人工智能（AI）等新一代信息技術(shù)應(yīng)用持續(xù)推進(jìn)，對數(shù)據(jù)量的吞吐和算力的消耗均具有強(qiáng)烈的需求，這為在大容量、長距離傳輸方面有著明顯優(yōu)勢的光通信行業(yè)帶來市場機(jī)遇。作為一種以光波作為傳輸媒介的通信方式，光通信依靠半導(dǎo)體激光器作為光源，來產(chǎn)生穩(wěn)定、高強(qiáng)度的光束，以實現(xiàn)高速率的數(shù)據(jù)傳輸。不過由于在激光器芯片有源區(qū)內(nèi)存在非輻射復(fù)合損耗和自由載流子的吸收，且其中各層材料存在著電阻，半導(dǎo)體激光器在工作時會產(chǎn)生大量的熱，如果熱量不能及時散發(fā)，將會影響激光器的各項性能，如發(fā)生波長發(fā)生紅移、閾值電流增大、斜率效率降低、功率減小等一系列問題，嚴(yán)重時甚至導(dǎo)致激光器失效，因此散熱封裝技術(shù)是保障激光器穩(wěn)定工作的關(guān)鍵。

來源：網(wǎng)絡(luò)

半導(dǎo)體激光器散熱封裝結(jié)構(gòu)

通常，高功率半導(dǎo)體激光器散熱封裝方式主要有自然對流熱沉冷卻、微通道、電制冷和噴霧冷卻等形式。其中，自然對流熱沉冷卻采用高熱導(dǎo)率材料做熱沉，通過擴(kuò)大自然對流散熱面積來增加散熱量來降低激光芯片的溫度，具有易于加工和組裝的特點，是常用的冷卻方式。

目前，半導(dǎo)體激光器通常采用具有高熱導(dǎo)率的銅作為熱沉，但銅的熱膨脹系數(shù)（16.5×10-6/K）與半導(dǎo)體激光器芯片的主要組成成分GaAs的熱膨脹系數(shù)（6.4×10^-6/K）相差很大，導(dǎo)致在冷卻過程中，熱沉的收縮速率大于芯片，芯片受到壓應(yīng)力，而彎曲成凸形，影響激光器的輸出性能，因此需要在芯片和常規(guī)熱沉之間加入高熱導(dǎo)率且膨脹系數(shù)接近芯片熱膨脹系數(shù)的過渡熱沉。同時，為使激光器芯片發(fā)光的有源區(qū)更貼近熱沉，減少熱量傳輸路徑，便于熱量更快地傳輸出去，還需要利用焊料把半導(dǎo)體激光器芯片粘貼到過渡熱沉上，形成芯片朝下的倒裝封裝結(jié)構(gòu)。

1、過渡熱沉的選擇

過渡熱沉材料的熱導(dǎo)率、熱膨脹系數(shù)等特性參數(shù)對器件散熱能力和器件結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性起關(guān)鍵作用。目前半導(dǎo)體激光器常用的過渡熱沉材料有氮化鋁陶瓷、碳化硅陶瓷、鎢銅合金、銅金剛石復(fù)合材料、石墨烯膜等。

（1）氮化鋁、碳化硅等陶瓷熱沉

氮化鋁、碳化硅等陶瓷材料的熱膨脹系數(shù)與激光器芯片相近（分別為4.84×10^-6/K、4.5×10^-6/K），熱導(dǎo)率高（分別為180W~260W/（m·K）、120~150W/（m·K）），且滿足金絲鍵合及焊料預(yù)置需求，不僅適用于小體積、高集成度的封裝中，而且能滿足各類二級封裝的應(yīng)用需求，除此之外，還具有高硬度、高耐磨性、高化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)點。

大功率半導(dǎo)體激光器陶瓷熱沉（來源：覺芯電子）

（2）鎢銅合金

鎢銅合金是鎢和銅組成既不互溶又不形成金屬間化合物的兩相單體均勻混合的組織，通常用粉末冶金方法制備而成，既可利用鎢的低膨脹特性，又可利用銅的高導(dǎo)熱特性。通過改變材料的成分比例，可調(diào)整其熱膨脹系數(shù)和導(dǎo)電導(dǎo)熱性，來更好地適配激光器芯片。

激光器用鎢銅熱沉（來源：中天火箭）

（3）銅/金剛石復(fù)合材料

金剛石熱導(dǎo)率高達(dá)2000W/(m·K)，且熱膨脹系數(shù)小，但是其生長及其困難，且由于極大的硬度，其切割、表面平整拋光以及金屬化等加工難度較大，成本極高，因此，可將金剛石與銅等金屬復(fù)合，通過調(diào)節(jié)金剛石體積分?jǐn)?shù)實現(xiàn)高熱導(dǎo)和可調(diào)熱膨脹，滿足系統(tǒng)散熱和組裝工藝的要求。

