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。
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