散热片执行快速去除光电和电子芯片中产生的热量的任务。散热片通过热传导到散热片来去除热量。散热片还将热量从芯片的较小区域传播到较大的散热片。性能更好的散热片在其厚度和宽度上的温降较低，并将热通量分散到更广泛的区域。散热片必不可少的应用用于设备性能和可靠性的包括：激光二极管、激光二极管阵列、LED、射频功率晶体管和其他高功率电子产品。光电器件的可靠性和光学性能，例如发射光波长和转换效率，取决于芯片上的“结温”。电子器件的可靠性和性能效率也与温度有关。在这两种情况下，结温越低，器件性能越好，器件寿命越长。
热管理：光电和电子设备结温热管理的瓶颈在于散热片组件。散热片将热量从激光芯片或电子芯片传导出去的能力决定了器件的性能和可靠性。组件冷却能力的热“夹点”在散热片处。因此，成功的设备制造商特别注意散热片的材料选择和组装设计。
CVD金刚石在很大程度上是终极的散热片。然而，由于它所呈现的专有优势，它的用途并没有被广泛宣传。与其他材料相比，金刚石的导热率要高得多：比铜（常见的散热片）大 3 倍，比氮化铝或氧化铍（也用作散热片）大 5 倍，比难熔金属（如铜钨或钼铜用作散热片或散热片。见表 1。在激光设备中使用金刚石散热片可将组装设备中芯片的冷却能力提高 30% 至 100%。
金刚石散热片的成本：按体积计算，CVD 金刚石的成本高于 Cu、AlN、BeO 或难熔金属（如 WCu 和 MoCu）。然而，CVD 金刚石散热片的成本相对于器件材料清单 (BOM) 成本而言很小，并且在相同器件结温和器件可靠性的情况下，其使用可使器件光功率增加高达 300%。在电信激光发射模块和激光泵模块的应用中，金刚石散热片的成本通常为模块BOM成本的1%到2%，不包括激光芯片的成本。
使用金刚石散热片使该器件能够以与使用 AlN 或 BeO 散热片的器件相同的可靠性运行高达 3 倍的光功率。金刚石散热片的集成：金刚石是一种电绝缘体。它经过金属化处理（通常使用 Ti/Pt/Au），用于焊接到激光芯片或射频芯片上，以及焊接到另一侧的散热片上。CVD 金刚石散热片的顶面被抛光光滑，这是从用于 CVD 沉积的抛光基板开始的结果。这种光滑的顶面用于焊接激光芯片或电力电子芯片，其晶体基板材料 GaAs、InP 或 Si 易碎且对拉伸断裂敏感。光滑的金刚石表面最大限度地减少了装配的碎屑问题。金刚石热沉片的顶面可以被图案化金属化，以通过提供信号线的电接地和阻抗控制以及较低电感的引线接合来提供更好的光学和电芯片高速性能，以及促进芯片附着定向。散热片较粗糙的底面用于将散热片热连接到散热片上，其粗糙度对于焊接或环氧树脂连接的可靠性来说不是问题。请注意，由于在散热片上添加信号迹线图案的复杂性，铜、铝、钼、铜和铜钨等导电材料不适合用作信号激光器和射频设备的散热片。
散热片的连接：连接材料的热阻对冷却芯片的组装热阻有很大影响。连接选项包括硬焊料、软焊料和导热环氧树脂。将散热片连接到芯片和散热片的组装过程会影响连接层的厚度。通过使用更薄的连接层厚度和使用金属焊料连接材料而不是环氧树脂连接材料来实现组件的较低热传导阻力。焊接连接使组装具有高可靠性。激光芯片和高频射频芯片是在 GaAs 或 InP 等晶体基板上制造的，并且对超出芯片的组件的潜在断裂很敏感的基材拉伸断裂载荷。与这些基板相比，金刚石的热膨胀系数 (CTE = 1.5 ppm/°C) 更低，并且在附着焊料凝固时收缩比芯片小。与芯片CTE（GaAs 为 5.8 ppm/°C）相比，AuSn 和 AuGe（280°C 和 356°Ceutectic）的高温连接焊料具有更高的杨氏模量和更大的 CTE（13-16 ppm/°C）。这些硬焊料的刚度有助于最大限度地减少因芯片和金刚石散热片的不同热收缩而传递到激光芯片的拉伸载荷。芯片上负载的大小通常取决于：芯片尺寸；芯片、散热片、散热片和焊料的CTE；焊料凝固温度；组件各层的厚度，即芯片、散热片、散热片和焊料；组件的平整度和芯片与散热片之间的焊料厚度均匀性。切屑切割产生的切屑边缘质量、切屑脱落和微裂纹也会影响潜在的切屑断裂。热机械有限元建模 (FEM) 可以预测使用带有硬焊料的金刚石散热片的最大芯片尺寸。
超过芯片拉伸断裂载荷。在实践中，由于激光芯片的尺寸很小（通常小于 1 毫米），集成在金刚石散热片上的激光芯片采用硬金焊料满足 Telcordia 的电信可靠性要求。为避免可靠性问题，对于单个激光芯片模块，无需使用CTE 等于或高于芯片 CTE 的冷却性能较低的散热片（例如，AlN、BeO、WCu、MoCu、金刚石-金属复合材料 DMC、SiC） .将激光芯片连接到散热片需要高温硬焊料，因为这是激光发射器和泵浦激光模块的工艺组装中使用的焊料层次结构中的初始焊接工艺。在组装过程排序后期发生的焊料连接需要较低的焊料熔化温度，以使先前的焊点不会回流。请注意，在封装光电模块时，要保持激光芯片位置以用于与光纤的光耦合，要求激光芯片在以后的组装过程温度分布时不会改变位置。
