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高功率半導(dǎo)體激光器過(guò)渡熱沉封裝技術(shù)研究

17 2023-01-30
半導(dǎo)體熱沉封裝

摘要:近些年,在市場(chǎng)應(yīng)用驅(qū)動(dòng)下,半導(dǎo)體激光器的輸出功率越來(lái)越高,器件產(chǎn)生的熱量也在增加, 同時(shí)封裝結(jié)構(gòu)要求也更加緊湊,這對(duì)半導(dǎo)體激光器的熱管理提出了更高的要求。當(dāng)今,激光器的外延生長(zhǎng)技術(shù)和芯片加工工藝已經(jīng)成熟,封裝技術(shù)的提升已經(jīng)成為解決散熱問(wèn)題的關(guān)鍵,其中過(guò)渡熱沉技術(shù)能有效降低激光器的熱阻,提高可靠性,而且便于操作,已經(jīng)是高功率半導(dǎo)體激光器封裝的首要選擇。從過(guò)渡熱沉散熱原理、熱應(yīng)力、過(guò)渡熱沉材料和焊料選擇等方面對(duì)過(guò)渡熱沉技術(shù)進(jìn)行了研究,并對(duì)未來(lái)的研究熱點(diǎn)進(jìn)行了探討。


半導(dǎo)體激光

1 研究背景

半導(dǎo)體激光器具有體積小、質(zhì)量輕、能耗小、易調(diào)制、可以批量化生產(chǎn)等眾多優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于工業(yè)加工、信息通信、醫(yī)療、生命科學(xué)和軍事等領(lǐng)域。雖然半導(dǎo)體激光器電光轉(zhuǎn)換效率高,但在激光器芯片有源區(qū)內(nèi)存在非輻射復(fù)合損耗和自由載流子的吸收,工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱;同時(shí),各層材料存在著電阻,也會(huì)產(chǎn)生焦耳熱,這使得很大一部分電能轉(zhuǎn)化為熱能, 再加上芯片材料的熱導(dǎo)率低,熱量不能快速傳導(dǎo)出去,從而導(dǎo)致有源區(qū)溫度升高,有源區(qū)材料禁帶寬度變小,出現(xiàn)激射波長(zhǎng)紅移、效率降低、功率降低、閾值電流增大等一系列的問(wèn)題,嚴(yán)重影響激光器的壽命和可靠性。當(dāng)前,隨著技術(shù)不斷更新進(jìn)步,應(yīng)用市場(chǎng)對(duì)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(chǎn)生,這對(duì)激光器的散熱管理提出了更高的要求。

半導(dǎo)體激光器的散熱問(wèn)題一直是國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)。提升激光器的散熱能力,可以減少熱量在有源區(qū)的積蓄,降低有源區(qū)的溫度,提高效率,降低工作電流,減小波長(zhǎng),改善光斑輸出等。研究發(fā)現(xiàn),激光器芯片對(duì)傳導(dǎo)冷卻半導(dǎo)體激光器的總散熱貢獻(xiàn)僅為 8%,因此,激光器的散熱設(shè)計(jì)應(yīng)更多地集中在封裝上。高功率半導(dǎo)體激光器散熱封裝方式主要有自然對(duì)流熱沉冷卻、微通道、電制冷和噴霧冷卻等形式。其中,對(duì)于單管半導(dǎo)體激光器來(lái)說(shuō),自然對(duì)流熱沉冷卻方式易于加工和組裝,是最經(jīng)濟(jì)、常用的冷卻方式。一般采用高熱導(dǎo)率材料做熱沉,擴(kuò)大自然對(duì)流散熱面來(lái)增加散熱量,降低激光芯片的溫度。為使激光器 芯片發(fā)光的有源區(qū)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(xiàn)在普遍采用芯片朝下的倒裝封裝結(jié)構(gòu),通過(guò)銦或者金錫等焊料把半導(dǎo)體激光器芯片粘貼到熱沉上。 導(dǎo)電性,在半導(dǎo)體激光器的封裝中常被用作熱沉,但銅的熱膨脹系數(shù)與芯片的熱膨脹系數(shù)相差近 1.58 倍,容易產(chǎn)生熱應(yīng)力,影響激光器的輸出性能。在芯片和常規(guī)熱沉之間加入高熱導(dǎo)率且膨脹系數(shù)接近芯片熱膨脹系數(shù)的過(guò)渡熱沉,可以有效解決這一問(wèn)題。

本文從高功率半導(dǎo)體激光器散熱原理出發(fā),對(duì)各種過(guò)渡熱沉材料和封裝用的焊料進(jìn)行對(duì)比分析,得到了較為理想的過(guò)渡熱沉材料和封裝工藝,并對(duì)未來(lái)封裝技術(shù)進(jìn)行了展.

