可调谐半导体激光器封装的热特性和热应力的分析与优化

来源 :桂林电子科技大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:hermes262
下载到本地 , 更方便阅读
声明 : 本文档内容版权归属内容提供方 , 如果您对本文有版权争议 , 可与客服联系进行内容授权或下架
论文部分内容阅读
半导体激光器在工业、医学、航空航天、雷达、测量与检测等领域有广泛的应用。但是,半导体激光器依旧存在许多问题和挑战。半导体激光器的电光转换效率为70%左右,在工作中会产生大量的热,使得半导体激光器芯片温度上升。半导体激光器温度升高会导致其中心波长发生偏移,谱宽的展宽,输出功率降低以及可靠性下降等问题。此外,由于激光器芯片与焊料、热沉的热膨胀系数不匹配,半导体激光器内部存在较大的热应力,导致半导体激光器芯片出现翘曲变形、粘接层开裂、疲劳断裂等一系列问题。为了提高半导体激光器的散热性能,完善其热管理,实现半导体激光器高热稳定性,提高半导体激光器可靠性。本文研究不同封装结构、材料类型等参数对可调谐半导体激光器散热性能的影响,系统性分析可调谐半导体激光器在不同条件下的热特性以及热应力,揭示不同参数与可调谐半导体激光器热性能的内在联系,确定影响可调谐半导体激光器热性能的关键参数,通过正交实验的方法对关键参数进行优化,实现可调谐半导体激光器散热性能和机械性能最优化。本文主要研究工作和研究结果如下:(1)基于可调谐半导体激光器的封装结构,对可调谐半导体激光器封装结构进行简化并建立数值仿真模型;对可调谐半导体激光器的温度特性进行了归纳总结分析。基于可调谐半导体激光器仿真模型对热电制冷器(TEC)、环境温度、产热功率等参数对可调谐半导体激光器热性能的影响。研究发现TEC控温模块可以明显降低可调谐半导体激光器的结温;并且当环境温度在-5℃~+75℃之间,可调谐半导体激光器可以保持稳定。此外,可调谐半导体激光器的热耗对控温的影响较大,通过降低可调谐半导体激光器的热耗,可以实现可调谐半导体激光器性能高稳定性。(2)建立可调谐半导体激光器封装结构残余热应力分析模型,深入研究分析可调谐半导体激光器封装结构内部的残余热应力产生机理。为了优化可调谐半导体激光器散热路径,本文分别研究了纳米银焊膏、铟(In)焊料和锡金(Au Sn)焊料在半导体激光中的应用性能。研究结果表明,Au Sn焊料的残余热应力和翘曲变形最大,但其可以获得贴片的完整性;纳米银焊膏可以获得较低的可调谐半导体激光器LD结温,尤其是针对更大功率的可调谐半导体激光器;In焊料则可以获得较低的可调谐半导体激光器的残余热应力和翘曲变形。此外,纳米银焊膏在可调谐半导体激光器中具有巨大的应用潜力,烧结工艺对其性能表现有较大影响,本文对不同纳米银烧结工艺在可调谐半导体激光器应的用性能进行分析研究。研究结果表明,不同的辅助压力对纳米银焊膏在可调谐半导体激光器中的性能表现有较大的影响;辅助压力在1~40MPa范围时,可调谐半导体激光器残余残余热应力先减小后增大,并在辅助压力为10MPa时,可调谐半导体激光器的最大残余应力达到最小值,其最小值为14.60MPa。此外,随着辅助压力增加,其翘曲变形也随之增加。(3)基于可调谐半导体激光器封装结构数值仿真模型,探究不同封装结构和焊料选择与可调谐半导体激光器热特性间的联系;分别研究了三种焊料类型、不同焊料厚度、不同热沉尺寸对可调谐半导体激光器激光二极管(LD)结温的影响,提取关键参数进行优化,获得最佳可调谐半导体激光器结构设计参数。研究结果表明,纳米银焊膏封装的可调谐半导体激光器LD的结温最低,比Au Sn焊料封装的LD结温降低了0.26℃,尤其针对稍大功率的可调谐半导体激光器,纳米银焊膏散热效果越明显;焊料厚度越薄,LD的结温越低;热沉的长度对可调谐半导体激光器LD的结温几乎没有影响,热沉的宽度影响最大。本文通过正交实验的方法获得最佳可调谐半导体激光器封装结构参数,与现有可调谐半导体激光器封装结构相比,可调谐半导体激光器结温降低5.2%,具体温度为26.23℃。基于可调谐半导体激光器封装结构的最优设计,可以实现可调谐半导体激光器工作过程中的高热稳定性。
