摘要：近些年，在市場應用驅動下，半導體(ti) 激光器的輸出功率越來越高，器件產(chan) 生的熱量也在增加，同時封裝結構要求也更加緊湊，這對半導體(ti) 激光器的熱管理提出了更高的要求。當今，激光器的外延生長技術和芯片加工工藝已經成熟，封裝技術的提升已經成為(wei) 解決(jue) 散熱問題的關(guan) 鍵，其中過渡熱沉技術能有效降低激光器的熱阻，提高可靠性，而且便於(yu) 操作，已經是高功率半導體(ti) 激光器封裝的首要選擇。從(cong) 過渡熱沉散熱原理、熱應力、過渡熱沉材料和焊料選擇等方麵對過渡熱沉技術進行了研究，並對未來的研究熱點進行了探討。

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研究背景

半導體(ti) 激光器具有體(ti) 積小、質量輕、能耗小、易調製、可以批量化生產(chan) 等眾(zhong) 多優(you) 點，被廣泛應用於(yu) 工業(ye) 加工、信息通信、醫療、生命科學和軍(jun) 事等領域。

雖然半導體(ti) 激光器電光轉換效率高，但在激光器芯片有源區內(nei) 存在非輻射複合損耗和自由載流子的吸收，工作時會(hui) 產(chan) 生大量的熱；同時，各層材料存在著電阻，也會(hui) 產(chan) 生焦耳熱，這使得很大一部分電能轉化為(wei) 熱能，再加上芯片材料的熱導率低，熱量不能快速傳(chuan) 導出去，從(cong) 而導致有源區溫度升高，有源區材料禁帶寬度變小，出現激射波長紅移、效率降低、功率降低、閾值電流增大等一係列的問題，嚴(yan) 重影響激光器的壽命和可靠性。

當前，隨著技術不斷更新進步，應用市場對激光器的輸出功率提出了更高的要求，而輸出功率的提高，伴隨著的則是更多熱量的產(chan) 生，這對激光器的散熱管理提出了更高的要求。

半導體(ti) 激光器的散熱問題一直是國內(nei) 外研究熱點。提升激光器的散熱能力，可以減少熱量在有源區的積蓄，降低有源區的溫度，提高效率，降低工作電流，減小波長，改善光斑輸出等。

研究發現，激光器芯片對傳(chuan) 導冷卻半導體(ti) 激光器的總散熱貢獻僅(jin) 為(wei) 8%，因此，激光器的散熱設計應更多地集中在封裝上。

高功率半導體(ti) 激光器散熱封裝方式主要有自然對流熱沉冷卻、微通道、電製冷和噴霧冷卻等形式。其中，對於(yu) 單管半導體(ti) 激光器來說，自然對流熱沉冷卻方式易於(yu) 加工和組裝，是最經濟、常用的冷卻方式。一般采用高熱導率材料做熱沉，擴大自然對流散熱麵積來增加散熱量，降低激光芯片的溫度。

為(wei) 使激光器芯片發光的有源區更貼近熱沉，減少熱量傳(chuan) 輸路徑，便於(yu) 熱量更快地傳(chuan) 輸出去，現在普遍采用芯片朝下的倒裝封裝結構，通過銦或者金錫等焊料把半導體(ti) 激光器芯片粘貼到熱沉上。

銅具有高熱導率和導電性，在半導體(ti) 激光器的封裝中常被用作熱沉，但銅的熱膨脹係數與(yu) 芯片的熱膨脹係數相差近 1.58 倍，容易產(chan) 生熱應力，影響激光器的輸出性能。在芯片和常規熱沉之間加入高熱導率且膨脹係數接近芯片熱膨脹係數的過渡熱沉，可以有效解決(jue) 這一問題。

本文從(cong) 高功率半導體(ti) 激光器散熱原理出發，對各種過渡熱沉材料和封裝用的焊料進行對比分析，得到了較為(wei) 理想的過渡熱沉材料和封裝工藝，並對未來封裝技術進行了展望。

02

半導體(ti) 激光器散熱原理

半導體(ti) 激光器的封裝結構如圖 1 所示，激光器熱量絕大部分產(chan) 生在芯片的有源區，通過焊料層、絕緣層、界麵層傳(chuan) 導至過渡熱沉和常規熱沉，常規熱沉與(yu) 冷卻介質接觸形成對流換熱，將熱量散出。