2 半導(dǎo)體激光器散熱原理

半導(dǎo)體激光器的封裝結(jié)構(gòu)如圖 1 所示,激光器熱量絕大部分產(chǎn)生在芯片的有源區(qū),通過(guò)焊料層、絕緣層、界面層傳導(dǎo)至過(guò)渡熱沉和常規(guī)熱沉,常規(guī)熱沉與冷卻介質(zhì)接觸形成對(duì)流換熱,將熱量散出。

半導(dǎo)體激光沉熱傳導(dǎo)散熱示意圖

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

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(guò)測(cè)量激光器的電壓 U 和輸入電流 I 計(jì)算得出,光功率 Po可以通過(guò)光功率計(jì)測(cè)量得到。

在實(shí)驗(yàn)中,一般采用波長(zhǎng)偏移法測(cè)量激光器的熱阻。在連續(xù)波或脈沖模式下,測(cè)量熱沉在不同溫度時(shí)激光器的波長(zhǎng),計(jì)算出波長(zhǎng)飄移系數(shù)λ(T):

在熱沉溫度保持恒定,測(cè)量 2 次不同輸出功率下, 激光峰值波長(zhǎng)差 dλ,再測(cè)量出這 2 次的功率差 dP,就 可以計(jì)算出激光器的熱阻:

根據(jù)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(dǎo)率;S 為垂直熱流 方向的導(dǎo)熱面積。

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

 

3 熱應(yīng)力分析

在封裝過(guò)程中,從焊料凍結(jié)溫度冷卻至室溫,芯片和熱沉之間由于熱膨脹系數(shù)不同,隨著溫度下降會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力,而且該應(yīng)力會(huì)被引入有源區(qū),降低激光器的可靠性和輸出功率。激光器工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱量,芯片溫度隨之升高,由于熱沉的熱膨脹系數(shù)與激光器芯片材料熱膨脹系數(shù)不同,接觸界面受到熱機(jī)械應(yīng)力作用,長(zhǎng)時(shí)間工作后,容易在芯片材料內(nèi)部產(chǎn)生蠕變和塑性變形,進(jìn)而產(chǎn)生裂紋、空洞等,嚴(yán)重影響激光器輸出性能。

在常規(guī)封裝結(jié)構(gòu)中加入過(guò)渡熱沉可以有效緩解芯片和熱沉間的熱應(yīng)力。袁慶賀等采用銅做傳統(tǒng)熱沉,鎢銅(銅占比為 10%)做過(guò)渡熱沉,分別采用銦焊料和金錫焊料封裝,采用多物理場(chǎng)仿真軟件 COMSOL Multiphysics 計(jì)算了熱應(yīng)力分布,結(jié)果顯示,采用銦焊 料封裝的芯片熱應(yīng)力為 3.57 GPa,金錫焊料芯片的熱 應(yīng)力為 3.83 GPa。在整個(gè)封裝結(jié)構(gòu)中,無(wú)論是采用銦 焊料,還是金錫焊料,熱應(yīng)力最大的地方均在熱沉和 過(guò)渡熱沉界面,分別為 215 GPa 240 GPa,遠(yuǎn)大于芯 片與過(guò)渡熱沉界面的熱應(yīng)力 3.57 GPa 3.83 GPa,可以看出,過(guò)渡熱沉承受了絕大部分封裝造成的熱應(yīng)力, 大大減小激光器芯片中存在的熱應(yīng)力。

 

4 過(guò)渡熱沉材料的選擇

理想的過(guò)渡熱沉材料應(yīng)具有高熱導(dǎo)率,同時(shí)能與激光器芯片的熱膨脹系數(shù)相匹配。常用的過(guò)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(guān)熱性能參數(shù)如表 1 所示。

