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半导体激光器具有体积小、质量轻、能耗小、易调制、可以批量化生产等众多优点,被广泛应用于工业加工、信息通信、医疗、生命科学和军事等领域。随着半导体激光器输出功率的不断提高,很大一部分电功率转换成了热功率。而半导体激光器的光学特性、输出功率以及可靠性等都与器件的工作温度有着密切的关系。因此,散热问题成了直接影响半导体激光器,特别是大功率半导体激光器性能的关键因素。
突破热难题,半导体激光器热沉材料介绍

图源:炬光科技

1.半导体激光器散热原理

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、热电制冷和喷雾冷却、热管散热等形式。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。

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图 半导体激光器热沉传导散热示意
半导体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。
通过热沉材料将半导体激光器工作时产生的热量传导出去,是降低半导体激光器工作温度,保证半导体激光器的性能和可靠性的有效方法。热沉材料的选择主要考虑两个方面:

①材料要具有较高的热导率,能够将激光器工作时产生的热量及时散发出去;

②热沉材料与激光器芯片的热膨胀系数要尽可能匹配,以免激光器芯片因为热应力而损坏。

2.半导体激光器热沉材料

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。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很大,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。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。

表 各种热沉材料的性能参数

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图 各种散热材料的热性能,来源:住友电工

①钨铜

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,实际上是一种假合金。钨铜合金用粉末冶金方法制备而成,既有钨的低膨胀特性,又具有铜的高导热特性。其热膨胀系数和导热导电性能可以通过调整钨铜的成分而加以改变,同时又与硅片、砷化镓及陶瓷材料相匹配的热膨胀系数。早期激光器多用钨铜C-Mount结构,后面进化成钨铜巴条。

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图 激光器钨铜巴条,来源:海特信科

②氮化铝

氮化铝陶瓷各项性能优异,热导率高,其理论热导率可达320W/(m·K),其商用产品热导率一般为180W/(m·K)~260W/(m·K),氮化铝陶瓷热膨胀系数与激光器芯片的热膨胀系数相差不大,常被用作过渡热沉材料。

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图 氮化铝激光热沉,来源:深圳晶瓷

③碳化硅

SiC是一种典型的天然超晶格同质多型体,具有良好的物理及化学性能,其高硬度、高耐磨性仅次于金刚石,其理论导热率可以达到490W/(m•K),是硅的3倍,膨胀系数低,散热性能好,非常适合大功率器件,热稳定性高,常压下不能融化,抗腐蚀性能强,表面易与氧气发生氧化生成二氧化硅防止进一步氧化等。

④金刚石

为了起到更好的散热效果,还可采用金刚石作为铜和芯片之间的连接材料,天然金刚石材料的热导率高达2000W/(m·K),约是铜的5倍,且热膨胀系数小。因此采用既电绝缘又高导热的金刚石作为大功率半导体激光器的热沉是比较理想的。

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图 金刚石铜/铝,来源:海特信科
天然金刚石由于成本问题无法应用于半导体激光器封装,目前金刚石用作热沉材料主要有两种形式,即金刚石薄膜(CVD金刚石膜)和将金刚石与铜、铝等金属复合。但是由于金刚石的切割、表面平整抛光以及金属化等加工难度较大,限制了其在半导体激光器热沉方面的大规模应用。

⑤石墨烯

石墨烯是一种新型的单原子层厚度的二维平面碳纳米材料,具有优良的电学、光学和热学特性,单层石墨烯的横向热导率可以高达5300W/(m·K),远远高于碳化硅、氮化铝等热沉材料,将其应用于半导体激光器热沉,对改善器件散热能力、提高器件性能具有重要的应用前景。

资料:

碳化硅过渡热沉对C-mount封装激光器散热的影响,吴胤禛,等;

高功率半导体激光器过渡热沉封装技术研究,马德营,等;

CVD金刚石热沉封装高功率半导体激光器的热特性,戴玮,等;

高功率半导体激光器散热方法综述,刘瑞科,等.

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推荐展会:第六届精密陶瓷暨功率半导体产业链展览会

同期举办:热管理材料展


2024年8月28日-30日  

深圳国际会展中心7号馆(宝安新馆)

展出2万平米、1,000个摊位、500多家展商、50,000名专业观众;汇聚IGBT/SiC功率半导体产业链;热管理材料产业链,精密陶瓷、电子陶瓷、陶瓷基板、薄膜/厚膜陶瓷电路板、陶瓷封装管壳、LTCC/HTCC/MLCC加工产业链等产业链上下游企业!


