半导体激光器封装
半导体激光器 制造 封装
TO封装技术
❖ TO封装，即Transistor Outline 或者Throughhole封装技术，原来是晶体管器件常用的封装形式， 在工业技术上比较成熟。TO封装的寄生参数小、工艺 简单、成本低，使用灵活方便，因此这种结构广泛用 于 2.5Gb/s以下LED、LD、光接收器件和组件的封装。 TO管壳内部空间很小，而且只有四根引线，不可能安 装半导体致冷器。由于在封装成本上的极大优势，封 装技术的不断提高，TO封装激光器的速率已经可以达 到 10Gb/s。
半导体LD的特点及与LED区别
特点：效率高、体积小、重量轻、 可 靠 ， 结构简 单 ； 其缺点是输出功率较小。目前半导体激光器 可选择的波长主要局限在红光和红外区域。
LD 和LED的主要区别 LD发射的是受激辐射光。 LED发射的是自发辐射光。 LED的结构和LD相似，大多是采用双异质结
(DH)芯片，把有源层夹在P型和N型限制层中间， 不同的是LED不需要光学谐振腔，没有阈值。
2二次外延生长
生长：
1.低折射率层 2.腐蚀停止层 3.包层 4.帽层：接触层
DFB-LD
3一次光刻
❖ 一次光刻出双 沟图形
DFB-LD
4脊波导腐蚀
选择性腐蚀到四元 停止层
DFB-LD
5套刻
PECVD生长SiO2 自对准光刻 SiO2腐蚀
DFB-LD
6三次光刻：电极图形
DFB-LD
7欧姆接触
半导体激光器的制作工艺、 封装技术和可靠性
目录
1.半导体材料选择 2.制作工艺概述 3.DFB和VCSEL激光器芯片制造 4.耦合封装技术
1.半导体激光器材料选择
❖ 半导体激光器材料主要选 取Ⅲ-Ⅴ族化合物（二元、 三元或四元），大多为直 接带隙材料，发光器件的 覆盖波长范围从0.4μm到 10μm。
半导体激光器封装技术及封装形式
半导体激光器封装技术及封装形式半导体激光器的概念半导体激光器是用半导体材料作为工作物质的激光器，由于物质结构上的差异，不同种类产生激光的具体过程比较特殊。
常用工作物质有砷化镓（GaAs）、硫化镉（CdS）、磷化铟（InP）、硫化锌（ZnS）等。
激励方式有电注入、电子束激励和光泵浦三种形式。
半导体激光器件，可分为同质结、单异质结、双异质结等几种。
同质结激光器和单异质结激光器在室温时多为脉冲器件，而双异质结激光器室温时可实现连续工作。
半导体激光器的工作原理半导体激光器是依靠注入载流子工作的，发射激光必须具备三个基本条件：（1）要产生足够的粒子数反转分布，即高能态粒子数足够的大于处于低能态的粒子数；（2）有一个合适的谐振腔能够起到反馈作用，使受激辐射光子增生，从而产生激光震荡；（3）要满足一定的阀值条件，以使光子增益等于或大于光子的损耗。
半导体激光器工作原理是激励方式，利用半导体物质（即利用电子）在能带间跃迁发光，用半导体晶体的解理面形成两个平行反射镜面作为反射镜，组成谐振腔，使光振荡、反馈，产生光的辐射放大，输出激光。
半导体激光器优点：体积小、重量轻、运转可靠、耗电少、效率高等。
半导体激光器的封装技术一般情况下，半导体激光器的发光波长随温度变化为0.2-0.3nm/℃，光谱宽度随之增加，影响颜色鲜艳度。
另外，当正向电流流经pn结，发热性损耗使结区产生温升，在室温附近，温度每升高1℃，半导体激光器的发光强度会相应地减少1%左右，封装散热；时保持色纯度与发光强度非常重要，以往多采用减少其驱动电流的办法，降低结温，多数半导体激光器的驱动电流限制在20mA左右。
但是，半导体激光器的光输出会随电流的增大而增加，很多功率型半导体激光器的驱动电流可以达到70mA、100mA甚至1A级，需要改进封装结构，全新的半导体激光器封装设计理念和低热阻封装结构及技术，改善热特性。
例如，采用大面积芯片倒装结构，选用导。
半导体激光to封装
半导体激光to封装
半导体激光器封装是将半导体激光器芯片封装在适当的外壳中，以保护器件、
提高稳定性和可靠性、便于集成和应用的过程。
半导体激光器是一种将电能转化为光能的器件，具有高效、小尺寸、低功耗、快速调制等特点，广泛应用于通信、医疗、工业加工等领域。
半导体激光器封装的过程主要包括芯片粘合、金线焊接、外壳封装等步骤。
