人工智能（AI）等新一代信息技术应用持续推进，对数据量的吞吐和算力的消耗均具有强烈的需求，这为在大容量、长距离传输方面有着明显优势的光通信行业带来市场机遇。作为一种以光波作为传输媒介的通信方式，光通信依靠半导体激光器作为光源，来产生稳定、高强度的光束，以实现高速率的数据传输。不过由于在激光器芯片有源区内存在非辐射复合损耗和自由载流子的吸收，且其中各层材料存在着电阻，半导体激光器在工作时会产生大量的热，如果热量不能及时散发，将会影响激光器的各项性能，如发生波长发生红移、阈值电流增大、斜率效率降低、功率减小等一系列问题，严重时甚至导致激光器失效，因此散热封装技术是保障激光器稳定工作的关键。

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半导体激光器散热封装结构

通常，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，自然对流热沉冷却采用高热导率材料做热沉，通过扩大自然对流散热面积来增加散热量来降低激光芯片的温度，具有易于加工和组装的特点，是常用的冷却方式。

目前，半导体激光器通常采用具有高热导率的铜作为热沉，但铜的热膨胀系数（16.5×10-6/K）与半导体激光器芯片的主要组成成分GaAs的热膨胀系数（6.4×10^-6/K）相差很大，导致在冷却过程中，热沉的收缩速率大于芯片，芯片受到压应力，而弯曲成凸形，影响激光器的输出性能，因此需要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。同时，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，还需要利用焊料把半导体激光器芯片粘贴到过渡热沉上，形成芯片朝下的倒装封装结构。

1、过渡热沉的选择

过渡热沉材料的热导率、热膨胀系数等特性参数对器件散热能力和器件结构稳定性起关键作用。目前半导体激光器常用的过渡热沉材料有氮化铝陶瓷、碳化硅陶瓷、钨铜合金、铜金刚石复合材料、石墨烯膜等。

（1）氮化铝、碳化硅等陶瓷热沉

氮化铝、碳化硅等陶瓷材料的热膨胀系数与激光器芯片相近（分别为4.84×10^-6/K、4.5×10^-6/K），热导率高（分别为180W~260W/（m·K）、120~150W/（m·K）），且满足金丝键合及焊料预置需求，不仅适用于小体积、高集成度的封装中，而且能满足各类二级封装的应用需求，除此之外，还具有高硬度、高耐磨性、高化学稳定性等优点。

大功率半导体激光器陶瓷热沉（来源：觉芯电子）

（2）钨铜合金

钨铜合金是钨和铜组成既不互溶又不形成金属间化合物的两相单体均匀混合的组织，通常用粉末冶金方法制备而成，既可利用钨的低膨胀特性，又可利用铜的高导热特性。通过改变材料的成分比例，可调整其热膨胀系数和导电导热性，来更好地适配激光器芯片。

激光器用钨铜热沉（来源：中天火箭）

（3）铜/金刚石复合材料

金刚石热导率高达2000W/(m·K)，且热膨胀系数小，但是其生长及其困难，且由于极大的硬度，其切割、表面平整抛光以及金属化等加工难度较大，成本极高，因此，可将金刚石与铜等金属复合，通过调节金刚石体积分数实现高热导和可调热膨胀，满足系统散热和组装工艺的要求。

（图源：有研工研院）

（4）石墨烯薄膜

石墨烯是一种二维晶体，单层横向热导率可以高达5300 W/（m·K），远远高于碳化硅、氮化铝等热沉材料，在芯片上直接覆盖一层石墨烯薄膜，可利用石墨烯基薄膜的平面内高导热特性，将有源区产生的热量横向快速传递分散，同时由于石墨烯膜具有质量轻、柔韧性好的优势，芯片和石墨烯基薄膜之间无需焊料即可紧密贴合，在封装过程中没有引入过多的热应力，这使得有源区应力较小，确保了半导体激光器的可靠性。

石墨烯膜（来源：株洲晨昕中高频设备有限公司）

2、焊料的选择

对于半导体激光器而言，热量需要通过焊料层传递到过渡热沉层，因此选择合适的焊料对于确保半导体激光器的长期稳定运行非常重要。一般来说，焊料的选择除了应考虑热导率和热膨胀系数，还要求与热沉材料具有恰当的熔融温度范围，并能提供足够的润湿性，以便形成冶金结合芯片和热沉，同时，焊料还应具备充分延展性，从而减少芯片与热沉之间的热应力形变。目前，常用焊料包括铟（In）焊料、纳米银焊膏等软焊料以及金锡焊料这种硬焊料。

（1）铟（In）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，铟容易生长出细长的晶体结构，即所谓的“铟须”，使焊料层疲劳，最终导致激光器损坏。

（2）纳米银焊膏

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，具有尺寸效应，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℃，同时其热导率高达240 W/（m·K），熔点高达960℃，能够在高温下稳定工作，正被逐渐应用到许多大功率电子器件中。

（3）金锡焊料

金锡焊料的钎焊温度适中，在钎焊过程中，基于合金的共晶成分，很小的过热度就可使合金熔化、浸润，并快速凝固，适用于对稳定性要求很高的元器件组装。合金中的金成分含量高，因此你材料表面的氧化程度较低，若在钎焊过程中采用真空或还原性气体如氮气和氢气的混合气，则无需使用助焊剂。此外，金锡焊料还具有浸润性优异、抗蠕变性能好、高热导率等诸多优点。不过，金锡焊料抗拉强度高达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。同时相较于其他焊料，金锡焊料的成本也更高。

小结

伴随AI等新一代信息技术对数据传输能力要求的提高，作为光通讯核心器件之一的半导体激光器的封装技术成为了热点研究话题。由于铜热沉与芯片较大的热膨胀系数差距，半导体激光器通常利用引入铟（In）、纳米银、金锡合金等焊料机在通常热沉与基板之间引入氮化铝陶瓷、碳化硅陶瓷、钨铜合金、铜金刚石复合材料、石墨烯膜等才作为过渡热沉，并采用芯片朝下的倒装封装结构，不但可有效降低器件工作时有源区的温度，也能降低各层级结构之间由于热膨胀系数不匹配引入的热应力及器件的热应变，增强了器件封装的可靠性。

参考来源：

马德营,李萌,邱冬.高功率半导体激光器过渡热沉封装技术研究[J].科技与创新.

岳云震,晏长岭,杨静航,等.不同过渡热沉封装微盘腔半导体激光器热分析[J].半导体光电.

赵瑞.高功率半导体激光器高密度传导封装结构热优化研究[D].长春理工大学.

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