8月28-30日，海特信科、深圳晶瓷、鼎华芯泰、合肥圣达、芯瓷半导体、六方钰成等激光器热沉材料厂商将参加艾邦深圳精密陶瓷展，地址：深圳国际会展中心7号馆，欢迎各位行业朋友莅临参观交流。参展联系龙小姐：18318676293（同微信）
半导体激光器具有体积小、质量轻、能耗小、易调制、可以批量化生产等众多优点，被广泛应用于工业加工、信息通信、医疗、生命科学和军事等领域。随着半导体激光器输出功率的不断提高，很大一部分电功率转换成了热功率。而半导体激光器的光学特性、输出功率以及可靠性等都与器件的工作温度有着密切的关系。因此，散热问题成了直接影响半导体激光器，特别是大功率半导体激光器性能的关键因素。
图源：炬光科技
1.半导体激光器散热原理
高功率半导体激光器散热封装方式主要有自然对流热沉冷却、微通道、电制冷和喷雾冷却等形式。其中，对于单管半导体激光器来说，自然对流热沉冷却方式易于加工和组装，是最经济、常用的冷却方式。一般采用高热导率材料做热沉，扩大自然对流散热面积来增加散热量，降低激光芯片的温度。为使激光器芯片发光的有源区更贴近热沉，减少热量传输路径便于热量更快地传输出去，现在普遍采用芯片朝下的倒装封装结构，通过铟或者金锡等焊料把半导体激光器芯片粘贴到热沉上。
半导体激光器热量绝大部分产生在芯片的有源区，通过焊料层、绝缘层、界面层传导至过渡热沉和常规热沉，常规热沉与冷却介质接触形成对流换热，将热量散出。
通过热沉材料将半导体激光器工作时产生的热量传导出去，是降低半导体激光器工作温度，保证半导体激光器的性能和可靠性的有效方法。热沉材料的选择主要考虑两个方面：
①材料要具有较高的热导率，能够将激光器工作时产生的热量及时散发出去；
②热沉材料与激光器芯片的热膨胀系数要尽可能匹配，以免激光器芯片因为热应力而损坏。
2.半导体激光器热沉材料
理想的过渡热沉材料应具有高热导率，同时能与激光器芯片的热膨胀系数相匹配。铜具有高热导率和导电性，在半导体激光器的封装中常被用作热沉，但铜的热膨胀系数与芯片的热膨胀系数相差很大，容易产生热应力，影响激光器的输出性能。在芯片和常规热沉之间加入高热导率且膨胀系数接近芯片热膨胀系数的过渡热沉，可以有效解决这一问题。常用的过渡热沉材料有氮化铝陶瓷、氧化铍陶瓷、碳化硅陶瓷、钨铜合金、碳化硅晶片、金刚石薄膜片等。
表 各种热沉材料的性能参数
①钨铜
钨铜合金是钨和铜组成既不互溶又不形成金属间化合物的两相单体均匀混合的组织，实际上是一种假合金。钨铜合金用粉末冶金方法制备而成，既有钨的低膨胀特性，又具有铜的高导热特性。其热膨胀系数和导热导电性能可以通过调整钨铜的成分而加以改变，同时又与硅片、砷化镓及陶瓷材料相匹配的热膨胀系数。早期激光器多用钨铜C-Mount结构，后面进化成钨铜巴条。
②氮化铝
氮化铝陶瓷各项性能优异，热导率高，其理论热导率可达320W/（m·K），其商用产品热导率一般为180W/（m·K）~260W/（m·K），氮化铝陶瓷热膨胀系数与激光器芯片的热膨胀系数相差不大，常被用作过渡热沉材料。
③碳化硅
SiC是一种典型的天然超晶格同质多型体，具有良好的物理及化学性能，其高硬度、高耐磨性仅次于金刚石，其理论导热率可以达到490 W/(m•K)，是硅的3倍，膨胀系数低，散热性能好，非常适合大功率器件，热稳定性高，常压下不能融化，抗腐蚀性能强，表面易与氧气发生氧化生成二氧化硅防止进一步氧化等。
④金刚石
为了起到更好的散热效果，还可采用金刚石作为铜和芯片之间的连接材料，天然金刚石材料的热导率高达2000W/(m·K)，约是铜的5倍，且热膨胀系数小。因此采用既电绝缘又高导热的金刚石作为大功率半导体激光器的热沉是比较理想的。
天然金刚石由于成本问题无法应用于半导体激光器封装，目前金刚石用作热沉材料主要有两种形式，即金刚石薄膜（CVD金刚石膜）和将金刚石与铜、铝等金属复合。但是由于金刚石的切割、表面平整抛光以及金属化等加工难度较大，限制了其在半导体激光器热沉方面的大规模应用。
⑤石墨烯
石墨烯是一种新型的单原子层厚度的二维平面碳纳米材料，具有优良的电学、光学和热学特性，单层石墨烯的横向热导率可以高达5300W/(m·K)，远远高于碳化硅、氮化铝等热沉材料，将其应用于半导体激光器热沉，对改善器件散热能力、提高器件性能具有重要的应用前景。
资料：碳化硅过渡热沉对C-mount封装激光器散热的影响，吴胤禛,等；
高功率半导体激光器过渡热沉封装技术研究，马德营,等；
CVD金刚石热沉封装高功率半导体激光器的热特性，戴玮,等；
高功率半导体激光器散热方法综述，刘瑞科,等.
8月28-30日，海特信科、深圳晶瓷、鼎华芯泰、合肥圣达、芯瓷半导体、六方钰成等激光器热沉材料厂商将参加艾邦深圳精密陶瓷展，地址：深圳国际会展中心7号馆，欢迎各位行业朋友莅临参观交流。
原文始发于微信公众号（艾邦陶瓷展）：突破热难题，半导体激光器热沉材料介绍
长按识别二维码关注公众号，点击下方菜单栏左侧“微信群”，申请加入交流群。
