传导冷却型高功率半导体激光器阵列热力学行为研究.doc

传导冷却型高功率半导体激光器阵列热力学行为研究半导体激光器因其优越的性能和可靠性,在显示技术、材料加工、泵浦、医疗、国防军事等领域有着广泛的应用。由于存在不可避免的非辐射复合和吸收等原因,大量能量转换成热能,导致结温升高。同时,由于材料之间的热膨胀系数(CTE)不匹配,半导体激光器内部将在两者的共同作用下产生热应力。热和热应力已经成为严重影响高功率半导体激光器的寿命、稳定性和可靠性的关键因素。为了获得性能更稳定、可靠性更好的产品、扩大半导体激光器的应用领域,亟需对高功率半导体激光器的热力学行为进行深入的研究。本论文第一章首先总结了半导体激光器的技术原理和研究现状。在第二章中,介绍了常用的传导冷却型半导体激光器芯片材料、外延层材料和封装材料,并着重介绍了In焊料和AuSn焊料的属性及其对应的传导冷却型半导体激光器封装结构。第三章中,采用解析方法和有限元方法,分别对In焊料封装传导冷却型高功率半导体激光器进行了建模及分析。首先,基于双金属片模型和弹性力学理论,建立了简化的In焊料封装的半导体激光器解析模型,包括芯片、焊料层和热沉。计算了简化模型在实际的回流条件和工作条件下的正应力、切应力和近场非线性效应(smile),进而获得了材料属性、工艺参数和热力学参数之间的理论关系式。然后,采用有限元方法,模拟计算了In焊料封装结构在其回流过程和工作工程中产生的正应力、切应力、变形和smile。之后,将获得的有限元模拟结果和解析计算结果进行了对比,分析了二者计算结果的异同及原因。最后,建立了AuSn焊料封装结构的有限元模型,模拟计算了其热力学行为参数,并与In焊料封装器件的热力学行为结果进行了对比,讨论了回流产生的剩余应力和变形对两种器件在工作条件下的热力学行为的影响,分析了不同焊料材料对器件封装的热力学影响。第四章结合实验和有限元分析结果,对器件smile的产生机理及热沉温度对In焊料封装器件smile的影响进行了研究。结果显示,随着热沉温度升高,“smile”逐渐增大,实验结果与模拟结果趋势一致。