人工导热石墨片
石墨片作辅助热沉的高功率半导体激光器热传导特性
第４０卷㊀第７期２０１９年７月发㊀光㊀学㊀报ＣＨＩＮＥＳＥＪＯＵＲＮＡＬＯＦＬＵＭＩＮＥＳＣＥＮＣＥＶｏｌ ４０Ｎｏ ７Ｊｕｌｙꎬ２０１９文章编号:１０００￣７０３２(２０１９)０７￣０９０７￣０８石墨片作辅助热沉的高功率半导体激光器热传导特性房俊宇ꎬ石琳琳∗ꎬ张㊀贺ꎬ杨智焜ꎬ徐英添ꎬ徐㊀莉ꎬ马晓辉(长春理工大学高功率半导体激光国家重点实验室ꎬ吉林长春㊀１３００２２)摘要:为使边发射高功率单管半导体激光器有源区温度降低ꎬ增加封装结构的散热性能ꎬ降低器件封装成本ꎬ提出一种采用高热导率的石墨片作为辅助热沉的高功率半导体激光器封装结构ꎮ利用有限元分析研究了采用石墨片作辅助热沉后ꎬ封装器件的工作热阻更低ꎬ散热效果更好ꎮ研究分析过渡热沉铜钨合金与辅助热沉石墨的宽度尺寸变化对半导体激光器有源区温度的影响ꎮ新型封装结构与使用铜钨合金作为过渡热沉的传统结构相比ꎬ有源区结温降低４.５Ｋꎬ热阻降低０.４５Ｋ/Ｗꎮ通过计算可知ꎬ激光器的最大输出功率为２０.６Ｗꎮ在研究结果的指导下ꎬ确定铜钨合金与石墨的结构尺寸ꎬ以达到最好的散热效果ꎮ关㊀键㊀词:半导体激光器ꎻ散热性能ꎻ石墨辅助热沉ꎻ有限元分析ꎻ封装结构中图分类号:ＴＮ２４８㊀㊀㊀文献标识码:Ａ㊀㊀㊀ＤＯＩ:１０.３７８８/ｆｇｘｂ２０１９４００７.０９０７ＨｅａｔＴｒａｎｓｆｅｒＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆＨｉｇｈＰｏｗｅｒＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＬａｓｅｒｗｉｔｈＧｒａｐｈｉｔｅＳｈｅｅｔａｓＡｕｘｉｌｉａｒｙＨｅａｔＳｉｎｋＦＡＮＧＪｕｎ￣ｙｕꎬＳＨＩＬｉｎ￣ｌｉｎ∗ꎬＺＨＡＮＧＨｅꎬＹＡＮＧＺｈｉ￣ｋｕｎꎬＸＵＹｉｎｇ￣ｔｉａｎꎬＸＵＬｉꎬＭＡＸｉａｏ￣ｈｕｉ(ＮａｔｉｏｎａｌＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｎＨｉｇｈＰｏｗｅｒＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＬａｓｅｒꎬＣｈａｎｇｃｈｕｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＣｈａｎｇｃｈｕｎ１３００２２ꎬＣｈｉｎａ)∗ＣｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇＡｕｔｈｏｒꎬＥ￣ｍａｉｌ:ｌｉｎｌｉｎｓｈｉ８８＠ｆｏｘｍａｉｌ.ｃｏｍＡｂｓｔｒａｃｔ:Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｒｅｄｕｃｅｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆｔｈｅａｃｔｉｖｅｒｅｇｉｏｎｏｆｔｈｅｈｉｇｈ￣ｐｏｗｅｒｓｉｎｇｌｅ￣ｔｕｂｅｓｅｍｉ￣ｃｏｎｄｕｃｔｏｒｌａｓｅｒꎬｉｎｃｒｅａｓｅｔｈｅｈｅａｔｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｔｈｅｐａｃｋａｇｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅꎬａｎｄｒｅｄｕｃｅｔｈｅｃｏｓｔｏｆｔｈｅｄｅｖｉｃｅｐａｃｋａｇｅꎬａｈｉｇｈ￣ｐｏｗｅｒｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｌａｓｅｒｐａｃｋａｇｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｕｓｉｎｇａｈｉｇｈｔｈｅｒｍａｌｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙｇｒａｐｈｉｔｅｓｈｅｅｔａｓａｎａｕｘｉｌｉａｒｙｈｅａｔｓｉｎｋｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄ.Ｕｓｉｎｇｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓꎬｔｈｅｕｓｅｏｆｇｒａｐｈｉｔｅｓｈｅｅｔｓａｓａｕｘｉｌｉａｒｙｈｅａｔｓｉｎｋｓｈａｓｂｅｅｎｓｔｕｄｉｅｄꎬａｎｄｔｈｅｐａｃｋａｇｅｄｄｅｖｉｃｅｓｈａｖｅｌｏｗｅｒｔｈｅｒｍａｌｒｅｓｉｓｔａｎｃｅａｎｄｂｅｔｔｅｒｈｅａｔｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ.Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｔｈｅｖａｒｉａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｗｉｄｔｈｄｉｍｅｎｓｉｏｎｏｆｔｈｅｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｈｅａｔｓｉｎｋｃｏｐｐｅｒ￣ｔｕｎｇｓｔｅｎａｌｌｏｙａｎｄｔｈｅａｕｘｉｌｉａｒｙｈｅａｔｓｉｎｋｇｒａｐｈｉｔｅｏｎｔｈｅａｃｔｉｖｅｒｅｇｉｏｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆｔｈｅｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｌａｓｅｒｗａｓｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ.Ｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｔｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｕｓｉｎｇｃｏｐｐｅｒ￣ｔｕｎｇｓｔｅｎａｌｌｏｙａｓｔｈｅｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｈｅａｔｓｉｎｋꎬｔｈｅｎｅｗｐａｃｋａｇｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｈａｓａｊｕｎｃｔｉｏｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆ４.５Ｋａｎｄａｔｈｅｒｍａｌｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｏｆ０.４５Ｋ/Ｗ.Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎꎬｔｈｅｍａｘ￣ｉｍｕｍｏｕｔｐｕｔｐｏｗｅｒｏｆｔｈｅｌａｓｅｒｉｓ２０.６Ｗ.