其他文献
为了响应国家节能减排放和可持续发展的政策,汽车轻量化技术已经成为新时期现代科学家的研究重点。其中,在汽车车身采用钢铝焊接结构代替全钢结构是实现汽车轻量化的重要途径之一。由于钢铝在焊接过程中容易生成脆性Fe-Al金属间化合物,导致焊接接头强度降低,因此,抑制Fe-Al金属间化合物的生成、降低Fe-Al金属间化合物的厚度是提高接头强度的关键。本文对1mm厚的DP600双相钢和1mm厚的6061铝合金进
能源是人类社会赖以生存和发展的重要物质基础,随着科学技术的发展,能源使用问题已经成为影响社会发展的重要因素,而太阳能作为所有能源中储量最大、最丰富的可再生能源,如何更高效地将其利用起来至关重要。直接型太阳能蒸气产生(DSSG)是一种利用太阳能从温度低于沸点的水产生蒸气气的技术,为解决能源和淡水危机提供了一个非常有前景的解决方案。太阳能光热转化技术在生产淡水、脱盐、废水处理、和水电热电等方面的潜在应
纳米材料因为其优异的物理化学性能引起了众多研究工作者的注意,而贵金属纳米材料的制备方法及相关性质研究则是其中热点之一。本文首先采用化学共还原方法,以硼氢化钠为还原剂在柠檬酸钠稳定剂的作用下还原Au、Cu前驱体溶液,并结合St(?)ber方法制备Au-Cu@Si O2纳米颗粒,通过透射电镜、差示扫描量热仪表征获得纳米合金粒径和相变温度;然后,基于纯元素纳米颗粒热力学性质,通过理论模型计算得到纳米合金
镍基合金因优异的综合性能而被广泛用于航空发动机的热端关键部件。随着航天航空领域高推重比、高流量比发动机的推陈出新,涡轮进口温度不断提高,这就对所使用的Inconel718合金性能提出了更高要求。然而,Inconel718合金含有多种活泼元素,其表面在高温下更容易发生氧化。为保障设备长期稳定运行以及新型航空航天发动机的持续发展,提高Inconel718的耐高温、抗氧化、耐腐蚀性能尤为重要。本文采用电
跨介质成像中水-空气界面的随机波动会使得进入相机成像面的光线的相对位置发生变化,表现在图像上就是图像出现畸形、扭曲,这会导致成像目标无法辨认,阻碍了对成像目标进一步的研究和探索。由于水面的波动没有规律可循,所以图像的畸形也是随机、不规律的,跨介质成像恢复非常具有挑战性。跨介质成像恢复技术研究不仅对水下环境探测效果有着关键的影响,并且该技术的发展还能够增强国家对领海的控制能力,因此开展对跨介质成像恢
学位
基于结构轻量化和一体化的管材液压胀形技术(Tube Hydroforming)如今正广泛应用于各个领域,该技术是以管材为毛坯,在液体压力和轴向载荷的联合作用下,将管材胀形为所需形状,但因其必须依赖高压液压源和相应的控制系统,存在制造成本较高、工作效率不足等缺点。冲击液压胀形(Liquid Impact Forming)是在冲击载荷和液压力联合作用下的管材胀形新技术,通过冲击载荷改变管材型腔体积,从
随着石油资源的严重消耗、环境恶化的形势逐渐严重,人们亟需一个安全、低碳的环境及能源体系。目前纯电动汽车已成为发展低排放和节能汽车最具前景的替代品之一。纯电动汽车虽然具有节能环保的巨大优势,但续驶里程不足的问题严重制约了其快速发展与应用。为解决电动汽车能量利用不充分的问题,对其再生制动控制方法进行研究,有利于提高汽车的能量利用率,进而有效延长汽车的续驶里程。本文围绕纯电动汽车制动能量回馈技术,对前驱
视频监控是目前主要的安防手段之一,利用视频片段和图片进行精准人脸识别在安保、刑侦等领域有重要作用和意义。在此应用场景下,由于人脸图像通常是在非配合的情况下获得,因此往往存在姿态偏差,模糊和遮挡等问题,导致现有的人脸识别算法失效,识别准确率严重下滑,无法直接应用。因此,研究视频监控的人脸识别方法,既可作为已有人脸识别方案的重要补充,又拓展了人脸识别的应用范围,具有重要研究意义。本文面向视频监控非配合
学位