在半導(dǎo)體激光器的性能體系中，散熱能力作為核心支撐要素，直接決定器件的使用壽命與運(yùn)行效能。相關(guān)數(shù)據(jù)表明，電子器件工作溫度每升高10攝氏度，其使用壽命將下降50%。這一規(guī)律凸顯了熱沉材料在支撐半導(dǎo)體激光器向高功率、高集成度方向發(fā)展中的關(guān)鍵作用。

    一.傳統(tǒng)熱沉材料的局限性及新型材料的興起
    長(zhǎng)期以來(lái)，鎢銅（W/Cu）、鉬銅（Mo/Cu）及碳化硅/鋁（SiC/Al）等傳統(tǒng)熱沉材料，因熱導(dǎo)率普遍低于200W/(m·K)，已無(wú)法滿足氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）等高功率器件的散熱需求。隨著無(wú)人機(jī)、機(jī)器人、人工智能計(jì)算等設(shè)備對(duì)功率與集成度的要求持續(xù)提升，傳統(tǒng)材料的應(yīng)用瓶頸日益凸顯。
    在此背景下，以金剛石、石墨烯為代表的碳材料顯現(xiàn)出革命性應(yīng)用潛力。其中，金剛石的熱導(dǎo)率高達(dá)2200W/(m·K)，熱膨脹系數(shù)僅為1.2×10??/K，石墨烯亦具備超高熱導(dǎo)率，二者成為第四代熱沉材料研發(fā)的核心方向。然而，單一碳材料存在明顯短板：石墨抗壓強(qiáng)度較低且易產(chǎn)生粉塵脫落，金剛石膜則受限于尺寸與成本因素。
    為破解上述問(wèn)題，金屬基復(fù)合技術(shù)（如金剛石-銅、石墨-鋁復(fù)合材料）通過(guò)集成碳材料的高熱導(dǎo)率與金屬的可調(diào)低熱膨脹系數(shù)，有望研發(fā)出滿足高功率半導(dǎo)體器件迫切需求的第四代碳/金屬熱沉復(fù)合材料。

    二.散熱機(jī)制與冷卻方式：原理及實(shí)踐應(yīng)用
    半導(dǎo)體激光器的散熱過(guò)程構(gòu)成精密的“熱傳導(dǎo)鏈條”：熱量主要產(chǎn)生于芯片的有源區(qū)，經(jīng)焊料層、絕緣層、界面層傳導(dǎo)至過(guò)渡熱沉與常規(guī)熱沉，常規(guī)熱沉與冷卻介質(zhì)接觸形成對(duì)流換熱，進(jìn)而將熱量散發(fā)。
    半導(dǎo)體激光器的散熱封裝方式主要包括自然對(duì)流熱沉冷卻、微通道冷卻、熱電制冷、噴霧冷卻、熱管散熱等。對(duì)于單管半導(dǎo)體激光器，自然對(duì)流熱沉冷卻方式因易于加工與組裝，成為最經(jīng)濟(jì)、常用的冷卻方式。該方式通常采用高熱導(dǎo)率材料制作熱沉，通過(guò)擴(kuò)大自然對(duì)流散熱面積增加散熱量，從而降低激光芯片的工作溫度。

    三.過(guò)渡熱沉：熱應(yīng)力難題的解決方案
    理想的過(guò)渡熱沉材料需兼具高熱導(dǎo)率，且其熱膨脹系數(shù)需與激光器芯片的熱膨脹系數(shù)相匹配。銅雖因高熱導(dǎo)率與導(dǎo)電性在半導(dǎo)體激光器封裝中常被用作熱沉，但其熱膨脹系數(shù)與芯片的熱膨脹系數(shù)差異顯著，易產(chǎn)生熱應(yīng)力，影響激光器的輸出性能。
    在芯片與常規(guī)熱沉之間加入高熱導(dǎo)率且膨脹系數(shù)接近芯片熱膨脹系數(shù)的過(guò)渡熱沉，可有效解決上述問(wèn)題。常用的過(guò)渡熱沉材料包括氮化鋁陶瓷、氧化鈹陶瓷、碳化硅陶瓷、鎢銅合金、碳化硅晶片、金剛石薄膜片、單層石墨烯等。

    其中，天然金剛石的熱導(dǎo)率高達(dá)2000W/(m·K)，約為銅的5倍，且熱膨脹系數(shù)較小，是兼具電絕緣性與高導(dǎo)熱性的理想熱沉材料。但因天然金剛石成本過(guò)高，無(wú)法直接應(yīng)用于半導(dǎo)體激光器封裝，目前實(shí)際應(yīng)用中主要采用金剛石薄膜（CVD金剛石膜）或金剛石-金屬?gòu)?fù)合形式，以平衡性能與成本。

    隨著高功率半導(dǎo)體器件在各領(lǐng)域的深度應(yīng)用，熱沉材料正朝著“高熱導(dǎo)、低膨脹、低成本、可規(guī)?；?rdquo;的方向突破。碳/金屬?gòu)?fù)合技術(shù)的成熟，或?qū)⑼苿?dòng)第四代熱沉材料成為行業(yè)主流，為半導(dǎo)體激光器的性能提升提供堅(jiān)實(shí)支撐。