首先，将半导体激光器芯片通过粘合剂固定在封装底座上，确保芯片与底座之间的良好热接触，以便散热。
接着，利用金线焊接技术将芯片与封装底座之间的电连接起来，保证器件正常工作所需的电气信号传输。
最后，将整个器件封装在外壳中，通常采用金属、塑料等材料制成，以保护器件免受外界环境的影响。
半导体激光器封装的关键技术包括封装材料的选择、封装工艺的优化、封装结
构的设计等方面。
封装材料的选择应考虑到材料的导热性能、光学透过性、尺寸稳定性等因素，以确保器件工作的稳定性和可靠性。
封装工艺的优化包括粘合、焊接、封装的工艺参数控制，以确保器件封装过程中的质量和稳定性。
封装结构的设计应考虑到器件的散热、光学性能、尺寸匹配等因素，以满足器件的实际应用需求。
半导体激光器封装的发展趋势是向着封装尺寸更小、性能更稳定、集成度更高
的方向发展。
随着半导体激光器在通信、医疗、工业等领域的广泛应用，封装技术的不断创新和进步将为半导体激光器的性能提升和应用拓展提供重要支持。
因此，半导体激光器封装技术的研究和发展具有重要的意义，将进一步推动半导体激光器的发展和应用。
半导体激光to封装
半导体激光to封装
摘要：
一、半导体激光器封装的目的
二、半导体激光器的主要封装形式
三、半导体激光器芯片和封装的特点
四、半导体激光器封装技术的发展历史
五、结论
正文：
一、半导体激光器封装的目的
半导体激光器封装的主要目的是完成输出电信号，保护管芯正常工作，并输出可见光。
封装设计需要考虑电参数和光参数，因此无法简单地将分立器件的封装用于半导体激光器。
二、半导体激光器的主要封装形式
半导体激光器主要有以下几种封装形式：TO 封装、C-mount 封装、Butterfly 封装、塑料封装和陶瓷封装。
其中，LED 通常采用直径5mm 的塑料封装。
在功率较低的情况下，这种封装方式是可行的。
三、半导体激光器芯片和封装的特点
半导体激光器芯片和封装的研发方向不再局限于传统的设计理念和制造生产模式。
为了提高光输出，研发人员不仅关注改变材料内杂质数量、晶格缺陷和位错，还致力于改善管芯及封装内部结构，增强半导体激光器内部产生光子出射的几率，提高光效，解决散热、取光和热沉优化设计等问题。
四、半导体激光器封装技术的发展历史
半导体激光器封装技术的发展历史可以追溯到20 世纪70 年代。
当时，工程师开发了外部量子效率（EQE）和高功率半导体激光器。
为适应新激光器的能力，工程师开始设计更高效的封装技术，以便更好地控制激光器的温度。
随着技术的发展，各种封装技术相继出现，如晶圆片封装、TO-CAN 封装、铝氮化镓（AlGaN）LD 封装等。
五、结论
半导体激光器封装技术在提高光输出、改善光学性能、降低结温和提高热沉优化设计等方面取得了显著的进步。
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半导体激光器的结构要求
• 机械稳定性； • 电连接； • 散热问题；
以每个发光单元2W，有源区尺寸 1um×100um计算，体发热密度 2×1010W/m3。 以50%电光转换效率计算，一个典型的中等功率50W/bar，腔长 为1mm，热流密度为500W/cm2，电流密度1000A/cm2
整体结构简单、理想化的情况。
求解方法—数值解法
• 数值解法： 利用有限个离散点值的集合表征物理场 （量）的连续变化情况。
• 适用领域： 外形结构比较复杂、很难获得解析解的情 况下。
热阻概念的引入
• 热量的传递同自然界中的其它转移过程， 如电量的转移、质量的转移有着共同的规 律，可归结为： 过程中的转移量 = 过程中的动力/过程中的 阻力
Cu heat sink
PL wavelength (nm) PL wavelength (nm)
847
mounted on Cu heatsink
846
847
Mounted on expansion-matched heatsink
846
845 0
2000
4000
6000
8000
Lateral position (µm)
Intensity (A.U.) E fficiency (A .U .)