圖 1 半導體(ti) 激光器熱沉傳(chuan) 導散熱示意

若有源區的溫度為(wei) T_j，熱沉底麵的溫度為(wei) T₀，則有源區和熱沉表麵形成的溫度差ΔT 為(wei) ：

ΔT=T_j－T₀

激光器中熱傳(chuan) 遞遇到的阻力，即熱阻 R_th 可以表示為(wei) ：

（1）

在式（1）中，ΔP 為(wei) 熱功率，即輸入功率 P 減去光功率 P_o，輸入功率 P 可以通過測量激光器的電壓 U和輸入電流 I 計算得出，光功率 P_o 可以通過光功率計測量得到。

在實驗中，一般采用波長偏移法測量激光器的熱阻。在連續波或脈衝(chong) 模式下，測量熱沉在不同溫度時激光器的波長，計算出波長飄移係數λ（T）：

在熱沉溫度保持恒定，測量 2 次不同輸出功率下，激光峰值波長差 dλ，再測量出這 2 次的功率差 dP，就可以計算出激光器的熱阻：

根據傅裏葉定律，熱阻 R_th 又可以表示為(wei) ：

（2）

式（2）中：h 為(wei) 層厚度；K 為(wei) 熱導率；S 為(wei) 垂直熱流方向的導熱麵積。

根據公式（2），為(wei) 了降低熱阻，過渡熱沉和激光器芯片間各層材料的導熱麵積要增大，同時要減小各層厚度，而且各層要選用高熱導率的材料。為(wei) 了更好地傳(chuan) 遞熱量，不僅(jin) 需要選擇熱導率更高的過渡熱沉材料，同時也要考慮熱失配問題。

03

熱應力分析

在封裝過程中，從(cong) 焊料凍結溫度冷卻至室溫，芯片和熱沉之間由於(yu) 熱膨脹係數不同，隨著溫度下降會(hui) 產(chan) 生較大的應力，而且該應力會(hui) 被引入有源區，降低激光器的可靠性和輸出功率。

激光器工作時會(hui) 產(chan) 生熱量，芯片溫度隨之升高，由於(yu) 熱沉的熱膨脹係數與(yu) 激光器芯片材料熱膨脹係數不同，接觸界麵受到熱-機械應力作用，長時間工作後，容易在芯片材料內(nei) 部產(chan) 生蠕變和塑性變形，進而產(chan) 生裂紋、空洞等，嚴(yan) 重影響激光器輸出性能。

在常規封裝結構中加入過渡熱沉可以有效緩解芯片和熱沉間的熱應力。袁慶賀等采用銅做傳(chuan) 統熱沉，鎢銅（銅占比為(wei) 10%）做過渡熱沉，分別采用銦焊料和金錫焊料封裝，采用多物理場仿真軟件 COMSOL Multiphysics 計算了熱應力分布，結果顯示，采用銦焊料封裝的芯片熱應力為(wei) 3.57 GPa，金錫焊料芯片的熱應力為(wei) 3.83 GPa。

在整個(ge) 封裝結構中，無論是采用銦焊料，還是金錫焊料，熱應力最大的地方均在熱沉和過渡熱沉界麵，分別為(wei) 215 GPa 和 240 GPa，遠大於(yu) 芯片與(yu) 過渡熱沉界麵的熱應力 3.57 GPa 和 3.83 GPa，可以看出，過渡熱沉承受了絕大部分封裝造成的熱應力，大大減小激光器芯片中存在的熱應力。

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過渡熱沉材料的選擇

理想的過渡熱沉材料應具有高熱導率，同時能與(yu) 激光器芯片的熱膨脹係數相匹配。常用的過渡熱沉材料有氮化鋁陶瓷、氧化鈹陶瓷、碳化矽陶瓷、鎢銅合金、碳化矽晶片、金剛石薄膜片等，其相關(guan) 熱性能參數如表 1 所示。

表 1 各種過渡熱沉材料的熱性能參數

碳化矽陶瓷、氮化鋁陶瓷熱膨脹係數與(yu) 激光器芯片的熱膨脹係數相差不大，熱導率也較高，常被用作過渡熱沉材料，倪羽茜等分別采用碳化矽陶瓷、氮化鋁陶瓷做過渡熱沉進行對比研究，實驗測得基於(yu) 碳化矽陶瓷材料過渡熱沉封裝的激光器熱阻更低，比基於(yu) 氮化鋁陶瓷材料封裝的激光器低 14.7%；在注入電流15 A 時，基於(yu) 碳化矽陶瓷過渡熱沉封裝的激光器的電光轉換效率高 12.1%。

碳化矽晶片比碳化矽陶瓷的熱導率更高，吳胤禛等在傳(chuan) 統 C-mount 銅熱沉的基礎上加入碳化矽晶片做過渡熱沉，與(yu) C-mount 銅熱沉封裝的激光器相比，熱阻降低了 0.49 ℃/W，電光轉換效率和功率均提高了 10%以上，散熱效果明顯。

