半导体激光器的散热问题一直是国内外研究热点。提升激光器的散热能力，可以减少热量在有源区的积蓄，降低有源区的温度，提高效率，降低工作电流，减小波长，改善光斑输出等。
研究发现，激光器芯片对传导冷却半导体激光器的总散热贡献仅为8%，因此，激光器的散热设计应更多地集中在封装上。
高功率半导体激光器散热封装方式主要有自然对流热沉冷却、微通道、电制冷和喷雾冷却等形式。其中，对于单管半导体激光器来说，自然对流热沉冷却方式易于加工和组装，是最经济、常用的冷却方式。一般采用高热导率材料做热沉，扩大自然对流散热面积来增加散热量，降低激光芯片的温度。
为使激光器芯片发光的有源区更贴近热沉，减少热量传输路径，便于热量更快地传输出去，现在普遍采用芯片朝下的倒装封装结构，通过铟或者金锡等焊料把半导体激光器芯片粘贴到热沉上。
铜具有高热导率和导电性，在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近 1.58 倍，容易产生热应力，影响激光器的输出性能。在芯片和常规热沉之间加入高热导率且膨胀系数接近芯片热膨胀系数的过渡热沉，可以有效解决这一问题。
半导体激光器散热原理
半导体激光器的封装结构如图 1 所示，激光器热量绝大部分产生在芯片的有源区，通过焊料层、绝缘层、界面层传导至过渡热沉和常规热沉，常规热沉与冷却介质接触形成对流换热，将热量散出。
在封装过程中，从焊料冻结温度冷却至室温，芯片和热沉之间由于热膨胀系数不同，随着温度下降会产生较大的应力，而且该应力会被引入有源区，降低激光器的可靠性和输出功率。
激光器工作时会产生热量，芯片温度随之升高，由于热沉的热膨胀系数与激光器芯片材料热膨胀系数不同，接触界面受到热-机械应力作用，长时间工作后，容易在芯片材料内部产生蠕变和塑性变形，进而产生裂纹、空洞等，严重影响激光器输出性能。
在常规封装结构中加入过渡热沉可以有效缓解芯片和热沉间的热应力。袁庆贺等采用铜做传统热沉，钨铜（铜占比为 10%）做过渡热沉，分别采用铟焊料和金锡焊料封装，采用多物理场仿真软件 COMSOL Multiphysics 计算了热应力分布，结果显示，采用铟焊料封装的芯片热应力为 3.57 GPa，金锡焊料芯片的热应力为 3.83 GPa。
在整个封装结构中，无论是采用铟焊料，还是金锡焊料，热应力最大的地方均在热沉和过渡热沉界面，分别为 215 GPa 和 240 GPa，远大于芯片与过渡热沉界面的热应力 3.57 GPa 和 3.83 GPa，可以看出，过渡热沉承受了绝大部分封装造成的热应力，大大减小激光器芯片中存在的热应力。
过渡热沉材料的选择
理想的过渡热沉材料应具有高热导率，同时能与激光器芯片的热膨胀系数相匹配。常用的过渡热沉材料有氮化铝陶瓷、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，其相关热性能参数如表 1 所示。
天然金刚石材料的热导率高达 2000 W/（m·K），但是金刚石的切割、表面平整抛光以及金属化等加工难度较大，若是因为表面粗糙而造成较高的接触电阻，则会产生大量的焦耳热，反而使金刚石热沉的散热优势无法发挥。
顾长志等采用微波等离子体 CVD 制备的金刚石薄膜做过渡热沉，与传统铜热沉相比，半导体激光器的光功率输出提升 25%，热阻减低 45%以上，散热优势明显。
戴玮等采用电子辅助化学气相沉积（EACVD）法制备金刚石薄膜作为半导体激光器过渡热沉，优化了金刚石薄膜的生长工艺，使金刚石薄膜的热导率从 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，芯片的工作温度下降了 4.6 K，热阻下降了 28.4%。
