第 38 卷 第 9 期 中 国 激 光 Vol. 38, No. 9

2011 年 9 月 CHINESE JOURNAL OF LASERS Spectember, 2011

大功率半导体激光器贴片层空洞热效应影响

丁晓尘1张 普

2熊玲玲

2欧 翔

1李小宁

2徐忠锋

1王警卫

3刘兴胜

2, 3

1西安交通大学应用物理系, 陕西 西安 710049

2中国科学院西安光学精密机械研究所瞬态光学与光子技术国家重点实验室, 陕西 西安 710119

3西安炬光光电科技有限公司, 陕西 西安 710119

摘要 随着输出功率、转换效率、可靠性和制造工艺的提高以及成本的降低, 大功率半导体激光器越来越广泛地应

用于许多新的领域。大部分商业化销售的半导体激光器阵列/巴条是用铟作为焊料封装的。然而, 在半导体激光

器封装过程中不可避免地会在贴片层形成一些小空洞, 这些小空洞在铟的电迁移和电热迁移作用下逐渐变大, 这

将导致芯片贴片层形成大量的空洞,造成芯片局部温度迅速上升。针对 808 nm 连续波 40 W传导制冷单巴条半导

体激光器阵列,系统地分析了半导体激光器贴片层空洞对发光点温度的影响以及贴片层内不同位置不同尺寸的空

洞对发光点温升的影响,得到了发光点温升与空洞尺寸间的关系曲线。提出了利用空洞与发光点温度的关系及空

间光谱来估算贴片层的空洞分布的方法,并将估算结果与实验测得的贴片层扫描声学显微图像进行了对比。

关键词 激光器;半导体激光器; 激光器巴条/阵列; 热行为;空间光谱;铟焊料

中图分类号 TN248. 4; TN212; TN256 文献标识码 A doi: 10. 3788/ CJL201138. 0902006

Thermal Reaction of High Power Semiconductor Laser with

Voids in Solder Layer

Ding Xiaochen1

Zhang Pu2

Xiong Lingling2

Ou Xiang1

Li Xiaoning2

Xu Zhongfeng1 Wang Jingwei3 Liu Xingsheng2, 3

1Depa r t m en t of Applied Physics , Xi an Jia oton g Univ er sit y , Xi an , Shaan xi 710049, Chin a

2 S ta te Key Labor a tor y of T r an sien t Optics &Phot onics , Xi an In st itu te of Optics &Precision

Mechan ics , Chin ese Academ y of Scien ces , Xi an , S haanx i 710119, China

3Xi an Focuslight Optoelectr on ics Technology Co . , L td . , Xi an , Shaan xi 710119, Chin a

Abstract With the improvement of power, efficiency, reliability, manufacturability, and cost of high power

semiconductor laser, many new applications are being enabled. Most of the semiconductor laser bars are packaged

with the indium solder. However, some small voids are created during the packaging process, which will be gradually

enlarged by the electromigration and electrothermal migration of the indium solder. Voids may cause local

overheating near the facets of the laser. Therefore it is necessary to study the thermal behavior of semiconductor

laser bars with voids in the solder layer. The thermal behavior of a single bar CS packaged 40 W 808 nm

semiconductor laser with voids in the solder layer is studiedand the relationship between temperature and voids size is

analysed. The distribution of voids is predicted according to the space spectrum of a 40 W 808 nm semiconductor laser

bar and the simulation results. I t is found that the simulation results agree well with themeasurement of the scanning

acoustic microscope ( SAM) image of solder layer.

Key words lasers; semiconductor laser; laser bar/ array; thermal behavior; space spectrum; indium solder

OCIS codes 140. 2010; 140. 2020; 140. 6810

收稿日期: 2011 03 18; 收到修改稿日期: 2011 06 13

基金项目: 国家 863 计划( 2009AA032704)和中国科学院 百人计划 资助课题。

作者简介: 丁晓尘( 1987 ) , 男,硕士研究生, 主要从事大功率半导体激光器光谱展宽机理等方面的的研究。

E mail: dx c@ stu. xjtu. edu. cn

导师简介: 徐忠锋( 1967 ) , 男,教授, 主要从事高离化态原子物理、磁流体计算等方面的研究。

E mail: zhfxu@ mail. xjtu. edu. cn(通信联系人)

