基于C-mount封装的半导体激光器热特性模拟分析

韩立，徐莉，李洋，邹永刚，马晓辉，徐英添，金亮，张贺

（长春理工大学　高功率半导体激光器国家重点实验室，长春　130022）

基于C-mount封装的半导体激光器热特性模拟分析

韩立，徐莉，李洋，邹永刚，马晓辉，徐英添，金亮，张贺

（长春理工大学高功率半导体激光器国家重点实验室，长春130022）

通过对半导体激光器热特性以及散热方式的理论分析，建立了C-mount封装半导体激光器的物理散热模型，针对其在稳态工作条件下的热特性，利用ANSYS有限元软件进行了模拟分析，对ANSYS自建模与外部导入两种建模方式进行分析，发现自建模方式更加精确。通过改变C-mount热沉的厚度，得到了芯片温度的变化规律，并从热流的角度进行分析。最后，通过引入导热性能良好的金刚石膜与石墨烯膜，设计了一种较为理想的复式散热结构。

半导体激光器；C-mount；ANSYS；石墨烯；金刚石

半导体激光器以其体积小、质量轻、转换效率高、寿命长、易于调制、可靠性高等优点，被广泛应用于国防（激光雷达、制导、引信等）和国民经济（光通信、材料加工、医疗美容）以及科学研究等各领域［1-3］。随着半导体激光器技术的日趋成熟，大功率半导体激光器功率密度的不断增加，其工作过程中产生的大量废热严重制约半导体激光器性能的进一步提高［4］。半导体激光器的输出特性与芯片的有源区温度密切相关，当温度过高时，将会导致器件的阈值电流升高、输出光功率下降、光谱展宽、波长红移等，严重时会致使器件彻底毁坏［5］。所以如何使激光器的废热快速逸散一直是科学家研究的工作重点之一。本文利用ANSYS软件，从C-mount热沉厚度的变化中，得到了芯片温度的变化规律，并从热流的角度进行解释分析。并在最佳厚度时，通过引入导热性能良好的金刚石膜与石墨烯膜，设计了一种较为理想的复式散热结构。

1　理论分析

1.1半导体激光器热源

半导体激光器正常工作时，产热过程大致可以分为三类［6-8］：

（1）电流注入有源区后，电子与空穴的非辐射复合释放的热量。

（2）注入电流达到阈值之后，有源区内与光子吸收的相关过程，包括自发辐射复合再吸收、自由载流子吸收、其他对光子的散射、衍射、吸收等产生的热。

（3）注入电流继续增大，各材料层的欧姆损耗产生的焦耳热。

1.2半导体激光器热传递的方式

半导体激光器内部芯片产生的热量必然引起芯片与其他部位和周围介质间的温度差，因此，在半导体激光器中存在三种热传递方式［9-10］：热传导（Conduction）、热对流（Convection）和热辐射（Radiation）。

（1）热传导（Conduction）

传导传热是指温度不同的物体直接接触，由于自由电子的运动或分子的运动而发生的热交换现象。温度不同的接触物体间或一个物体中各部分之间热能的传递过程，称为传导传热。

传热过程中，物体的微观粒子不发生宏观的相对移动，而在其热运动相互振动或碰撞中发生动能的传递，宏观上表现为热量从高温部分传至低温部分。微观粒子热能的传递方式随物质结构而异，在气体和液体中依靠分子的热运动和彼此相撞，在金属中靠电子自由运动和原子振动。热传递遵循傅里叶定律：

式中，q∗为热流密度（Km2）；k为导热系数为沿向的温度梯度，符号表示热量流向温度降低的方向。

（2）热对流（Convection）

对流传热是指由于流体的宏观运动，固体的表面与它周围接触的流体之间，由于温差的存在引起热量的交换，流体各部分之间发生相对位移、冷热流体相互掺混所引起的热量传递过程。流体中质点发生相对位移而引起热交换。对流传热仅发生在流体中，因此它与流体的流动状态密切相关。在对流传热时，必然伴随着流体质点间的热传导。

