半導体レーザーパッケージング技術

1.技術紹介

半導体レーザーパッケージング技術は、主にディスクリートデバイスパッケージング技術に基づいて開発および進化していますが、非常に特殊です。 一般に、ディスクリートデバイスのダイはパッケージに密封されています。 パッケージの主な機能は、ダイを保護し、電気的相互接続を完了することです。 半導体レーザーパッケージングは​​、電気信号の出力を完了し、ダイの通常の動作を保護し、出力：可視光機能、設計および技術要件の電気的パラメーターと光学的パラメーターの両方であり、ディスクリートデバイスのパッケージングを単純に使用することは不可能です半導体レーザー用。

2発光部

半導体レーザーのコア発光部分は、p型とn型の半導体で構成されたPN接合コアです。 PN接合に注入された少数キャリアが多数キャリアと組み合わされると、可視光、紫外線、または近赤外光を放出します。 ただし、PN接合領域から放出される光子は無指向性です。つまり、すべての方向に放出される確率は同じです。 したがって、ダイによって生成されたすべての光を放出できるわけではありません。これは主に、半導体材料の品質、ダイの構造と形状、内部構造とパッケージング材料に依存します。 このアプリケーションでは、半導体レーザーの内部および外部の量子効率を改善する必要があります。 通常のΦ5mm半導体レーザーパッケージは、リードフレームに一辺の長さが0。25mmの正方形のチューブコアを接着または焼結します。 チューブコアの正極は球形の接点を介して金線と結合され、内部リードを1つのピンに接続し、負極は反射カップを介してリードフレームのもう一方のピンに接続され、次にその上部に接続されます。エポキシ樹脂でカプセル化されています。 反射カップの機能は、チューブコアの側面と界面から放射される光を集めて、希望の方向角度に放射することです。 上部にカプセル化されたエポキシ樹脂は、いくつかの機能を備えた特定の形状に作られています。外部からの侵食からパイプコアを保護します。 さまざまな形状と材料特性（分散剤の有無にかかわらず）を採用し、レンズまたは拡散レンズとして機能し、光の発散角を制御します。 管心の屈折率と空気の屈折率との相関が大きすぎるため、管心内の全反射の臨界角は非常に小さい。 活性層によって生成された光のごく一部だけが取り出され、そのほとんどは、チューブコア内の多重反射によって吸収されやすく、過度の光損失を引き起こしやすい。 対応する屈折率を持つエポキシ樹脂が、チューブコアの発光効率を改善するための遷移として選択されます。 パイプシェルを形成するために使用されるエポキシ樹脂は、耐湿性、絶縁性、機械的強度、高屈折率、およびパイプコアに放出される光の透過率を備えている必要があります。 屈折率の異なるパッケージ材料を選択した場合、フォトンエスケープ効率に対するパッケージ形状の影響は異なります。 光度の角度分布は、ダイの構造、光出力モード、パッケージングレンズの材質と形状にも関係しています。 先の尖った樹脂レンズを使用すると、光を半導体レーザーの軸方向に集中させることができ、対応する視野角が小さくなります。 上部の樹脂レンズが円形または平面の場合、対応する視野角が大きくなります。

3駆動電流

一般に、半導体レーザーの発光波長は、温度によって0。2-0 .3nm /度と変化し、スペクトル幅が大きくなり、色の明るさに影響します。 さらに、順方向電流がPN接合を流れると、加熱損失により接合領域の温度が上昇します。 室温付近では、半導体レーザーの光度は、温度が1度上昇するごとに約1％減少し、熱をパッケージ化して放散します。 色の純度と光度を維持することは非常に重要です。 これまで、接合部温度を下げるために駆動電流を下げる方法がよく使われていました。 ほとんどの半導体レーザーの駆動電流は約20mAに制限されています。 ただし、半導体レーザーの光出力は、電流の増加とともに増加します。 多くのパワー半導体レーザーの駆動電流は、70mA、100mA、さらには1aに達する可能性があります。 熱特性を改善するためには、パッケージ構造、新しい半導体レーザーパッケージ設計コンセプト、低熱抵抗パッケージ構造と技術を改善する必要があります。 例えば、大面積のフリップチップ構造を採用し、熱伝導性の良い銀接着剤を選択し、金属支持体の表面積を増やし、はんだバンプのシリコンキャリアをヒートシンクに直接取り付けます。 さらに、アプリケーション設計では、PCBの熱設計と熱伝導率も非常に重要です。

21世紀に入ってから、半導体レーザーの効率、超高輝度、パンクロマティックは継続的に開発され、革新されてきました。 赤とオレンジの半導体レーザーの光効率は100im/Wに達し、緑の半導体レーザーの光効率は50lm / Wに達し、単一の半導体レーザーの光束も数十IMに達しました。 半導体レーザーチップとパッケージは、Gongの従来の設計コンセプトと製造モードに準拠しなくなりました。 チップの光出力を増加させるという点では、研究開発は、内部効率を改善するために、材料の不純物、格子欠陥、および転位の数を変更することに限定されません。 同時に、ダイとパッケージの内部構造を改善し、半導体レーザーでの光子放出の可能性を高め、光効率を改善し、放熱、光抽出、ヒートシンクの最適な設計を解決する方法、改善光学性能と表面実装のSMDプロセスの加速は、業界の研究開発の主流の方向性です。