0902006 1

中 国 激 光

1 引 言大功率半导体激光器具有体积小、重量轻、电光

转换效率高、覆盖波段广、使用寿命长等优点, 在工

业、科研、军事等领域得到了广泛的应用。例如可用

来抽运固体/光纤激光器,也可直接用于材料处理如

焊接、熔覆、切割等。为了进一步拓宽半导体激光器

的应用领域,不断提高激光器的输出功率,半导体激

光器从单发射腔发展为多个发光点的巴条。随着激

光器输出功率的提高,对半导体激光器的热设计、封

装等技术提出了更高要求。

对于半导体激光器阵列, 光谱宽度非常重要。

半导体激光器阵列的一个缺点就是其光谱较宽, 波

长随工作电流和热沉温度的变化而变化, 商业化半

导体激光器阵列光谱的半峰全宽( FWHM )通常为

3 nm, 波长随温度变化率约为 0. 28 nm / K, 所以用

大功率半导体激光器抽运固体激光器, 很容易造成

半导体激光器的中心波长与固体激光器的吸收峰不

匹配[ 1] ,从而降低固体激光器的效率,而且激光器有

源区介质吸收带之外的抽运源能量都被浪费而转化

为热,极大地影响固体激光器系统的尺寸、功率、光

束质量和热管理。

激光器阵列的光谱展宽主要是由于每个发光点

中心波长的不一致造成的。每个发光点的发射波长

可能会受晶片的不均匀性、与封装有关的热应力和

热效应的影响。通常情况下, 巴条内单个发光点之

间的距离非常近,材料生长和晶片处理通常是非常

均匀的,与封装引起的热和热应力效应相比, 由于巴

条内各发光点之间材料生长和晶片处理的不均匀性

引起的波长变化可以忽略[ 2]。为了得到高的电光转

换效率和高的连续波光功率, 激光器阵列通常使用

铜( Cu)作为散热热沉(阳极块)。由于半导体激光

器芯片和 Cu 阳极之间的热膨胀系数( CT E)不匹

配,这会在激光器阵列上增加热应力。为了减小热

应力,大部分商业化销售的传导冷却型激光器阵列

在芯片焊接时选择铟焊料。然而,在半导体激光器

封装过程中不可避免地会在贴片层形成一些小空

洞,这些小空洞会在铟的电迁移和电热迁移的作用

下[ 3, 4]逐渐扩大。

空洞的导热性很差, 在半导体激光器工作过程

中会阻碍热量释放, 导致空洞附近温度迅速上升。

若局部温升过大,温度分布均匀性遭到破坏, 导致巴

条的部分发光点的中心波长发生较大偏移, 就可能

引起半导体激光器光谱展宽甚至迁移, 从而有可能

由于温度过高而造成器件失效。

本文系统分析了 40 W 单巴条传导制冷半导体

激光器贴片层内空洞对芯片温度的影响, 得出了发

光点温升与空洞大小及位置的定量关系。测量了

40 W传导制冷半导体激光器的空间光谱分布, 根据

各发光点的中心波长变化模拟出了发光点的空洞分

布情况,并将模拟的空洞分布结果和扫描声学显微

镜( SAM)测量的结果进行了对比。

2 40 W单巴条传导冷却激光器热模拟利用 Ansys 模拟了 808 nm 40 W 连续波半导

体激光器的热特性, 系统地分析了空洞对半导体激

光器芯片内部温度的影响。图 1为该半导体激光器

样品。

图 1 808 nm 40 W 传导制冷单巴条半导体激光器样品

F ig. 1 A single bar CS packaged 40 W 808 nm laser

该半导体激光器采用了传导制冷封装结构,热

沉底端使用热电冷却器( TEC)散热, 因此在模拟中

可以认为热沉底部温度维持在室温( 25 )。该半

导体激光器工作在连续波( CW)输入模式下, 当其

工作时,有源区会不断地产生热量,因此需要在有源

区施加生热率载荷。按照 808 nm 传导冷却封装的

半导体激光器典型电光转换效率 50%来计算,器件

每发出 1 W的光,就会相应地产生 1 W的热量。对

于输出光功率40 W的器件来说, 其总生热量为

40 W。阵列中含有 19 个发光点, 每个发光点长

150 m ,两发光点之间的间隙长 350 m, 在理想状

态下,认为每个发光点上的生热量相同[ 5]。

图 2, 3为该激光器的结构示意图, 半导体激光

器的巴条和贴片层是需要重点研究的方面,它的温

度分布有限元计算结果的准确性直接关系到器件最

终计算的准确性, 因此巴条部分的网格应当细化。