（圖源：有研工研院）

（4）石墨烯薄膜

石墨烯是一種二維晶體，單層橫向熱導(dǎo)率可以高達(dá)5300 W/（m·K），遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于碳化硅、氮化鋁等熱沉材料，在芯片上直接覆蓋一層石墨烯薄膜，可利用石墨烯基薄膜的平面內(nèi)高導(dǎo)熱特性，將有源區(qū)產(chǎn)生的熱量橫向快速傳遞分散，同時由于石墨烯膜具有質(zhì)量輕、柔韌性好的優(yōu)勢，芯片和石墨烯基薄膜之間無需焊料即可緊密貼合，在封裝過程中沒有引入過多的熱應(yīng)力，這使得有源區(qū)應(yīng)力較小，確保了半導(dǎo)體激光器的可靠性。

石墨烯膜（來源：株洲晨昕中高頻設(shè)備有限公司）

2、焊料的選擇

對于半導(dǎo)體激光器而言，熱量需要通過焊料層傳遞到過渡熱沉層，因此選擇合適的焊料對于確保半導(dǎo)體激光器的長期穩(wěn)定運(yùn)行非常重要。一般來說，焊料的選擇除了應(yīng)考慮熱導(dǎo)率和熱膨脹系數(shù)，還要求與熱沉材料具有恰當(dāng)?shù)娜廴跍囟确秶?，并能提供足夠的潤濕性，以便形成冶金結(jié)合芯片和熱沉，同時，焊料還應(yīng)具備充分延展性，從而減少芯片與熱沉之間的熱應(yīng)力形變。目前，常用焊料包括銦（In）焊料、納米銀焊膏等軟焊料以及金錫焊料這種硬焊料。

（1）銦（In）焊料

銦焊料具有熔點低、延展性好、熱傳導(dǎo)性能好等優(yōu)點，封裝工藝簡單，適合快速封裝。但銦容易氧化，形成氧化銦（In₂O₃）薄膜，影響導(dǎo)電性能，而且在激光器高溫工作時，銦容易生長出細(xì)長的晶體結(jié)構(gòu)，即所謂的“銦須”，使焊料層疲勞，最終導(dǎo)致激光器損壞。

（2）納米銀焊膏

納米銀焊膏是由納米級銀顆?；旌险辰Y(jié)劑、表面活性劑等制備成的，其中納米銀顆粒占80%以上。由于其納米銀顆粒粒徑很小，具有尺寸效應(yīng)，燒結(jié)過程可以不經(jīng)過液相燒結(jié)直接固化，其燒結(jié)溫度可以低至100℃，同時其熱導(dǎo)率高達(dá)240 W/（m·K），熔點高達(dá)960℃，能夠在高溫下穩(wěn)定工作，正被逐漸應(yīng)用到許多大功率電子器件中。

（3）金錫焊料

金錫焊料的釬焊溫度適中，在釬焊過程中，基于合金的共晶成分，很小的過熱度就可使合金熔化、浸潤，并快速凝固，適用于對穩(wěn)定性要求很高的元器件組裝。合金中的金成分含量高，因此你材料表面的氧化程度較低，若在釬焊過程中采用真空或還原性氣體如氮氣和氫氣的混合氣，則無需使用助焊劑。此外，金錫焊料還具有浸潤性優(yōu)異、抗蠕變性能好、高熱導(dǎo)率等諸多優(yōu)點。不過，金錫焊料抗拉強(qiáng)度高達(dá)276 MPa，受應(yīng)力作用容易產(chǎn)生彈性形變，延展性較差，在燒結(jié)過程中容易引入應(yīng)力。同時相較于其他焊料，金錫焊料的成本也更高。

小結(jié)

伴隨AI等新一代信息技術(shù)對數(shù)據(jù)傳輸能力要求的提高，作為光通訊核心器件之一的半導(dǎo)體激光器的封裝技術(shù)成為了熱點研究話題。由于銅熱沉與芯片較大的熱膨脹系數(shù)差距，半導(dǎo)體激光器通常利用引入銦（In）、納米銀、金錫合金等焊料機(jī)在通常熱沉與基板之間引入氮化鋁陶瓷、碳化硅陶瓷、鎢銅合金、銅金剛石復(fù)合材料、石墨烯膜等才作為過渡熱沉，并采用芯片朝下的倒裝封裝結(jié)構(gòu)，不但可有效降低器件工作時有源區(qū)的溫度，也能降低各層級結(jié)構(gòu)之間由于熱膨脹系數(shù)不匹配引入的熱應(yīng)力及器件的熱應(yīng)變，增強(qiáng)了器件封裝的可靠性。

參考來源：

馬德營,李萌,邱冬.高功率半導(dǎo)體激光器過渡熱沉封裝技術(shù)研究[J].科技與創(chuàng)新.

岳云震,晏長嶺,楊靜航,等.不同過渡熱沉封裝微盤腔半導(dǎo)體激光器熱分析[J].半導(dǎo)體光電.

趙瑞.高功率半導(dǎo)體激光器高密度傳導(dǎo)封裝結(jié)構(gòu)熱優(yōu)化研究[D].長春理工大學(xué).

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