【文章內(nèi)容簡介】 究重點?對于LD 封裝技術,提高封裝密度是提高LD 疊陣單位面積上的輸出功率密度的有效途徑?一般情況下,由于封裝工藝和散熱冷卻技術的限制,隨著器件工作占空比的增加,封裝間距不斷增加[3],對于占空比小于3% 的2 mm,小于6%,小于20%的間距為2mm?圖1 冷卻器散熱原理示意圖為了實現(xiàn)高功率密度?高占空比的LD 疊陣的封裝,經(jīng)過不斷試驗,成功研制了一種基于微排柱的高效冷卻器,原理如圖1所示?根據(jù)熱力學理論,微排柱冷卻器主要利用管簇的繞流和湍流散熱原理,通過對管簇數(shù)量?間距和管簇直徑優(yōu)化設計,可使冷卻效率達到最佳值,散熱能力滿足茹卡烏卡斯公式[4]式中:Nu為努塞爾數(shù)。為管簇最大流速時的雷諾數(shù)。Pr為普朗特數(shù)。為壁面普朗特數(shù)。h為對流傳熱系數(shù)。k可為介質(zhì)傳熱系數(shù)。D為管簇直徑。為冷卻水最大流速。v為冷卻水流速。和分別為管簇的橫排和縱排間距。C和m都為常數(shù),由管簇的橫排和縱排數(shù)確定。ρ 為介質(zhì)密度。μ 為流體的物性? 根據(jù)式(1)~(4),通過優(yōu)化設計, mm, ,冷卻水流速3m/s,可以得出對流傳熱系數(shù)約為200kW/(m2K)?為了增加散熱效果,熱沉選用具有高熱導率的金剛石(其熱導率κ≥1kW/(mK)),并且在金剛石熱沉上直接刻蝕絕緣帶,這樣減少了芯片與冷卻器之間的焊接界面,有效降低了多個焊接界面產(chǎn)生的體熱阻,封裝結構如圖2 所示?圖3 為單元封裝結 圖2 LD 陣列封裝結構示意圖 圖3 LD 單元封裝結構模型圖4 熱沉熱阻隨熱沉厚度變化構,其中,芯片腔長1 mm, mm, mm,由于LD 產(chǎn)生的熱量主要來源于激活區(qū),而激活區(qū)與焊接面之間距離只有2μm,因此,把激活區(qū)看作與冷卻器直接接觸的均勻穩(wěn)定面熱源?由于LD 與周圍空氣對流換熱帶走的熱量較少,可假設熱量全部從熱沉底面的水冷器傳走,其余各面均作絕熱處理?實驗將金剛石作為熱沉,熱導率為1kW/(mK),在不同的封裝間距下,利用ANSYS有限元模擬,整個LD 陣列的熱阻與封裝間距的關系如圖4所示?圖4 表明, 以后,熱阻隨封裝間距的變化比較小?因此,對于單個輸出功率100 W 的LD 芯片,占空比為15% 時, 如果芯片的工作結溫小于50℃,根據(jù)熱阻與結溫的關系(5)式中: ,為最高工作結溫和冷卻水溫度。 為加載的熱功率,?2 疊陣封裝工藝 熱效應是高功率LD 疊陣封裝過程中不可忽視的重要問題,器件工作過程中會產(chǎn)生大量的廢熱,將嚴重影響到封裝的器件性能?因此,不但要設計高效冷卻器以滿足其散熱能力,而且界面粘接工藝?熱沉材料的選擇以及導熱路徑的合理化設計,都是高密度疊陣封裝工藝中需要解決的關鍵環(huán)節(jié)?否則,局部的熱積累將會導致器件性能的下降或失效? 高密度疊陣的封裝采用多界面一體化焊接方式,因此,對整個單元的對準精度?各焊接面的焊料厚度?熱沉及焊料的選擇以及焊接溫度的控制都必須嚴格要求?,激活區(qū)平面垂直于冷卻器表面,隨著腔長的增大,體熱阻不斷增加[6],因此,必須選擇腔長較短的芯片和熱導率較高的熱沉進行封裝,這樣可有效減小器件整體熱阻?