碳化硅陶瓷、氮化鋁陶瓷熱膨脹系數(shù)與激光器芯片的熱膨脹系數(shù)相差不大,熱導(dǎo)率也較高,常被用作過(guò)渡熱沉材料,倪羽茜等分別采用碳化硅陶瓷、氮化鋁陶瓷做過(guò)渡熱沉進(jìn)行對(duì)比研究,實(shí)驗(yàn)測(cè)得基于碳化硅陶瓷材料過(guò)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(shí),基于碳化硅陶瓷過(guò)渡熱沉封裝的激光器的電光轉(zhuǎn)換效率高 12.1%。碳化硅晶片比碳化硅陶瓷的熱導(dǎo)率更高,吳胤禛等在傳統(tǒng)C-mount 銅熱沉的基礎(chǔ)上加入碳化硅晶片做過(guò)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(zhuǎn)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(dǎo)率高達(dá) 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?yàn)楸砻娲植诙斐奢^高的接觸電阻, 則會(huì)產(chǎn)生大量的焦耳熱,反而使金剛石熱沉的散熱優(yōu) 勢(shì)無(wú)法發(fā)揮。顧長(zhǎng)志等采用微波等離子體 CVD 制備 的金剛石薄膜做過(guò)渡熱沉,與傳統(tǒng)銅熱沉相比,半導(dǎo) 體激光器的光功率輸出提升 25%,熱阻減低 45%以上, 散熱優(yōu)勢(shì)明顯。戴瑋等采用電子輔助化學(xué)氣相沉積 (EACVD)法制備金剛石薄膜作為半導(dǎo)體激光器過(guò)渡 熱沉,優(yōu)化了金剛石薄膜的生長(zhǎng)工藝,使金剛石薄膜 的熱導(dǎo)率從 1158.6 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(guò)渡熱沉封裝的半導(dǎo)體激光器熱阻與采用氮化鋁陶瓷作過(guò)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(yōu)良的電學(xué)、光學(xué)和熱學(xué)特性,單層石墨烯的橫向熱導(dǎo)率可以高達(dá) 5300 W/m·K),遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于碳化硅、氮化鋁等熱沉材料。YAN [10]在氮化鎵晶體管中生長(zhǎng)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 等設(shè)計(jì)了基于石墨烯薄膜熱沉封裝結(jié)構(gòu),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(nèi)高導(dǎo)熱特性,將有源區(qū)產(chǎn)生的熱量橫向快速傳遞分散,使有源區(qū)域的熱量可以從襯底向下傳導(dǎo),也可以通過(guò)石墨烯基薄膜水平傳導(dǎo)到銅散熱器。由于芯片和石墨烯基薄膜之間沒(méi)有焊料,在封裝過(guò)程中沒(méi)有引入過(guò)多的熱應(yīng)力,這使得有源區(qū)應(yīng)力較小,確保了半導(dǎo)體激光器的可靠性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,與非石墨烯薄膜封裝結(jié)構(gòu)相比,石墨烯基薄膜封裝結(jié)構(gòu)的有源區(qū)結(jié)溫度降低了 9.1 K,熱阻降低了 1.52 K/W

岳云震等采用 Ansys Workbench 有限元方法, 分別對(duì)將氮化鋁陶瓷、鎢銅、碳化硅晶片、化學(xué)氣相沉積(CVD)金剛石和石墨烯作為過(guò)渡熱沉封裝的半導(dǎo)體激光器進(jìn)行對(duì)比研究,從器件工作狀態(tài)下溫度、熱應(yīng)力及熱應(yīng)變分布進(jìn)行模擬,結(jié)果顯示:基于碳化硅晶片封裝的器件熱應(yīng)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(shù)相差較大,造成熱應(yīng)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(dǎo)體激光器芯片有源區(qū)產(chǎn)生的熱量是通過(guò)焊料層傳遞到過(guò)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(dǎo)率,還要考慮焊料與接觸層之間的熱膨脹系數(shù)失配,以及能否適應(yīng)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(chǎn)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(diǎn)低、延展性好、熱傳導(dǎo)性能好等優(yōu)點(diǎn),封裝工藝簡(jiǎn)單,適合快速封裝。但銦容易氧化, 形成氧化銦(In2O3)薄膜,影響導(dǎo)電性能,而且在激 光器高溫工作時(shí),銦容易產(chǎn)生銦須,使焊料層疲勞, 最終導(dǎo)致激光器損壞。

