)關(guān)鍵步驟：

1.激光器模型尺寸較小，長度單位統(tǒng)一選為微米值制：

2.在設(shè)置單元屬性時(shí)注意溫度對(duì)材料特性的影響，可以利用Ansys中MP命令設(shè)置材料特性參數(shù)關(guān)系，插入表1材料參數(shù)。

3.在劃分網(wǎng)格時(shí)，比較關(guān)注的是有源區(qū)出溫度分布，因此在劃分網(wǎng)格時(shí)讓有源區(qū)網(wǎng)格盡量小，保證其精確度。

表1 激光器結(jié)構(gòu)尺寸和材料參數(shù)Tab.1 Laser structure size and material parameters

采用的激光器為中紅外 InAlAs/InGaAs/InP量子級(jí)聯(lián)激光器。其芯區(qū)包含25級(jí)三阱耦合垂直躍遷結(jié)構(gòu)，激射波長約為8m。器件采用脊波導(dǎo)型FP腔結(jié)構(gòu)。為了對(duì)不同的燒結(jié)類型進(jìn)行散熱對(duì)比，研究激光器的散熱效果，通過兩種不同的燒結(jié)類型對(duì)激光器的熱分布進(jìn)行模擬。這兩種燒結(jié)類型分別是正裝貼片(襯底焊接到熱沉上)和倒裝貼片(外延層焊接到熱沉上)，其結(jié)構(gòu)模型如圖3所示。

圖3 (a)激光器倒裝貼片 (b)激光器正裝貼片F(xiàn)ig.3 (a)Epi-down laser (b)Epi-up laser

1.4 模擬結(jié)果與分析

對(duì)一個(gè)中紅外InAlAs/InGaAs/InP量子級(jí)聯(lián)激光器進(jìn)行計(jì)算，結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料參數(shù)見表1。計(jì)算選取f=0.4，i=0.9，sp=0.66，Vj=1.97，Ith=174mA，I=450mA，環(huán)境溫度選取 25℃，對(duì)流交換系數(shù)為23.2W/(m2k)。

圖4給出激光器在倒裝貼片和正裝貼片時(shí)出光端面二維溫度分布云圖。可見器件溫升主要集中在有源區(qū)。熱量主要由有源區(qū)產(chǎn)生，經(jīng)過襯底傳到熱沉上，再由熱沉散發(fā)出去。

圖4 (a)倒裝貼片型激光器 (b)正裝貼片型激光器溫度分布云圖 溫度分布云圖Fig.4 (a)Temperature distr-(b)Temperature distribution of epi-down laseribution of epi-up laser

對(duì)于正裝貼片型激光器來說最高溫度在有源區(qū)中間，溫度為 52.5℃，跟熱沉底部溫度相差有27.5℃，其熱阻為Rth=(52.5 25)/6.3=4.37(K/W)。對(duì)于倒裝貼片型激光器來說，最高溫度在激光器的有源區(qū)中間，為 46.7℃，跟熱沉底部溫度相差有21.7℃，根據(jù)熱阻計(jì)算公式Rth=(T T0)/P=(46.7 25)/6.3=3.44(K/W)。相比之下，倒裝貼片型激光器的散熱效果要好得多，能有效的降低工作溫度。采用倒裝貼片方式就是使熱源盡量靠近良導(dǎo)熱體熱沉，于是器件和熱沉之間的焊接材料的厚度和熱導(dǎo)率就成了封裝散熱的關(guān)鍵因素。

2 結(jié)論

本文詳細(xì)介紹了用有限元法進(jìn)行激光器的熱特性模擬和分析方法與步驟。采用商用有限元軟件，設(shè)計(jì)了模擬激光器熱特性的方法與步驟。通過對(duì)In-AlAs/InGaAs/InP量子級(jí)聯(lián)激光器正裝貼片和倒轉(zhuǎn)貼片型兩種燒結(jié)類型的熱特性模擬分析，得到兩種類型的溫度分布結(jié)果，在25℃的環(huán)境溫度下，正裝貼片和倒轉(zhuǎn)貼片型激光器的熱阻分別為 4.37K/W 和3.44K/W。因此在室溫下風(fēng)冷采用倒裝貼片對(duì)脊條形激光器的散熱能起很好效果。

[1]張永剛，何友軍.半導(dǎo)體激光器的熱場(chǎng)分析及熱特性表征[J].稀有金屬，2004，28：551-553.

[2]李毅，蔣群杰，武斌，等.非制冷980 nm泵浦激光器封裝技術(shù)[J].紅外與激光工程，2006，35(增刊):110-114.

[3]江劍平.半導(dǎo)體激光器[M].北京：電子工業(yè)出版社，2000.

[4]唐興倫，范群波，張朝暉，等.ANSYS工程應(yīng)用教程—熱與電磁學(xué)篇[M].北京：中國鐵道出版社，2003.

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