高功率半導體激光器過渡熱沉封裝技術研究

馬德營，李 萌，邱 冬

（山東省創新發展研究院，山東 濟南 250101）

1 研究背景

半導體激光器具有體積小、質量輕、能耗小、易調制、可以批量化生產等眾多優點，被廣泛應用于工業加工、信息通信、醫療、生命科學和軍事等領域。雖然半導體激光器電光轉換效率高，但在激光器芯片有源區內存在非輻射復合損耗和自由載流子的吸收，工作時會產生大量的熱；同時，各層材料存在著電阻，也會產生焦耳熱，這使得很大一部分電能轉化為熱能，再加上芯片材料的熱導率低，熱量不能快速傳導出去，從而導致有源區溫度升高，有源區材料禁帶寬度變小，出現激射波長紅移、效率降低、功率降低、閾值電流增大等一系列的問題，嚴重影響激光器的壽命和可靠性。當前，隨著技術不斷更新進步，應用市場對激光器的輸出功率提出了更高的要求，而輸出功率的提高，伴隨著的則是更多熱量的產生，這對激光器的散熱管理提出了更高的要求。

半導體激光器的散熱問題一直是國內外研究熱點。提升激光器的散熱能力，可以減少熱量在有源區的積蓄，降低有源區的溫度，提高效率，降低工作電流，減小波長，改善光斑輸出等。研究發現，激光器芯片對傳導冷卻半導體激光器的總散熱貢獻僅為8%[1]，因此，激光器的散熱設計應更多地集中在封裝上。高功率半導體激光器散熱封裝方式主要有自然對流熱沉冷卻、微通道、電制冷和噴霧冷卻等形式。其中，對于單管半導體激光器來說，自然對流熱沉冷卻方式易于加工和組裝，是最經濟、常用的冷卻方式。一般采用高熱導率材料做熱沉，擴大自然對流散熱面積來增加散熱量，降低激光芯片的溫度。為使激光器芯片發光的有源區更貼近熱沉，減少熱量傳輸路徑，便于熱量更快地傳輸出去，現在普遍采用芯片朝下的倒裝封裝結構，通過銦或者金錫等焊料把半導體激光器芯片粘貼到熱沉上。銅具有高熱導率和導電性，在半導體激光器的封裝中常被用作熱沉，但銅的熱膨脹系數與芯片的熱膨脹系數相差近1.58倍，容易產生熱應力，影響激光器的輸出性能。在芯片和常規熱沉之間加入高熱導率且膨脹系數接近芯片熱膨脹系數的過渡熱沉，可以有效解決這一問題。

本文從高功率半導體激光器散熱原理出發，對各種過渡熱沉材料和封裝用的焊料進行對比分析，得到了較為理想的過渡熱沉材料和封裝工藝，并對未來封裝技術進行了展望。

2 半導體激光器散熱原理

半導體激光器的封裝結構如圖1所示，激光器熱量絕大部分產生在芯片的有源區，通過焊料層、絕緣層、界面層傳導至過渡熱沉和常規熱沉，常規熱沉與冷卻介質接觸形成對流換熱，將熱量散出。

圖1 半導體激光器熱沉傳導散熱示意

若有源區的溫度為Tj，熱沉底面的溫度為T0，則有源區和熱沉表面形成的溫度差ΔT為：

ΔT=Tj－T0

激光器中熱傳遞遇到的阻力，即熱阻Rth可以表示為：

在式（1）中，ΔP為熱功率，即輸入功率P減去光功率Po，輸入功率P可以通過測量激光器的電壓U和輸入電流I計算得出，光功率Po可以通過光功率計測量得到。

在實驗中，一般采用波長偏移法測量激光器的熱阻。在連續波或脈沖模式下，測量熱沉在不同溫度時激光器的波長，計算出波長飄移系數λ（T）：

在熱沉溫度保持恒定，測量2次不同輸出功率下，激光峰值波長差dλ，再測量出這2次的功率差dP，就可以計算出激光器的熱阻：

根據傅里葉定律，熱阻Rth又可以表示為：

式（2）中：h為層厚度；K為熱導率；S為垂直熱流方向的導熱面積。

根據公式（2），為了降低熱阻，過渡熱沉和激光器芯片間各層材料的導熱面積要增大，同時要減小各層厚度，而且各層要選用高熱導率的材料。為了更好地傳遞熱量，不僅需要選擇熱導率更高的過渡熱沉材料，同時也要考慮熱失配問題。

3 熱應力分析

在封裝過程中，從焊料凍結溫度冷卻至室溫，芯片和熱沉之間由于熱膨脹系數不同，隨著溫度下降會產生較大的應力，而且該應力會被引入有源區[2]，降低激光器的可靠性和輸出功率。激光器工作時會產生熱量，芯片溫度隨之升高，由于熱沉的熱膨脹系數與激光器芯片材料熱膨脹系數不同，接觸界面受到熱-機械應力作用，長時間工作后，容易在芯片材料內部產生蠕變和塑性變形，進而產生裂紋、空洞等，嚴重影響激光器輸出性能[3]。