孙芮等采用 CVD金刚石作为过渡热沉封装的半导体激光器热阻与采用氮化铝陶瓷作过渡热沉封装的激光器相比，热阻降低了 40%。
焊料的选择
半导体激光器芯片有源区产生的热量是通过焊料层传递到过渡热沉层，所以焊料的选择非常重要，不仅要考虑焊料的热导率，还要考虑焊料与接触层之间的热膨胀系数失配，以及能否适应激光器温度的变化等。合理选择焊料和封装工艺，能使芯片产生的热量更快地向热沉传递，有效提高器件的寿命和可靠性。
目前常用焊料可分为 2 种：一种是软焊料，有铟（In）焊料、纳米银焊膏（Nanosilver Paste）等；另一种是硬焊料，常用的是金锡（Au80Sn20）焊料。
铟焊料具有熔点低、延展性好、热传导性能好等优点，封装工艺简单，适合快速封装。但铟容易氧化，形成氧化铟（In2O3）薄膜，影响导电性能，而且在激光器高温工作时，铟容易产生铟须，使焊料层疲劳，最终导致激光器损坏。
纳米银焊膏是由纳米级银颗粒混合粘结剂、表面活性剂等制备成的，其中纳米银颗粒占 80%以上。由于其纳米银颗粒粒径很小，多在 10～50 nm，烧结过程可以不经过液相烧结直接固化，其烧结温度可以低至100℃。纳米银焊膏具有低温下快速烧结、高温工作稳定、热导率高、热膨胀系数小等性能，越来越受到科研人员关注，未来可能会成为主流焊料。
金锡焊料硬度较高，抗疲劳、抗蠕变性能好，具有良好的电导率和热导率，无需助焊剂，熔化温度为280℃，凝固温度为 277℃。金锡焊料抗拉强度276 MPa，受应力作用容易产生弹性形变，延展性较差，在烧结过程中容易引入应力。相较于其他焊料，金锡焊料的成本更高，现在多采用定制的金锡预成型焊片，可以精确控制金锡的成分和厚度，降低封装成本。
彭勃等对铟、金锡焊料以及纳米银焊膏 3 种焊料封装激光器进行理论计算研究，得出金锡焊料和纳米银焊膏的应力和应变值相对铟较小。这是因为这 2 种焊料的热膨胀系数比铟焊料小，其中纳米银焊膏热膨胀系数极小，延展性非常好，降低了互连界面的应力。焊料性能参数如表 2 所示。
焊料厚度的大小将对激光器芯片温度和热应力分布产生重要影响，袁庆贺等通过多物理场仿真软件COMSOL Multiphysics，以金锡焊料为列，模拟了5 μm、10 μm、15 μm、20 μm 不同厚度焊料的激光器芯片温度和热应力分布情况，结果显示，随着金锡焊料厚度增大，激光器芯片的温度和热应力也在增加。
这是因为金锡焊料的热导率较低，仅为铜的 1/7，厚度增加，散热能力变差，温度会升高；另一方面，金锡焊料的热膨胀系数与激光器芯片材料的热膨胀系数相差较大，温度升高，激光器芯片内部产生较大的热应力。
焊料的厚度并不是越小越好。减小焊料厚度，可以减小激光器芯片与焊料间的热阻和热应力，但是焊料厚度过薄，则会导致激光器芯片与过渡热沉焊接不牢，造成芯片与过渡热沉之间开裂，或者芯片与过渡热沉没有完全润湿而产生空洞，这会出现局部热点效应，严重影响激光器的可靠性和寿命。一般焊料层的厚度多选择在 10 μm 左右，精确厚度需要进一步在具体封装中进行工艺优化。
当今，半导体激光器外延生长技术和芯片生产工艺已趋于稳定，激光器的封装技术成为研究热点。本文对高功率半导体激光器的过渡热沉封装技术进行研究，总结分析了目前常用的几种过渡热沉材料和不同的焊料。
研究结果表明：CVD 金刚石片是高功率半导体激光器比较理想的过渡热沉材料，焊料宜选用纳米银焊膏和金锡焊料。化合积电致力于金刚石研究和生产，目前就金刚石热沉应用于高功率激光器，已有成熟定制化方案，金刚石热沉片热导率高达1000-2200W/（m·K），可配合客户做金属化、图形化、以及焊料层，为客户提供全面领先的金刚石热管理解决方案！
