半导体激光器封装中热应力和变形的分析

半导体激光器封装中热应力和变形的分析 2008 年8 月26 日 13:29 王辉 （中国电子科技集团公司第十三研究所，石家庄050051） 0 引言 半导体激光器具有体积小、重量轻、效率高、寿命长、易于调制及价格低廉等诸多优点，在工业、医学和军事领域得到了广泛的应用。半导体激光器工作中会产生大量废热，为了良好散热，常将芯片焊接到具有高导热率的金属热沉上。由于激光器管芯和热沉的热膨胀系数不一致，温度变化将导致热应力的产生和激光器芯片翘曲变形，若热应力过大甚至会造成结合层开裂、管芯断裂等问题，严重影响了器件的可靠性和寿命，热应力和变形问题已成为制约半导体激光器发展的关键问题。因此，有必要对半导体激光器进行热应力分析，研究减小激光器的热应力和翘曲变形的方法。 试验分析热应力和变形的方法主要有应变计法、莫尔法、热光弹性法、X 射线衍射法、中子衍射法等［１］。通过实验分析热应力，方法复杂、设备昂贵、费时费力、准确度低，所以有不少关于采用软件方法模拟和分析热应力的文献报道，但对半导体激光器的热应力进行分析的文献很少［２-５］。本文采用有限元软件 ANSYS 对半导体激光器进行了热应力模拟，分析了焊料和热沉对激光器热应力和变形的影响。半导体激光器体积小、结构复杂，热应力和变形测试困难，因此，采用观测经准直和聚焦的激光器发光区图像弯曲程度的方法，对比了不同封装方法的激光器变形大小。 １ 激光器热分析 １.１ 激光器热应力模拟 半导体激光器的整体结构如图１所示，芯片通过焊料焊接到热沉上。激光器各层热膨胀系数不一致，温度变化将导致热应力和变形的产生。目前半导体激光器封装中一般采用In 焊料、SnPb 焊料和 AuSn 焊料。因此本文采用有限元软件 ANSYS，对 SnPb 焊料Cu 热沉、In 焊料Cu 热沉、AuSn 焊料WCu 热沉，三种焊料焊接激光器管芯的情况分别进行了热模拟。为了便于处理，模拟中采取了一些近似：材料的膨胀系数等特性参数不随温度变化；只考虑退火导致的热应力，认为激光器在焊料熔点以上时无热应力；退火时激光器各部位冷却速率相同，忽略热容、相变等因素影响。 采用有限元软件 ANSYS 模拟的主要步骤如下：选择分析类型为结构分析，按照激光器的结构建立相应的几何模型，粘合各层为一个整体，压缩各层编号，输入所需材料的特性参数，材料参数如表１所示，其中Ｅ 为弹性模量，ｖ为泊松比，α１为线膨胀系数。选定各层的材料和单元类型，采用映射方式...