对于热沉部分,仅用较粗的网格即可满足计算精度

要求。图 4为模型网格划分结果。

由于该激光器工作在连续波输入模式下,因此

认为整个发热过程是稳态的。在没有空洞的理想状

态下,该半导体激光器巴条的温度分布如图 5所示。

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丁晓尘等: 大功率半导体激光器贴片层空洞热效应影响

图 2 传导冷却半导体激光器结构示意图

F ig. 2 Conduction coo led sem iconductor laser model

图 3 巴条内部局部示意图

F ig. 3 Schematic diag ram o f a laser bar

图 4 模型网格划分结果

F ig . 4 Mesh of the model

从图 6中可以看到, 巴条内各发光点的温度基

本呈周期性的抛物线形分布。在发光点附近区域,

温度会有一个突变,而且两端发光点的峰值温度比

中心位置的值要小。这是因为中心位置发光点产生

明显的热集中。

图 7为巴条内部局部热流图。从图中可以看

出,发光点产生的热量主要是从其正下方传导出去,

因此,若发光点正下方存在空洞,将必然会使其温度

迅速升高。

图 5 理想状态下的温度云图(单位: )

F ig . 5 T emperatur e dist ribution of per fect

state ( unit: )

图 6 焊料层无空洞时量子阱层温度分布曲线

Fig . 6 Later al temperatur e distr ibut ion of quantum wells

w ithout v oids in so lder layer

图 7 巴条内部局部热流图(单位: J/ m2 )

Fig . 7 Local heat balance diag ram of the

laser bar ( unit: J/ m2 )

2. 1 空洞位置对温升的影响

首先考虑空洞在整个巴条下的分布情况。在巴

条中间的发光点下和最边上的发光点下分别加一空

洞,且空洞的尺寸相同, 都为 150 m。计算结果如

图 8所示。中间的空洞使其上方的发光点温度升高

了 18. 74 , 而边上的空洞使其上方的发光点温度

升高了 18. 61 , 可见,中间发光点下的空洞比边上

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中 国 激 光

发光点下的空洞影响要稍大, 但基本上可以认为是

相同的。

图 8 焊料层存在空洞时量子阱层的温度分布

F ig . 8 Latera l temperature distribution of quantum

wells w ith vo ids in solder lay er

由于封装工艺的缺陷以及铟焊料的电热迁移都

会产生空洞,因此发光点正下方和发光点之间的间

隙下方都可能有空洞。现在对图 9中各个情况进行

分析。取一个发光点和一个间隙为研究对象, 且发

光点和间隙下方的空洞都为 60 m。图 10 为无空

洞时的温度分布。

图 11显示了 4种空洞分布情况下的计算结果。

横坐标在 1925 ~ 2075 m 为发光点温度分布,

2075~ 2425 m为间隙温度分布,可以看出,当只有

发光点下方存在空洞时, 发光点的温度明显升高; 当

只有间隙下方存在空洞时,间隙的温度稍有升高, 但

图 9 空洞分布的 4 种情况

Fig . 9 Four situat ions of the dist ribution o f voids

图 10 无空洞时的温度分布

F ig . 10 Lat eral t em perat ur e distr ibution w ithout vo ids

图 11 对应于图 9中 4 种空洞分布情况的量子阱层侧向温度分布计算结果

Fig. 11 Latera l temperature distr ibutions o f quantum w ells w ith voids co rr esponding to the four situations in F ig. 9

