大功率传导冷却半导体激光器热沉用的什么材料？

小功率的激光器里面的激光二极管（TO封装的）用的是铁热沉（表面镀金），而大功率的激光二极管（或者是激光二极管模块）则都用紫铜（表面镀金），镀金是为了更耐腐蚀，而且金对激光的反射能力很强（接近100%），可避免热沉吸收更多的激光而导致发热更严重。

半导体封装简介:

半导体生产流程由晶圆制造、晶圆测试、芯片封装和封装后测试组成。半导体封装是指将通过测试的晶圆按照产品型号及功能需求加工得到独立芯片的过程。封装过程为：来自晶圆前道工艺的晶圆通过划片工艺后，被切割为小的晶片（Die），然后将切割好的晶片用胶水贴装到相应的基板（引线框架）架的小岛上，再利用超细的金属（金、锡、铜、铝）导线或者导电性树脂将晶片的接合焊盘（Bond Pad）连接到基板的相应引脚（Lead）,并构成所要求的电路；然后再对独立的晶片用塑料外壳加以封装保护，塑封之后，还要进行一系列 *** 作，如后固化（Post Mold Cure）、切筋和成型（Trim&Form）、电镀（Plating）以及打印等工艺。封装完成后进行成品测试，通常经过入检（Incoming）、测试（Test）和包装（Packing）等工序，最后入库出货。典型的封装工艺流程为：划片 装片 键合 塑封 去飞边 电镀 打印 切筋和成型 外观检查 成品测试 包装出货。

1 半导体器件封装概述

电子产品是由半导体器件(集成电路和分立器件)、印刷线路板、导线、整机框架、外壳及显示等部分组成，其中集成电路是用来处理和控制信号，分立器件通常是信号放大，印刷线路板和导线是用来连接信号，整机框架外壳是起支撑和保护作用，显示部分是作为与人沟通的接口。所以说半导体器件是电子产品的主要和重要组成部分，在电子工业有“工业之米"的美称。

我国在上世纪60年代自行研制和生产了第一台计算机，其占用面积大约为100 m2以上，现在的便携式计算机只有书包大小，而将来的计算机可能只与钢笔一样大小或更小。计算机体积的这种迅速缩小而其功能越来越强大就是半导体科技发展的一个很好的佐证，其功劳主要归结于：(1)半导体芯片集成度的大幅度提高和晶圆制造(Wafer fabrication)中光刻精度的提高，使得芯片的功能日益强大而尺寸反而更小；(2)半导体封装技术的提高从而大大地提高了印刷线路板上集成电路的密集度，使得电子产品的体积大幅度地降低。

半导体组装技术(Assembly technology)的提高主要体现在它的封装型式(Package)不断发展。通常所指的组装(Assembly)可定义为：利用膜技术及微细连接技术将半导体芯片(Chip)和框架(Leadframe)或基板(Sulbstrate)或塑料薄片(Film)或印刷线路板中的导体部分连接以便引出接线引脚，并通过可塑性绝缘介质灌封固定，构成整体立体结构的工艺技术。它具有电路连接，物理支撑和保护，外场屏蔽，应力缓冲，散热，尺寸过度和标准化的作用。从三极管时代的插入式封装以及20世纪80年代的表面贴装式封装，发展到现在的模块封装，系统封装等等，前人已经研究出很多封装形式，每一种新封装形式都有可能要用到新材料，新工艺或新设备。

驱动半导体封装形式不断发展的动力是其价格和性能。电子市场的最终客户可分为3类：家庭用户、工业用户和国家用户。家庭用户最大的特点是价格便宜而性能要求不高；国家用户要求高性能而价格通常是普通用户的几十倍甚至几千倍，主要用在军事和航天等方面；工业用户通常是价格和性能都介于以上两者之间。低价格要求在原有的基础上降低成本，这样材料用得越少越好，一次性产出越大越好。高性能要求产品寿命长，能耐高低温及高湿度等恶劣环境。半导体生产厂家时时刻刻都想方设法降低成本和提高性能，当然也有其它的因素如环保要求和专利问题迫使他们改变封装型式。

2 封装的作用

封装(Package)对于芯片来说是必须的，也是至关重要的。封装也可以说是指安装半导体集成电路芯片用的外壳，它不仅起着保护芯片和增强导热性能的作用，而且还是沟通芯片内部世界与外部电路的桥梁和规格通用功能的作用。封装的主要作用有：

(1)物理保护。因为芯片必须与外界隔离，以防止空气中的杂质对芯片电路的腐蚀而造成电气性能下降，保护芯片表面以及连接引线等，使相当柔嫩的芯片在电气或热物理等方面免受外力损害及外部环境的影响；同时通过封装使芯片的热膨胀系数与框架或基板的热膨胀系数相匹配，这样就能缓解由于热等外部环境的变化而产生的应力以及由于芯片发热而产生的应力，从而可防止芯片损坏失效。基于散热的要求，封装越薄越好，当芯片功耗大于2W时，在封装上需要增加散热片或热沉片，以增强其散热冷却功能；5～1OW时必须采取强制冷却手段。另一方面，封装后的芯片也更便于安装和运输。

