金剛石，除了作為受人推崇的鉆石原石外，還具有超高熱導(dǎo)率、高電阻率和高擊穿場(chǎng)強(qiáng)、低介電常數(shù)、低熱膨脹等特點(diǎn)，因此在電子封裝領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。早在六十年代，就已經(jīng)開始用金剛石作散熱材料的嘗試。高導(dǎo)熱的金剛石還是高功率半導(dǎo)體激光器封裝的絕佳的熱沉材料。
一、半導(dǎo)體激光器對(duì)封裝熱沉的要求
高功率半導(dǎo)體激光器具有光電效率高、易調(diào)制、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于激光通信、激光打印、醫(yī)療儀器等方面。隨著高功率半導(dǎo)體激光器的發(fā)展，高功率半導(dǎo)體激光器在工作時(shí)，有源區(qū)會(huì)產(chǎn)生大量的熱，降低了激光器的輸出功率、電光轉(zhuǎn)換效率，甚至減少激光器使用壽命或者導(dǎo)致激光器失效等。
圖 ?高功率半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)示意圖
目前，半導(dǎo)體激光器最主要的散熱方式是通過(guò)熱沉來(lái)散熱。如上圖所示，高功率半導(dǎo)體器件一般是在銅熱沉基礎(chǔ)上加過(guò)渡熱沉，常用的過(guò)渡熱沉材料有氮化鋁、氧化鋁、氧化鈹、鎢銅合金、鉬銅合金等。
高功率半導(dǎo)體激光器封裝對(duì)過(guò)渡熱沉的要求主要有兩方面：
1.低熱阻：過(guò)渡熱沉熱導(dǎo)率越高越可以有效地降低激光器熱阻。
2.低熱失配：芯片與過(guò)渡熱沉的熱膨脹系數(shù)失配產(chǎn)生熱應(yīng)力，熱應(yīng)力會(huì)影響半導(dǎo)體激光器的輸出功率、光譜寬度、可靠性等，因此選用與激光器芯片熱膨脹系數(shù)更加匹配的熱沉材料。
二、金剛石熱沉片是半導(dǎo)體激光器的絕佳選擇
熱沉材料由于要與芯片緊密貼裝，需要考慮以下兩大基本性能要求 ：
1、高熱導(dǎo)率和匹配的熱膨脹系數(shù)。通過(guò)高熱導(dǎo)率實(shí)現(xiàn)快速散熱，保證芯片在適宜的溫度下正常工作。
2、通過(guò)匹配的熱膨脹系數(shù)，減小熱沉、芯片以及各封裝材料之間的熱應(yīng)力，避免開裂脫離等導(dǎo)致芯片過(guò)燒的情況發(fā)生。
圖 ? 常用散熱基板材料的熱物理性能
熱沉材料的升級(jí)和發(fā)展，實(shí)質(zhì)是熱導(dǎo)率和熱膨脹系數(shù)不斷優(yōu)化的過(guò)程。目前高功率半導(dǎo)體激光器普遍使用的散熱材料是氮化鋁熱沉，將其作為過(guò)渡熱沉燒結(jié)在銅熱沉上。目前金剛石熱沉材料的熱導(dǎo)率最高達(dá)到2000W/(K·m)，相比于熱導(dǎo)率為230/(K·m)的氮化鋁過(guò)渡熱沉，金剛石熱沉的高導(dǎo)熱率作為高功率半導(dǎo)體激光器的過(guò)渡熱沉可顯著提高激光器的散熱效果。氮化鋁熱膨脹系數(shù)接近芯片，相比于金剛石熱沉，氮化鋁熱沉封裝芯片熱失配度更低，因此金剛石作為半導(dǎo)體激光器的過(guò)渡熱沉，一般可采用軟焊料封裝減少熱失配引入的熱應(yīng)力。
金剛石具有極高的熱導(dǎo)率，是銅（僅為4W/K·cm）的5倍，作為高功率半導(dǎo)體激光器封裝熱沉，表現(xiàn)出優(yōu)異的散熱特性：一方面將集中于器件PN結(jié)的熱量能夠均勻迅速的沿?zé)岢帘砻鏀U(kuò)散；另一方面將熱量沿?zé)岢链怪狈较蜓杆賹?dǎo)出。
天然金剛石由于成本問(wèn)題無(wú)法應(yīng)用于半導(dǎo)體激光器封裝，目前金剛石用作熱沉材料主要有兩種形式，即金剛石薄膜（CVD金剛石膜）和將金剛石與銅、鋁等金屬?gòu)?fù)合。金剛石薄膜目前其制備技術(shù)已相對(duì)成熟，但由于金剛石薄膜的低熱膨脹，難與金屬潤(rùn)濕、焊接等特點(diǎn)，導(dǎo)致金剛石薄膜與其它器件和焊料的組裝及應(yīng)用過(guò)程中受到了很大限制，需要解決表面光潔度、平行化、金屬化及切割等問(wèn)題。金剛石與銅、鋁等金屬?gòu)?fù)合材料是國(guó)內(nèi)外先進(jìn)熱沉材料的新寵，通過(guò)調(diào)節(jié)金剛石體積分?jǐn)?shù)實(shí)現(xiàn)高熱導(dǎo)和可調(diào)熱膨脹，可滿足系統(tǒng)散熱和組裝工藝的要求，被譽(yù)為第三代熱管理材料。
熱沉，英文heat sink，也稱吸熱器或再散熱器或熱沼，是指它的溫度不隨傳遞到它的熱能的大小變化而變化，它可以是大氣、大地等物體。熱沉在電子工程的領(lǐng)域中被歸類為“被動(dòng)性散熱元件”，以導(dǎo)熱性佳、質(zhì)輕、易加工的金屬或非金屬或復(fù)合材料（多為鋁或銅，碳化硅，碳化硅鋁等）貼附于發(fā)熱表面，以復(fù)合的熱交換模式來(lái)將熱傳遞到流體介質(zhì)如空氣、液體冷卻劑中或附加的散熱器。在電子封裝上是指微型散熱片，用來(lái)冷卻電子芯片的裝置。熱沉相關(guān)的企業(yè)有：
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公司名稱
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主營(yíng)產(chǎn)品
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Innomat
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熱沉材料
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PeppergrayTech.Ltd
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熱沉
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安泰天龍鎢鉬科技有限公司
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陶瓷承燒板、高溫爐熱場(chǎng)、熱沉材料
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佛山華智
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封裝，熱沉
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海特信科新材料科技有限公司
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熱沉產(chǎn)品，IGBT銅針板，鎢銅鉬銅CPC CMC等
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河北星耀新材料科技有限公司
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高強(qiáng)高導(dǎo)彌散銅h熱沉材料