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丁晓尘等: 大功率半导体激光器贴片层空洞热效应影响

发光点温度基本不变; 若发光点和间隙下都存在空

洞,且两空洞不连续, 此时发光点和间隙温度都升

高,但可以看出,发光点温度升高量与空洞只存在于

发光点下方时基本一致; 当发光点和间隙下方存在

一连续的大空洞时, 发光点的温度升高,且比空洞只

存在于发光点下方时大。因此可以得出, 发光点下

方的空洞会使发光点温度明显升高,而间隙下方的

空洞只有与发光点下方空洞连成一片时才会对发光

点温度造成影响,这是由于尽管发光点产生的热量

主要是从其下方散出,但是当其下方存在空洞时, 热

量就会从靠近发光点的间隙下方散出, 若此时靠近

发光点的间隙下方也存在空洞, 热量将更难散出,造

成发光点温度更高。

2. 2 空洞尺寸对温升的影响

生产过程中封装工艺的缺陷以及后期器件使用

过程中铟焊料的电热迁移都会产生空洞, 因此焊料

层的空洞形状很难确定。封装过程中不可避免地会

形成一些细小的空洞, 这些小空洞在铟焊料的电迁

移和电热迁移中可能会逐渐变大; 封装过程中也可

能由于焊料层断裂形成一些很大的空洞[ 6]。假设空

洞是从发光点下方向两边延伸, 取空洞尺寸 30~

570 m ,计算结果如表 1所示。

表 1 发光点温升和空洞尺寸关系

Table 1 Relationship between temperature increment and vo id size

Diameter of void / m 30 45 60 75 90 105 120 135 150 220 290 360 430 500 570

Temperature / 3. 27 5. 27 7. 25 9. 17 11. 10 13. 01 14. 95 16. 88 18. 72 24. 91 30. 00 34. 68 39. 28 43. 78 48. 33

由表 1的计算结果可以拟合得出空洞尺寸与温

升间的关系

T = 0. 13d - 0. 52, (0 < d 150)

T = 0. 07d + 8. 93. (150 < d 500)( 1)

图 12 空洞尺寸与温升的关系曲线

Fig . 12 Relationship betw een temperature incr ement

and the size of vo id

( 1)式和图 12为拟合结果,可以看出,空洞尺寸

为30~ 150 m, 即空洞尺寸还没有比发光点长度长

时,空洞尺寸和温升基本为正比关系, 空洞每增大

30 m, 温升增加 2 左右, 而当空洞尺寸超过

150 m时,即空洞延伸到了发光点间的间隙下方,此

时随着空洞的增大温升仍继续增加,但增加的趋势有

所减小,空洞每增加 70 m, 温升增加 5 左右。这

与上面对空洞位置计算所得的结果一致,当间隙下方

的空洞与发光点下方的空洞连为一体时,发光点的温

升将比仅在发光点下方有空洞更大。对于 808 nm 半

导体激光器来说,发光点温度每升高1 , 其波长向

长波方向移动约 0. 28 nm,若激光器光谱允许的误差

为3 nm,则发光点下方的空洞尺寸不能超过 90 m,

否则将对激光器光谱造成较大影响。

以上计算结果都没有考虑空洞在焊料厚度方向

上的分布情况,因为铟焊料的厚度一般为 4~ 6 m,

与横向相比,空洞在焊料厚度方向上的尺寸及位置

对温升的影响可以忽略。另外, 对于发光点下方的

空洞,其在发光点下方的横向位置也可以忽略, 即空

洞在发光点中间的下方与空洞在发光点边上的下方

认为是一样的,因为若空洞很大,就不存在横向位置

的问题,若空洞较小,空洞对温升的影响本来就比较

小, 因此空洞在发光点下方的横向位置可以忽

略[ 7 , 8]。

3 由空间光谱测试结果推算空洞分布上面对 40 W 单巴条传导冷却激光器进行了热

分析,计算了焊料层空洞分布对发光点温度的影响。

对于 808 nm 半导体激光器来说, 发光点温度每升

高1 ,其波长向长波方向移动约 0. 28 nm。由于

巴条的总光谱是各个发光点光谱的叠加结果,因此,

空洞在焊料层的分布对激光器的总光谱有较大的

影响。

图 13为一焊料层可能存在空洞的样品的光谱。

该样品总光谱质量很差,存在双峰,说明该样品芯片

层温度分布很不均匀, 这是由于空洞的导热性很差,

在激光器工作过程中会产生局域温升效应,导致空

洞附近温度迅速上升。由空间光谱测试仪测出了

40 W 传导制冷半导体激光器巴条的空间光谱。

图 14为样品内每个发光点的光谱, 由图中可以看

出,两边的发光点的中心波长相对于中间的发光点

的波长发生明显红移。

0902006 5

中 国 激 光

图 13 40 W传导制冷单巴条半导体激光器的

光谱( 40 A)

Fig . 13 Spectrum of a 40 W conduction cooled

laser ba r ( 40 A )

图 14 40 W单巴条传导制冷半导体激光器的

空间光谱( 40 A)

Fig. 14 Space spectra o f a 40 W conduction coo led

laser ba r ( 40 A )

一般情况下, 巴条光谱出现右肩膀是由热效应

引起的,即由发光点温度不均匀引起的,而热应力效

应一般造成光谱产生左肩膀[ 2]

