白棟雷

摘? 要：本文對不同材料的焊料和厚度不同的鎢銅次熱沉封裝激光器，采用COMSOL Multiphysics仿真軟件進行巴條模擬，得出不同類型的焊料其最大熱應力，均產(chǎn)生于鎢銅次熱沉封裝激光器的材料熱沉界面處。對于不同材料，厚度相同的焊料在封裝時，激光器管芯熱應力與光譜峰值波長相差不大。通過研究發(fā)現(xiàn)降低焊料的整體厚度可，以有效減少激光器管芯熱應力以及腔體內(nèi)的溫度。同時焊料的厚度也不應該過于薄，焊料過薄可能會引起銜接不牢固以及整體表面不均勻，甚至出現(xiàn)內(nèi)部結構出現(xiàn)孔洞等現(xiàn)象。所以在進行焊料選取時，應該注意考慮材料以及激光器整體環(huán)境。通過本次研究發(fā)現(xiàn)鎢銅次熱沉封裝厚度不斷增加，會使得激光器熱應力減小，激光器內(nèi)管芯溫度提高。經(jīng)過多次測試，發(fā)現(xiàn)其最優(yōu)厚度是370微米。本文簡單論述優(yōu)化大功率半導體激光器的封裝熱應力的途徑，為同行提供參考意義。

關鍵詞：半導體激光器;封裝;熱應力

1大功率半導體激光器發(fā)展現(xiàn)狀

大功率半導體激光器在我國的加工領域以及軍事國防等重要單位，具有很強的應用性，其特點是激光器的體積較小，便于攜帶，發(fā)光效率高，光源穩(wěn)定，并且容易維修。當前我國的大功率半導體激光器的光電轉化效率最優(yōu)的數(shù)據(jù)是70%左右。在進行激光器運作時，光能利用率還需進一步提升，減少熱量的揮發(fā)。因為激光器管芯內(nèi)溫度會隨著熱量的難以釋放，導致半導體材料禁帶寬度變窄，這會導致激光器光源輸出不穩(wěn)定，極大的降低了光源的發(fā)光質(zhì)量，并且激光器管芯和使用的焊接材料由于其膨脹系數(shù)沒有達到預定理論數(shù)值，會使得整體熱應力提升，使光譜發(fā)生變化。如果激光器中的熱應力擴大會導致出現(xiàn)結構件斷裂以及結合部裂開等情況，極大的影響了器件的使用壽命和穩(wěn)定性，因此提升激光器的封裝熱應力十分重要。

當前莫爾法、X射線衍射法等有效方法都可以測試熱應力。但通過實驗的方法來進行測量，操作難以掌握并且測試成本高，數(shù)據(jù)不準確。通過COMSOL Multiphysics仿真軟件來進行測算，可以得到更好的數(shù)據(jù)，如果可以進一步優(yōu)化模型以及端口等環(huán)境就可以得到與實際實驗相一致的數(shù)據(jù)。本文通過利用多物理場景COMSOL Multiphysics仿真軟件對不同厚度的焊料和不同材料以及鎢銅次熱沉封裝激光器的巴條進行模擬。對不同環(huán)境下激光器巴條的光譜分析，對實驗結果進行有效分析，進一步優(yōu)化當前的大功率半導體激光器巴條的封裝方式和選取材料，對今后的生產(chǎn)提供有效指導。