热对流可以分为两类：自然对流和强制对流，对流一般作为边界条件施加。热对流用牛顿冷却方程来描述：

式中，hf为对流换热系数（或称膜传热系数、给热系数、膜系数等）；TS为固体表面的温度，TB为周围流体的温度。

（3）热辐射（Radiation）

热辐射是指物体发射电磁能，并被其他吸收转变为热的热量交换过程。物体温度越高，单位时间辐射的热量越多。热传导和热对流都需要有传热介质，而热辐射无须任何介质。实质上，在真空中的热辐射效率最高。

在工程中通常考虑两个或两个以上物体之间的辐射，系统中每个物体同时辐射并吸收热量。它们之间的净热量传递可以用斯蒂芬（Stefan）—玻尔兹曼（Boltzmann）方程来计算：

式中，Q为热流率；ε为辐射率或吸收率（黑度）；σ称为斯蒂芬—玻尔兹曼常数，其值约为5.67×10-8W/ （m2·K4）；A1为辐射面1的面积；F12为由辐射面1到辐射面2的形状系数；T1为辐射面1的热力学温度；T2为辐射面2的热力学温度。由上式可以看出，包含热辐射的热分析是高度非线性的。

在多数工程问题中，对于一般的热力学模型，热传导、热对流、热辐射三种形式的传热方式都存在，而对于热辐射来说，一般情况下用不到，由于所测试的零件温度不高，可以忽略不计，但是，热辐射在任何情况下都存在。

2　模型建立

仿真过程中所使用的模型可以通过两种方式来获取，一是ANSYS中直接手工建模和实体建模，二是从其他软件（Pro/e、Solidworks等）中导入实体模型。本文中，对于这两种建模方式进行了对比分析。对所研究的半导体激光器来说，采用ANSYS环境中创建实体模型更为合适。模拟所用到单管芯半导体激光器材料参数如表1所示。

表1　材料参数表

对半导体激光器进行稳态热分析过程中，为了简化数学模型，在软件模拟计算过程中，针对模型作了如下假设［11-14］：

（1）由于芯片各层材料热导率变化较小，为简化建模过程，将管芯作为一个整体。

（2）封装过程中所用到的焊料层和连接层热阻较小，厚度较薄，对废热效应贡献较小，所以建模过程中忽略个焊料连接层。

（3）芯片的热功率为10W，芯片的体积为0.1 mm3，所以，热功率密度为1×1011W/m3。

（4）与空气接触的激光器芯片各表面面积相对微小，认为芯片表面的辐射散热和空气对流散热忽略不计。

（5）热沉底部温度设为293K，环境温度为293K，空气的传导系数为6W/（m2·K）。

3　结果与分析

3.1建模方式选取

本文对C-mount封装的半导体激光器进行仿真，在进行厚度模拟之前，在相同的实验条件下，我们对ANSYS自建模与外部导入模型两种不同建模方式进行对比，分别得到了两种情况下模型的温度分布云图，如图1所示。

图1　模型温度分布云图

图2　不同厚度，芯片最高温度（部分）

从图1中可以看出，不同的建模方式，芯片的最高温度存在不同的数值，相比从外部导入的模型，在ANSYS环境中建模所得到的芯片最高温度要比其低0.25℃。所以，接下来本文中所用到的模型均为自建模所得到。

3.2C–mount热沉厚度变化

在模拟的过程中，采用参数表2，通过改变C-mount热沉的厚度D（初始值为2.00mm，截止值为3.80mm，间隔为0.20mm，共10组）的尺寸，研究不同厚度对芯片温度的影响情况，如图2所示。

表2 结构参数表

针对上述实验，整理所得结果，得到表3模拟结果以及芯片温度随厚度变化曲线拟合图3。

表3 模拟结果表

图3　芯片温度随厚度变化曲线拟合图

可以根据热量的散发过程，分析产生上述结果的原因，可由ANSYS软件模拟的过程中，热量的流动方向，即热流（如图4），来进行分析说明。

图4　模型的热流分布图

从图4中热流分布以及流动方向可以看出，热量的逸散主要集中在端面处，随着厚度的变化，热沉与芯片的接触面进一步增大，热量的流动范围也随着变化，散热的效果也会发生显著的变化。在实际半导体激光器封装所用的C-mount中，随着厚度D 从2.00mm增加到3.80mm时，激光器芯片可达到10.80℃温降，这种厚度的增加对高功率器件的散热效果具有很明显的改善。