AuSn 和 AuGe 焊料的金富集是由于金从芯片的沙子和散热片焊盘的氧化保护层中扩散而引起的，显着提高了它们的再熔化温度，从而允许在后续步骤中使用相同的焊料。请注意，在激光发射器中集成热电冷却器 (TEC) 以控制激光温度波长需要使用低温焊料，以免损坏 TEC。另请注意，使用助焊剂改善焊料润湿可能会导致激光设备的可靠性问题。激光芯片位于其散热片上，两者都位于顶部散热片子安装座和光具座。光学平台提供了用于对齐耦合设备（例如透镜）的机械平台，以将激光芯片发出的光耦合到设备的光纤尾纤或可插拔光纤连接器。在光学平台下方，放置了一个热电冷却器 (TEC)，用于有源温度控制激光设备。散热片光具座或 TEC 连接到器件封装底座，激光芯片和 TEC 产生的热量通过该底座释放到 PCB 板安装座。
高功率激光设备通常使用铜钨基钎焊到较低导热率的可伐合金封装中，以实现更好的设备冷却。这些激光设备通常密封在金属外壳中，以通过电信应用的 Telcordia 可靠性要求。密封涉及将光纤尾纤金属化和焊接或玻璃熔接密封到封装或封装壁中的窗口以及密封的泄漏测试激光装置。常见的器件配置是蝶形、DIL 和 mini-DIL Kovar 封装以及小尺寸配置。这些 DFB 激光器的组装涉及多个子组件连接工艺序列，需要用于顺序组装的焊料层次结构，并且需要早期的焊料连接不会回流以后的焊接操作。激光芯片与散热片的连接位于该焊料层级的顶部，采用 AuSn 或 AuGe 硬焊料。具有较少装配连接步骤的设备可以使用较低温度的焊料。常用的散热片包括金刚石、AlN 和 BeO。泵浦激光器等高功率激光芯片通常使用铜散热片。最佳散热片尺寸：散热片尺寸和厚度可以使用组件的热机械 FEM 建模针对每个应用进行优化。基于改进的性能和成本，最佳 CVD 金刚石散热片厚度为 400µm。散热片尺寸的经验法则是边缘安装的横向尺寸的 2.5 倍边缘发射激光芯片等芯片，以及射频功率晶体管芯片等安装在散热片中心的芯片的 5 倍横向器件尺寸。在诸如 AlN 和BeO 等导热系数较低的散热片的情况下，散热片厚度对组件热阻有显着影响，并且散热片厚度通常选择在芯片厚度的1/4 到 1/2 之间。散热片尺寸在横向和深度方向上约为芯片尺寸的 10 倍或更多。高功率固态激光器的应用 用于高功率应用的更大的激光器芯片（例如二极管阵列激光器）具有更长的尺寸以形成边缘发射激光器的激光条。
使用硬金焊料将激光二极管阵列或激光棒连接到金刚石散热片的一种方法是在激光棒下方分割金刚石散热片，使得激光棒的较大长度不会承受超过芯片断裂极限的拉伸载荷。芯片相对于金刚石散热片的不同收缩产生的应变被限制在金刚石散热片的每个部分。这允许更大的激光阵列与最佳的热冷却能力集成，而不会出现芯片断裂问题。高功率电子产品的应用：大型电子芯片，例如用于射频功率发射器和计算机 CPU 处理器芯片，可以与使用低温软体的大面积金刚石散热片集成焊料如铟或铋焊料合金。这些软焊料具有低杨氏模量和蠕变能力，以减轻由于芯片与金刚石散热片的不同热收缩而引起的焊料应变。这些焊料，特别是铟，用于大面积脆性材料板的低应变连接，例如光学窗口或射频窗口。将芯片和散热片焊接到散热片上提供了更有效的组件冷却能力。使用导热环氧树脂的替代附接方法导致组件的热阻显着提高。
如果设计正确，环氧树脂连接可以将芯片与散热片和散热片的芯片上的不同热膨胀张力应变机械隔离，并消除焊接连接所需的金属化成本，但由于有机污染，激光设备可能会出现严重的可靠性问题。在需要激光芯片或电力电子芯片的有效热管理和可靠性的情况下，不应考虑环氧树脂连接。 LED 应用：LED 光输出受热功耗的限制（参考：“LEDsMake the Spot” Marsh D.，EDN Europe，2004 年 12 月）。 LED 寿命（50% 流明衰减）与结温相关：40°C 时 75k 小时，75°C 时 50k 小时，100°C 时 30k 小时，125°C时 10k 小时，最大 LED 结温为 105°C至 135°C。用金刚石散热片替代 LED 器件中使用的铜散热片，在相同结温下可将 LED 光功率输出提高 200% 以上。金刚石散热片替代品直接适用于 LED 器件组装加工，通过焊料连接到 LED 芯片和 PCB 或散热片。采用InGaN 和 AlInGaP 脆性基板材料的小尺寸 LED 管芯可承受通过焊料连接到金刚石散热片的不同热收缩。
与其他封装配置相比，金刚石散热片可为激光芯片和大功率电子设备提供出色的热冷却。与其他材料选择相比，激光或 LED 光功率输出的典型性能提升高达 300%。器件结温热管理的增加使设计人员能够以改进的器件可靠性余量（即更长的使用寿命）为代价，同时提高激光器和 LED 的光功率。金刚石散热片配置用于集成在标准电子和光电器件组装工艺中，用于市场应用中的器件，并在总器件 BOM 成本小幅增加的情况下提供显着的器件功率和可靠性性能改进。