Laser power (W) Voltage (V)
热阻的实验测试
1.0
0.8
15A
55A
0.6
55A (after 30')
0.4
0.2
0.0
780
790
800
810
820
Wavelength (nm)
0.5
50
0.4
40
Bar 焊接的“Smile”效应
Bar 封装时的应力特性
• 由于bar 的GaAs衬底的热膨胀系数与热沉 热膨胀系数不一致引入应力。
半导体激光器的工作状态
• 按电流的持续时间分： 1、连续（CW） 2、准连续（QCW） 3、脉冲（pulse）
• 按电流的变化程度分： 1、连续（CW） 2、软脉冲（Soft pulse） 3、硬脉冲（Hard pulse）
• 体积小重量轻，具有致冷和加热两种功能：改变 直流电源的极性，同一致冷器可实现加热和致冷 两种功能。
无源热沉的热结构
普通水冷热沉
普通水冷热沉
牛顿冷却公式（对流散热） q=hΔt h: 表面传热系数
计算结果
Thermal resistance (K/W)
0.45
0.40
0.35
0.30
0.25
典型的封装形式
• Bar p面朝下焊接到热沉上，热沉充当正极； • 热沉根据散热量不同分为有源、无源热沉； • N面电连接采用Cu箔或金丝引线。
上电极 下电极
电流方向 发光方向
热散出方向
Bar焊接焊料的选择
• 软焊料 纯In材料具有非常好的延展性，抗疲劳性
以及抗裂纹传播率.适用于CTE与GaAs差别较 大的热沉材料与激光bar之间的焊接，例如： CVD金刚石、无氧铜和AlN等材料。 • 硬焊料
R(y z)
b
e b
2mc
2qdbsin mg b
e
m b
z
cos
m
y
2mc
b
m 1
am22 1 e
b
am22 1 e
b
I(x y z)
Ae
n
2
m
2
z
a b Be
n a
2
m b
2 z
cos
nx
cos
my
热阻与热沉长、(1) 宽的关系 热阻与热沉(2)厚度与长度的关系
半导体制冷
• 半导体致冷也叫温差电致冷是利用半导体材料的 温差电效应——即珀尔帖效应来实现致冷。把不 同极性的两种半导体材料（P型、N型），联成电 偶对，电流由N型元件流向P型元件时便吸收热量， 这个端面为冷面，电流由P型元件流向N型元件时 便放出热量，这个端面为热面。
• 斯泰藩-波尔兹曼定律（热辐射） q=ξA（T1- T2）
固体中的热传导
• 核心：目标物体温度场函数t（x.y.z)的 确定。
稳态无内热源情况下的Laplace方程
求解方法—解析函数法
• 解析函数法： 利用合理的数学语言把实际工况变换
成导热微分方程，然后利用数学物理方 法解之，得到温度场函数。 • 适用领域：
热量传递的基本方式
• 导热：物体各部分之间不发生相对位移 时依靠微观粒子热运动而产生的 热量传递。
• 对流：由于流体之间相对位移、冷热流 体相互掺混引起的热量传递。
• 热辐射：通过电磁波来传递能量的方式 称为辐射
几个基本公式
• 傅立叶定律（热传导） q= -λ(dt/dx) λ：热导率
• 牛顿冷却公式（对流散热） q=hΔt h: 表面传热系数
a b
n1 m1
2
qgasin
nd
e
2
n a
c
n z
J(x z)
a
e a
2nc
2qgasin nd a
e
n a
z
cos
n
x
2nc
a
n 1
bn22 1 e
a
bn22
1
e
a
计算结果
I
t
t
热沉尺寸：
25 257.5mm3 热流密度： 4 106W/m2 λ=398W/m﹒K
0.30
0.25
0.20
0.15 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4