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江蘇鼎啟科技有限公司
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熱沉材料，HTCC漿料
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晶鼎光電
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射頻端子，陶瓷熱沉，DPC，金屬化窗口
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炬光科技
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LD及光學(xué)元器件，半導(dǎo)體封裝熱沉
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覺(jué)芯電子
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陶瓷熱沉，光窗
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南京瑞為新材料
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芯片熱沉材料
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諾星航空科技
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熱沉材料 陶瓷基板等
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湃泊科技有限公司
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熱沉
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青島景晟電子科技有限公司
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鉬銅等熱沉，薄膜電路，LTCC
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賽創(chuàng)電氣（銅陵）有限公司
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DPC陶瓷基板，激光熱沉
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廈門輕廣科技有限公司
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熱沉材料
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山西爍科晶體有限公司
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碳化硅襯底，熱沉
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山西爍科晶體有限公司
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碳化硅襯底、熱沉
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陜西中天火箭技術(shù)股份有限公司
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鎢銅熱沉 合金散熱底板
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上海大學(xué)
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熱沉材料
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上海六晶科技股份有限公司
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鎢銅鉬銅等熱沉材料
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深圳市匯光芯創(chuàng)光電技術(shù)有限公司
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熱沉、COB Lens、測(cè)試線纜、測(cè)試儀器、測(cè)試設(shè)備系統(tǒng)等
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深圳市湃泊科技有限公司
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陶瓷熱沉
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西安創(chuàng)正新材料有限公司
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鋁碳化硅復(fù)合材料熱沉，IGBT基板熱沉
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西安智慧谷科技研究院有限公司
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半導(dǎo)體和通訊類陶瓷熱沉，
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浙江前沿半導(dǎo)體材料有限公司
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激光、微波熱沉材料
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浙江實(shí)利合新材料科技有限公司
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熱沉產(chǎn)品
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中天火箭
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封裝熱沉材料開發(fā)
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珠海菲高科技股份有限公司
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熱沉散熱器件，半導(dǎo)體封裝材料引線框架
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原文始發(fā)于微信公眾號(hào)（艾邦陶瓷展）：半導(dǎo)體激光器封裝熱沉的絕佳選擇：金剛石熱沉片