Ｕｎｄｅｒｔｈｅｇｕｉｄａｎｃｅｏｆｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｒｅｓｕｌｔｓꎬｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｄｉｍｅｎｓｉｏｎｓｏｆｃｏｐｐｅｒ￣ｔｕｎｇｓｔｅｎａｌｌｏｙａｎｄｇｒａｐｈｉｔｅｃａｎｂｅｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄｔｏａｃｈｉｅｖｅｔｈｅｂｅｓｔｈｅａｔｄｉｓｓｉｐａ￣ｔｉｏｎｅｆｆｅｃｔ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｈｉｇｈｐｏｗｄｅｒｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｌａｓｅｒꎻｈｅａｔｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎꎻｇｒａｐｈｉｔｅｈｅａｔｓｉｎｋꎻｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓꎻｐａｃｋａｇｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅ㊀㊀收稿日期:２０１８￣０９￣１８ꎻ修订日期:２０１８￣１２￣０３㊀㊀基金项目:国家自然科学基金(６１８０４０１３)ꎻ吉林省优秀青年科学基金(２０１８０５２０１９４ＪＨ)资助项目ＳｕｐｐｏｒｔｅｄｂｙＮａｔｉｏｎａｌＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＦｏｕｎｄａｔｉｏｎｏｆＣｈｉｎａ(６１８０４０１３)ꎻＥｘｃｅｌｌｅｎｔＹｏｕｔｈＦｏｕｎｄａｔｉｏｎｏｆＪｉｌｉｎＰｒｏｖｉｎｃｅ(２０１８０５２０１９４ＪＨ)９０８㊀发㊀㊀光㊀㊀学㊀㊀报第４０卷１㊀引㊀㊀言半导体激光器具有体积小㊁重量轻㊁光电转换效率高㊁可靠性高等优点ꎬ在医学㊁军事㊁工业等领域有着广泛的应用[１￣３]ꎮ随着科学技术的发展ꎬ人们对半导体激光器的输出功率需求越来越高ꎮ激光器工作时有源区温度升高ꎬ造成激光器波长红移ꎬ阈值电流增大ꎬ光电转换效率下降ꎬ寿命降低等ꎬ严重时会使激光器彻底损坏[４￣５]ꎮ因此ꎬ热管理技术是高功率半导体激光器发展的一个重要环节ꎮ通过研究高功率半导体激光器热传导特性来提高其热管理技术㊁增加封装结构散热性㊁提高半导体激光器的输出功率具有重要意义ꎮ提高器件散热途径的方法主要有两种:一是采用散热性能更好的散热结构ꎻ二是研发出热导率更高的散热材料ꎮ为使高热导率的材料能与管芯热膨胀系数相匹配ꎬ通常使用与激光器芯片热膨胀系数相差较小的过渡热沉来提高材料间的匹配度ꎬ以减小硬焊料对芯片产生的残余应力ꎬ提高器件的可靠性[６]ꎮ常见过渡热沉有氮化铝㊁碳化硅等陶瓷材料和钨铜合金㊁铜钼合金等金属合金材料[７￣１１]ꎮ目前ꎬ国内外所研究的导热性能良好的过渡热沉材料普遍价格昂贵ꎬ且不能突破兼顾热膨胀系数匹配和热导率较高这一瓶颈ꎬ因而在过渡热沉材料的选择与设计方面还有很大的提升空间ꎬ因此需要对热沉材料与结构进行优化设计ꎮ近年来ꎬ石墨因具有优异的机械㊁光学㊁电子和热性能引起了国内外科研工作者的极大关注ꎮ石墨作为一种超高导热材料ꎬ体积小㊁重量轻ꎬ是电子和光子器件热管理的理想材料ꎬ目前在电子器件中已经有了广泛的应用ꎮＯｎｏ等提出使用石墨片作为一种被动部署的散热器ꎬ该散热器可以通过根据温度改变其散热面来控制散热量ꎬ被用作小型卫星上的新型热控装置[１２]ꎮＷｅｎ等使用商业石墨片用作燃料电池的散热器ꎬ石墨片切割成流通形状与通道板结合使热量通过石墨片向外传导ꎬ有效降低燃料电池的反应区域的温度[１３]ꎮ研究表明石墨具有超高导热性ꎬ最高可达１０００Ｗ/(ｍ Ｋ)ꎬ比一般金属导热材料高约３倍ꎬ但是由于石墨导热率的各向异性特征ꎬ横向热传导率较高而纵向热传导率较低以及石墨的热膨胀系数与半导体激光器材料ＧａＡｓ不匹配等难题ꎬ使得石墨在半导体激光器封装结构的应用方面很少有人研究[１４]ꎮ因此ꎬ如何将这种超高热导率石墨应用在半导体激光器封装结构中具有较高的研究价值ꎬ利用其较高的横向导热性ꎬ增大水平方向热通量传导效率ꎬ从而达到减少半导体激光器有源区温度㊁增大半导体激光器输出功率的目的ꎬ成为本文的研究重点[１５]ꎮ本文在传统封装结构的基础上ꎬ通过在过渡热沉两侧引入石墨片作为该结构的辅助热沉ꎬ依据Ｃ￣Ｍｏｕｎｔ封装方式热传导路径ꎬ充分利用石墨极高的横向热导率以达到更好的降低结温的目的ꎮ同时石墨片通过过渡热沉铜钨合金传导芯片所产生的热量ꎬ解决了石墨片与半导体激光器热膨胀系数不匹配的问题ꎮ利用有限元分析软件ＡＮＳＹＳ建立模型ꎬ选用热导率较高的导电材料铜钨合金(ＷＣｕ)作为过渡热沉ꎮ通过模拟结果可以发现ꎬ在减少过渡热沉ＷＣｕ长度和宽度尺寸的情况下ꎬ可以更好地减少封装结构的热阻ꎬ降低半导体激光器结温ꎬ达到了降低器件热阻的目的ꎬ从而提高半导体激光器的输出功率ꎮ２㊀建立模型对传统边发射单管半导体激光器封装结构建立模型ꎬ其中在理论模拟过程中做出如下设定[１６￣１８]:在半导体激光器正常工作过程中ꎬ所产生的热量主要来源于有源区中载流子复合㊁吸收和自发发射ꎻ由于半导体激光器体积较小ꎬ因此忽略激光器的辐射散热及与空气对流散热ꎻ由于Ｃ￣Ｍｏｕｎｔ封装结构的后表面固定在其他制冷结构上ꎬ所以模拟过程中ꎬ在其结构的后平面设置固定温度２９８Ｋꎬ并且半导体激光器芯片采用倒装式封装ꎮ该Ｃ￣Ｍｏｕｎｔ铜热沉尺寸为６.８６ｍｍˑ６.３５ｍｍˑ２.１８ｍｍꎬ由于该半导体激光器封装方式采用Ｃ￣Ｍｏｕｎｔ封装ꎬ其导热路径如图１所示[１９]ꎮCoolerHeatsinkChip图１㊀Ｃ￣Ｍｏｕｎｔ封装导热路径示意图Ｆｉｇ.１㊀ＴｈｅｒｍａｌｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎｐａｔｈｉｎＣ￣Ｍｏｕｎｔｐａｃｋａｇｅ㊀第７期房俊宇ꎬ等:石墨片作辅助热沉的高功率半导体激光器热传导特性９０９㊀模拟计算中所使用的半导体激光器光电参数为:波长８０８ｎｍꎬ电光转换效率５０％ꎬ连续条件下输出功率１０Ｗꎬ激光器芯片尺寸为１.５ｍｍˑ０.５ｍｍˑ０.１５ｍｍꎬ发光区宽度１００μｍꎮＷＣｕ热沉尺寸为３.３５ｍｍˑ２.１８ｍｍˑ０.５ｍｍꎮ为满足与激光器芯片热膨胀系数匹配的要求和此后过渡热沉的尺寸设计要求ꎬ选用与铜热膨胀系数匹配的电导率较好的ＷＣｕ材料作为过渡热沉ꎮ为阻挡焊料向下扩散ꎬ便于引线键合ꎬ在过渡热沉铜钨合金的上下表面分别镀有金属层ꎮ模拟分析所涉及的材料参数如表１所示ꎮ表１㊀材料参数Ｔａｂ.１㊀ＭａｔｅｒｉａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓＭａｔｅｒｉａｌＴｈｅｒｍａｌｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ/(Ｗ ｍ－１ Ｋ－１)Ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ/μｍＣｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｏｆｔｈｅｒｍａｌｅｘｐａｎｓｉｏｎ/(１０－６Ｋ)ＧａＡｓ５５１５０６.４ＭｅｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎｌａｙｅｒＣｕ３９８０.３１８Ｔｕｎｇｓｔｅｎｃｏｐｐｅｒ２１００.５ˑ１０３４.５ｇｒａｐｈｉｔｅ１０００㊁３５０.５ˑ１０３２ｃｏｐｐｅｒｈｅａｔｓｉｎｋ３９８６.