Abstrakt

Dieser Übersichtsartikel bietet eine umfassende und ausführliche Diskussion über Wärmemanagement, optische Leistungssteigerung und Zuverlässigkeitsprobleme in der Halbleiterlaser-Packaging-Technologie. Durch die Synthese bestehender Literatur und Forschungsergebnisse präsentiert der Artikel eine systematische Zusammenfassung des Forschungsfortschritts und der praktischen Anwendungen der Halbleiterlaser-Packaging-Technologie in diesen Schlüsselbereichen. Im Abschnitt zum Wärmemanagement werden im Artikel verschiedene Kühlkörpertechnologien, Verpackungsstrukturen und Festkristallmaterialien untersucht, mit dem Ziel, die thermische Stabilität und Langzeitzuverlässigkeit von Halbleiterlasergeräten zu verbessern. Im Abschnitt zur optischen Leistungssteigerung beschreibt der Artikel Strahlformungstechniken und Verpackungstechnologien. Es befasst sich auch mit Zuverlässigkeitsproblemen bei der Verpackung und bespricht Schäden an optischen Spiegeln sowie Belastungen und mechanische Schäden. Ziel dieser Überprüfung ist es, Unterstützung für die Weiterentwicklung und Anwendung der Halbleiterlaser-Packaging-Technologie zu leisten, mit dem Ziel, die schnelle und gesunde Entwicklung der Laserindustrie zu fördern.

Schlüsselwörter: Halbleiterlaser, Verpackung, Wärmemanagement, optische Leistung, Zuverlässigkeitsprobleme

Deng [14] verbesserte die Vorhersage der Temperaturverteilung in Hochleistungslaserdiodenarrays (HPLDAs), indem er Experimente mit der Durchlassspannungsmethode durchführte, um das transiente Temperaturverhalten des Chips ohne beheizte Last zu messen. Darauf aufbauend wurde eine numerische Methode zur Berechnung des Wärmewiderstands mehrerer unbekannter Oberflächen entwickelt. Dieser Prozess wurde mit der COMSOL-Software durchgeführt und das Netzmodell ist in Abbildung 2 dargestellt. Die Übergangstemperatur des Chips wurde analysiert, um den Wärmewiderstand verschiedener Schichten zu bestimmen, mit dem Ziel, die Genauigkeit der Temperaturverteilungsvorhersage zu verbessern. Durch die Bewertung des Wärmewiderstands jeder Schicht wurde festgestellt, dass der erste Kühlkörper und der Chip den größten Einfluss auf den Wärmewiderstand hatten. Während der Chip in Betrieb war, war die Hitze im Inneren des Chips am stärksten, während die Umgebung vergleichsweise weniger Hitze ausgesetzt war. Daher war die Verbesserung der Wärmeableitung an der Kontaktfläche zwischen dem ersten Kühlkörper und der Mitte des Chips entscheidend, um das Problem der Temperaturdifferenz besser anzugehen. Im Experiment betrug die maximale Abweichung zwischen den numerischen Simulationsergebnissen und den tatsächlichen experimentellen Ergebnissen nur 1,3 K. Beide Forscher arbeiteten an der Messung des Wärmewiderstands, und beim Vergleich der beiden konnte Hao durch die Ableitung eines Wärmewiderstandsnetzwerks eine schnelle Temperaturvorhersage erzielen. Deng hingegen war in der Lage, den Wärmewiderstand verschiedener Schichten genauer zu ermitteln.

Mikrokanalkühlung [15, 16] ist derzeit eine neue Art der Laserkühlung. Die Mikrokanalkühlung und die herkömmliche Wasserkühlungsmethode mit großen Kanälen unterscheiden sich hauptsächlich in zwei Punkten: Erstens ist die Kanalgröße klein, was der Richtung der zukünftigen Entwicklung von Lasern entspricht. die zweite Oberflächenspannung ist größer. Und die Kühlkosten sind niedrig. Einige herkömmliche Mikrokanal-Kühlkörper sind in Abbildung 3 dargestellt. Darüber hinaus hat Deng auch einen Hybrid-Mikrokanal- und Schlitzstrahl-Array-Kühlkörper [17] entwickelt (die Kühlkörperstruktur ist in Abbildung 4 dargestellt), um die thermische Leistung von Hochleistungslaserdioden zu verbessern. In dem Experiment, bei dem die Durchlassspannungsmethode zur Messung der Chiptemperatur und die Strukturfunktionsmethode zur Berechnung des Wärmewiderstands des Kühlkörpers verwendet wurden, wurde als Kühlwasser im Kühlkörper entionisiertes Wasser ausgewählt. Der thermische Widerstand wurde im Vergleich zur herkömmlichen thermischen Lösung um mehr als 15 % reduziert.

Beni [18] wählte mithilfe der Finite-Volumen-Methode zur numerischen Simulation des Flüssigkeitsflusses und der Wärmeübertragung in Mikrokanal-Kühlkörpern in Diodenlasern mehrere verschiedene Mikrokanalgeometrien aus (die geometrischen Strukturparameter sind in Tabelle 2 aufgeführt), um die Simulationen zu wiederholen. Nehmen Sie durch den Vergleich der Flüssigkeits- und Wärmeübertragungseigenschaften geeignete geometrische Änderungen vor, um die thermische Leistungslebensdauer des Systems zu verbessern. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass der Kühlkörper mit sinusförmigen Mikrokanälen die beste thermische Leistung aufweist. Bei sinusförmiger Struktur erhöht sich die Systemlebensdauer um 44 % und der Systemdruck sinkt um 18 %.

