激光器芯片封装热沉的选择

一、前言

半导体激光器又称激光二极管，是用半导体材料作为工作物质的激光器。具有体积小、寿命长，电光转化效率高、稳定性好等优点，被广泛应用于工业加工、激光通信、激光照明、激光陀螺、激光打标、激光医疗、科学研究、测距以及雷达等方面，很多应用对半导体激光器要求具有输出功率高、可靠性高、使用寿命长的特点。

半导体激光器在生产制程中需要对激光芯片进行封装，目前激光芯片封装成组件激光芯片单管COS（Chip On Submount）,激光芯片焊接到过渡热沉，再焊接到热沉上做成模块应用。激光芯片单管焊接到过渡热沉上封装技术，为维持激光器的长期稳定，需要提供良好的散热条件，其中热沉的热膨胀系数与芯片（热膨胀系数 6.4×10-6/K）的匹配程度直接影响材料间的应力释放，对过渡热沉的散热能力提出一定要求，对热沉材料的热应力释放能力有一定要求。

半导体激光器工作时会产生大量的热，若热量不能及时散出去会影响激光器的各项性能，如发生波长发生红移、阈值电流增大、斜率效率降低、功率减小等，严重时甚至导致激光器失效，散热封装技术是保障激光器稳定工作的关键。基于热沉传导冷却散热方方式不仅能够有效提升激光器的散热能力，而且能够有效提高激光器的工作可靠性。热沉冷却散热封装一般分为零级热沉和热沉两部分，芯片工作时有源区产生的热量首先通过零级热沉向外传导，再由热沉作为散热终端将热量全部传导到冷却媒介中。热沉一般指无氧铜或者其他高导材料。零级热沉又称过渡热沉，过渡热沉直接与激光芯片和热沉相连，过渡热沉材料的热膨胀系数、热导率等特性参数对激光器散热能力起至关作用。

 二、封装热沉

市场上常见的热沉材料有氮化铝（ALN），钨铜（WCu），碳化硅（SiC），氧化铍（BeO），金刚石（diamond），石墨烯（Graphene）等，他们有一些独特特性，根据实际需求分别被应用到不同的领域。

1、氮化铝（ALN）

氮化铝热沉

基片材料：氮化铝

密度（kg·10-3）：3300

热导率（W/(m·K)）：＞（170-230）

粗糙度（um）：＜0.3

弹性模量（GPa）：270

泊松比：0.260

热膨胀系数（×10-6/K）：4.6

基片厚度（mm）：0.15-1.5

2、钨铜（WCu）

钨铜合金热沉

基片材料：钨铜合金

密度（kg·10-3）：16750

热导率（W/(m·K)）：＞（180-340）

粗糙度（um）：＜0.3

弹性模量（GPa）：315

泊松比：0.300

热膨胀系数（×10-6/K）：＞6.5

基片厚度（mm）：＞0.15

3、碳化硅（SiC）

碳化硅热沉

基片材料：碳化硅

密度（kg·10-3）：3200

热导率（W/(m·K)）：＞300

粗糙度（um）：＜0.3

弹性模量（GPa）：221

泊松比：0.210

热膨胀系数（×10-6/K）：4.5

基片厚度（mm）：0.15-1.5

4、氧化铍（BeO）

氧化铍热沉

基片材料：氧化铍

密度（kg·10-3）：3100

热导率（W/(m·K)）：＞250

粗糙度（um）：＜0.3

弹性模量（GPa）：315

泊松比：0.260

热膨胀系数（×10-6/K）：6.8

基片厚度（mm）：0.15-1.5

5、金刚石（diamond）

金刚石基板

基片材料：金刚石

密度（kg·10-3）：3520

热导率（W/(m·K)）：1000-2000

粗糙度（nm）：＜30

弹性模量（GPa）：1000

泊松比：0.070

热膨胀系数（×10-6/K）：1.3

基片厚度（mm）：0.15-3

6、石墨烯（Graphene）

石墨烯热沉

基片材料：石墨烯

密度（kg·10-3）：2260

热导率（W/(m·K)）：＞5000

粗糙度（um）：＜0.3

弹性模量（GPa）：1000

泊松比：0.186

热膨胀系数（×10-6/K）：-3.64

基片厚度（mm）：＞0.15

7、超高导材料

性能无限接近理想概念~~~~~~

一、总结

此类热沉，表面皆可金属化，预置焊料，如金锡焊料AuSn，方便激光芯片焊接使用。为高功率激光芯片提供高效、持续性的散热能力。