Thickness of submount (mm)
0.0 0.50
Thickness of insulator (mm)
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
0.45
g=0.4mm
0.40
Submount Insulator
0.35
AuSn合金为激光bar焊接的首选硬焊料。 适用于热沉材料热膨胀系数(CTE)与GaAs差别 非常小的情况，例如：BeO热沉和CuW合金 热沉。
In 焊料的缺点
• 极限寿命为104小时左右； • 光束质量随工作时间增加而降低（In蠕变加剧Smile效
应）； • 不利于更高功率工作（连续输出功率<120W/bar）； • 工业用低占空比完全调制硬脉冲条件下工作寿命几百小时； • 控制激光bar结温≤55℃。
10000
845 0
2000
4000
6000
8000
Lateral position (µm)
10000
半导体激光器的热特性
• 阈值电流随有源区温度的指数增长； • 电光转换效率随有源区温度的指数下降； • 有源区温度增加器件寿命下降； • 腔面温度升高非辐射复合导致ＣＯＤ问题。
有源区温度控制大功率半导体激光器 应用的核心问题。
不同脉宽情况下的热效应
低占空比硬脉冲工作状态
AuSn焊料的特点
高温、高电流密度条件下稳定性好； 激光bar结温可允许达80 ℃； 寿命高达3-4万小时； 工业用低占空比完全调制硬脉冲条件下
寿命与普通工作状态寿命差别不大。
AuSn焊料的使用
新一代CTE热沉材料
Bar 内应力分布
bar facet
0.20
0.15 1
2 3 4 5 6 7 8 9 10
Volumetric flow rate (L/min)
基于普通水冷热沉的亚封装模块
Thermal resistance (K/W)
Thermal resistance (W/K)
0.55
0.50
g=0.4mm
0.45
g=0.1mm
0.40
0.35
0.3
30
0.2
20
0.1
10
0.0
0
0
2.4
2.2
2.0
1.8
1.6
1.4
1.2
1.0
10
20
30
40
50
60
Current (A)
t Rth
热阻0.34K/W
计算结果与实验结果差异分析
• Bar自身结构热阻； • 焊接界面热阻； • 微通道制备结构与理想结构差异。
背冷式微通道热沉
Temperature ( OC)
0.30 a=1.4mm
0.25
0.20 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6
Thickness of submount (mm)
普通微通道热沉
计算结果
1mm腔长bar，80W连续工作，电光转换效率60%，微 通道壁和微通道宽度均为200um时的温度分布。热阻 为0.29K/W.
56
54
52
50 h2=2mm
48
h2=1mm
46 h2=1.5mm
44 h2=0.5mm
42
40
0.000 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010
Length ( m )
背冷式微通道热沉的应用
下一代背冷式微通道散热结构
提高现有微通道热沉 散热能力30%以上
END
半导体激光单元器件
依靠自然对流散热，热阻较高， 热阻约为５Ｋ／Ｗ左右
阵列器件热沉的分类
• 无源热沉（passive heatsinks) ：
• 有源热沉（active heatsinks)：