８６ˑ１０３１８在半导体激光器工作过程中ꎬ所产生的热量主要来自以下方面[２０￣２１]:(１)激光器有源区在正常工作状态下有很高的载流子密度和光子密度ꎬ部分电子与空穴非辐射复合㊁辐射吸收与自发辐射吸收ꎬ其产生的热量Ｑ１为:Ｑ１＝Ｖｄａｃｔ{ｊｔｈ(１－ηｓｐｆｓｐ)＋(ｊ－ｊｔｈ)ˑ[１－ηｅｘ－(１－ηｉ)ｆｓｐηｓｐ]}ꎬ(１)其中ꎬＶ为ＰＮ结上的结电压ꎬηｓｐ为自发辐射内量子效率ꎬｆｓｐ为自发辐射光子逃逸因子ꎬｄａｃｔ为有源区厚度ꎬｊ为电流密度ꎬｊｔｈ为阈值电流密度ꎬηｅｘ为外微分量子效率ꎬηｉ为受激辐射内量子效率ꎮ(２)当半导体激光器工作时ꎬ由于各层材料电阻引起的焦耳热ꎬ计算公式为:Ｑ２＝ｊ２ρ＋ρｊ２ｄｃꎬ(２)其中ꎬＱ２为焦耳热功率密度ꎬρ为各材料层的电阻率ꎬｄｃ为欧姆接触层厚度ꎮ(３)盖层以及衬底材料对有源区自发辐射逃逸光子的吸收所产生的热量为:Ｑ３＝Ｖ２ｄｉｊｔｈηｓｐｆꎬ(３)其中ꎬｄｉ为除有源区外各层材料的厚度ꎮ激光器在正常工作状态下ꎬ热传导方程为:Ｋ∂２Ｔ∂ｘ２＋∂２Ｔ∂ｙ２＋∂２Ｔ∂ｚ２()＋Ｑ＝０ꎬ(４)其中ꎬＴ为激光器有源区温度ꎬＫ为材料热传导系数ꎬＱ为半导体激光器热功率密度ꎮ３㊀模拟结果与分析３.１㊀ＷＣｕ热沉宽度的变化对芯片结温的影响金属铜与芯片材料ＧａＡｓ的热膨胀系数差距较大ꎬ为减少封装过程中所带来的封装应力ꎬ采用与ＧａＡｓ的热膨胀系数相近的ＷＣｕ材料作为过渡热沉ꎬ同时由于ＷＣｕ材料具有很好的导电性ꎬ便于正电极连接ꎮ利用有限元分析法探讨在传统封装结构中ꎬＷＣｕ热沉宽度的变化对芯片结温的影响ꎬＷＣｕ热沉的长度与厚度分别为２.１８ｍｍ和０.５ｍｍꎬＷＣｕ宽度由３.３５ｍｍ减少到０.６ｍｍ时ꎬ半导体激光器有源区温度变化如图２所示ꎮ半导体激光器有源区温度为Ｔｊꎬ热沉的最低温度为Ｔ０ꎬ热功率为Ｐｔｅｍꎬ根据激光器热阻Ｒｔｈ的表达式:３５４Ｗ/mmＴ/Ｋ0.5 3.535035２3４８3４６3４４3４２3４０3３８１．０１.5２．０２．53．０T图２㊀半导体激光器有源区温度与铜钨合金宽度Ｗ变化曲线Ｆｉｇ.２㊀Ｖａｒｉａｔｉｏｎｃｕｒｖｅｏｆａｃｔｉｖｅｒｅｇｉｏｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｔｕｎｇ￣ｓｔｅｎｃｏｐｐｅｒ(ＣｕＷ)ｗｉｄｔｈＷｖａｌｕｅｏｆｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｌａｓｅｒ㊀９１０㊀发㊀㊀光㊀㊀学㊀㊀报第４０卷Ｒｔｈ＝Ｔｊ－Ｔ０Ｐｔｅｍꎬ(５)从图２中可以看出ꎬ当ＷＣｕ热沉宽度尺寸从３.３５ｍｍ减少到０.６ｍｍ时ꎬ结温从３３９.４Ｋ增加为３５２.２Ｋꎬ热阻从４.１４Ｋ/Ｗ增加到５.４２Ｋ/Ｗꎮ其原因是热沉宽度的减小影响了热流的横向散热ꎬ降低了器件散热能力ꎮ因此ꎬ提高半导体激光器的横向导热性能是改善激光器散热能力的重要瓶颈ꎮ３.２㊀石墨片作辅助热沉热模拟３.２.１㊀石墨片导热性能在固体材料中ꎬ热传导方式主要分为两种ꎮ一种是通过自由电子振动实现ꎬ如金属材料ꎮ另一种由晶体内晶格原子的振动波即声子振动实现ꎬ如石墨[２２]ꎮ在石墨的网状结构中ꎬ声子振动的热振幅很大ꎬ致使石墨具有高的晶面导热系数ꎬ可达１０００Ｗ/(ｍ Ｋ)以上[２３]ꎻ但在垂直网状结构的方向ꎬ由于声子振动的热振幅很小ꎬ在该方向的热导率仅有３５Ｗ/(ｍ Ｋ)ꎮ因此ꎬ石墨片是一种各向导热异性的导热材料ꎬ横向导热率明显优于纵向导热率ꎬ且明显高于常用的金属热沉热导率ꎬ所以在封装领域中有着极高的研究价值ꎮ３.２.２㊀新型封装结构使用石墨片作辅助热沉的新型封装结构示意图如图３所示ꎮ在传统封装结构中ꎬＷＣｕ热沉两边分别使用石墨作为辅助热沉ꎬ石墨首先通过化学镀铜法或电镀铜法使石墨表面金属化ꎬ使石墨表面具有金属的性质ꎬ从而实现石墨分别与铜热沉㊁ＷＣｕ过渡热沉接触面的焊接工艺[２４￣２６]ꎮ表面金属化后的石墨与ＷＣｕ接触部分使用焊料焊接ꎬ使得二者在工作过程中紧密接触ꎮ石墨长度和厚度分别为２.１８ｍｍ和０.５ｍｍꎬ在石墨辅助热沉㊁ＷＣｕ热沉以及Ｃ￣Ｍｏｕｎｔ铜热沉的后表面设置固定温度为２９８Ｋꎮ图３(ｂ)所示为由芯片所产生的热量通过过渡热沉分别向后表面冷却面㊁铜热沉以及石墨片辅助热沉传导散热ꎬ使半导体激光器有源区的温度降低ꎮ铜石墨芯片铜钨合金（a）（b）图３㊀(ａ)石墨片作辅助热沉的新型封装结构示意图ꎻ(ｂ)石墨局部热传递示意图ꎮＦｉｇ.３㊀(ａ)Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｎｅｗｐａｃｋａｇｉｎｇｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｇｒａｐｈｉｔｅｓｈｅｅｔａｓａｕｘｉｌｉａｒｙｈｅａｔｓｉｎｋ.(ｂ)Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｌｏ￣ｃａｌｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｉｎｇｒａｐｈｉｔｅ.增加石墨片平行于半导体激光器芯片端面方向的尺寸ꎬ同时减少铜钨合金的宽度(Ｗ)ꎬ保证二者宽度尺寸总和为３.３５ｍｍꎮ当ＷＣｕ尺寸分别由２.０ｍｍ变化到０.６ｍｍ时ꎬ计算各个参数下的芯片结温ꎮ如图４所示ꎬ通过不同尺寸下的激光器温度分布云图可以看出ꎬＷＣｕ宽度从２.０ｍｍ减小到０.６ｍｍ时ꎬ结温逐渐下降ꎬ分别从３３８.９Ｋ减小到３３４.９Ｋꎬ热阻Ｒｔｈ也逐渐降低ꎬ从４.０９Ｋ/Ｗ变化为３.６９Ｋ/Ｗꎮ随着ＷＣｕ尺寸的减小ꎬ更多热量传导到石墨片上ꎬ散热效果明显提高ꎬ当铜钨合金热沉的宽度为０.６ｍｍ时ꎬ半导体激光器有源区温度达到最小ꎮ为进一步分析横向热传导性能ꎬ对传统封装结构和石墨片作辅助热沉的封装结构的端面方向热流矢量进行模拟分析ꎬ如图５所示ꎮ其中图５(ａ)㊁(ｂ)分别为Ｗ＝０.６ｍｍ和Ｗ＝３.３５ｍｍ的传统封装结构ꎬ图５(ｃ)㊁(ｄ)分别为Ｗ＝０.６ｍｍ和Ｗ＝２.０ｍｍ的石墨片作辅助热沉的封装结构的热流矢量图ꎮ从图５(ａ)㊁(ｂ)中可以看出ꎬ传统封装结构有源区热量仅向下通过过渡热沉ＷＣｕ和铜热沉进行散热ꎬ当ＷＣｕ热沉尺寸增大(图５(ｂ))ꎬ封装结构热阻与结温温度有所降低ꎮ图５(ｃ)㊁(ｄ)为采用石墨片作辅助热沉的封装结构的热流矢量图ꎬ从图中可以看出ꎬ有源区热量首先扩散到ＷＣｕ热沉中ꎬ由于石墨片具有较高的横向热导率ꎬ致使扩散到ＷＣｕ的热量首先通过石墨㊀第７期房俊宇ꎬ等:石墨片作辅助热沉的高功率半导体激光器热传导特性９１１㊀0.8mm 1.0mm （a ）298307.0302.5311.6316.1325.2320.7329.8334.3338.92.0mm（b ）298324.8315.8306.9302.4311.4320.3329.3338.2333.71.5mm（c ）298311.11.2mm319.9328.7337.5333.1324.3315.5306.7302.3（d ）298（e ）（f ）298330.8314.4336.9328.2332.6323.9319.6315.3310.9306.6302.3336.0327.5331.8323.3319.1314.9310.6306.4298302.2322.6326.7318.5310.3306.2302.10.6mm334.9图４㊀不同过渡热沉宽度尺寸器件温度分布云图Ｆｉｇ.４㊀Ｇｒａｐｈｉｔｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆａｎｅｗｐａｃｋａｇｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｗｉｄｔｈｓｏｆｔｕｎｇｓｔｅｎｃａｒｂｉｄｅ（a ）（c ）0.6mm0.6mm（b ）（d ）3.35mm2.0mm图５㊀传统封装结构和石墨片作辅助热沉的封装结构热流矢量图ꎮ(ａ㊁ｂ)传统封装结构热流矢量图ꎻ(ｃ㊁ｄ)石墨片作辅助热沉的封状结构结构热流矢量图ꎬ热量随石墨片尺寸增加ꎬ散热效果明显ꎮＦｉｇ.５㊀Ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｐａｃｋａｇｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｇｒａｐｈｉｔｅｓｈｅｅｔａｓａｕｘｉｌｉａｒｙｈｅａｔｓｉｎｋｐａｃｋａｇｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｈｅａｔｆｌｏｗｖｅｃｔｏｒ.(ａꎬｂ)Ｔｒａｄｉ￣ｔｉｏｎａｌｐａｃｋａｇｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｈｅａｔｆｌｏｗｖｅｃｔｏｒｄｉａｇｒａｍ.(ｃꎬｄ)Ｇｒａｐｈｉｔｅｓｈｅｅｔａｓａｕｘｉｌｉａｒｙｈｅａｔｓｉｎｋｓｅａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｈｅａｔｆｌｏｗｖｅｃｔｏｒ.Ｔｈｅｈｅａｔｉｓｏｂｖｉｏｕｓｌｙｉｎｃｒｅａｓｅｄｗｉｔｈｔｈｅｓｉｚｅｏｆｔｈｅｇｒａｐｈｉｔｅｓｈｅｅｔ.片进行散热ꎬ其次再通过ＷＣｕ和铜散热ꎬ随着石墨片尺寸的增大散热效果明显ꎮ因此ꎬ相比传统封装结构ꎬ通过对石墨辅助热沉的引入ꎬ利用其极高的热导率增大了封装结构的散热途径ꎬ可以很好地减小封装结构的热阻Ｒｔｈ和半导体激光器有源区温度Ｔｊꎬ进而可以很好地降低连续工作的半导体激光器所产生的热量ꎮ对于半导体激光器ꎬ其结温计算表达式为:Ｔｊ＝Ｔ０＋(Ｐｉｎ－Ｐ)Ｒｔｈꎬ(６)其中ꎬＴｊ为激光器芯片结温ꎬＴ０为热沉温度ꎬＰｉｎ为激光器的输入功率ꎬＰ为激光器的输出功率ꎬＲｔｈ为热阻ꎮ由上述公式可知ꎬ激光器芯片结温受工作电流㊁热沉温度及器件热阻影响ꎮ半导体激光器阈值电流和有源区温度之间的关系为:Ｉｔｈ(Ｔ)＝ＩＲｅｔｅｘｐＴ－ＴＲｅｔＴｔæèçöø÷ꎬ(７)其中ꎬＩＲｅｔ为温度ＴＲｅｔ下的阈值电流ꎬＴｔ为激光器特征温度ꎬ主要由激光器结构和材料决定ꎮ激光器斜率效率η随有源区温度变化的表达式为:η(Ｔ)＝η(Ｔｒ)ｅｘｐ－(Ｔ－Ｔｒ)Ｔ１[]ꎬ(８)式中Ｔ１为斜率效率的特征温度ꎮ激光器输出功率与斜率效率和工作电流的关系为:Ｐ＝η(Ｔ)Ｉꎬ(９)结合公式(６)㊁(７)㊁(８)㊁(９)可得出输出功率Ｐ:Ｐ＝ηｅｘｐ－Ｒｔｈ(ＩＶ－Ｐ)Ｔ１[]Ｉ－ＩＲｅｔｅｘｐＲｔｈ(ＩＶ－Ｐ)Ｔ０[]{}.(１０)９１２㊀发㊀㊀光㊀㊀学㊀㊀报第４０卷20535I /AP /W20.6W 18.8WR th =4.14R th =3.691015202530151050图６㊀不同热阻下的Ｐ￣Ｉ特性曲线Ｆｉｇ.６㊀ＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｃｕｒｖｅｏｆＰ￣Ｉｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｈｅｒｍａｌｒｅ￣ｓｉｓｔａｎｃｅ半导体激光器的输出功率与输入电流的关系曲线如图６所示ꎮ从图中可以看出随着封装热阻的减少ꎬ器件输出功率会增加ꎮ经过本文封装结构优化后ꎬ封装热阻降为３.６９Ｋ/Ｗꎬ其最大输出功率为２０.６Ｗꎮ４㊀结㊀㊀论为了降低边缘式高功率半导体激光器有源区温度ꎬ降低器件封装成本ꎬ在Ｃ￣Ｍｏｕｎｔ封装结构的基础上ꎬ研究了一种使用石墨材料作为辅助热沉的封装结构ꎬ并理论分析比较其输出功率与传统封装结构的输出功率ꎮ在传统封装结构中ꎬ过渡热沉ＷＣｕ宽度尺寸从３.３５ｍｍ减小到０.６ｍｍ时ꎬ半导体激光器有源区温度从３３９.４Ｋ升高到３５２.２Ｋꎮ在使用石墨作辅助热沉的条件下ꎬ石墨片与ＷＣｕ宽度和为３.３５ｍｍꎬ当过渡热沉尺寸从２.０ｍｍ减少到０.６ｍｍ时ꎬ结温从３３８.９Ｋ降到３３４.９Ｋꎮ相比于宽为３.３５ｍｍ的ＷＣｕ传统结构ꎬ其温度降低４.５Ｋꎮ在传统封装结构中ꎬ随着ＷＣｕ宽度的减少ꎬ有源区温度升高ꎮ而新型封装结构与其相反ꎬ相比于传统结构ꎬ有源区温度降低４.５Ｋꎬ散热效果明显改善ꎮ通过计算可知ꎬ半导体激光器的最大输出功率为２０.６Ｗꎮ该结构设计为今后高功率半导体激光器的发展提供了帮助ꎬ同时在商业上有着很高的使用价值ꎮ参㊀考㊀文㊀献:[１]韩晓俊ꎬ李正佳ꎬ朱长虹.半导体激光器在医学上的应用[Ｊ].光学技术ꎬ１９９８(２):７￣１０.ＨＡＮＸＪꎬＬＩＺＪꎬＺＨＵＣＨ.Ｌａｓｅｒｄｉｏｄｅａｐｐｌｉｅｄｉｎｍｅｄｉｃｉｎｅ[Ｊ].Ｏｐｔ.Ｔｅｃｈｎｏｌ.ꎬ１９９８(２):７￣１０.(ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ)[２]耿素杰ꎬ王琳.半导体激光器及其在军事领域的应用[Ｊ].激光与红外ꎬ２００３ꎬ３３(４):３１１￣３１２.ＧＥＮＧＳＪꎬＷＡＮＧＬ.Ｔｈｅｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｌａｓｅｒａｎｄｉｔｓａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｉｎｍｉｌｉｔａｒｙ[Ｊ].ＬａｓｅｒＩｎｆｒａｒｅｄꎬ２００３ꎬ３３(４):３１１￣３１２.(ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ)[３]张纯.半导体激光器在印刷工业上的应用[Ｊ].光电子 激光ꎬ１９９１ꎬ２(４):２３１￣２３５.ＺＨＡＮＧＣ.Ｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ￣ｌａｓｅｒｉｎｔｈｅｐｒｉｎｔｉｎｇｉｎｄｕｓｔｒｙ[Ｊ].Ｊ.Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒ.Ｌａｓｅｒꎬ１９９１ꎬ２(４):２３１￣２３５.(ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ)[４]汪瑜.半导体激光器热特性分析研究[Ｄ].长春:长春理工大学ꎬ２００９:１６￣１７.ＷＡＮＧＹ.ＡｎａｌｙｓｉｓａｎｄＲｅｓｅａｒｃｈｆｏｒＴｈｅＴｈｅｒｍａｌＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｏｆＴｈｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＬａｓｅｒ[Ｄ].Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ:ＣｈａｎｇｃｈｕｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２００９:１６￣１７.(ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ)[５]廖翌如ꎬ关宝璐ꎬ李建军ꎬ等.低阈值８５２ｎｍ半导体激光器的温度特性[Ｊ].发光学报ꎬ２０１７ꎬ３８(３):３３１￣３３７.