激光二极管是在正常运行期间产生热量的多种不同类型的电子设备之一，施加到此类设备的一些功率作用热能损失。为了确保稳定的性能和高可靠性，在多余的热量必须从激光二极管、微处理器和功率晶体管陶瓷基板等设备中导出，并在发热设备周围的材料（如电路板或设备外壳）或环境中安全消散。
没有任何有源设备是100%散热的，这意味着电源或信号能量将不可避免地作为设备产生的热量而损失。如果管理不当，由此导致的器件温度升高会缩短有源器件（如激光二极管）的工作寿命。事实上，一个典型的高功率激光二极管通常以50%的效率运行，它产生的热量与它产生的光一样多。
随着激光二极管输出功率水平的增加，每单位器件面积产生的热量也增加，需要对激光二极管进行有效且均匀的冷却。通过了解不同陶瓷基板材料的热行为以及各种三维（3D）结构（例如微通道冷却器（MCC））如何促进热流，可以通过其将热量从发热激光二极管中排出。封装和散热器到周围环境，MCC有许多不同的材料制成，包括铜和陶瓷上覆铜的基板，其中一些MCC，例如歧管 MCC，小到可以嵌入到有源器件的封装中，它们为其提供热-传递函数。
激光二极管封装或其封装材料或散热器的热导率是指其传导热量的能力，以瓦特/米/开氏度 (W/mK) 为单位。热量通过具有高导热率或相反低热阻的材料更有效地传递。例如，铜具有非常高的热导率，约为 400 W/mK。热阻或 R th是热导率的倒数，当需要高热流时，更需要较低的值。
可以找到给定材料的 R th值作为温度变化 ΔT 的函数，该变化发生在激光二极管在全输出功率和功率损耗 (P loss ) 或耗散的热功率 (P thermo ) 下激光二极管：
其中 ΔT 是激光二极管上的最热温度 T结与某些参考或环境温度 T环境（例如室温）之间的差：
T = T结- T环境
热量从激光二极管流向导热材料的面积也决定了材料的热阻以及散发给定量热量所需的散热器尺寸，当较小的散热器与较大的散热器的功率损耗和T相同时，可以得出结论，较大的散热器具有较低的导热率。因为相同数量的热量通过较大的区域消散。通过 3D 结构（例如散热器或 MCC）的热流很少是简单的线性函数，因此，激光二极管的热管理解决方案必须考虑冷却结构的机械设计，以及用于构建这些冷却结构的材料的热性能。
随着紧凑型激光二极管产生的光功率水平（和热量）增加，需要各种冷却方法来保持激光二极管的工作温度尽可能接近环境温度。由于即使是低热阻值的材料的冷却限制，用于散发高功率激光二极管产生的热量所需的冷却结构也可能过大，除非使用具有出色热性能的材料制造。通常还需要新颖的冷却结构来有效地将热量从激光二极管或大功率晶体管等有源器件中排出，机械配置（例如具有流通腔的 MCC）允许使用冷却液通过 MCC 传递热量并远离热源。通过使用这样的结构。
尽管铜具有优异的热性能，但它通常与不同类型的陶瓷基板材料结合使用，以实现热性能和电性能的混合，以实现高可靠性与激光二极管等高能有源器件的高可靠性。用于冷却结构的典型陶瓷基板材料包括氧化铝、氮化铝和氮化硅。为了有效散热，冷却结构采用多层陶瓷绝缘体和多层铜，以促进热量从有源器件流出。如前所述，这些冷却结构还可以采用冷却结构内的空腔，该冷却结构具有某种形式的冷却液，该预定流速已被优化用于有效地将热量从热源转移出去。
这些陶瓷绝缘体的材料特性，以及用于将铜层相互连接到陶瓷基板的粘合工艺，对于冷却结构的长期有效性至关重要。例如激光二极管的热量产生的热应力，由陶瓷绝缘体之类的周围材料将随着温度发生膨胀，这由材料的热膨胀（CTE）描述。CTE本质上定义了材料的尺寸将如何随温度增加，较大的值表示尺寸随温度增加的幅度更大。通过使用具有紧密匹配CTE的材料，可以最大限度低减少不同材料之间界面处的潜在热应力。
类似地冷却结构中铜层和陶瓷绝缘层之间的结合将在高温下受到一定量的应力，这取决于它们的 CTE 特性的差异。通过使用 CTE 与铜非常匹配的陶瓷基板材料，可以最大限度地减少任何潜在的热应力。例如，典型 CTE 为 1 ppm/K 的金刚石基板由于其随温度的稳定性而经常用作散热器的基础，尽管典型 CTE 为 17 ppm/K 的铜会在界面处承受应力铜和金刚石之间的键合，因为它们的线性膨胀率随温度变化很大。
然而，对于由铜和陶瓷材料层形成的实际冷却结构，铜和前面提到的绝缘体材料之间的 CTE 匹配更接近，从而导致随温度变化的热应力更小。例如，对于 Al 2 O 3陶瓷基板，CTE 为 6.8 ppm/K，与铜的 CTE 相当接近，而 Si 3 N 4的 CTE 为 2.5 ppm/ K，AlN 为 4.7 ppm/K。然而，Si 3 N 4和 AlN 的热导率分别为 90 和 170 W/mK，高于 Al 2 O 3的 24 W/mK ，以改善热冷却结构中的散热。
其他材料特性可以指导电路或系统设计人员选择用于构建激光二极管冷却结构的陶瓷绝缘体材料。例如，与其他陶瓷绝缘体材料相比，Si 3 N 4材料具有较高的机械强度，与使用活性金属钎焊 (AMB) 或直接键合铜(DBC) 工艺处理的传统基板相比，具有更高的耐用性。这种材料特性表明，当将诸如 AlN 之类的陶瓷基板用作具有足够铜层的精心设计的冷却结构的基础时，即使对于具有高功率密度的有源器件（例如激光二极管）也可以提供出色的散热性能。
热冷却结构依赖于有效的粘合方法来连接铜对铜和铜对陶瓷层。将铜连接到陶瓷基板的两种成熟的连接方法是 DBC和AMB方法。DBC是一种高温工艺，通过该工艺纯铜熔化并扩散到陶瓷基板上。AMB也是一种高温工艺，将纯铜钎焊到陶瓷基板上。许多复杂的冷却结构可能还需要大量薄铜层来增强热量从热源中的流动，并且通常在极高的加工温度下通过共晶熔体连接多个薄的预氧化铜层，例如+1083°C。
原文始发于微信公众号（展至科技）：先进陶瓷基板材料有助于激光散热消暑
