激光器芯片封裝熱沉如何選擇

半導體激光器又稱激光二極管，被廣泛應用于工業加工、激光通信、激光照明、激光陀螺、激光打標、激光醫療、科學研究、測距以及雷達等方面，很多應用對半導體激光器要求具有輸出功率高、可靠性高、使用壽命長的特點。

半導體激光器工作時會產生大量的熱，若熱量不能及時散出去會影響激光器的各項性能，如發生波長發生紅移、閾值電流增大、斜率效率降低、功率減小等，嚴重時甚至導致激光器失效，散熱封裝技術是保障激光器穩定工作的關鍵。基于熱沉傳導冷卻散熱方方式不僅能夠有效提升激光器的散熱能力，而且能夠有效提高激光器的工作可靠性。熱沉冷卻散熱封裝一般分為零級熱沉和熱沉兩部分，芯片工作時有源區產生的熱量首先通過零級熱沉向外傳導，再由熱沉作為散熱終端將熱量全部傳導到冷卻媒介中。熱沉一般指無氧銅或者其他高導材料。零級熱沉又稱過渡熱沉，過渡熱沉直接與激光芯片和熱沉相連，過渡熱沉材料的熱膨脹系數、熱導率等特性參數對激光器散熱能力起至關作用。

封裝熱沉

市場上常見的熱沉材料有氮化鋁（ALN），鎢銅（WCu），碳化硅（SiC），氧化鈹（BeO），金剛石（diamond），石墨烯（Graphene）等，他們有一些獨特特性，根據實際需求分別被應用到不同的領域。

1、氮化鋁（ALN）

基片材料：氮化鋁

密度（kg·10-3）：3300

熱導率（W/(m·K)）：＞（170-230）

粗糙度（um）：＜0.3

彈性模量（GPa）：270

泊松比：0.260

熱膨脹系數（×10-6/K）：4.6

基片厚度（mm）：0.15-1.5

2、鎢銅（WCu）

基片材料：鎢銅合金

密度（kg·10-3）：16750

熱導率（W/(m·K)）：＞（180-340）

粗糙度（um）：＜0.3

彈性模量（GPa）：315

泊松比：0.300

熱膨脹系數（×10-6/K）：＞6.5

基片厚度（mm）：＞0.15

3、碳化硅（SiC）

基片材料：碳化硅

密度（kg·10-3）：3200

熱導率（W/(m·K)）：＞300

粗糙度（um）：＜0.3

彈性模量（GPa）：221

泊松比：0.210

熱膨脹系數（×10-6/K）：4.5

基片厚度（mm）：0.15-1.5

4、氧化鈹（BeO）

基片材料：氧化鈹

密度（kg·10-3）：3100

熱導率（W/(m·K)）：＞250

粗糙度（um）：＜0.3

彈性模量（GPa）：315

泊松比：0.260

熱膨脹系數（×10-6/K）：6.8

基片厚度（mm）：0.15-1.5

5、金剛石（diamond）

基片材料：金剛石

密度（kg·10-3）：3520

熱導率（W/(m·K)）：1000-2000

粗糙度（nm）：＜30

彈性模量（GPa）：1000

泊松比：0.070

熱膨脹系數（×10-6/K）：1.3

基片厚度（mm）：0.15-3

6、石墨烯（Graphene）

基片材料：石墨烯

密度（kg·10-3）：2260

熱導率（W/(m·K)）：＞5000

粗糙度（um）：＜0.3

彈性模量（GPa）：1000

泊松比：0.186

熱膨脹系數（×10-6/K）：-3.64

基片厚度（mm）：＞0.15