ＬＩＡＯＹＲꎬＧＵＡＮＢＬꎬＬＩＪＪꎬｅｔａｌ..Ｔｈｅｒｍａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｌｏｗｔｈｒｅｓｈｏｌｄ８５２ｎｍｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｌａｓｅｒｓ[Ｊ].Ｃｈｉｎ.Ｊ.Ｌｕｍｉｎ.ꎬ２０１７ꎬ３８(３):３３１￣３３７.(ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ)[６]王辉.半导体激光器封装中热应力和变形的分析[Ｊ].半导体技术ꎬ２００８ꎬ３３(８):７１８￣７２０.ＷＡＮＧＨ.Ｔｈｅｒｍａｌｓｔｒｅｓｓａｎｄｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓｏｆｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｌａｓｅｒｓｐａｃｋａｇｉｎｇ[Ｊ].Ｓｅｍｉｃｏｎｄ.Ｔｅｃｈｎｏｌ.ꎬ２００８ꎬ３３(８):７１８￣７２０.(ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ)[７]ＺＨＡＮＧＸＬꎬＢＯＢＸꎬＱＩＡＯＺＬꎬｅｔａｌ..Ａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｒｍａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｂａｓｅｄｏｎａｎｅｗｔｙｐｅｄｉｏｄｅｌａｓｅｒｐａｃｋａｇｉｎｇｓｔｒｕｃｔｕｒｅ[Ｊ].Ｏｐｔ.Ｅｎｇ.ꎬ２０１７ꎬ５６(８):０８５１０５￣１￣５.[８]刘一兵ꎬ戴瑜兴ꎬ黄志刚.照明用大功率发光二极管封装材料的优化设计[Ｊ].光子学报ꎬ２０１１ꎬ４０(５):６６３￣６６６.ＬＩＵＹＢꎬＤＡＩＹＸꎬＨＵＡＮＧＺＧ.Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｄｅｓｉｇｎｏｎｐａｃｋａｇｉｎｇｍａｔｅｒｉａｌｓｏｆｈｉｇｈ￣ｐｏｗｅｒＬＥＤｆｏｒｌｉｇｈｔｉｎｇ[Ｊ].ＡｃｔａＰｈｏｔｏｎ.Ｓｉｎｉｃａꎬ２０１１ꎬ４０(５):６６３￣６６６.(ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ)[９]倪羽茜ꎬ井红旗ꎬ孔金霞ꎬ等.碳化硅封装高功率半导体激光器散热性能研究[Ｊ].中国激光ꎬ２０１８ꎬ４５(１):㊀第７期房俊宇ꎬ等:石墨片作辅助热沉的高功率半导体激光器热传导特性９１３㊀０１０１００２￣１￣５.ＮＩＹＸꎬＪＩＮＧＨＱꎬＫＯＮＧＪＸꎬｅｔａｌ..Ｔｈｅｒｍａｌｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｈｉｇｈ￣ｐｏｗｅｒｌａｓｅｒｄｉｏｄｅｓｐａｃｋａｇｅｄｂｙＳｉＣｃｅｒａｍｉｃｓｕｂｍｏｕｎｔ[Ｊ].Ｃｈｉｎ.Ｊ.Ｌａｓｅｒｓꎬ２０１８ꎬ４５(１):０１０１００２￣１￣５.(ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ)[１０]ＫＵＣＭꎬＷＡＳＩＡＫＭꎬＳＡＲＺＡＬＡＲＰ.ＩｍｐａｃｔｏｆｈｅａｔｓｐｒｅａｄｅｒｓｏｎｔｈｅｒｍａｌｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆⅢ￣Ｎ￣ｂａｓｅｄｌａｓｅｒｄｉｏｄｅ[Ｊ].ＩＥＥＥＴｒａｎｓ.Ｃｏｍｐ.ꎬＰａｃｋ.Ｍａｎｕｆ.Ｔｅｃｈｎｏｌ.ꎬ２０１５ꎬ５(４):４７４￣４８２.[１１]王文ꎬ许留洋ꎬ王云华ꎬ等.热沉尺寸对半导体激光器有源区温度的影响[Ｊ].半导体光电ꎬ２０１３ꎬ３４(５):７６５￣７６９.ＷＡＮＧＷꎬＸＵＬＹꎬＷＡＮＧＹＨꎬｅｔａｌ..Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓｏｆｔｈｅｄｉｍｅｎｓｉｏｎｏｆｈｅａｔｓｉｎｋｏｎｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆａｃｔｉｖｅｒｅｇｉｏｎｉｎｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｌａｓｅｒ[Ｊ].Ｓｅｍｉｃｏｎｄ.Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒ.ꎬ２０１３ꎬ３４(５):７６５￣７６９.(ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ)[１２]ＯＮＯＳꎬＮＡＧＡＮＯＨꎬＮＩＳＨＩＫＡＷＡＹꎬｅｔａｌ..Ｔｈｅｒｍｏｐｈｙｓｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｈｉｇｈ￣ｔｈｅｒｍａｌ￣ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙｇｒａｐｈｉｔｅｓｈｅｅｔａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｔｏｄｅｐｌｏｙａｂｌｅ/ｓｔｏｗａｂｌｅｒａｄｉａｔｏｒ[Ｊ].Ｊ.Ｔｈｅｒｍｏｐｈｙｓ.ＨｅａｔＴｒａｎｓ.ꎬ２０１５ꎬ２９(２):３４７￣３５３.[１３]ＷＥＮＣＹꎬＨＵＡＮＧＧＷ.ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆａｔｈｅｒｍａｌｌｙｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅｐｙｒｏｌｙｔｉｃｇｒａｐｈｉｔｅｓｈｅｅｔｔｏｔｈｅｒｍａｌｍａｎａｇｅｍｅｎｔｏｆａＰＥＭｆｕｅｌｃｅｌｌ[Ｊ].Ｊ.ＰｏｗｅｒＳｏｕｒｃｅｓꎬ２００８ꎬ１７８(１):１３２￣１４０.[１４]ＭＡＬＥＫＰＯＵＲＨꎬＣＨＡＮＧＫＨꎬＣＨＥＮＪＣꎬｅｔａｌ..Ｔｈｅｒｍａｌｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙｏｆｇｒａｐｈｅｎｅｌａｍｉｎａｔｅ[Ｊ].ＮａｎｏＬｅｔｔ.ꎬ２０１４ꎬ１４(９):５１５５￣５１６１.[１５]ＷＡＮＧＹＸꎬＯＶＥＲＭＥＹＥＲＬ.Ｃｈｉｐ￣ｌｅｖｅｌｐａｃｋａｇｉｎｇｏｆｅｄｇｅ￣ｅｍｉｔｔｉｎｇｌａｓｅｒｄｉｏｄｅｓｏｎｔｏｌｏｗ￣ｃｏｓｔｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔｐｏｌｙｍｅｒｓｕｂ￣ｓｔｒａｔｅｓｕｓｉｎｇｏｐｔｏｄｉｃｂｏｎｄｉｎｇ[Ｊ].ＩＥＥＥＴｒａｎｓ.Ｃｏｍｐ.ꎬＰａｃｋ.Ｍａｎｕｆ.Ｔｅｃｈｎｏｌ.ꎬ２０１６ꎬ６(５):６６７￣６７４.[１６]王文ꎬ高欣ꎬ周泽鹏ꎬ等.百瓦级多芯片半导体激光器稳态热分析[Ｊ].红外与激光工程ꎬ２０１４ꎬ４３(５):１４３８￣１４４３.ＷＡＮＧＷꎬＧＡＯＸꎬＺＨＯＵＺＰꎬｅｔａｌ..Ｓｔｅａｄｙ￣ｓｔａｔｅｔｈｅｒｍａｌａｎａｌｙｓｉｓｏｆｈｕｎｄｒｅｄ￣ｗａｔｔｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｌａｓｅｒｗｉｔｈｍｕｌｔｉｃｈｉｐ￣ｐａｃｋａｇｉｎｇ[Ｊ].