金剛石，除了作為受人推崇的鉆石原石外，還具有超高熱導率、高電阻率和高擊穿場強、低介電常數、低熱膨脹等特點，因此在電子封裝領域具有廣泛的應用前景。早在六十年代，就已經開始用金剛石作散熱材料的嘗試。高導熱的金剛石還是高功率半導體激光器封裝的絕佳的熱沉材料。
一、半導體激光器對封裝熱沉的要求
高功率半導體激光器具有光電效率高、易調制、體積小、重量輕等優點，廣泛應用于激光通信、激光打印、醫療儀器等方面。隨著高功率半導體激光器的發展，高功率半導體激光器在工作時，有源區會產生大量的熱，降低了激光器的輸出功率、電光轉換效率，甚至減少激光器使用壽命或者導致激光器失效等。
目前，半導體激光器最主要的散熱方式是通過熱沉來散熱。如上圖所示，高功率半導體器件一般是在銅熱沉基礎上加過渡熱沉，常用的過渡熱沉材料有氮化鋁、氧化鋁、氧化鈹、鎢銅合金、鉬銅合金等。高功率半導體激光器封裝對過渡熱沉的要求主要有兩方面：1.低熱阻：過渡熱沉熱導率越高越可以有效地降低激光器熱阻。2.低熱失配：芯片與過渡熱沉的熱膨脹系數失配產生熱應力，熱應力會影響半導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更加匹配的熱沉材料。二、金剛石熱沉片是半導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、高熱導率和匹配的熱膨脹系數。通過高熱導率實現快速散熱，保證芯片在適宜的溫度下正常工作。2、通過匹配的熱膨脹系數，減小熱沉、芯片以及各封裝材料之間的熱應力，避免開裂脫離等導致芯片過燒的情況發生。
圖 ? 常用散熱基板材料的熱物理性能熱沉材料的升級和發展，實質是熱導率和熱膨脹系數不斷優化的過程。目前高功率半導體激光器普遍使用的散熱材料是氮化鋁熱沉，將其作為過渡熱沉燒結在銅熱沉上。目前金剛石熱沉材料的熱導率最高達到2000W/(K·m)，相比于熱導率為230/(K·m)的氮化鋁過渡熱沉，金剛石熱沉的高導熱率作為高功率半導體激光器的過渡熱沉可顯著提高激光器的散熱效果。氮化鋁熱膨脹系數接近芯片，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體激光器的過渡熱沉，一般可采用軟焊料封裝減少熱失配引入的熱應力。金剛石具有極高的熱導率，是銅（僅為4W/K·cm）的5倍，作為高功率半導體激光器封裝熱沉，表現出優異的散熱特性：一方面將集中于器件PN結的熱量能夠均勻迅速的沿熱沉表面擴散；另一方面將熱量沿熱沉垂直方向迅速導出。天然金剛石由于成本問題無法應用于半導體激光器封裝，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、鋁等金屬復合。金剛石薄膜目前其制備技術已相對成熟，但由于金剛石薄膜的低熱膨脹，難與金屬潤濕、焊接等特點，導致金剛石薄膜與其它器件和焊料的組裝及應用過程中受到了很大限制，需要解決表面光潔度、平行化、金屬化及切割等問題。金剛石與銅、鋁等金屬復合材料是國內外先進熱沉材料的新寵，通過調節金剛石體積分數實現高熱導和可調熱膨脹，可滿足系統散熱和組裝工藝的要求，被譽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域中被歸類為“被動性散熱元件”，以導熱性佳、質輕、易加工的金屬或非金屬或復合材料（多為鋁或銅，碳化硅，碳化硅鋁等）貼附于發熱表面，以復合的熱交換模式來將熱傳遞到流體介質如空氣、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，用來冷卻電子芯片的裝置。熱沉相關的企業有：公司名稱 | 主營產品 |
Innomat | 熱沉材料 |
PeppergrayTech.Ltd | 熱沉 |
安泰天龍鎢鉬科技有限公司 | 陶瓷承燒板、高溫爐熱場、熱沉材料 |
佛山華智 | 封裝，熱沉 |
海特信科新材料科技有限公司 | 熱沉產品，IGBT銅針板，鎢銅鉬銅CPC CMC等 |
河北星耀新材料科技有限公司 | 高強高導彌散銅h熱沉材料 |
江蘇鼎啟科技有限公司 | 熱沉材料，HTCC漿料 |
晶鼎光電 | 射頻端子，陶瓷熱沉，DPC，金屬化窗口 |
炬光科技 | LD及光學元器件，半導體封裝熱沉 |
覺芯電子 | 陶瓷熱沉，光窗 |
南京瑞為新材料 | 芯片熱沉材料 |
諾星航空科技 | 熱沉材料 陶瓷基板等 |
湃泊科技有限公司 | 熱沉 |
青島景晟電子科技有限公司 | 鉬銅等熱沉，薄膜電路，LTCC |
賽創電氣（銅陵）有限公司 | DPC陶瓷基板，激光熱沉 |
廈門輕廣科技有限公司 | 熱沉材料 |
山西爍科晶體有限公司 | 碳化硅襯底，熱沉 |
山西爍科晶體有限公司 | 碳化硅襯底、熱沉 |
陜西中天火箭技術股份有限公司 | 鎢銅熱沉 合金散熱底板 |
上海大學 | 熱沉材料 |
上海六晶科技股份有限公司 | 鎢銅鉬銅等熱沉材料 |
深圳市匯光芯創光電技術有限公司 | 熱沉、COB Lens、測試線纜、測試儀器、測試設備系統等 |
深圳市湃泊科技有限公司 | 陶瓷熱沉 |
西安創正新材料有限公司 | 鋁碳化硅復合材料熱沉，IGBT基板熱沉 |
西安智慧谷科技研究院有限公司 | 半導體和通訊類陶瓷熱沉， |
浙江前沿半導體材料有限公司 | 激光、微波熱沉材料 |
浙江實利合新材料科技有限公司 | 熱沉產品 |
中天火箭 | 封裝熱沉材料開發 |
珠海菲高科技股份有限公司 | 熱沉散熱器件，半導體封裝材料引線框架 |
原文始發于微信公眾號（艾邦陶瓷展）：半導體激光器封裝熱沉的絕佳選擇：金剛石熱沉片