3.3复式散热结构

热管理技术当中，合理选取热沉材料，可以降低高频率、高功率、高密度电子设备的温升，以保证元器件的寿命和工作稳定，高导热材料可协调不断增加的功率密度与环境的温差。进而达到高效散热的目的。而在选择高导热材料的同时，要充分考虑热沉材料与芯片材料的热膨胀系数匹配问题。从表1中可以看出，石墨烯材料与芯片的热膨胀系数存在匹配问题，为此，我们利用与芯片材料相近的金刚石膜来进行过渡匹配。

模拟过程中，我们选择固定厚度D为2.60mm，为了达到较好的散热效果，充分利用Cu（390W/m· K）、金刚石（1800W/m·K）、石墨烯（4000W/m·K）三种不同高热导率（一般认为热导率高于300W/m· K）材料，结合这三种材料，设计了一种复式结构热沉，结构参数如表4所示，复式结构示意图以及对应温度分布云图如图5所示。

表4　结构参数表

图5　复式结构示意图以及对应温度分布云图

将上述设计的结构模型引入到热分析的仿真中，进行有效的载荷施加，并经过后处理分别得到了图5（a），（b），（c）的芯片最高温度。从图中可以看出，无高导热率膜的芯片最高温度为55.48℃，引入石墨烯膜之后，芯片温度达到51.88℃，芯片最高温度降低了3.60℃；考虑到热膨胀系数匹配问题，又引入了金刚石膜作为过渡匹配热沉，此时，得到芯片最高温度为51.66℃，相比于无高导热率膜，温度降低了3.82℃。这种复式结构的设计可以在改变厚度的基础上，选取最佳的厚度之后，通过引入高导热率膜，应用这种复式结构，达到更好的散热效果。

4　结论

本文对ANSYS自建模与外部导入两种建模方式进行对比分析，发现在ANSYS环境中建立模型得到的芯片温度低于外部导入0.25℃，在模拟仿真过程中，适合采取前者；通过改变C-mount热沉的厚度，得到了芯片温度的变化规律，在实际半导体激光器封装所用的C-mount中，随着厚度D从2.00mm增加到3.80mm时，激光器芯片可达到10.80℃温降，这种厚度的增加对高功率器件的散热效果具有很明显的改善。在增大相同厚度时，温度的降低程度逐渐下降，导致这种结果是因为随着厚度的变化，芯片与热沉的接触面积增大，从而热流的扩散区域扩大，但是，从图3拟合曲线可看出，随着厚度D增大的同时，这种散热的效果也在逐渐的降低；最后，考虑到热膨胀系数匹配问题，通过引入导热性能良好的金刚石膜与石墨烯膜，设计了一种较为理想的复式散热结构，相比于之前芯片温度降低了3.82℃，达到更好地散热效果，对实际封装材料的选取具有一定的参考意义。

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Thermal Characteristic Simulation and Analysis of Semiconductor Laser Based on C-mount

HAN Li，XU Li，LI Yang，ZOU Yonggang，MA Xiaohui，XU Yingtian，JIN Liang，ZHANG He
（State Key Laboratory of High Power Semiconductor Lasers，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）

This paper analyzed the theory of thermal characteristics of semiconductor laser and established the physical model of heat dissipation of semiconductor laser of C-mount packaging.Using finite element software of ANSYS to simulated thermal characteristic of semiconductor laser in steady-state，analyzed two methods of modeling including modeling of ANSYS self and external introduction，and discovered the former is more accurate.By changing the thickness of heat sink of C-mount，the article obtained the regulation of chip temperature，analyzed the cause from the perspective of heat flow.In the end，a kind of compound heat dissipation structure is designed by introducing the diamond film and the graphene film with good thermal conductivity.

semiconductor laser；C-mount；ANSYS；graphene；diamond

TN305.94

A

1672-9870（2016）03-0027-05

2016-01-09

吉林省科技计划重点项目（20140204028GX，20150204068GX）；长春理工大学青年科学基金（XQNJJ-2014-15）

韩立（1990-），男，硕士研究生，E-mail：565533321@qq.com

张贺（1985-），男，博士，助理研究员，E-mail：zhhe920@sina.com