2項目實驗過程

該實驗過程主要是首先用焊料將芯片焊接在激光器的熱沉上，但進行封裝時不同材料的熱膨脹系數(shù)不一樣，溫度提升后會進一步導致激光器的熱應力改變整個管芯發(fā)生形變。在進行仿真計算時將復雜的管芯結構替代砷化鎵材料，并且規(guī)定材料的膨脹系數(shù)不隨著管芯內(nèi)的其他條件發(fā)生改變，只考慮因溫度引起的熱應力。當溫度過高時，激光器的管芯內(nèi)無應力。COMSOL Multiphysics軟件的仿真模擬步驟。首先是建立模型，采用結構力學等理論來構建三維模型，建立出整體激光器的熱應力。在COMSOL Multiphysics中軟件中建立出相應幾何模型并構成體系，然后添加所需要的材料，最后設定熱源溫度以及各種邊界條件。這一步將直接導致結果的真實性以及準確性。熱應力分析對于固體傳熱和力學應用較多，在力學中垂直于管芯的參數(shù)應該設置為自由膨脹。在邊界處不同材料設定為一致連續(xù)對并且在銅熱沉底面設置時間約束條件。而在固體傳熱時將管芯作為激光器的熱源，將其熱量損耗設定為50W。將不同材料的交接處設置為熱接觸條件，將銅熱沉底面設置為常溫。將熱流通環(huán)境設置為20℃。然后對構建的幾何模型進行網(wǎng)格化，網(wǎng)格數(shù)量越多，計算結果越精確，但由于工作量的提升，這對于計算機性能的要求也更高，會使得模擬時間變長，計算負擔加重。再通過COMSOL Multiphysics軟件的模擬后，使得整體的熱應力分布計算更加的精確。將不同材料以及焊接節(jié)點進行網(wǎng)格化處理，進一步提升了計算機的運行效率。最后對設計的模型進行處理，對最終結果進行進一步分析，將結果可視化。

3結果分析與討論

3.1選取焊接材料不同

在進行大功率半導體激光器封裝時，主要采用銦或者是金錫合金。銦材料塑性變形能力較強，延展性較好，其內(nèi)部應力也較少，但在高溫環(huán)境下容易發(fā)生不規(guī)則生長，使得老化加劇，嚴重時會出現(xiàn)電遷移等不良現(xiàn)象，導致二極管損耗加速。金錫合金是一種硬性焊料，其在抗形變、抗屈服等方面性能較好，導熱性能優(yōu)良。在焊接時也不需要助焊劑的使用，在進行發(fā)熱時，也不會出現(xiàn)電遷移現(xiàn)象，但該焊料及延展性較差，溫度過高會使其內(nèi)部應力加大，這對于焊接工藝要求更高。通過實驗可以得出銦焊料其熱膨脹系數(shù)與大功率半導體激光器的熱膨脹系數(shù)匹配程度更高，并且由于銦屬于軟焊料，使得半導體激光器中的應力可以良好的釋放出來，并且其導熱率較高，整體散熱能力更強。對兩者進行光譜分析后發(fā)現(xiàn)，金錫合金焊料由于其硬性焊料的特性，導致在封裝中管芯熱應力的波長藍移現(xiàn)象也更加明顯。

3.2選取焊料厚度不同

銦和金錫合金兩種焊料的傳熱速率和膨脹系數(shù)與大功率半導體激光器的管芯參數(shù)差距較大，所以對于焊料的厚度選擇時會直接影響熱應力的分布。通過實驗可以看出焊料厚度逐漸加強，管芯內(nèi)的熱應力也會進一步上升，溫度也在逐漸升高。從熱膨脹系數(shù)角度分析金錫合金焊料的熱膨脹系數(shù)與激光器的差別較大，使得其內(nèi)部產(chǎn)生較大熱應力，并且金錫合金導熱率較差，其焊料厚度加重會直接導致管芯內(nèi)部熱量難以發(fā)散。通過模擬結果可以看出焊料厚度越小，激光器管芯內(nèi)的熱應力越小，但在實際操作過程中焊料厚度過薄，會使得管芯焊接不牢固，并且在焊料內(nèi)出現(xiàn)孔洞，嚴重會導致結構開裂，影響器件的工作壽命。

結語

隨著科技的進一步發(fā)展，材料研究技術逐漸成熟，在材料制備以及激光器芯片制備等工藝也越來越逐漸完善，大功率半導體激光器的封裝工藝上也越來越重要。大功率半導體激光器的封裝質(zhì)量，直接影響到了器件今后的工作效率以及使用壽命。本文通過對半導體激光器的巴條封裝進行研究，采用COMSOL Multiphysics仿真軟件進行數(shù)據(jù)處理，對于不同焊料以及選取焊料厚度進行實驗分析，結果發(fā)現(xiàn)在進行激光器管芯焊接時，其內(nèi)部熱應力較低，通過有效減少焊料厚度，使得整體應力下降，但是焊料過薄會導致焊接不充分，內(nèi)部會出現(xiàn)疏松多孔現(xiàn)象。

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