通過散熱分析發(fā)現(xiàn),要實現(xiàn)占空比大于15%, (mK)?金剛石以其良好的導熱性成為了高密度?高占空比LD 疊陣封裝的首選熱沉材料?但是,金剛石的熱膨脹系數(shù)與芯片(GaAs)和銅的差別都很大,因此選用軟焊料銦(In)作為界面焊接材料? 目前,背冷式疊陣傳統(tǒng)封裝工藝中,熱沉與冷卻器之間的電絕緣主要選用陶瓷片?但該工藝對焊接夾具的精度要求很高,而且隨著芯片數(shù)量的增加,精度要求也不斷增加,同時,該結構也增加了界面熱阻,難以達到高功率密度疊陣LD 散熱要求?因此,本文采用熱沉和絕緣層一體化的設計理念,利用金剛石的絕緣特性,在金剛石熱沉金屬化過程中,通過制作精密掩模板保護,直接在金剛石熱沉上制作絕緣帶,絕緣帶的寬度控制在150~200μm 之間?金剛石作為芯片之間電極,使LD 單元之間形成良好電連接。根據(jù)計算結果,在金剛石表面濺射厚度為3~5μm 的金可保證bar條間電連接?芯片焊接是封裝工藝的關鍵環(huán)節(jié)?在高密度封裝過程中,單位面積內(nèi)焊接界面增多,任何一個焊接空隙都會影響到整個陣列的性能?另外作為焊接材料的軟焊料In極易氧化,為了防止In焊料氧化,焊接方式采用真空回流焊接工藝,以達到良好焊接效果?按金相理論[5],加速冷卻有利于獲得精細致密的晶粒組織結構,也有利于形成平滑的接觸界面和良好的粘結特性,從而達到良好的歐姆接觸?但是,考慮到金剛石與芯片及銅冷卻器三者之間熱膨脹系數(shù)的失配,實驗采用自然冷卻方式,以便達到有效的應力釋放?在焊接過程中,嚴格控制焊接溫度,如果焊接溫度過高,不但對芯片本身造成一定影響,而且可能引起焊料沸騰,造成冷卻器與熱沉間短路?根據(jù)試驗結果,熱沉與芯片之間的焊料厚度設為4~7μm,In焊料焊接溫度控制在203 ℃左右,可達到良好焊接效果?通過對工藝條件優(yōu)化,封裝了1kW 高功率密度LD 疊陣單元,如圖5所示? 圖5 高密度LD 疊陣樣品 圖6 高功率LD 疊陣熒光分布3 性能測試 圖6為陣列發(fā)光時的熒光分布照片?由圖6可見,整個陣列的發(fā)光均勻性?一致性較好?在不同占空比條件下對封裝的疊陣LD 進行了性能測試,測試水溫25℃,其性能測試結果見表1?表1顯示,工作電流相同時,隨著工作占空比的增加,二極管激光器的中心波長向長波方向漂移。 表1 高功率密度LD疊陣性能測試參數(shù)對照Duty cycle/%Frequency/HZPulse width/μmOperating current/ACenter wavelength/nmPeak power/W1005010010544002501001022600250100986其輸出的峰值功率有所降低,這是由于二極管激光器本身隨結溫升高,波長向長波方向移動造成的。根據(jù)二極管激光器溫度特性,℃,LD %下工作時,器件基本沒有受到熱效應的影響,在占空比15%工作時,由于熱效應影響, nm ?根據(jù)公式 (6)式中:Δλ 為LD 的中心波長隨結溫的移動量。 為pn結溫度的變化量? ℃,當水溫為25 ℃時, ℃,LD 芯片pn結相對于冷卻水的熱阻為即整體封裝電阻為(7)式中: 為熱功率?封裝的準連續(xù)二極管激光器電光效率為46%,在占空比為15%,電流為100A 時,輸出的平均光功率為148 W, W?