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从氮化铝陶瓷到金刚石热沉,VCSEL有了更好的选择?

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        众所周知,激光雷达跟传感器的结构相似,是由发射器,接收器,数据处理器三部分构成。其中发射器是激光雷达的重要组成部分。根据近几年全球数据显示,半导体激光器大火的要数VCSEL激光发射器。

        VCSEL激光器全称为垂直腔面发射激光器,是半导体激光器的一种,当前以砷化镓半导体为基础材料的VCSEL居多,发射波长主要为近红外波段。顾名思义,VCSEL是一种垂直于衬底面射出激光的激光器,有区别于传统的边发射半导体激光器。其可以在衬底上多个方向上排列多个激光器,从而形成并行光源或者面阵光源。

        自2017年VCSEL成功应用于Iphon手机人脸识别模组,开始大规模受到关注。同时由于功率提升在激光雷达,安防照明等中长距领域也开始得到应用。

       相比固体激光器、光纤激光器等技术,VCSEL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,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。

       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。

       芯片与过渡热沉的热膨胀系数失配产生热应力,热应力会影响半导体激光器输出功率、光谱宽度、可靠性等,因此需选用与激光器芯片热膨胀系数匹配的热沉材料。

       考虑到以上因素,氮化铝、氧化铝、金刚石等热沉材料应运而生,他们的应用可提升散热能力,减少热阻,提高激光器输出功率,延长激光器寿命。

        VCSEL封装是需要把透镜架设到芯片上方,即基板是需要做成三维腔室,而斯利通陶瓷电路板不仅可以做出平面电路板更是可以做出三维电路板——围坝产品,其材质均为无机陶瓷材料,热膨胀系数匹配,制备过程中不会出现脱层、翘曲等现象。

(图片来源网络)

       VCSEL的功率密度很高,芯片与过渡热沉的热膨胀系数失配产生热应力,热应力会影响半导体激光器输出功率、光谱宽度、可靠性等,因此需选用与激光器芯片热膨胀系数匹配的热沉材料。芯片材料为砷化镓,热膨胀系数为 4.5×10-6/K,氮化铝热沉热膨胀系数为 4.1~4.5×10-6/K;金刚石1.0~4.5×10-6/K。陶瓷基板具有与VCSEL高匹配的热膨胀系数,从而解决则芯片和基板热膨胀失配导致的应力问题。

      部分应用领域过度热沉需用到金刚石,其热导率可达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;但相比于金刚石热沉,使用氮化铝热沉封装芯片的热失配度更低(基于热膨胀参数等数据)。因此采用金刚石热沉作为过渡热沉封装激光器时,对焊料有一定要求,一定要选择合适的焊料以减小热失配引入的热应力。所以目前市场上过度热沉主要还是以氮化铝为主。但是相信在配套焊料不但提高升级的过程中,金刚石会和氮化铝一样作为过度热沉一定会成为未来的趋势。

        

 

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