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    半导体激光用具有体积小、质量轻、能耗小、易调制、可以批量化出产等浩繁长处，被广泛运用在工业加工、信息通讯、医疗、生命科学及军事等范畴。跟着半导体激光器输出功率的不停提高，很年夜一部门电功率转换成为了热功率。而半导体激光器的光学特征、输出功率以和靠得住性等都与器件的事情温度有着紧密亲密的瓜葛。是以，散热问题成为了直接影响半导体激光器，尤其是年夜功率半导体激光器机能的要害因素。

图源：炬光科技

1.半导体激光器散热道理

半导体激光器散热封装方式重要有天然对于流热沉冷却、微通道、热电制冷及喷雾冷却、热管散热等情势。此中，对于在单管半导体激光器来讲，天然对于流热沉冷却方式易在加工及组装，是最经济、经常使用的冷却方式。一般采用高热导率质料做热沉，扩展天然对于飘泊热面积来增长散热量，降低激光芯片的温度。为使激光器芯片发光的有源区更切近热沉，削减热量传输路径便在热量更快地传输出去，此刻遍及采用芯片朝下的倒装封装布局，经由过程铟或者者金锡等焊料把半导体激光器芯片粘贴到热沉上。

图 半导体激光器热沉传导散热示意

半导体激光器热量绝年夜部门孕育发生于芯片的有源区，经由过程焊料层、绝缘层、界面层传导至过渡热沉及通例热沉，通例热沉与冷却介质接触形成对于流换热，将热量散出。

经由过程热沉质料将半导体激光器事情时孕育发生的热量传导出去，是降低半导体激光器事情温度，包管半导体激光器的机能及靠得住性的有用要领。热沉质料的选择重要思量两个方面：

①质料要具备较高的热导率，可以或许将激光器事情时孕育发生的热量和时披发出去；

②热沉质料与激光器芯片的热膨胀系数要尽可能匹配，以避免激光器芯片由于热应力而毁坏。

2.半导体激光器热沉质料

抱负的过渡热沉质料应具备高热导率，同时能与激光器芯片的热膨胀系数相匹配。铜具备高热导率及导电性，于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年夜，轻易孕育发生热应力，影响激光器的输出机能。于芯片及通例热沉之间插手高热导率且膨胀系数靠近芯片热膨胀系数的过渡热沉，可以有用解决这一问题。经常使用的过渡热沉质料有氮化铝陶瓷、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 各类热沉质料的机能参数

图 各类散热质料的热机能，来历：住友电工

①钨铜

钨铜合金是钨及铜构成既不互溶又不形成金属间化合物的两相单体匀称混淆的构造，现实上是一种假合金。钨铜合金用粉末冶金要领制备而成，既有钨的低膨胀特征，又具备铜的高导热特征。其热膨胀系数及导热导电机能可以经由过程调解钨铜的身分而加以转变，同时又与硅片、砷化镓和陶瓷质料相匹配的热膨胀系数。初期激光器多用钨铜C-Mount布局，后面进化成钨铜巴条。

图 激光器钨铜巴条，来历：海特信科

②氮化铝

氮化铝陶瓷各项机能优秀，热导率高，其理论热导率可达320W/（m K），其商用产物热导率通常是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年夜，常被用作过渡热沉质料。

图 氮化铝激光热沉，来历：深圳晶瓷

③碳化硅

SiC是一种典型的自然超晶格同质多型体，具备优良的物理和化学机能，其高硬度、高耐磨性仅次在金刚石，其理论导热率可以到达490W/(m K)，是硅的3倍，膨胀系数低，散热机能好，很是合适年夜功率器件，热不变性高，常压下不克不及熔化，抗腐化机能强，外貌易与氧气发生氧化天生二氧化硅避免进一步氧化等。

④金刚石

为了起到更好的散热效果，还有可采用金刚石作为铜及芯片之间的毗连质料，自然金刚石质料的热导率高达2000W/(m K)，约是铜的5倍，且热膨胀系数小。是以采用既电绝缘又高导热的金刚石作为年夜功率半导体激光器的热沉是比力抱负的。

图 金刚石铜/铝，来历：海特信科

自然金刚石因为成本问题没法运用在半导体激光器封装，今朝金刚石用作热沉质料重要有两种情势，即金刚石薄膜（CVD金刚石膜）及将金刚石与铜、铝等金属复合。可是因为金刚石的切割、外貌平整抛光以和金属化等加工难度较年夜，限定了其于半导体激光器热沉方面的年夜范围运用。

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质料，具备良好的电学、光学及热学特征，单层石墨烯的横向热导率可以高达5300W/(m K)，远远高在碳化硅、氮化铝等热沉质料，将其运用在半导体激光器热沉，对于改善器件散热能力、提高器件机能具备主要的运用远景。

资料：

碳化硅过渡热沉对于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能研究，马德营,等；

CVD金刚石热沉封装高功率半导体激光器的热特征，戴玮,等；

高功率半导体激光器散热要领综述，刘瑞科,等.

转自：艾邦陶瓷展

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