大功率GaAs光导开关热设计技术研究

论文摘要

小型化、重复频率是脉冲功率技术目前发展的主要方向之一。光导半导体开关（Photoconductive Semiconductor Switch, PCSS）,简称光导开关,是超快脉冲激光技术和半导体技术相结合而产生的新型器件,通过触发光对半导体材料电导率的控制实现开关的导通和关断。光导开关以其高功率、高重复频率、低抖动等优点,在小型化、重复频率脉冲功率装置设计中日益受到重视。光导开关工作过程中的欧姆生热严重影响光导开关的电学性能和使用寿命,本文讨论了光导开关不同光电导方式和工作模式的热特征,指出其暗态热过程符合傅里叶热传导定律,而导通状态瞬态热过程具有很强的非傅里叶效应。为便于对热过程进行分析,可通过适当假设,有效地将光导开关的热过程进行简化。在对光导开关热过程进行简化的基础上,基于时域有限差分法（Finite Difference Time Domain method, FDTD）建立了光导开关的工程数值热学模型,使用该模型分析了各种发热机制及温度参数对光导开关电学性能的影响,对非线性模式GaAs光导开关的热传导过程进行了数值模拟。定义了光导开关临界频率为特定热边界条件下可持续运行的最高频率,研究了临界频率随电流丝位置、半径、数量、芯片尺寸、环境温度等参量变化的趋势。模拟结果表明：临界频率随电流丝半径、数量的增加,呈指数上升趋势；临界频率随着电流丝距热边界距离的增加、芯片厚度的增加,呈指数下升趋势；临界频率在某个特定温度阈值以下随环境温度的上升呈线性下降趋势。当温度达到某个特定阈值时,首次脉冲即会导致光导开关的损坏。为解决因欧姆生热导致光导开关芯片温度升高而形成的局部热点,使用硅材料设计了一种矩形微槽微通道散热器,其由散热器本体和盖板两部分组成,散热器本体上设有分流槽、矩形微槽阵列、汇流槽,盖板通过半导体刻蚀工艺形成通孔,两部分通过硅-硅键合工艺连接以形成闭合通道。分别以水和FC-40为冷却工质,实验测试了不同冷却工质流量、进口温度时微通道散热器的换热性能、温度均匀性和流体阻力,证明该微通道散热器在适中的冷却工质流量下具有较高的换热性能、较低的流体阻力和较好的温度均匀性,满足大部分重复频率大功率光导开关的散热冷却需求。设计了一种光导开关和半导体激光二极管触发光源绝缘封装结构,该结构具有由K9光学玻璃窗隔离的两个小室,分别用于放置光导开关芯片和半导体激光二极管触发光源,经外循环冷却的FC-40工质经歧管分别冷却光导开关芯片和半导体激光二极管触发光源,并充满光导开关芯片所在小室,为光导开关芯片提供绝缘保护。该种封装结构可以允许光导开关以较高重复频率运行。最后通过对光导开关的欧姆接触原理、制作方法、退化机理的讨论,针对光导开关欧姆接触性能退化提出三种假设：高温下欧姆接触区域的多层离子参杂层之间的离子互扩散可能是导致欧姆接触失效的主要原因之一；欧姆接触电极和半导体材料的热失配带来的循环热应力可能是导致欧姆接触电极剥离和脱落的主要原因之一；某些带Si3N4保护层的GaAs光导开关,在重复频率运行时Si3N4保护层的剥离和脱落是因为热失配带来的循环热应力造成的。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 脉冲功率技术简介
• 1.1.2 大功率光导开关技术研究现状
• 1.1.3 大功率光导开关热分析与热设计技术
• 1.2 论文工作概述
• 1.2.1 研究目的
• 1.2.2 研究内容
• 1.2.3 研究方法与技术路线
• 1.3 本章小结
• 第二章 大功率GaAs光导开关的生热特征
• 2.1 触发光导致光导开关温度升高及其损伤阈值
• 2.2 光导开关的暗电流欧姆生热及其研究方法
• 2.3 光导开关导通状态的欧姆生热及其研究方法
• 2.3.1 光导开关的光电导方式
• 2.3.2 光导开关的工作模式
• 2.3.3 不同光电导方式和工作模式光导开关的欧姆生热特征
• 2.3.4 导通状态时光导开关的耗散功率
• 2.3.5 光导开关导通瞬态热过程分析
• 2.4 本章小结
• 第三章 温度对光导开关电性能的影响
• 3.1 非稳态导热过程的热分析方法
• 3.1.1 集总参数分析法
• 3.1.2 热阻分析法与非稳态热阻原理
• 3.1.3 数值模拟法简介
• 3.2 温度对光导开关电性能的影响
• 3.2.1 温度对面结构光导开关电性能的影响
• 3.2.2 温度对体结构光导开关电性能的影响
• 3.3 本章小结
• 第四章 大功率光导开关的热设计
• 4.1 电子器件主要冷却方式
• 4.1.1 空气冷却系统
• 4.1.2 液体冷却系统
• 4.1.3 相变换热
• 4.2 电子器件高效冷却器件
• 4.2.1 热管散热技术
• 4.2.2 射流冲击散热技术
• 4.2.3 微通道散热技术
• 4.2.4 热电制冷技术
• 4.2.5 热电子发射制冷技术
• 4.2.6 喷雾冷却技术
• 4.3 高电场下的热设计
• 4.4 光导开关散热设计
• 4.4.1 光导开关自然对流与强迫对流换热计算
• 4.4.2 微通道散热器设计方法
• 4.4.3 硅微通道散热器设计与测试
• 4.4.4 光导开关与半导体激光二极管的一体化设计与绝缘封装
• 4.5 本章小结
• 第五章 大功率长寿命光导开关研制
• 5.1 大功率光导开关欧姆接触性能退化
• 5.1.1 欧姆接触原理和工艺
• 5.1.2 高温导致的欧姆接触性能退化
• 3N₄表面保护层的热应力疲劳破坏'>5.1.3 接触电极和Si₃N₄表面保护层的热应力疲劳破坏
• 5.2 本章小结
• 第六章 论文总结
• 6.1 论文取得的进展
• 6.2 后期需要开展的工作
• 致谢
• 参考文献