納米銀焊膏是由納米級(jí)銀顆粒混合粘結(jié)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 1050 nm,燒結(jié)過(guò)程可以不經(jīng)過(guò)液相燒結(jié)直接固化,其燒結(jié)溫度可以低至 100 ℃。納米銀焊膏具有低溫下快速燒結(jié)、高溫工作穩(wěn)定、熱導(dǎo)率高、熱膨脹系數(shù)小等性能,越來(lái)越受到科研人員關(guān)注,未來(lái)可能會(huì)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(dǎo)率和熱導(dǎo)率,無(wú)需助焊劑,熔化溫度為 280 ℃,凝固溫度為 277 ℃。金錫焊料抗拉強(qiáng)度 276 MPa,受應(yīng)力作用容易產(chǎn)生彈性形變,延展性較差, 在燒結(jié)過(guò)程中容易引入應(yīng)力。相較于其他焊料,金錫 焊料的成本更高,現(xiàn)在多采用定制的金錫預(yù)成型焊片, 可以精確控制金錫的成分和厚度,降低封裝成本。彭勃等對(duì)銦、金錫焊料以及納米銀焊膏 3 種焊料封裝激光器進(jìn)行理論計(jì)算研究,得出金錫焊料和納米銀焊膏的應(yīng)力和應(yīng)變值相對(duì)銦較小。這是因?yàn)檫@ 2 種焊料的熱膨脹系數(shù)比銦焊料小,其中納米銀焊膏熱膨脹系數(shù)極小,延展性非常好,降低了互連界面的應(yīng)力。焊料性能參數(shù)如表 2 所示。

6 焊料的厚度

無(wú)論是銦焊料、納米銀焊膏還是金錫焊料,熱膨脹系數(shù)、彈性模量均與激光器芯片和過(guò)渡熱沉不同, 焊料層厚度的大小將影響熱應(yīng)力分布和熱量傳遞。根據(jù)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(huì)使激光器的熱阻升高。焊料厚度的大小將對(duì)激光器芯片溫度和熱應(yīng)力分布產(chǎn)生重要影響,袁慶賀等[通過(guò)多物理場(chǎng)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(yīng)力分布情況,結(jié)果顯示,隨著金錫焊料厚度增大,激光器芯片的溫度和熱應(yīng)力也在增加。這是因?yàn)榻疱a焊料的熱導(dǎo)率較低,僅為銅的 1/7,厚度增加,散熱能力變差,溫度會(huì)升高;另一方面,金錫焊料的熱膨脹系數(shù)與激光器芯片材料的熱膨脹系數(shù)相差較大,溫度升高,激光器芯片內(nèi)部產(chǎn)生較大的熱應(yīng)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(yīng)力,但是焊料厚度過(guò)薄,則會(huì)導(dǎo)致激光器芯片與過(guò)渡熱沉焊接不牢,造成芯片與過(guò)渡熱沉之間開(kāi)裂,或者芯片與過(guò)渡熱沉沒(méi)有完全潤(rùn)濕而產(chǎn)生空洞,這會(huì)出現(xiàn)局部熱點(diǎn)效應(yīng),嚴(yán)重影響激光器的可靠性和壽命。一般焊料層的厚度多選擇在 10 μm 左右,精確厚度需要進(jìn)一步在具體封裝中進(jìn)行工藝優(yōu)化。

7 結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)今,半導(dǎo)體激光器外延生長(zhǎng)技術(shù)和芯片生產(chǎn)工藝已趨于穩(wěn)定,激光器的封裝技術(shù)成為研究熱點(diǎn)。本文對(duì)高功率半導(dǎo)體激光器的過(guò)渡熱沉封裝技術(shù)進(jìn)行研究,總結(jié)分析了目前常用的幾種過(guò)渡熱沉材料和不同的焊料。研究結(jié)果表明:碳化硅晶片和 CVD 金剛石片是高功率半導(dǎo)體激光器比較理想的過(guò)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(zhǎng)或用氣相沉積法生長(zhǎng)石墨烯技術(shù)現(xiàn)已成熟,在碳化硅晶片覆蓋一層石墨烯,作為過(guò)渡熱沉效果也許會(huì)更好,但尚未有人進(jìn)行理論和實(shí)驗(yàn)研究;納米銀焊膏熱導(dǎo)率高,在理論上優(yōu)于金錫焊料,但尚未被用于半導(dǎo)體激光器的封裝,尚未有人從實(shí)驗(yàn)的角度來(lái)驗(yàn)證納米銀焊膏封裝激光器的可靠性。


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