在常規封裝結構中加入過渡熱沉可以有效緩解芯片和熱沉間的熱應力。袁慶賀等[4]采用銅做傳統熱沉，鎢銅（銅占比為10%）做過渡熱沉，分別采用銦焊料和金錫焊料封裝，采用多物理場仿真軟件COMSOL Multiphysics計算了熱應力分布，結果顯示，采用銦焊料封裝的芯片熱應力為3.57 GPa，金錫焊料芯片的熱應力為3.83 GPa。在整個封裝結構中，無論是采用銦焊料，還是金錫焊料，熱應力最大的地方均在熱沉和過渡熱沉界面，分別為215 GPa和240 GPa，遠大于芯片與過渡熱沉界面的熱應力3.57 GPa和3.83 GPa，可以看出，過渡熱沉承受了絕大部分封裝造成的熱應力，大大減小激光器芯片中存在的熱應力。

4 過渡熱沉材料的選擇

理想的過渡熱沉材料應具有高熱導率，同時能與激光器芯片的熱膨脹系數相匹配。常用的過渡熱沉材料有氮化鋁陶瓷、氧化鈹陶瓷、碳化硅陶瓷、鎢銅合金、碳化硅晶片、金剛石薄膜片等，其相關熱性能參數如表1所示。

表1 各種過渡熱沉材料的熱性能參數

碳化硅陶瓷、氮化鋁陶瓷熱膨脹系數與激光器芯片的熱膨脹系數相差不大，熱導率也較高，常被用作過渡熱沉材料，倪羽茜等[5]分別采用碳化硅陶瓷、氮化鋁陶瓷做過渡熱沉進行對比研究，實驗測得基于碳化硅陶瓷材料過渡熱沉封裝的激光器熱阻更低，比基于氮化鋁陶瓷材料封裝的激光器低14.7%；在注入電流15 A時，基于碳化硅陶瓷過渡熱沉封裝的激光器的電光轉換效率高12.1%。碳化硅晶片比碳化硅陶瓷的熱導率更高，吳胤禛等[6]在傳統C-mount銅熱沉的基礎上加入碳化硅晶片做過渡熱沉，與C-mount銅熱沉封裝的激光器相比，熱阻降低了0.49℃/W，電光轉換效率和功率均提高了10%以上，散熱效果明顯。

天然金剛石材料的熱導率高達2 000 W/（m·K），但是金剛石的切割、表面平整拋光以及金屬化等加工難度較大，若是因為表面粗糙而造成較高的接觸電阻，則會產生大量的焦耳熱，反而使金剛石熱沉的散熱優勢無法發揮。顧長志等[7]采用微波等離子體CVD制備的金剛石薄膜做過渡熱沉，與傳統銅熱沉相比，半導體激光器的光功率輸出提升25%，熱阻減低45%以上，散熱優勢明顯。戴瑋等[8]采用電子輔助化學氣相沉積（EACVD）法制備金剛石薄膜作為半導體激光器過渡熱沉，優化了金剛石薄膜的生長工藝，使金剛石薄膜的熱導率從1 158.6 W/（m·K）提升至1 812.3 W/（m·K），激光器的斜率效率可提高至1.3 W/A，芯片的工作溫度下降了4.6 K，熱阻下降了28.4%。孫芮等[9]采用CVD金剛石作為過渡熱沉封裝的半導體激光器熱阻與采用氮化鋁陶瓷作過渡熱沉封裝的激光器相比，熱阻降低了40%。

石墨烯是一種二維晶體，具有優良的電學、光學和熱學特性，單層石墨烯的橫向熱導率可以高達5 300 W/（m·K），遠遠高于碳化硅、氮化鋁等熱沉材料。YAN等[10]在氮化鎵晶體管中生長了一層石墨烯，引入了一種新的散熱通道，顯著提高了散熱效率。WANG等[11]設計了基于石墨烯薄膜熱沉封裝結構，在芯片上直接覆蓋一層石墨烯薄膜，利用石墨烯基薄膜的平面內高導熱特性，將有源區產生的熱量橫向快速傳遞分散，使有源區域的熱量可以從襯底向下傳導，也可以通過石墨烯基薄膜水平傳導到銅散熱器。由于芯片和石墨烯基薄膜之間沒有焊料，在封裝過程中沒有引入過多的熱應力，這使得有源區應力較小，確保了半導體激光器的可靠性。實驗結果表明，與非石墨烯薄膜封裝結構相比，石墨烯基薄膜封裝結構的有源區結溫度降低了9.1 K，熱阻降低了1.52 K/W。

岳云震等[12]采用Ansys Workbench有限元方法，分別對將氮化鋁陶瓷、鎢銅、碳化硅晶片、化學氣相沉積（CVD）金剛石和石墨烯作為過渡熱沉封裝的半導體激光器進行對比研究，從器件工作狀態下溫度、熱應力及熱應變分布進行模擬，結果顯示：基于碳化硅晶片封裝的器件熱應力最低，而且器件溫度比氮化鋁、鎢銅封裝低了2.18℃、3.078℃；基于CVD金剛石、石墨烯封裝的器件熱阻最低，但是由于熱膨脹系數相差較大，造成熱應力較大，影響了激光器的功率輸出和可靠性。

