激光器封装

因为激光芯片材料（例如砷化镓）非常脆弱，为了保护激光芯片或任何激光器件免受任何机械和热应力损坏，激光二极管芯片一般都需要进行封装。将激光二极管芯片想象为生日蛋糕，封装支架是用于将生日蛋糕装在里面的蛋糕盒。

此外，由于烟雾、灰尘或油会立即或永久损坏激光器，密封封装可防止灰尘或其他污染物进入激光器。最重要的是，随着技术的进步，高功率二极管激光器的出现需要复杂的封装设计，以帮助释放运行过程中通过底座和散热器散发的热量。通常，激光芯片安装在具有与芯片的CTE（热膨胀系数）相匹配的材料底座上。底座用作散热器，进一步安装在TEC（热电冷却器）上以实现快速传热。然后将整个组件安装到纯铜或铜/钨散热器上，以实现进一步散热和冷却，如下所示。

图1：激光器封装中底板的集成

高功率激光二极管或激光设备以大约10%-50%的效率将电能转换为光能。其余的都转变为废热，必须在短时间内散发出去，否则对激光二极管会产生热应力，最终对激光器造成不可逆的损坏。低效的冷却封装设计会导致产品质量不佳，因为器件核心的温度对输出波长和带隙有直接影响。实际情况证明，每3℃的变化，二极管激光器的波长可以变化近1nm。激光器的输出功率也会随着温度的升高而降低。

为了帮助散热，激光二极管封装的传统方法是将激光芯片焊接到散热器上，该散热器由铜制成，其导热性高，散热快。传统上，因为铜的热膨胀系数与激光材料的匹配度不够好，将散热器与激光材料砷化镓(GaAs)结合的焊料一般是软铟焊料。铟比铜具有更高的延展性，为连续波(CW)和准连续波(QCW)提供更高的可靠性。然而，激光器操作中重复的开关循环/硬脉冲会引起机械应力，从而导致材料开裂/铟迁移，导致故障。这种现象发生在直接二极管激光器和二极管泵浦固态激光器中。通常，低功率激光器的寿命更长。高功率激光器的故障率更高，因为在芯片和散热器之间有更大的接触面，散热器的热膨胀不匹配的情况更明显。随着技术的日益先进，许多激光器研发公司已经开发出更复杂的高功率和高性能二极管激光器阵列。超过900W+的CW和QCW功率已在不同的激光公司出现，例如Princeton Optronics。然而，这些激光巴条的安装在热传导、电阻、膨胀等方面的性能仍然没有太大变化。虽然导热率更高的铜散热器底座提供了一种具有成本效益的解决方案，但与激光材料不匹配的热膨胀率仍然是一个问题，并且随着设备开始产生更多热量，这个问题将被放大。其原因是由于铜的材料特性，随着温度的升高，它往往会膨胀，从而对激光二极管造成机械应力。显然，纯铜散热器无法再将这些产品保持在热膨胀容限内。使用钨铜作为底座和散热器与纯铜相比，钨铜提供低得多的热膨胀率，同时保持必要的热传导率。钨铜是一种铜和钨合金，通常由其重量的10%至50%的铜组成，其余部分由钨制成。钨含量越高，其热膨胀率越低。带有金/锡焊料的铜/钨散热器底座是一种非常具有成本效益的方法，它提供了与硅陶瓷和砷化镓材料（用于制造半导体电路以及高功率和低功率电路）相匹配的良好导热性和热膨胀性。下图为来自coherent.com的对比图。很明显，您可以看到钨铜显著提高了激光芯片在工作过程中的使用寿命。

图2：如上图所示，在QCW/Pulse激光器操作中，寿命严重降低，而使用由CuW制成的改进的基板，寿命显著提高，如下图所示。

当前增加芯片尺寸和功耗要求的趋势，使CuW成为激光二极管封装的理想材料。此外，传统的CuW散热器底座提供180-230W/mK的热导率和6.5-9.0ppm/℃的热膨胀系数匹配激光二极管芯片。通过有限边值法和功能梯度材料等新改进的解决方案，钨铜的热导率可以提高到320W/mK左右。所有这些热管理解决方案都可以使用钨铜来实现，因为钨铜是一种常见的、容易获得的材料。在大功率二极管阵列中使用钨铜作为底座和散热器近年来，高功率半导体激光器技术发展迅速，但封装技术仍是制约高功率半导体激光器发展的瓶颈。除了在单发射器激光器封装应用中使用CuW底座外，通过将多个单发射器组合成一个阵列，钨铜也是高功率二极管激光器的热管理解决方案。这些高功率二极管阵列适用于工业、商业、军事和医疗应用以及材料加工应用（如焊接、切割和表面处理）的固态激光系统的泵浦。下图是单个发射器和发射器阵列的图片对比：