ＩｎｆｒａｒｅｄＬａｓｅｒＥｎｇ.ꎬ２０１４ꎬ４３(５):１４３８￣１４４３.(ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ)[１７]杨宏宇ꎬ舒世立ꎬ刘林ꎬ等.半导体激光器模块散热特性影响因素分析[Ｊ].半导体光电ꎬ２０１６ꎬ３７(６):７７０￣７７５.ＹＡＮＧＨＹꎬＳＨＵＳＬꎬＬＩＵＬꎬｅｔａｌ..Ａｎａｌｙｓｉｓｏｎｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇｆａｃｔｏｒｓｏｆｈｅａｔｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｌａ￣ｓｅｒｍｏｄｕｌｅ[Ｊ].Ｓｅｍｉｃｏｎｄ.Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒ.ꎬ２０１６ꎬ３７(６):７７０￣７７５.(ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ)[１８]韩立ꎬ徐莉ꎬ李洋ꎬ等.基于Ｃ￣ｍｏｕｎｔ封装的半导体激光器热特性模拟分析[Ｊ].长春理工大学学报(自然科学版)ꎬ２０１６ꎬ３９(３):２７￣３１.ＨＡＮＬꎬＸＵＬꎬＬＩＹꎬｅｔａｌ..ＴｈｅｒｍａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄａｎａｌｙｓｉｓｏｆｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｌａｓｅｒｂａｓｅｄｏｎＣ￣ｍｏｕｎｔ[Ｊ].Ｊ.ＣｈａｎｇｃｈｕｎＵｎｉｖ.Ｓｃｉ.Ｔｅｃｈｎｏｌ.(Ｎａｔ.Ｓｃｉ.Ｅｄ.)ꎬ２０１６ꎬ３９(３):２７￣３１.(ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ)[１９]ＬＩＸＮꎬＺＨＡＮＧＹＸꎬＷＡＮＧＪＷꎬｅｔａｌ..Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｐａｃｋａｇｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｎｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｔｈｅｓｉｎｇｌｅｅｍｉｔｔｅｒｄｉｏｄｅｌａ￣ｓｅｒ[Ｊ].ＩＥＥＥＴｒａｎｓ.Ｃｏｍｐ.ꎬＰａｃｋ.Ｍａｎｕｆ.Ｔｅｃｈｎｏｌ.ꎬ２０１２ꎬ２(１０):１５９２￣１５９９.[２０]井红旗ꎬ仲莉ꎬ倪羽茜ꎬ等.高功率密度激光二极管叠层散热结构的热分析[Ｊ].发光学报ꎬ２０１６ꎬ３７(１):８１￣８７.ＪＩＮＧＨＱꎬＺＨＯＮＧＬꎬＮＩＹＸꎬｅｔａｌ..Ｔｈｅｒｍａｌａｎａｌｙｓｉｓｏｆｈｉｇｈｐｏｗｅｒｄｅｎｓｉｔｙｌａｓｅｒｄｉｏｄｅｓｔａｃｋｃｏｏｌｉｎｇｓｔｒｕｃｔｕｒｅ[Ｊ].Ｃｈｉｎ.Ｊ.Ｌｕｍｉｎ.ꎬ２０１６ꎬ３７(１):８１￣８７.(ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ)[２１]姜晓光ꎬ赵英杰ꎬ吴志全.基于ＡＮＳＹＳ半导体激光器热特性模拟与分析[Ｊ].长春理工大学学报(自然科学版)ꎬ２０１０ꎬ３３(１):４１￣４３.ＪＩＡＮＧＸＧꎬＺＨＡＯＹＪꎬＷＵＺＱ.ＴｈｅｒｍａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄａｎａｌｙｓｉｓｏｆｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｌａｓｅｒｂａｓｅｄｏｎＡＮＳＹＳ[Ｊ].Ｊ.ＣｈａｎｇｃｈｕｎＵｎｉｖ.Ｓｃｉ.Ｔｅｃｈｎｏｌ.(Ｎａｔ.Ｓｃｉ.Ｅｄ.)ꎬ２０１０ꎬ３３(１):４１￣４３.(ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ)[２２]杨振忠ꎬ马忠良ꎬ王峰.基于石墨导热介质的新型ＬＥＤ路灯散热系统[Ｊ].照明工程学报ꎬ２０１１ꎬ２２(３):４９￣５２.ＹＡＮＧＺＺꎬＭＡＺＬꎬＷＡＮＧＦ.ＡｎｅｗＬＥＤｒｏａｄｌｉｇｈｔｉｎｇｌｕｍｉｎａｉｒｅｈｅａｔｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎｇｒａｐｈｉｔｅｍａｔｅｒｉａｌ[Ｊ].ＣｈｉｎａＩｌｌｕｍ.Ｅｎｇ.Ｊ.ꎬ２０１１ꎬ２２(３):４９￣５２.(ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ)[２３]邱海鹏ꎬ郭全贵ꎬ宋永忠ꎬ等.石墨材料导热性能与微晶参数关系的研究[Ｊ].新型炭材料ꎬ２００２ꎬ１７(１):３６￣４０.ＱＩＵＨＰꎬＧＵＯＱＧꎬＳＯＮＧＹＺꎬｅｔａｌ..Ｓｔｕｄｙｏｆｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｒｍａｌｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙａｎｄｍｉｃｒｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅｐａｒａｍ￣ｅｔｅｒｓｏｆｂｕｌｋｇｒａｐｈｉｔｅ[Ｊ].ＮｅｗＣａｒｂｏｎＭａｔｅｒ.ꎬ２００２ꎬ１７(１):３６￣４０.(ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ)[２４]程小爱ꎬ曹晓燕ꎬ张慧玲ꎬ等.石墨表面金属化处理及检测[Ｊ].表面技术ꎬ２００６ꎬ３５(３):４￣７.ＣＨＥＮＧＸＡꎬＣＡＯＸＹꎬＺＨＡＮＧＨＬꎬｅｔａｌ..Ｍｅｔａｌ￣ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎａｎｄｄｅｔｅｃｔｉｏｎｏｆｇｒａｐｈｉｔｅｓｕｒｆａｃｅ[Ｊ].Ｓｕｒｆ.Ｔｅｃｈｎｏｌ.ꎬ２００６ꎬ３５(３):４￣７.(ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ)[２５]黄凯ꎬ白华ꎬ朱英彬ꎬ等.石墨表面化学镀Ｃｕ对天然鳞片石墨/Ａｌ复合材料热物理性能的影响[Ｊ].复合材料学报ꎬ２０１８ꎬ３５(４):９２０￣９２６.９１４㊀发㊀㊀光㊀㊀学㊀㊀报第４０卷ＨＵＡＮＧＫꎬＢＡＩＨꎬＺＨＵＹＢꎬｅｔａｌ..Ｔｈｅｒｍａｌｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙａｎｄｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｆｌａｋｇｒａｐｈｉｔｅ/ＡｌｃｏｍｐｏｓｉｔｅｗｉｔｈｅｌｅｃｔｒｏｌｅｓｓＣｕｐｌａｔｉｎｇｏｎｇｒａｐｈｉｔｅｓｕｒｆａｃｅ[Ｊ].ＡｃｔａＭａｔｅｒ.Ｃｏｍｐ.Ｓｉｎｉｃａꎬ２０１８ꎬ３５(４):９２０￣９２６.(ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ)[２６]ＳＯＮＧＸＧꎬＣＨＡＩＪＨꎬＨＵＳＰꎬｅｔａｌ..Ａｎｏｖｅｌｍｅｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｆｏｒｓｏｌｄｅｒｉｎｇｇｒａｐｈｉｔｅｔｏｃｏｐｐｅｒａｔｌｏｗｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ[Ｊ].Ｊ.Ａｌｌｏｙ.Ｃｏｍｐ.ꎬ２０１６ꎬ６９６:１１９９￣１２０４.房俊宇(１９９４－)ꎬ男ꎬ吉林松原人ꎬ硕士研究生ꎬ２０１７年于长春理工大学光电信息学院获得学士学位ꎬ主要从事半导体激光器的研究ꎮＥ￣ｍａｉｌ:４４２１７６２８７＠ｑｑ.ｃｏｍ石琳琳(１９８８－)ꎬ女ꎬ吉林长春人ꎬ博士ꎬ助理研究员ꎬ２０１６年于中国科学院长春光学精密机械与物理研究所获得博士学位ꎬ主要从事半导体激光器物理与技术的研究ꎮＥ￣ｍａｉｌ:ｌｉｎｌｉｎｓｈｉ８８＠ｆｏｘｍａｉｌ.ｃｏｍ。