Zhang [19] hat eine neue vertikale Kühlkörperstruktur vorgeschlagen und analysiert, wie in Abbildung 5 dargestellt, die die Wärmeableitungsleistung erheblich verbessert. Durch Finite-Elemente-Simulation wurde der Schluss gezogen, dass der Wärmewiderstand der herkömmlichen Struktur 2,0 K/W beträgt, während der Wärmewiderstand des neuen Kühlkörpers weniger als 1,6 K/W beträgt und die Verbindungstemperatur des neuen Gehäuseschemas niedriger ist. Durch diesen neuen Kühlkörper kann die Ausgangsleistung des Lasers deutlich gesteigert werden. In den frühen Stadien untersuchte Kemp [20] das Potenzial zur Leistungssteigerung von Halbleiterlasern durch den Einbau von Kühlkörpern aus Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit, darunter Diamant, Siliziumkarbid und Saphir. Li [21] verwendete Kühlkörper aus Siliziumkarbid (SiC) und Aluminiumnitrid (AlN) zur Wärmeableitung in der Verpackung von 880-nm-Halbleiterlasern

Chips mit einer Streifenbreite von 100 μm. Die Analyse des Wärmewiderstands in der Simulation der Finite-Elemente-Methode und der Wellenlängendriftmethode zeigt, dass der Wärmewiderstand unter dem SiC-Kühlkörper niedrig ist und eine höhere Ausgangsleistung aufweist, während der AlN-Kühlkörper eine schlechtere Wärmeleistung als SiC aufweist. SiC eignet sich besser für Halbleiterlaser mit hoher Helligkeit. Abbildung 6 zeigt die Struktur des Laser-COS-Pakets. Basierend auf dieser Paketstruktur wird der Kühlkörper untersucht. Yu [22] stellte einen PiGF (Phosphor-in-Glass-Film)-AS-Kühlkörper (Al2O3-Substrat) mit hoher Wärmeableitung her, indem er eine Schicht aus LSN:Ce-Leuchtstofflampenglasfilm direkt auf ein Aluminiumoxidsubstrat (Al2O3) aufbrachte. Es wird für phosphorkonvertierte weiße Laserdioden verwendet. Dem Experiment zufolge kann die Wärmeableitung die optisch-thermische Leistung und Zuverlässigkeit dieses Lasers erheblich verbessern, und die Arbeitstemperatur beträgt bei der Laseranregung von 3,18 W/mm² nur 58,3 °C.

Abbildung 3 (a) Typische Mikrokanal-Kühlkörperstruktur (b) Eine Art Mikrokanal-Kühlkörperprofil

Abbildung 4 Hybrid-Mikrokanal- und Schlitzstrahl-Array-Kühlkörperstruktur

Abbildung 5 Traditionelle und neue Strukturen

Tabelle 5 zeigt, dass Nano-Silberpasten aufgrund ihrer hervorragenden Wärmeleitfähigkeit die Betriebstemperatur der Geräte gut senken. Insbesondere im Dauerbetrieb können Laserdioden mit Nano-Silberpasten niedrigere Temperaturen aufrechterhalten, was für die Verbesserung der Stabilität und Lebensdauer der Geräte von entscheidender Bedeutung ist.

Im Gegensatz dazu schlug Yang [43] eine Intracavity-Laserstrahlformungstechnik vor (schematische Darstellung in Abbildung 18), um sowohl aus theoretischen als auch aus experimentellen Gründen einen flachen Strahl mit hoher Impulsenergie zu erhalten. Das Strahlformungssystem besteht aus einem Polarisator, einem RBE-Prisma und einem Porro-Prisma, das die Polarisationseigenschaften von Licht nutzt, um eine Phasenänderung herbeizuführen. Die durch die beiden Prismen induzierte Phasenverschiebung wird durch die Jones-Matrixformel analysiert, die sich als wirksame Methode zur Erzielung eines Strahls mit flacher Spitze von 72 mJ sowie einer hocheffizienten optischen Umwandlung erwiesen hat, wobei die Jones-Matrix von

Dieser Abschnitt bietet einen Überblick über Techniken zur Verbesserung der optischen Laserleistung, einschließlich Strahlformungstechniken und Verpackungstechniken. Es besteht kein Zweifel, dass die Entwicklung der Strahlformungstechnologie die Laserindustrie vorangebracht hat. Die Strahlqualität wurde erheblich verbessert. Die meisten der oben genannten Forschungsarbeiten basieren auf der Frage, wie Gaußsche Strahlen in Strahlen mit flacher Oberseite umgewandelt werden können, und auch mit dem Nachweis, dass Strahlen mit flacher Oberseite für Laseranwendungen sehr vielversprechend sind. Hinzu kommt die Herstellung verschiedener Linsen. Wie sich der Flat-Top-Strahl besser realisieren lässt und wie Linsen mit besserer Kollimationswirkung hergestellt werden können, bedarf kontinuierlicher Forschung. Strahlformungstechnologie bei der Realisierung dynamisch einstellbarer, intelligenter, hoher Effizienz und hoher Zuverlässigkeit sowie anderer Aspekte davon sind der zukünftige Entwicklungstrend.

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