(2)电气连接。封装的尺寸调整(间距变换)功能可由芯片的极细引线间距，调整到实装基板的尺寸间距，从而便于实装 *** 作。例如从以亚微米(目前已达到0．1 3μm以下)为特征尺寸的芯片，到以10μm为单位的芯片焊点，再到以100μm为单位的外部引脚，最后剑以毫米为单位的印刷电路板，都是通过封装米实现的。封装在这里起着由小到大、由难到易、由复杂到简单的变换作用，从而可使 *** 作费用及材料费用降低，而且能提高工作效率和可靠性，特别是通过实现布线长度和阻抗配比尽可能地降低连接电阻，寄生电容和电感来保证正确的信号波形和传输速度。

(3)标准规格化。规格通用功能是指封装的尺寸、形状、引脚数量、间距、长度等有标准规格，既便于加工，又便于与印刷电路板相配合，相关的生产线及生产设备都具有通用性。这对于封装用户、电路板厂家、半导体厂家都很方便，而且便于标准化。相比之下，裸芯片实装及倒装目前尚不具备这方面的优势。由于组装技术的好坏还直接影响到芯片自身性能的发挥和与之连接的印刷电路板(PCB)的设计和制造，对于很多集成电路产品而言，组装技术都是非常关键的一环。

3 封装的分类

半导体(包括集成电路和分立器件)其芯片的封装已经历了好几代的变迁，从DIP、SOP、QFP、PGA、BGA到MCP再到SIP，技术指标一代比一代先进，包括芯片面积与封装面积之比越来越接近于1，适用频率越来越高，耐温性能越来越好，引脚数增多，引脚间距减小，重量减小，可靠性提高，使用更加方便等等。封装(Package)可谓种类繁多，而且每一种封装都有其独特的地方，即它的优点和不足之处，当然其所用的封装材料、封装设备、封装技术根据其需要而有所不同。

① 散热。散热对于功率型LED器件来说是至关重要的。如果不能将电流产生的热量及时地散出，保持PN结的结温在允许范围内，将无法获得稳定的光输出和维持正常的器件寿命。

在常用的散热材料中银的导热率最高，但是银的成本较高，不适宜作通用型散热器。铜的导热率比较接近银，且其成本较银低。铝的导热率虽然低于铜，但其综合成本最低，有利于大规模制造。

经过实验对比发现较为合适的做法是：连接芯片部分采用铜基或银基热衬，再将该热衬连接在铝基散热器上，采用阶梯型导热结构，利用铜或银的高导热率将芯片产生的热量高效地传递给铝基散热器，再通过铝基散热器将热量散出（通过风冷或热传导方式散出）。这种做法的优点是：充分考虑散热器的性价比，将不同特点的散热器结合在一起，做到高效散热并使成本控制合理化。LED灯具

应注意的是：连接铜基热衬与芯片的材料的选择是十分重要的，LED行业常用的芯片连接材料为银胶。但是，经过研究发现，银胶的热阻为10~25W/(m·K)，如果采用银胶作为连接材料，就等于人为地在芯片与热衬之间加上一道热阻。另外，银胶固化后的内部基本结构为环氧树脂骨架+银粉填充式导热导电结构，这种结构的热阻极高且TG点较低，对器件的散热与物理特性的稳定极为不利。解决此问题的做法是：以锡片焊作为晶粒与热衬之间的连接材料[锡的导热系数为67W/（m·K）]，可以获得较为理想的导热效果（热阻约为16℃/W）。锡的导热效果与物理特性远优于银胶。

② 出光。传统的LED器件封装方式只能利用芯片发出的约50%的光能，由于半导体与封闭环氧树脂的折射率相差较大，致使内部的全反射临界角很小，有源层产生的光只有小部分被取出，大部分光在芯片内部经多次反射而被吸收，这是超高亮度LED芯片取光效率很低的根本原因。如何将内部不同材料间折射、反射消耗的50%光能加以利用，是设计出光系数的关键。LED灯具

通过芯片的倒装技术（Flip Chip）可以比传统的LED芯片封装技术得到更多的有效出光。但是，如果说不在芯片的发光层与电极下方增加反射层来反射出浪费的光能，则会造成约8%的光损失，所以在底板材料上必须增加反射层。芯片侧面的光也必须利用热衬的镜面加工法加以反射出，增加器件的出光率。而且在倒装芯片的蓝宝石衬底部分与环氧树脂导光结合面上应加上一层硅胶材料，以改善芯片出光的折射率。

经过上述光学封装技术的改善，可以大幅度提高大功率LED器件的出光率（光通量）。大功率LED器件顶部透镜的光学设计也是十分重要的，通常的做法是：在进行光学透镜设计时应充分考虑最终照明器具的光学设计要求，尽量配合应用照明器具的光学要求进行设计。LED灯具

常用的透镜形状有：凸透镜、凹锥透镜、球镜、菲涅尔透镜以及组合式透镜等。透镜与大功率LED器件的理想装配方法是采取气密性封装，如果受透镜形状所限，也可采取半气密性封装。透镜材料应选择高透光率的玻璃或亚克力等合成材料，也可以采用传统的环氧树脂模组式封装，加上二次散热设计也基本可以达到提高出光率的效果。

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