导热材料排名
导热材料排名导热材料是用于传导热能的材料，它们的热导率决定了材料的导热性能。
导热材料在各个领域有广泛的应用，例如热电器件、散热器、导热板等。
以下是一些常见的导热材料的排名：1. 金属：金属是最常见的导热材料之一，具有很高的热导率。
其中银是导热性能最好的金属，其热导率可达到约420W/m·K。
铜和铝也有较高的热导率，分别约为400 W/m·K和205 W/m·K。
2. 金刚石：金刚石是一种具有非常高热导率的材料，其热导率能达到900-2000 W/m·K。
它被广泛应用于高性能散热器、激光器等需要高导热性能的领域。
3. 石墨：石墨也是一种具有较高热导率的导热材料，其热导率为120-200 W/m·K。
石墨具有良好的导热性能和良好的耐高温性，常用于导热垫、导热膏等散热材料中。
4. 氧化铝：氧化铝是一种常用的陶瓷材料，其热导率为30-40 W/m·K。
氧化铝具有较高的导热性能和优良的机械性能，被广泛应用于高温散热材料中。
5. 硅胶：硅胶是一种具有较好导热性能的有机材料，其热导率为0.2-0.4 W/m·K。
硅胶具有良好的柔韧性和隔热性能，被广泛应用于电子产品散热器、手机散热片等领域。
6. 硅脂：硅脂是一种具有较好导热性能的有机材料，其热导率为0.8-2.5 W/m·K。
硅脂具有良好的黏性和耐高温性能，被广泛应用于电子产品散热材料中。
综上所述，金属、金刚石和石墨是导热材料中导热性能最好的材料，可以提供较高的热导率。
而氧化铝、硅胶和硅脂等材料则具有较低的热导率，适用于一些对导热性能要求不那么高的场合。
选择适合的导热材料需要根据具体的应用领域和需求来决定。
导热石墨生产工艺
导热石墨生产工艺导热石墨是一种高性能热导材料，其优异的导热性能使其在电子、光电子、航空航天等领域得到广泛应用。
下面将介绍导热石墨的生产工艺。
导热石墨的生产工艺主要包括原料选择、石墨热解、石墨球磨和再热热解四个步骤。
首先是原料选择。
导热石墨的一种常用原料是高纯度天然石墨。
这种石墨经过特殊的处理，去除其中的杂质和氧化物，在高温下进行热解，得到高纯度的导热石墨。
接下来是石墨热解。
将选好的高纯度石墨原料放置在石墨炉中，加热到高温，使石墨原料发生热解反应。
在热解过程中，石墨原料中的有机物会被分解掉，生成导热石墨的主要成分——碳。
温度和反应时间是石墨热解的两个重要参数，需要控制好以确保产出的导热石墨质量稳定并满足需求。
石墨热解后，得到的是一些块状的导热石墨。
为了提高其导热性能，需要对石墨进行球磨处理。
石墨球磨是指将块状石墨放入球磨机中，通过机械力的作用，使其分散成微小的颗粒。
这样可以增加石墨的比表面积，提高导热性能。
最后一步是再热热解。
将球磨后的导热石墨再次放入石墨炉中进行热解。
这一步主要是通过再次加热石墨，使其晶体结构完全重排，进一步提高导热性能。
再热热解的温度和时间也需要进行控制，以保证导热石墨的质量和性能。
经过以上几个步骤，导热石墨的生产工艺就完成了。
最终得到的导热石墨具有优异的导热性能，可以广泛应用于各个领域。
需要注意的是，在生产过程中，还需要加强对环境保护和工人安全的管理。
石墨热解和再热热解过程中会产生一些有害气体和粉尘，需要进行有效的排放和防护措施。
同时，工作人员也需要佩戴相应的个人防护装备，避免对身体造成伤害。
总之，导热石墨的生产工艺包括原料选择、石墨热解、石墨球磨和再热热解四个步骤。
通过这些步骤，可以获得优质的导热石墨，满足各个领域对高性能导热材料的需求。
在生产过程中，还需要注重环境保护和工人安全，确保生产过程的可持续性发展。
导热界面材料
导热界面资料一、导热界面资料的的观点：导热界面资料〔 Thermal Interface Materials 〕又称为热界面资料或许界面导热资料，是一种广泛用于 IC 封装和电子散热的资料，主要用于填补两种资料接合或接触时产生的微缝隙及表面凹凸不平的孔洞，减少传热接触热阻，提高器件散热性能。
二、导热界面资料内行业内的重要性：在微电子资料表面和散热器之间存在极细微的凹凸不平的缝隙，假如将他们直接安装在一同，它们间的实质接触面积只有散热器底座面积10%，其余均为空气空隙。
因为空气热导率只有(m·K) ，是热的不良导体，将致使电子元件与散热器间的接触热阻特别大，严重阻挡了热量的传导，最后造成散热器的效能低下。
使用拥有高导热性的热界面资料填补满这些空隙，清除此中的空气，在电子元件和散热器间成立有效的热传导通道，能够大幅度降低接触热阻，使散热器的作用获得充足地发挥。
热界面( 接触面 ) 资料在热管理中起到了十分重点的作用，是该学科中的一个重要研究分支。
三、理想的导热界面资料所具备的特色：（1〕高导热性。
（2〕高柔韧性，保证在较低安装压力条件下热界面此资料能够最充足地填补接触表面的缝隙，保证热界面资料与接触面间的接触热阻很小。
（3〕绝缘性（4〕安装简易并具可拆性。
（5〕广合用性，既能被用来填补小缝隙，也能填补大缝隙四、导热界面资料的应用领域：〔1〕 led ：电磁炉、射灯、显示屏、吊灯、舞台灯等。
〔2〕电脑及家庭录放：显卡、笔录本、电脑、音响、dvd、 vcd 〔3〕电子电器：冰箱、洗衣机、电磁炉、电饭煲、微波炉等。
〔4〕其余仪器：仪器仪表、医疗器材、航空、船舶、晶体管、电源散热、传感器快速测温、打印机优等。
五、到热界面资料的分类电视机等。
CPU组装、热敏电阻、温度传感器、汽车电子零零件、汽车冰箱、电源模块、电子产品、1.导热硅脂〔1〕导热硅脂的作用：导热硅脂俗称散热膏，导热硅脂以有机硅酮为主要原料，增添耐热、导热性能优异的资料，制成的导热型有机硅脂状复合物，在散热与导热应用中，导热硅脂能够填补热界面上的缝隙，使热量的传导更为顺畅快速。
人工石墨散热膜的生产工艺流程
人工石墨散热膜的生产工艺流程1.原材料准备：准备石墨颗粒、粘合剂和其他辅助材料。
Raw material preparation: Prepare graphite particles, adhesives, and other auxiliary materials.2.材料混合：将石墨颗粒、粘合剂和辅助材料混合均匀。
Material mixing: Mix graphite particles, adhesives, and auxiliary materials evenly.3.压制成型：将混合后的材料放入模具中，进行压制成型。
Pressing molding: Put the mixed materials into the mold and press them into shape.4.初次加热：对成型后的石墨材料进行初次加热处理。
