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...