设为首页 | 收藏本站

YYDS,金刚石热沉片才是半导体激光器终极热沉材料!

发表时间:2022-09-02 09:21作者:化合积电网址:https://www.csmc-semi.com/

相比固体激光器、光纤激光器等技术,半导体激光器的电光转换效率较高,可达40%~60%,即便如此其工作时仍会产生大量的热,如散热效果不佳以及散热不及时,则会造成芯片温度升高——直接影响半导体激光器输出功率、阈值电流密度、电光转化效率、微分量子效率、偏振度等性能,并导致半导体激光器寿命和可靠性的下降,甚至会损毁芯片。良好的散热是保障半导体激光器功率和光束质量关键因素之一。因此,解决半导体激光器的散热问题迫在眉睫。


图1 半导体激光器轮廓图




高功率半导体激光器封装对过渡热沉的要求主要体现在低热阻与低热失配两方面——过渡热沉热导率越高越能有效降低激光器热阻;与此同时还要考虑芯片与热沉热膨胀系数匹配,选择合适的烧结焊料,减少热失配,进而保证/提升激光器输出特性。

j=-k(dT/dx).   由傅立叶定律, 有:

R=h/KS

R 为热阻,h为焊料层厚度,K为热导率,S 为垂直热流方向的导热面积。在其它条件相同的情况下,激光器的热阻与热导率成反比关系,热沉材料的热导率越高,越可有效降低器件热阻。

激光器热阻可表示为Rth,根据热阻定义:耗散单位热功率引起的温升,热阻 Rth 可用如下公式表示:

式中∆T 为有源区温升, Pt 为热功率。

半导体激光器有源区温升不易测量,可通过波长漂移量∆λ 计算可得:

式中λ (T ) 为波长漂移系数。

激光器热功率Pt 的计算公式为:

式中P 为注入电功率, Pop 为激光器输出功率。

热阻Rth 可表示为:

激光器结温Tj 的计算公式为:

式中Ta 为热沉温度。




使用波长漂移法测得激光器热阻。以金刚石热沉为例:测量热沉温度分别为20℃、25℃、30℃、35℃时,10A 工作电流条件下激光器波长的变化,测试结果如下图所示,计算可得该器件的波长漂移系数为 0.308nm/℃


图2 不同温度时的波长变化曲线

热沉温度设定值为20℃时,测试并记录不同电流条件下的激光器输出功率、中心波长以及激光器工作电压,由公式

可计算出不同电流条件下的激光器热功率,进而可得出激光器中心波长与激光器热功率关系的拟合曲线,如下图所示,计算可得dλ/ dPt =0.535nm/W。


图3 波长与激光器热功率关系曲线


由公式

可得激光器的热阻为1.74℃ /W(0.535/0.308)。

由公式

计算可得激光器注入电流25A 时芯片结温为 53.94℃。

实验中使用氮化铝热沉作为过渡热沉封装同批次芯片5只,封装完成后用同种方式测试激光器热阻,可得氮化铝热沉作为过渡热沉封装的激光器热阻为 2.91℃ /W。通过数据对比可得,部分应用领域过度热沉需用到金刚石,其热导率热导率可达1000~2200W/(K·m),相比于热导率为 140~230W/(K·m)的氮化铝过渡热沉,金刚石热沉可显著提高激光器散热效果。




化合积电是一家专注于第三代(宽禁带)半导体衬底材料和器件研发和生产的高科技企业,致力于成为全球领先的宽禁带半导体材料和器件公司。我们一直秉持客户至上的理念,为客户提供至臻至善的产品和服务。目前,公司已实现金刚石和氮化铝相关产品的规模化生产,现有晶圆级金刚石Ra<1nm,金刚石热沉片热导率1000-2000W/m.k,更有GaN on diamond 、Diamond on GaN、金刚石基氮化铝等产品。并且已广泛应用于5G基站、激光器、新能源汽车、新能源光伏等领域。


热门文章
>

2022

09-23

GaN 作为第三代半导体材料, 具有更高的自发极化系数及更大的压电系数, 能承受更高的功率密度,适用于高频、 高温大功率电子器件。但随着功率器件向小型化和大功率发展,芯片有源区的热积累效应使  GaN 器件的大功率性能优势远未得到充分发挥。当器件温度上升时, 器件特性如漏源电流、增益、输出功率和寿命等会出现退化, 甚至失效。研究表明,结温每升高10 ~ 12 ℃ ,器件的寿命及可靠性会降低5...
>

2022

09-22

随着GaN(氮化镓)在高功率和高频率领域广泛应用,氮化镓功率密度已接近极限值,要提升芯片功率,兼顾降低热阻,必须要有全新的散热方案,金刚石和氮化镓结合因此备受关注。当前金刚石和氮化镓有三种主流方式:将金刚石键合到 GaN 晶片或直接键合到 HEMT 器件;在单晶或多晶金刚石衬底上生长 GaN 外延;在 GaN 的正面或背面上生长纳米晶或多晶金刚石。化合积电一直潜心攻关金刚石和氮化镓结合的核心...
>

2022

09-21

应用环境实际要求显示器需以较高的显示亮度在高温环境下保持正常工作。在工作过程中,显示器产生的高热量加剧了其内部温升。高温会导致显示器组成材料的物理性能或尺寸发生改变,也会给温度敏感元器件带来失效的风险。同时,超高亮度显示器主要通过提高LED 光源能量的方式来实现,而 LED 光源能量的提升会导致显示器内部的热能急剧增大。热量的快速积聚不仅会导致 LED 光源输出光强度减弱,甚至会引起 LED...
>

2022

09-19

高频电子设备的急剧小型化导致单个组件的局部工作温度急剧升高。金刚石具有宽带隙、高热导率、高载流子迁移率、高击穿场、高载流子饱和速度和高位移能。这些特性使金刚石成为在高温、高压、高频和高辐射等极端环境中具有巨大应用价值的优秀候选材料。金刚石的各种电子器件已经广泛开展研究,包括MOSFET、散热器、探测器、核电池和电化学应用等。目前已经开发了几种高温金刚石器件,包括场效应晶体管(FET)和肖特基...
>

2022

09-16

氮空位(NV)中心是指在金刚石中由一个替位氮原子和一个空位构成的点缺陷。NV中心有望应用于固态量子比特、高灵敏度量子传感器等领域。在量子应用中,带负电荷的NV-中心必须处于稳定状态,因为NV器件的灵敏度等参数正比于NV-中心数量。同时,如果NV中心变成中性或带正电荷 (NV0或NV+),其自旋状态将无法操控。在硼掺杂金刚石中,NV中心为NV+状态,因此很少有人研究硼掺杂金刚石的NV中心。但是...
>

2022

09-15

根据IDTechEx的报告,5G基础架构的主要挑战之一是热管理。5G天线使用更高频率,需要增加增益才能达到可接受的性能范围。另外,5G毫米波频谱在透过墙壁或窗户等物体时的传播非常差,因此需要更多的单天线单元才能提供足够的覆盖范围。较高的频率还减小了天线元件之间的间距,从而导致电子组件阵列的密度更高,它们都必须及时消散热量。随着网络中天线安装数量的增加和密度的提高,主动热管理冷却方法(例如风扇...
联系我们


E-mail:sales@csmh-semi.com Telephone:0086-13859969306
厦门总部:福建省厦门市集美区灌口大道253号
韩国分公司:3516 ho,69,Hangang-daero,Yongsan-gu, Seoul, Korea
点击这里给我发消息