高温高效率半导体激光器阵列封装结构研究

DT半导体材料 2021-07-07 18:01

【应用手册】TI 全新MCU及C29内核的电动汽车应用方案 构建AI未来，Arm计算平台无处不在

材料、结构及工艺

摘要:分析了热沉和陶瓷基板对背冷式封装结构半导体激光器阵列性能的影响｡通过栅格化厚铜填充技术降低了复合金刚石热沉的等效电阻,并实现了热膨胀系数匹配;采用热沉和陶瓷基板嵌入焊接技术,提高了封装散热能力和稳定性｡制作了间距为0.4mm的5Bar条芯片阵列样品,在70℃热沉温度､200A工作电流(占空比为1%)条件下进行性能测试,结果显示器件输出功率为1065W､电光转换效率为59.2%｡在高温大电流条件下进行了1824h寿命试验,器件表现出良好的可靠性｡

关键词:半导体激光器阵列;二极管激光器;高温;高效率;封装

0 引言

大功率半导体激光器阵列是Nd∶YAG固体激光器系统最理想的泵浦光源[1]，具有效率高､体积小和寿命长等特点，广泛应用于泵浦､医疗､工业加工､特种照射等领域｡近年来大功率半导体激光器发展迅速，工作温度和光功率密度不断提高，芯片工作时产生的热量也不断增加，如果封装系统不能及时散热，将会导致芯片温度急速上升､波长红移､效率降低和可靠性下降，严重时会引起系统失效甚至导致安全事故，热效应已经成为制约大功率半导体激光器发展中不可忽视的问题[2]｡影响大功率半导体激光器阵列可靠性的另一个关键因素是封装应力，在封装过程中，热沉与半导体激光器芯片之间存在热膨胀系数(CTE)不匹配，造成芯片在焊接过程中产生热应力，这些应力被引入有源区，会改变有源区半导体材料能带，加速缺陷形成及迁移，对激光器的阈值电流､偏振特性､波长和光谱性能等造成影响，并降低激光器寿命[3]｡

本文优化了背冷式大功率半导体激光器阵列模块的封装结构:通过栅格化厚铜填充技术降低了复合金刚石热沉的等效电阻，并实现了热膨胀系数匹配；采用热沉和陶瓷基板嵌入焊接技术，提高了封装散热能力和稳定性，获得了高效且散热稳定的封装结构｡优化结构封装样品实现了功率密度高达15261W/cm2的激光输出，在70℃高温下实现了高效率､长寿命工作｡

1 阵列模块结构

本文研究的背冷式半导体激光器阵列封装结构如图1所示｡尺寸为1.2mm×10mm的激光Bar条芯片烧焊在金属化热沉上形成COS(Chip on Carrier)子模块；多个COS子模块串联堆叠，Bar条间距为0.4mm；堆叠的COS子模块焊接在带有陶瓷绝缘片的镀金无氧铜座上，陶瓷绝缘片采用具有较高导热性能和极佳电绝缘性能的两面镀金氮化铝(AlN)陶瓷；阵列模块两端引出激光器电极｡

图１阵列封装结构示意图

阵列模块中使用自制的808nm波长､200W准连续Bar条芯片，该芯片为GaAs基GaAsP无铝量子阱结构，芯片有59个发光点，腔长为1.2mm｡Bar条芯片主要参数为:在20~70℃热沉温度范围内，其特征温度T0为269.3K，特征温度T1为726.7K；在200A工作电流下，芯片输出功率为238W，工作电压为1.79V，体电阻为1500μΩ，中心波长温度漂移系数为0.25nm/℃｡Bar条典型光电参数如图2所示｡

图2 Bar条典型光电参数图

2 封装结构优化设计

2.1热沉材料结构优化

从封装可靠性角度考虑，为了抑制长期使用过程中铟焊料带来的铟须生长可靠性问题[4]，目前大功率半导体激光器Bar条芯片､热沉的主流焊接方式均采用AuSn焊料｡该封装主要考虑热沉与芯片的热膨胀系数匹配､热沉的导电性能､热导率等｡

常用的热沉有钨铜(WCu)热沉､表面金属化的AlN热沉和表面覆铜的复合(CD)金刚石热沉等[5-7]｡钨铜热沉具有与芯片热膨胀系数匹配､本身的电阻率低等优点，但0.2mm厚度的热沉加工难度大；表面金属化的AlN热沉具有加工精度高､与芯片热膨胀系数匹配的优点，但其电阻率高；表面覆铜的CD金刚石热沉具有加工精度高､热导率高等优点，电阻率处于前两类热沉之间，但与芯片热膨胀系数不够匹配｡几种热沉特点对比如表1所示｡