一、精密陶瓷产业链:


1、陶瓷器件及材料MLCC、LTCC、HTCC、微波介质陶瓷、压电陶瓷、钛酸钡、碳酸钡、氧化钛、氧化铝、氧化锆、玻璃粉、氮化铝、LTCC介质陶瓷粉体、稀土氧化物、生瓷带等;


2、精密陶瓷:氧化锆、氧化铝、氮化铝、氮化硅、碳化硅、氧化钇、结构陶瓷、高温陶瓷、透明陶瓷、陶瓷微珠、新能源陶瓷、陶瓷轴承、陶瓷球、半导体陶瓷(搬运臂、陶瓷劈刀、静电卡盘、蚀刻环……)、3D打印陶瓷、燃料电池(SOFC)隔膜片、穿戴陶瓷、光纤陶瓷插芯、陶瓷套筒、CIM、生物陶瓷等。


3、陶瓷基板及封装外壳:陶瓷封装外壳、DPC、DBC、AMB、HTCC基板、LTCC基板、薄膜电路板、厚膜电路板、陶瓷封装基座、热沉、氧化铝、氮化铝、氮化硅、氧化铍、莫来石粉体及基板等;


4、金属材料:银粉、金粉、铜粉、镍粉、焊料(焊片、焊膏)、MLCC用内/外电极浆料、LTCC银浆、金浆、钨钼浆料、铜浆、靶材、无氧铜带、可伐合金、金属冲压件等;


5、助剂:陶瓷和导电浆料用分散剂、黏合剂、增塑剂、絮凝剂、矿化剂、消泡剂、润滑剂、烧结助剂等;


6、设备:


Ceramic processing equipment: sand mill, ball mill, vacuum degassing machine, three-roller machine, spray granulator, dry press, cast film machine, injection molding machine, 3D printer, mold, drying equipment, grinder, engraving machine, cutting machine, laser equipment, punching machine, hole filling machine, screen printing machine, laminating machine, laminating machine, isostatic press, hot cutting machine, leveling machine, debinding furnace, sintering furnace, brazing equipment, electroplating equipment, chemical plating, silver spraying machine, silver immersion machine, silver end machine, vacuum coating equipment, developing equipment, film removal equipment, etching machine, wet process equipment, plasma cleaning, ultrasonic cleaning, automation equipment, peel strength tester, AOI testing equipment, marking machine;


Packaging and testing equipment: chip mounter, wire bonding machine, capping machine, parallel seam welding capping machine, rib cutting machine, soldering equipment, laser resistance trimming machine, network analyzer, thermal cycle test equipment, thickness gauge, helium leak detector, aging equipment, appearance inspection, ultrasonic scanning microscope, X-ray inspection, laser marking, sorting equipment, package taping machine, etc.


7、耗材:离型膜、载带(塑料和纸质)、耐火材料、承烧板/匣钵(氧化铝、刚玉莫来石、氮化硼等)、承烧网、发泡胶、研磨耗材(金刚石微粉、研磨液)、精密网版、清洗剂、电镀药水等。


二、热管理产业链:


1、热管理材料:氧化铝、氮化铝、氮化硼、石墨烯、石墨、碳纳米管、空心玻璃微珠、导热粉体、散热基板、热沉(钨铜、钼铜、氮化铝、金刚石等)、铝碳化硅AlSiC、相变材料、导热凝胶、导热界面材料、导热垫片、导热胶带、灌封胶、热管/均热板;


2、散热器件:半导体制冷片(TEC)、IGBT散热器(铜、铝)、大功率晶体管散热器、通信基站散热壳体、液态金属散热器、插针式散热器等;


3、设备:压延机、涂布机、分条机、模切机、复卷机、切片机,CNC设备、压铸/冲压设备、热分析仪器、激光导热仪、导热系数仪、强度试验机、检测设备、自动化等。


三、功率半导体器件封装产业链:


1、材料:碳化硅,陶瓷衬板(DBC、AMB)、封装管壳、键合丝、散热基板(铜、铝碳化硅AlSiC)、导热硅凝胶、环氧灌封胶、焊料(预制焊片)、银膜/银膏、散热器(铜、铝)、功率引出端子(铜端子)、外壳(工程塑料PPS、PBT、高温尼龙)、清洗剂等;

2、设备及配件:真空焊接炉、贴片机、固晶机、引线键合机、X-ray、推拉力测试机、等离子清洗设备、点胶机、丝网印刷机、超声波扫描设备、动静态测试机、点/灌胶机、银烧结设备、垂直固化炉、甲酸真空共晶炉、自动封盖设备、高速插针机、弯折设备、超声波焊接机、视觉检测设备、推拉力测试机、高低温冲击设备、功率循环测试设备、打标机、检验平台、治具等;


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原文始发于微信公众号(艾邦陶瓷展):突破热难题,半导体激光器热沉材料介绍

一颗芯片的制造工艺非常复杂,需经过几千道工序,加工的每个阶段都面临难点。欢迎加入艾邦半导体产业微信群:

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