大功率GaAs光導(dǎo)開關(guān)熱設(shè)計(jì)技術(shù)研究.pdf

1、小型化、重復(fù)頻率是脈沖功率技術(shù)目前發(fā)展的主要方向之一。光導(dǎo)半導(dǎo)體開關(guān)(Photoconductive Semiconductor Switch，PCSS)，簡(jiǎn)稱光導(dǎo)開關(guān)，是超快脈沖激光技術(shù)和半導(dǎo)體技術(shù)相結(jié)合而產(chǎn)生的新型器件，通過觸發(fā)光對(duì)半導(dǎo)體材料電導(dǎo)率的控制實(shí)現(xiàn)開關(guān)的導(dǎo)通和關(guān)斷。光導(dǎo)開關(guān)以其高功率、高重復(fù)頻率、低抖動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，在小型化、重復(fù)頻率脈沖功率裝置設(shè)計(jì)中日益受到重視。光導(dǎo)開關(guān)工作過程中的歐姆生熱嚴(yán)重影響光導(dǎo)開關(guān)的電學(xué)性能和使用壽命

2、，本文討論了光導(dǎo)開關(guān)不同光電導(dǎo)方式和工作模式的熱特征，指出其暗態(tài)熱過程符合傅里葉熱傳導(dǎo)定律，而導(dǎo)通狀態(tài)瞬態(tài)熱過程具有很強(qiáng)的非傅里葉效應(yīng)。為便于對(duì)熱過程進(jìn)行分析，可通過適當(dāng)假設(shè)，有效地將光導(dǎo)開關(guān)的熱過程進(jìn)行簡(jiǎn)化。
　　在對(duì)光導(dǎo)開關(guān)熱過程進(jìn)行簡(jiǎn)化的基礎(chǔ)上，基于時(shí)域有限差分法(Finite DifferenceTime Domain method，F(xiàn)DTD)建立了光導(dǎo)開關(guān)的工程數(shù)值熱學(xué)模型，使用該模型分析了各種發(fā)熱機(jī)制及溫度參數(shù)對(duì)光導(dǎo)開

3、關(guān)電學(xué)性能的影響，對(duì)非線性模式GaAs光導(dǎo)開關(guān)的熱傳導(dǎo)過程進(jìn)行了數(shù)值模擬。定義了光導(dǎo)開關(guān)臨界頻率為特定熱邊界條件下可持續(xù)運(yùn)行的最高頻率，研究了臨界頻率隨電流絲位置、半徑、數(shù)量、芯片尺寸、環(huán)境溫度等參量變化的趨勢(shì)。模擬結(jié)果表明:臨界頻率隨電流絲半徑、數(shù)量的增加，呈指數(shù)上升趨勢(shì);臨界頻率隨著電流絲距熱邊界距離的增加、芯片厚度的增加，呈指數(shù)下升趨勢(shì);臨界頻率在某個(gè)特定溫度閾值以下隨環(huán)境溫度的上升呈線性下降趨勢(shì)。當(dāng)溫度達(dá)到某個(gè)特定閾值時(shí)，首次脈

4、沖即會(huì)導(dǎo)致光導(dǎo)開關(guān)的損壞。
　　為解決因歐姆生熱導(dǎo)致光導(dǎo)開關(guān)芯片溫度升高而形成的局部熱點(diǎn)，使用硅材料設(shè)計(jì)了一種矩形微槽微通道散熱器，其由散熱器本體和蓋板兩部分組成，散熱器本體上設(shè)有分流槽、矩形微槽陣列、匯流槽，蓋板通過半導(dǎo)體刻蝕工藝形成通孔，兩部分通過硅-硅鍵合工藝連接以形成閉合通道。分別以水和FC-40為冷卻工質(zhì)，實(shí)驗(yàn)測(cè)試了不同冷卻工質(zhì)流量、進(jìn)口溫度時(shí)微通道散熱器的換熱性能、溫度均勻性和流體阻力，證明該微通道散熱器在適中的冷卻工

5、質(zhì)流量下具有較高的換熱性能、較低的流體阻力和較好的溫度均勻性，滿足大部分重復(fù)頻率大功率光導(dǎo)開關(guān)的散熱冷卻需求。
　　設(shè)計(jì)了一種光導(dǎo)開關(guān)和半導(dǎo)體激光二極管觸發(fā)光源絕緣封裝結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有由K9光學(xué)玻璃窗隔離的兩個(gè)小室，分別用于放置光導(dǎo)開關(guān)芯片和半導(dǎo)體激光二極管觸發(fā)光源，經(jīng)外循環(huán)冷卻的FC-40工質(zhì)經(jīng)歧管分別冷卻光導(dǎo)開關(guān)芯片和半導(dǎo)體激光二極管觸發(fā)光源，并充滿光導(dǎo)開關(guān)芯片所在小室，為光導(dǎo)開關(guān)芯片提供絕緣保護(hù)。該種封裝結(jié)構(gòu)可以允許光導(dǎo)開關(guān)

6、以較高重復(fù)頻率運(yùn)行。
　　最后通過對(duì)光導(dǎo)開關(guān)的歐姆接觸原理、制作方法、退化機(jī)理的討論，針對(duì)光導(dǎo)開關(guān)歐姆接觸性能退化提出三種假設(shè):高溫下歐姆接觸區(qū)域的多層離子參雜層之間的離子互擴(kuò)散可能是導(dǎo)致歐姆接觸失效的主要原因之一;歐姆接觸電極和半導(dǎo)體材料的熱失配帶來的循環(huán)熱應(yīng)力可能是導(dǎo)致歐姆接觸電極剝離和脫落的主要原因之一;某些帶Si3N4保護(hù)層的GaAs光導(dǎo)開關(guān)，在重復(fù)頻率運(yùn)行時(shí)Si3N4保護(hù)層的剝離和脫落是因?yàn)闊崾鋷淼难h(huán)熱應(yīng)力造成的。