天然金剛石材料的熱導率高達 2000 W/（m·K），但是金剛石的切割、表麵平整拋光以及金屬化等加工難度較大，若是因為(wei) 表麵粗糙而造成較高的接觸電阻，則會(hui) 產(chan) 生大量的焦耳熱，反而使金剛石熱沉的散熱優(you) 勢無法發揮。

顧長誌等采用微波等離子體(ti) CVD 製備的金剛石薄膜做過渡熱沉，與(yu) 傳(chuan) 統銅熱沉相比，半導體(ti) 激光器的光功率輸出提升 25%，熱阻減低 45%以上，散熱優(you) 勢明顯。

戴瑋等采用電子輔助化學氣相沉積（EACVD）法製備金剛石薄膜作為(wei) 半導體(ti) 激光器過渡熱沉，優(you) 化了金剛石薄膜的生長工藝，使金剛石薄膜的熱導率從(cong) 1158.6 W/（m·K）提升至 1812.3 W/（m·K），激光器的斜率效率可提高至 1.3 W/A，芯片的工作溫度下降了 4.6 K，熱阻下降了 28.4%。

孫芮等采用 CVD金剛石作為(wei) 過渡熱沉封裝的半導體(ti) 激光器熱阻與(yu) 采用氮化鋁陶瓷作過渡熱沉封裝的激光器相比，熱阻降低了 40%。

石墨烯是一種二維晶體(ti) ，具有優(you) 良的電學、光學和熱學特性，單層石墨烯的橫向熱導率可以高達5300 W/（m·K），遠遠高於(yu) 碳化矽、氮化鋁等熱沉材料。

YAN 等在氮化镓晶體(ti) 管中生長了一層石墨烯，引入了一種新的散熱通道，顯著提高了散熱效率。

WANG 等設計了基於(yu) 石墨烯薄膜熱沉封裝結構，在芯片上直接覆蓋一層石墨烯薄膜，利用石墨烯基薄膜的平麵內(nei) 高導熱特性，將有源區產(chan) 生的熱量橫向快速傳(chuan) 遞分散，使有源區域的熱量可以從(cong) 襯底向下傳(chuan) 導，也可以通過石墨烯基薄膜水平傳(chuan) 導到銅散熱器。由於(yu) 芯片和石墨烯基薄膜之間沒有焊料，在封裝過程中沒有引入過多的熱應力，這使得有源區應力較小，確保了半導體(ti) 激光器的可靠性。實驗結果表明，與(yu) 非石墨烯薄膜封裝結構相比，石墨烯基薄膜封裝結構的有源區結溫度降低了 9.1 K，熱阻降低了 1.52 K/W。

嶽雲(yun) 震等采用 Ansys Workbench 有限元方法，分別對將氮化鋁陶瓷、鎢銅、碳化矽晶片、化學氣相沉積（CVD）金剛石和石墨烯作為(wei) 過渡熱沉封裝的半導體(ti) 激光器進行對比研究，從(cong) 器件工作狀態下溫度、熱應力及熱應變分布進行模擬，結果顯示：基於(yu) 碳化矽晶片封裝的器件熱應力最低，而且器件溫度比氮化鋁、鎢銅封裝低了 2.18℃、3.078℃；基於(yu) CVD 金剛石、石墨烯封裝的器件熱阻最低，但是由於(yu) 熱膨脹係數相差較大，造成熱應力較大，影響了激光器的功率輸出和可靠性。

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焊料的選擇

半導體(ti) 激光器芯片有源區產(chan) 生的熱量是通過焊料層傳(chuan) 遞到過渡熱沉層，所以焊料的選擇非常重要，不僅(jin) 要考慮焊料的熱導率，還要考慮焊料與(yu) 接觸層之間的熱膨脹係數失配，以及能否適應激光器溫度的變化等。合理選擇焊料和封裝工藝，能使芯片產(chan) 生的熱量更快地向熱沉傳(chuan) 遞，有效提高器件的壽命和可靠性。

目前常用焊料可分為(wei) 2 種：一種是軟焊料，有銦（In）焊料、納米銀焊膏（Nanosilver Paste）等；另一種是硬焊料，常用的是金錫（Au₈₀Sn₂₀）焊料。

銦焊料具有熔點低、延展性好、熱傳(chuan) 導性能好等優(you) 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，影響導電性能，而且在激光器高溫工作時，銦容易產(chan) 生銦須，使焊料層疲勞，最終導致激光器損壞。