5 焊料的選擇

半導體激光器芯片有源區產生的熱量是通過焊料層傳遞到過渡熱沉層，所以焊料的選擇非常重要，不僅要考慮焊料的熱導率，還要考慮焊料與接觸層之間的熱膨脹系數失配，以及能否適應激光器溫度的變化等。合理選擇焊料和封裝工藝，能使芯片產生的熱量更快地向熱沉傳遞，有效提高器件的壽命和可靠性。目前常用焊料可分為2種：一種是軟焊料，有銦（In）焊料、納米銀焊膏（Nanosilver Paste）等；另一種是硬焊料，常用的是金錫（Au80Sn20）焊料。

銦焊料具有熔點低、延展性好、熱傳導性能好等優點，封裝工藝簡單，適合快速封裝。但銦容易氧化，形成氧化銦（In2O3）薄膜，影響導電性能，而且在激光器高溫工作時，銦容易產生銦須，使焊料層疲勞，最終導致激光器損壞。

納米銀焊膏是由納米級銀顆粒混合粘結劑、表面活性劑等制備成的，其中納米銀顆粒占80%以上。由于其納米銀顆粒粒徑很小，多在10～50 nm，燒結過程可以不經過液相燒結直接固化，其燒結溫度可以低至100℃[13]。納米銀焊膏具有低溫下快速燒結、高溫工作穩定、熱導率高、熱膨脹系數小等性能，越來越受到科研人員關注，未來可能會成為主流焊料。

金錫焊料硬度較高，抗疲勞、抗蠕變性能好，具有良好的電導率和熱導率，無需助焊劑，熔化溫度為280℃，凝固溫度為277℃。金錫焊料抗拉強度276 MPa，受應力作用容易產生彈性形變，延展性較差，在燒結過程中容易引入應力。相較于其他焊料，金錫焊料的成本更高，現在多采用定制的金錫預成型焊片，可以精確控制金錫的成分和厚度，降低封裝成本。彭勃等[3]對銦、金錫焊料以及納米銀焊膏3種焊料封裝激光器進行理論計算研究，得出金錫焊料和納米銀焊膏的應力和應變值相對銦較小。這是因為這2種焊料的熱膨脹系數比銦焊料小，其中納米銀焊膏熱膨脹系數極小，延展性非常好，降低了互連界面的應力。焊料性能參數如表2所示。

表2 焊料性能參數

6 焊料的厚度

無論是銦焊料、納米銀焊膏還是金錫焊料，熱膨脹系數、彈性模量均與激光器芯片和過渡熱沉不同，焊料層厚度的大小將影響熱應力分布和熱量傳遞。根據前面公式（2）可以看出，焊料的厚度與激光器的熱阻成正比，焊料層厚度的增加會使激光器的熱阻升高。焊料厚度的大小將對激光器芯片溫度和熱應力分布產生重要影響，袁慶賀等[4]通過多物理場仿真軟件COMSOL Multiphysics，以金錫焊料為列，模擬了5 μm、10 μm、15 μm、20 μm不同厚度焊料的激光器芯片溫度和熱應力分布情況，結果顯示，隨著金錫焊料厚度增大，激光器芯片的溫度和熱應力也在增加。這是因為金錫焊料的熱導率較低，僅為銅的1/7，厚度增加，散熱能力變差，溫度會升高；另一方面，金錫焊料的熱膨脹系數與激光器芯片材料的熱膨脹系數相差較大，溫度升高，激光器芯片內部產生較大的熱應力。

焊料的厚度并不是越小越好。減小焊料厚度，可以減小激光器芯片與焊料間的熱阻和熱應力，但是焊料厚度過薄，則會導致激光器芯片與過渡熱沉焊接不牢，造成芯片與過渡熱沉之間開裂，或者芯片與過渡熱沉沒有完全潤濕而產生空洞，這會出現局部熱點效應，嚴重影響激光器的可靠性和壽命[14]。一般焊料層的厚度多選擇在10 μm左右，精確厚度需要進一步在具體封裝中進行工藝優化。

7 結束語

當今，半導體激光器外延生長技術和芯片生產工藝已趨于穩定，激光器的封裝技術成為研究熱點。本文對高功率半導體激光器的過渡熱沉封裝技術進行研究，總結分析了目前常用的幾種過渡熱沉材料和不同的焊料。研究結果表明：碳化硅晶片和CVD金剛石片是高功率半導體激光器比較理想的過渡熱沉材料，焊料宜選用納米銀焊膏和金錫焊料。碳化硅晶片外延生長或用氣相沉積法生長石墨烯技術現已成熟，在碳化硅晶片覆蓋一層石墨烯，作為過渡熱沉效果也許會更好，但尚未有人進行理論和實驗研究；納米銀焊膏熱導率高，在理論上優于金錫焊料，但尚未被用于半導體激光器的封裝，尚未有人從實驗的角度來驗證納米銀焊膏封裝激光器的可靠性。