,该样品总光谱存在

右肩膀,因此认为主要是热效应造成光谱展宽的。

由于热沉与芯片的热胀系数不匹配, 巴条在封装回

流(降温过程)过程中会产生很大的压应力,而在工

作过程中巴条温度会上升,芯片受到一定程度的张

应力,因此在巴条工作过程中热应力会被释放而减

小,而本实验芯片工作在连续波模式下,因此热应力

可以更充分地被释放。本实验样品是用铟焊料封装

的,铟焊料是一种软焊料,可以吸收热应力。激光器

外延材料内的应力会以每巴条约 0. 005 nm 量级的

系数影响发射波长, 而一般情况下热应力只有 5~

15 MPa[ 9] ,导致的波长偏移为 0. 25~ 0. 75 nm, 发

光点温度每升高 1 , 其波长约向长波方向移动

0. 28 nm ,而如果发光点下方存在大量空洞,发光点

温升会高达几十摄氏度, 造成的光谱偏移量比热应

力引起的大得多。综合以上几点, 相对于贴片层空

洞的影响,热应力的影响基本上可以忽略不计[ 10] 。

中间发光点的波长只有 804 nm 左右, 因此可

以认为中间几个发光点下方的空洞很少, 而发光点

1及发光点 19的波长比中间发光点的波长大 6 nm

左右,这就是说发光点 19的温度比中间几个发光点

约高 21 ,而在无空洞情况下,由于热集中效应中

间的发光点温度要比发光点 19 高 12 , 因此可以

推算出发光点 19的温度比无空洞时高了 33 ,说

明巴条两侧发光点下方的贴片层存在大量空洞。根

据( 1)式,可以估算出发光点 19下面的空洞尺寸最

大可达 348 m。同样,也可以估算出其他几个发光

点下方的空洞大小,如表 2所示。

表 2 根据空间光谱结果模拟的空洞分布

Table 2 P redicted voids dist ribution on the basis o f the space spectra

U nit 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19

Void size / m 298 249 170 106 44 0 8 7 5 0 5 11 0 52 41 133 189 199 348

由表 2可以看出, 该样品两侧的几个发光点下

方存在较大的空洞,造成两侧的几个发光点温度明

显上升,光谱发生红移。

为了验证空洞是否真正存在, 应用扫描声学显

微镜观察了样品的焊接界面, 如图 15所示。可以看

出,样品左侧的几个发光点下方存在较大的空洞, 这

些空洞很有可能是由于封装过程中焊料层断裂形成

的;样品右侧的几个发光点下方虽然没有较大的空

洞,但是存在大片密集的小空洞,可以认为这些小空

洞的影响等同于几个较大的空洞;样品中间部分也

稀疏地分布着几个空洞, 但这些空洞基本上都分布

于发光点间隙中,因此对发光点温度没有太大影响。

图 15 样品的扫描声学显微镜图

F ig . 15 Scanning acoustic micro scope image of

the sample

将由模拟估算所得的空洞分布结果(表 2)与实

际所测空洞分布结果(图 15)相比较,模拟估算所得

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丁晓尘等: 大功率半导体激光器贴片层空洞热效应影响

结果基本上可以定性地描述出巴条贴片层空洞的分

布情况。利用扫描声学显微镜测量贴片层空洞分布

是一种破坏性的实验手段, 导致半导体激光器无法

再正常工作,而根据空间光谱模拟空洞分布能在保

证半导体激光器正常工作的前提下为改进贴片工艺

提供理论指导。

4 结 论模拟了 808 nm 40 W 连续波传导制冷半导体

激光器巴条焊料层空洞对其发光点温度的影响。模

拟结果表明位于发光点下方的空洞将导致发光点温

度明显上升,而两发光点间的间隙下方的空洞仅在

与发光点下方的空洞连为一体时,才会对发光点温

度造成影响。通过计算不同尺寸的空洞对发光点温

度的影响得出了空洞尺寸与发光点温升的关系曲

线。本文还提出了利用空间光谱和空洞温升关系估

算焊料层空洞分布的方法, 根据空间光谱模拟了贴

片层的空洞分布,模拟结果和扫描声学显微镜的实

验测量结果基本符合。根据空间光谱模拟贴片层空

洞提供了一种无损检测贴片层空洞分布的方法。下

一步计划对半导体激光器巴条其他形状的光谱进行

分析,如左肩膀、双峰、多峰等,得到空间光谱和贴片

层空洞分布之间的定量关系, 从而可以根据测量的

空间光谱定量推断空洞分布情况,为改进巴条贴片

工艺提供有益的指导。

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