納米銀焊膏是由納米級銀顆粒混合粘結劑、表麵活性劑等製備成的，其中納米銀顆粒占 80%以上。由於(yu) 其納米銀顆粒粒徑很小，多在 10～50 nm，燒結過程可以不經過液相燒結直接固化，其燒結溫度可以低至100℃。納米銀焊膏具有低溫下快速燒結、高溫工作穩定、熱導率高、熱膨脹係數小等性能，越來越受到科研人員關(guan) 注，未來可能會(hui) 成為(wei) 主流焊料。

金錫焊料硬度較高，抗疲勞、抗蠕變性能好，具有良好的電導率和熱導率，無需助焊劑，熔化溫度為(wei) 280℃，凝固溫度為(wei) 277℃。金錫焊料抗拉強度276 MPa，受應力作用容易產(chan) 生彈性形變，延展性較差，在燒結過程中容易引入應力。相較於(yu) 其他焊料，金錫焊料的成本更高，現在多采用定製的金錫預成型焊片，可以精確控製金錫的成分和厚度，降低封裝成本。

彭勃等對銦、金錫焊料以及納米銀焊膏 3 種焊料封裝激光器進行理論計算研究，得出金錫焊料和納米銀焊膏的應力和應變值相對銦較小。這是因為(wei) 這 2 種焊料的熱膨脹係數比銦焊料小，其中納米銀焊膏熱膨脹係數極小，延展性非常好，降低了互連界麵的應力。焊料性能參數如表 2 所示。

表 2 焊料性能參數

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焊料的厚度

無論是銦焊料、納米銀焊膏還是金錫焊料，熱膨脹係數、彈性模量均與(yu) 激光器芯片和過渡熱沉不同，焊料層厚度的大小將影響熱應力分布和熱量傳(chuan) 遞。根據前麵公式（2）可以看出，焊料的厚度與(yu) 激光器的熱阻成正比，焊料層厚度的增加會(hui) 使激光器的熱阻升高。

焊料厚度的大小將對激光器芯片溫度和熱應力分布產(chan) 生重要影響，袁慶賀等通過多物理場仿真軟件COMSOL Multiphysics，以金錫焊料為(wei) 列，模擬了5 μm、10 μm、15 μm、20 μm 不同厚度焊料的激光器芯片溫度和熱應力分布情況，結果顯示，隨著金錫焊料厚度增大，激光器芯片的溫度和熱應力也在增加。

這是因為(wei) 金錫焊料的熱導率較低，僅(jin) 為(wei) 銅的 1/7，厚度增加，散熱能力變差，溫度會(hui) 升高；另一方麵，金錫焊料的熱膨脹係數與(yu) 激光器芯片材料的熱膨脹係數相差較大，溫度升高，激光器芯片內(nei) 部產(chan) 生較大的熱應力。

焊料的厚度並不是越小越好。減小焊料厚度，可以減小激光器芯片與(yu) 焊料間的熱阻和熱應力，但是焊料厚度過薄，則會(hui) 導致激光器芯片與(yu) 過渡熱沉焊接不牢，造成芯片與(yu) 過渡熱沉之間開裂，或者芯片與(yu) 過渡熱沉沒有完全潤濕而產(chan) 生空洞，這會(hui) 出現局部熱點效應，嚴(yan) 重影響激光器的可靠性和壽命。一般焊料層的厚度多選擇在 10 μm 左右，精確厚度需要進一步在具體(ti) 封裝中進行工藝優(you) 化。

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結束語

當今，半導體(ti) 激光器外延生長技術和芯片生產(chan) 工藝已趨於(yu) 穩定，激光器的封裝技術成為(wei) 研究熱點。本文對高功率半導體(ti) 激光器的過渡熱沉封裝技術進行研究，總結分析了目前常用的幾種過渡熱沉材料和不同的焊料。

研究結果表明：碳化矽晶片和 CVD 金剛石片是高功率半導體(ti) 激光器比較理想的過渡熱沉材料，焊料宜選用納米銀焊膏和金錫焊料。碳化矽晶片外延生長或用氣相沉積法生長石墨烯技術現已成熟，在碳化矽晶片覆蓋一層石墨烯，作為(wei) 過渡熱沉效果也許會(hui) 更好，但尚未有人進行理論和實驗研究；納米銀焊膏熱導率高，在理論上優(you) 於(yu) 金錫焊料，但尚未被用於(yu) 半導體(ti) 激光器的封裝，尚未有人從(cong) 實驗的角度來驗證納米銀焊膏封裝激光器的可靠性。

來源：科技與(yu) 創新；作者：馬德營，李萌，邱冬