表１常见几种热沉特点对比

本文提出了一种新型的带缝隙的表面覆铜的CD金刚石热沉，其具有导电导热性能好､加工精度高和与芯片热膨胀系数匹配的优点｡这种新型的CD金刚石热沉结构如图3所示，在CD金刚石上切割微米量级的多条缝隙，然后在其表面覆铜､六面金属化，利用低电阻率的铜和金材料填补缝隙｡芯片烧焊时缝隙对准芯片发光点之间的空缺部分，以避免影响芯片的焊接和散热｡由于薄CD金刚石的上下表面均敷有适当厚度的铜，铜的热膨胀系数为16.6×10^-6/K，CD金刚石的热膨胀系数为3×10^-6/K，所以两者相互作用使得其热膨胀系数得到优化｡同时在CD金刚石上进行了栅格化开槽，进一步优化其热膨胀系数，得到了等效热膨胀系数处于(4.0~5.5)×10^-6/K范围的热沉，与芯片热膨胀系数5.8×10^-6/K相近，避免了热沉热膨胀系数与芯片不匹配带来的可靠性问题｡

图3 新型 CD金刚石热沉结构示意图

由表1所列该新型CD金刚石热沉的热膨胀系数､热导率与传统的AlN热沉､WCu热沉､CD金刚石热沉对比可知，这种金刚石热沉具有与GaAs材料匹配的热膨胀系数和极高的热导率｡

对市场常用的热沉进行等效电阻测试，结果显示在200A工作电流下，采用AlN热沉､WCu(90/10)热沉､CD金刚石热沉和本文提出的新型CD金刚石热沉，封装后芯片工作电压分别升高0.22，0.00012，0.16和0.0116V｡热沉等效电阻分别为1100，0.6，800和58μΩ，详细情况如表2所示｡

表２常用热沉等效电阻率表

表3 三种热沉下芯片的温升模拟结果单位:℃

从表1和表2可知，该新型CD金刚石热沉是大功率激光器高密度背冷式封装的理想热沉结构｡采用SOLIDWORKS对各种热沉的热特性进行了模拟，得到采用不同热沉，芯片在200A工作电流下的温升情况，结果如表3所示，其中本文的新型金刚石热沉的模拟结果如图4所示｡

图４新型ＣＤ金刚石热沉的热分布模拟图

2.2 背冷式阵列结构优化

常规的封装方案中，将芯片烧焊到热沉后形成的多层三明治结构中，再用低温焊料焊接到带条状金属化图形的AlN陶瓷片上，其具有工艺操作性强和扩展性强等优点，但在散热能力及高温条件下的长期可靠性等方面存在不足，如图5(a)所示｡本文提出将AlN陶瓷片开宽槽(后续简称沟槽陶瓷)的封装形式，有效解决了上述不足，如图5(b)所示｡

图５改进前后的封装结构示意图 （ａ）常规封装结构（ｂ）改进封装结构

从图5可以看出:常规的封装方案是将热沉焊接到AlN陶瓷片金属化图形表面上，优化后的结构是将热沉插入AlN陶瓷片的金属化槽内｡其优势在于焊接面积增大，焊接过程和后续工作过程产生的氧化层处于槽的两边，氧化层的产生和增厚几乎不影响散热｡

采用SOLIDWORKS软件对三种热沉､两种开槽的AlN陶瓷片形成的六种封装结构的热特性进行了模拟，这六种结构分别是:(Ⅰ)AlN热沉+常规AlN陶瓷片；(Ⅱ)WCu热沉+常规AlN陶瓷片；(Ⅲ)新型CD金刚石热沉+常规AlN陶瓷片；(Ⅳ)AlN热沉+沟槽AlN陶瓷片；(Ⅴ)WCu热沉+沟槽AlN陶瓷片；(Ⅵ)新型CD金刚石热沉+沟槽AlN陶瓷片｡封装完成后假设焊料无氧化层，阵列温升模拟结果如表4所示，阵列宏观热场模拟结果如图6所示｡假定焊料边缘有10μm厚的氧化层，温升模拟结果如表5所示｡

