| 학회 | 한국재료학회 |
| 학술대회 | 2007년 봄 (05/10 ~ 05/11, 무주리조트) |
| 권호 | 13권 1호 |
| 발표분야 | 반도체재료 |
| 제목 | GaN-based 레이저 다이오드 패키지의 열 천이 분석과 열적 모델링 |
| 초록 | 청색계열의 고품위 GaN 박막이 개발되면서 이를 사용한 고품위 Laser diode (LD)는 데이터 저장과 광통신 시스템에 매우 중요한 소자로 연구 되고 있다. 최근 LD의 파워향상과 소형시스템에 적용하기 위하여 LD chip에서 발생하는 열은 광 패키지에서 매우 중요한 연구 대상이 되고 있다. 특히 매우 낮은 열전도도를 지닌 사파이어 기판을 사용하는 GaN LD에서 생성된 열은 레이저 파장 및 광 출력에 영향을 주어 소자의 신뢰성에 큰 영향을 미치고 있는 실정이다. 본 연구에서는 주변 온도와 die attaching 물질, 냉각 조건에 따른 GaN-based laser diode package의 열 특성을 보고할 것이다. 또한, 모델링 부분을 첨가하여 측정과 모델링에 의한 열 분석 결과를 비교•분석하여 패키지 디자인에 필요한 최적화 요소를 제시하고자 하였다. 소자의 정확한 열 거동 측정을 위해서 열 천이(Thermal Transient) 법을 사용하였으며, 유한 체적법(Finite Volume Method)을 사용하여 열적 모델링을 실시하였다. 연구에 사용된 LD샘플은 사파이어 기판 위에 형성된 GaN stripe 구조로 제작된 LD이며 TO 패키지에 장착하여 LD chip으로부터 package까지의 각 패키지 구조를 통과하는 열 저항을 분석하였다. 주변의 온도가 0 ℃에서 50 ℃로 증가한 경우 열 저항은 측정에서 21.7 K/W에서 27.8 K/W로 6.8 K/W 증가하였다. 이는 LD package 구성 물질들은 온도가 증가함에 따라 열전도도가 감소하는 특성을 지녀 주변 온도가 증가함에 따라 소자의 열 저항이 증가된 것으로 분석된다. 또, die attaching 물질로 AuSn(59 W/mK)을 사용하였을 때와 SnAg(78 W/mK)를 사용하였을 때 측정을 통한 열 저항은 각각 25.6 K/W와 21.4 K/W로 나타났다. 또, 모델링에서도 SnAg의 경우가 열 저항이 더 작게 나타났는데 패키지 구성 물질의 열 전도도 증가에 의한 열 저항 감소로 보여진다. 강제냉각의 경우 인가파워에 따라 열 저항이 대체로 일정하였으나 자연냉각의 경우 온도에 따른 대류 열 전달 계수의 큰 변화로 인해 열 저항은 큰 변화폭을 보였다. 따라서, 열전소자를 이용한 항온 챔버의 강제냉각과 still air box의 자연냉각 환경에서 인입 파워 증가에 따른 LD TO 패키지 heat path 구조 및 열 거동은 냉각환경에 따라 대류 열 전달 계수 및 열전도도에 의존되는 비율이 다르게 분석되었다. 이는 사용 환경에 따른 패키지의 방열 설계로부터 패키지 열 특성을 최적화 시킬 수 있음을 보여주는 것이다. |
| 저자 | 최종화, 신무환 |
| 소속 | 명지대 |
| 키워드 | GaN-based 레이저 다이오드; 열 천이 법; 유한 체적법 |