图3：二极管激光巴条的图像，由单个底座上的多个单个发射器组成。图源/www.Coherent.com

显然，该阵列是多个单激光二极管的组合，因此会产生更多的功率和热量。此外，从近场发射的多束光束，其线性度（“微笑曲线”）是确定二极管激光器与光纤或光学透镜之间的整体耦合效率的重要参数。近场线性度很大程度上取决于芯片和键合材料之间的CTE失配程度。简而言之，激光器阵列的性能和寿命很大程度上取决于激光器封装的热管理。为了实现高效率和高功率，散热器底座必须具有以非常快的速度传递热量的能力，同时与芯片材料保持相对接近的热膨胀率。钨铜通常用于这种情况，因为它具有高导热性，能够与裸片材料（GaAs）进行良好的CTE匹配，以及充当P侧电极的电活性特性。CuW底座通常与纯铜或热电冷却器结合，以实现进一步散热。不同底座材料（CuW与AlN和BeO）的比较：通常，CuW、AlN和BeO用作封装激光二极管的底座。CuW是金属复合材料，而AlN和BeO是陶瓷；它们有不同的用途。CuW复合材料通常用于散热目的，而AlN和BeO是用于电绝缘目的的介电材料。下面是一张对比表，显示了每种材料选择的优劣。

表1：不同底座材料（CuW与AlN和BeO）的比较

*AlN由于陶瓷材料的特性，适用于高频微波应用，有助于最大限度地减少信号失真和干扰。CTE（热膨胀系数）在确定二极管激光器产品的整体性能和老化时间方面起着重要作用。由于温度升高，材料尺寸会膨胀。轻微的CTE不匹配可能会导致“微笑曲线”，从而导致激光器性能不佳。“微笑曲线”是发射器近场的非线性表现。下图是典型的良好二极管激光器阵列图像和具有各种“微笑曲线”的二极管激光器阵列图像进行对比。

图4：左图显示了良好二极管激光器阵列的“微笑曲线”，而右图是由于二极管激光器阵列和键合底座/散热器之间的CTE不匹配而导致的各种“微笑曲线”示例。

键合材料之间的CTE高度不匹配可能导致激光芯片在烧结或钎焊期间破裂。为防止发生此类灾难，键合层应始终具有与激光芯片紧密匹配的CTE。良好的热管理有助于设备保持可靠和稳定。

结论：

随着更高功率激光二极管器件的出现，对二极管激光器安装的要求也随之增加。由于当前开发更高功率二极管激光器的技术趋势，安装底座或散热器对二极管激光器系统的性能有重大影响。以前使用的材料不能满足当今二极管激光器的热管理要求。钨铜为将电子材料与外部环境隔离提供了高可靠性，并为安装和集成高功率激光二极管器件提供了改进的导热性。

附录

对连续波(CW)和准连续波（Quasi-CW）的定义

1.CW——激光器被连续泵浦并连续发射光。发射可以以单模或多模的模式。2.QCW——在连续模式中，一些激光器对增益介质产生过多的热量。可以通过准连续模式减少热量，泵浦源仅在有限的时间间隔内开启。激光器的准连续模式意味着泵浦源仅在特定的时间间隔内开启，该时间间隔足够短以显着降低热效应，但仍足够长以使激光过程达到光学稳定态。

占空比可以是几个百分点，从而大大降低了发热和所有相关的热效应，例如热透镜效应和过热造成的损坏。因此，准连续工作允许以较低的平均功率下以较高的输出峰值功率运行。
准连续波操作最常适用于二极管巴条和二极管堆叠中。它们的冷却装置专为较小的热负荷而设计，并且发射器可以更紧密地封装以获得更高的亮度和光束质量。与普通的连续波操作相比，准连续波操作可能会导致额外的寿命问题，例如更高的光峰强度或频繁的温度变化。

原文来源：www.torreyhillstech.com