表４六种封装方案温升情况

表５六种封装方案在边缘有１０μｍ厚氧化层的温升情况

图6 模块宏观热场模拟图(5%占空比) (a) 方案Ⅰ (b) 方案Ⅳ

综合以上结果可知，采用带缝隙的新型CD金刚石热沉+开宽槽的AlN陶瓷片方案在散热能力和高温下的抗焊料氧化能力具有明显的优势｡

新型CD金刚石热沉不仅热阻极低，电阻也很低，所以采用其封装的芯片温升仅是其他封装形式的1/2甚至1/3，随着阵列工作电流占空比的上升，其散热效果越发明显｡插入沟槽明显比直接焊接到AlN上结构的散热效果好，芯片温升降低约28%｡

对比表4和表5所示有无氧化层情况下芯片的温升数据可知，直接插入沟槽结构的温升变化量约0.1%，而常规封装方案温度上升了5%，这还是在假定芯片不退化的理想情况的结果｡而实际高温工作中，焊料氧化将导致温度上升､芯片退化加快，温度进一步上升，焊料氧化加剧，形成一个恶性循环，因此实际温升比模拟结果更严重，这将可能导致芯片快速退化甚至失效｡

3、测试结果验证

实验制备了三种样品，分别为样品a:钨铜热沉+平面陶瓷，样品b:钨铜热沉+沟槽陶瓷和样品c:新型金刚石热沉+沟槽陶瓷，在70℃工作温度､0~200A工作电流下条件下对其电光转换效率η进行了测试，结果如图7所示｡

从图7可以看出:在0.5%，1%，2%，5%四种占空比下，样品a的电光转换效率分别为58.7%，57.0%，53.7%和43.5%，输出功率分别为1057，1027，966和782W｡阵列在1%占空比下的中心波长为808.32nm｡

图７分别a、b、c 三种样品在不同占空比下的光电转换效率测试结果

在四种占空比下，样品b的电光转换效率分别为59.1%，57.8%，55.2%和47.1%，较样品a分别提高了0.4%，0.8%，1.5%和3.6%；输出功率分别为1063，1040，993和849W，较样品a分别提高了6，13，27和67W，说明沟槽陶瓷比平面陶瓷的封装结构具有更佳的散热能力｡阵列在1%占空比下的中心波长为807.72nm，按照芯片实测中心波长温度漂移系数0.25nm/℃计算，本封装样品中芯片温度比钨铜+平面陶瓷方案中芯片温度低(808.32-807.72)/0.25=2.4℃｡

样品c的表现最佳，在0.5%，1%，2%，5%占空比下分别实现了59.8%，59.2%，58.0%和54.5%的电光转换效率，输出功率分别为1076，1065，1044和980W，最高功率密度达到6220W/cm²，阵列在1%占空比下的中心波长为806.55nm，这种封装样品中芯片温度比钨铜+平面陶瓷方案中芯片温度低7.1℃，体现了沟槽陶瓷封装结构和新型CD金刚石热沉带来的综合优势｡

对样品c在20℃工作温度､500A电流下(0.5%占空比)进行光电性能测试，结果显示，其峰值功率Pp达到2747W，功率密度高达15261W/cm2，电光转换效率为49.36%，详细测试结果如图8所示｡

图8 样品c在500A 下测试结果

从图8中可以看出:在高电流情况下，实际测量峰值功率明显小于理论值，这主要是由大电流导致芯片温度上升所致｡在200A电流下，两者几乎重合，说明此时散热理想｡

3.1阵列模块寿命

试验将功率测试正常的金刚石热沉+沟槽陶瓷封装的四只阵列样品(编号为A，B，C和D)，在重复频率为100Hz､脉冲宽度为200μs､工作温度70℃条件下进行寿命试验，试验条件如表6｡寿命试验过程中样品功率变化如图9所示｡

A~D四只样品在经过1800h高温大电流寿命试验后，功率分别下降了1.31%，1.13%，2.30%和0.46%；样品在经过大电流逐步加速等所有试验后，功率分别只下降了3.83%，3.78%，5.65%和3.76%｡

4 结论

本文提出了一种新型的背冷式大功率半导体激光器模块封装结构，模拟及实验结果表明，这种新型的CD金刚石热沉+凹槽AlN陶瓷封装结构，为高温高密度半导体激光器阵列提供了一种优化解决方案｡在20℃工作温度､500A电流(0.5%占空比)条件下，采用优化方案封装的808nm波长5Bar阵列的输出峰值功率达到2747W，光功率密度高达15261W/cm²；在70℃工作温度､200A电流(1%占空比)条件下，光功率密度达到6200W/cm²，输出功率为1065W，电光转换效率为59.2%；在200~300A大电流､70℃高温寿命试验中表现出良好的可靠性｡