代入公式(7)可得, ℃/W,達到了較好的散熱能力? 圖7為不同占空比下LD 陣列的光譜曲線,由圖可以看出,封裝的二極管激光器陣列隨著工作占空比的提高,光譜曲線寬度小于3nm?圖8為不同占空比條件下LD 疊陣的輸出功率和電流關系曲線,由圖可知,工作占空比對輸出功率影響不大,在電流為100A 時,輸出功率均為1kW 左右,激光器閾值電流約為20 A?根據(jù)測試結果可知,激光器可以在占空比為15%情況下正常運行,因此散熱冷卻滿足設計要求?根據(jù)這一試驗結果,利用金剛石制作的帶絕緣帶熱沉,可實現(xiàn)高占空比?高功率密度的LD 封裝?圖7 不同占空比條件下LD 光譜分布 圖8 不同占空比下LD 疊陣的PI曲線5 功率型的前景 功率型LED的研制起始于20世紀60年代中期的GaAs紅外光源,由于其可靠性高、體積孝重量輕,可在低電壓下工作,因此被首先用于軍用夜視儀,以取代原有的白熾燈,20世紀80年代InGaAsP/InP雙異質(zhì)結紅外光源被用于一些專用的測試儀器,以取代原有的體積大、壽命短的氙燈。這種紅外光源的直流工作電流可達1A,脈沖工作電流可達24A。紅外光源雖屬早期的功率型LED,但它一直發(fā)展至今,產(chǎn)品不斷更新?lián)Q代,應用更加廣泛,并成為當今可光功率型LED發(fā)展可繼承的技術基矗1991年,紅、橙、黃色AlGaInP功率型LED的實用化,使LED的應用從室內(nèi)走向室外,成功地用于各種交通信號燈,汽車的尾燈、方向燈以及戶外信息顯示屏。藍、綠色AlGaInN超高亮度LED的相繼研制成功,實現(xiàn)了LED的超高亮度全色化,然而用于照明則是超高亮度LED拓展的又一全新領域,用LED固體燈取代白熾燈和熒光燈等傳統(tǒng)玻殼照明光源已成為LED發(fā)展目標。因此,功率型LED的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化將成為今后發(fā)展的另一重要方向,其技術關鍵是不斷提高發(fā)光效率和每一器件(組件)的光通量。功率型LED所用的外延材料采用MOCVD的外延生長技術和多量子阱結構,雖然其內(nèi)量子效率還需進一步提高,但獲得高光通量的最大障礙仍是芯片的取光效率很低。目前由于沿用了傳統(tǒng)的指示燈型LED封裝結構,工作電流一般被限定為20mA。按照這種常規(guī)理念設計和制作的功率型LED根本無法達到高效率和高光通量的要求。為了提高可見光功率型LED的發(fā)光效率和光通量,必須采用新的設計理念,一方面通過設計新型芯片結構來提高取光效率,另一方面通過增大芯片面積、加大工作電流、采用低熱阻的封裝結構來提高器件的光電轉(zhuǎn)換效率。因此,設計和制作新型芯片和封裝結構,不斷提高器件的取光效率和光電轉(zhuǎn)換效率,一直是功率型LED發(fā)展中至關重要的課題。功率型LED大大擴展了LED在各種信號顯示和照明光源領域中的應用,主要有汽車內(nèi)外燈和各種交通信號燈,包括城市交通、鐵路、公路、機嘗海港燈塔、安全警示燈等。功率型白光LED作為專用照明光源已開始用于汽車和飛機內(nèi)的閱讀燈,在便攜式照明光源(如鑰匙燈、手電筒)、背光源及礦工燈等應用方面也得到越來越多的應用。白光除了由三基色合成外,還可通過將一種特制的磷光體涂敷在GaN藍色或紫外波長的功率型LED芯片上