Initial heating: Heat the molded graphite material for the first time.5.碳化处理：将初次加热后的材料进行碳化处理，使其转变成石墨。
Carbonization treatment: Carbonize the material after the initial heating to transform it into graphite.6.表面处理：对碳化后的石墨材料进行表面处理，使其变得光滑均匀。
Surface treatment: Treat the surface of the carbonized graphite material to make it smooth and uniform.7.散热膜涂层：进行散热膜的涂层处理，增强散热性能。
Heat dissipation film coating: Coating treatment for the heat dissipation film to enhance heat dissipation performance.8.二次加热：对涂层后的散热膜进行二次加热处理，确保涂层稳定性。
石墨片用途
石墨片用途石墨片是一种具有广泛应用的特殊材料，在众多领域中发挥着重要作用。
下面将详细介绍石墨片的用途。
1. 电子行业：石墨片被广泛应用于电子行业中的导电材料方面。
由于石墨片具有良好的导电性能，可作为铜箔电路板的导电薄膜。
此外，石墨片还可以用于制作电极材料，如锂离子电池的负极材料和太阳能电池的导电层等。
2. 热传导方面：石墨片是一种具有优异热传导性能的材料，因此广泛应用于导热材料领域。
石墨片可以用于制作散热片，如电脑CPU和GPU的散热片，能够提高散热效果，保证设备的稳定运行。
此外，石墨片也被用作制造高温炉的内衬材料，如真空炉的导热屏等。
3. 摩擦材料方面：由于石墨片有着低摩擦系数的特点，使得其可作为润滑材料广泛应用于摩擦材料领域。
例如，石墨片可用于制作摩擦材料，如刹车衬板、离合器片和摩托车链条等，能够减少金属材料之间的摩擦和磨损。
4. 化工行业：石墨片在化工行业中具有重要作用。
石墨片是一种耐腐蚀材料，可用于制造化工设备的内衬、密封和管道等。
由于石墨片在高温和恶劣环境下具有优异的耐腐蚀性能，因此被广泛应用于化工腐蚀介质的输送和处理。
5. 医疗器械方面：石墨片的低感染性和良好的生物相容性使其成为医疗器械领域的重要材料。
例如，石墨片可以用于制作人工关节的外包层，能够减少对人体组织的刺激和排斥反应。
此外，石墨片还可以用于制作心脏起搏器的电极等。
6. 纳米材料领域：将石墨片进行高温石化处理后可以制得石墨烯，石墨烯是一种具有单层厚度的二维材料，具有优异的电子、热传导和力学性能。
石墨烯的应用潜力巨大，可用于电子器件、光电器件、生物传感器、超级电容器、催化剂等方面，在纳米材料领域有着广泛的应用前景。
7. 保温隔热方面：由于石墨片具有低热导率和高温稳定性，因此可以用作保温隔热材料。
例如，石墨片被广泛应用于制造保温材料，如高温炉的保温层、管道的保温材料和储罐的表面保温材料等。
综上所述，石墨片具有导电、导热、耐腐蚀、耐高温、低摩擦等特性，被广泛应用于电子行业、热传导材料、摩擦材料、化工行业、医疗器械、纳米材料等多个领域。
什么材料导热最快？一文讲清楚这些导热材料与导热知识
什么材料导热最快？一文讲清楚这些导热材料与导热知识说到散热系统，很多人想到的是风扇和散热片。
其实，他们忽视了一个并不起眼、但却发挥着重要作用的媒介物导热介质。
就此我们来说说导热材料.希望大家讨论一下,发表自己对各类功率器件散热的心得和看法. 为何需要导热介质？可能有人会认为，CPU表面或散热片底部都非常光滑，它们之间不需要导热介质。
这种观点是错误的！由于机械加工不可能做出理想化的平整面，因此在CPU与散热器之间存在很多沟壑或空隙，其中都是空气。
我们知道，空气的热阻值很高，因此必须用其他物质来降低热阻，否则散热器的性能会大打折扣，甚至无法发挥作用。
于是导热介质就应运而生了，它的作用就是填充处理器与散热器之间大大小小的空隙，增大发热源与散热片的接触面积。
因此，热传导只是导热介质的一个作用，增加CPU和散热器的有效接触面积才是它最重要的作用。
导热介质有哪些？ 1、导热硅脂导热硅脂是目前应用最广泛的一种导热介质，它是以硅油为原料，并添加增稠剂等填充剂，在经过加热减压、研磨等工艺之后形成的一种酯状物，该物质有一定的黏稠度，没有明显的颗粒感。
导热硅脂的工作温度一般在-50℃～220℃，它具有不错的导热性、耐高温、耐老化和防水特性。
在器件散热过程中，经过加热达到一定状态之后，导热硅脂便呈现出半流质状态，充分填充CPU 和散热片之间的空隙，使得两者之间接合得更为紧密，进而加强热量传导。
通常情况下，导热硅脂不溶于水，不易被氧化，还具备一定的润滑性和电绝缘性。
2、导热硅胶和导热硅脂一样，导热硅胶也是由硅油添加一定的化学原料，并经过化学加工而成。
但和导热硅脂不同的是，在它所添加的化学原料里有某种黏性物质，因此成品的导热硅胶具有一定的黏合力。
导热硅胶最大的特点是凝固后质地坚硬，其导热性能略低于导热硅脂。
目前，市面上有两种导热硅胶：一种在凝固后为白色固体，另一种在凝固后为黑色带有光泽的固体。
一般厂商都习惯用第一种硅胶作为散热片和发热物体之间的黏合剂，它的优点是黏性非常强，可这又恰恰成了它的缺点。
导热石墨片介绍
石墨化晶格转变示意图
一、石墨的理化特性
4、石墨的微观结构
一、石墨的理化特性
项目
天然石墨片
人工石墨片
厚度 Thickness
导热系数(水平方向) 导热系数(垂直方向)
很难做到≤0.1mm
≤400w/m-0.03mm
石 墨 的 分 子 结 构 图
一、石墨的理化特性
2、天然石墨
天然石墨一般都似石墨片岩 、石墨片麻岩、含石墨的片 岩及变质页岩等矿石出现。
天然石墨
鳞片石墨
微晶石墨
高碳鳞片石墨
中碳鳞片石墨
低碳鳞片石墨
一、石墨的理化特性
3、人工石墨
人工石墨是将炭原料（如石油焦、沥青焦、无烟煤、冶金焦、炭黑等）经 过煅烧、破碎与筛分、与粘接剂（主要用煤沥青）混捏后，再经压型和焙 烧、高温石墨化，最后加工成所需规格尺寸。
等等方面有着广泛的应用。
四、GTS的广泛应用
GTS在智能手机上的应用
智能手机所采用的CPU速度不断增大，内存容量扩大，操作系统性能提高，超薄 的机身，对散热的要求逐渐增大。 目前国内市场上销售的智能手机越来越多的采用石墨片作为导热材料，例如苹果、 三星、HTC、小米等等。
二、GTS的导热机理
二、GTS的导热机理
材料
铝 铜 石墨
导热系数 W/mK
200 380 水平100～1500 垂直5～40
比热容J/kg·K
880 385 710
密度g/cm3
2.7 8.96 0.7-2.1
上图为常用材料的导热系数比较图，石墨较常规的材料有着比较高的导热系数，这 是石墨作为新型导热材料的基础。
石墨导热片------GTS
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人工导热石墨片
【实用版】
目录
一、人工导热石墨片的概念与制作工艺
二、人工导热石墨片的特点与优势
三、人工导热石墨片的应用领域
四、人工导热石墨片在智能手机散热中的应用
五、总结
正文
一、人工导热石墨片的概念与制作工艺
人工导热石墨片，又称合成石墨片，是一种全新的散热材料。
它采用先进的碳化、石墨化工艺，通过 3000 的高温烧结制作出具有独特的晶格取向的导热薄膜。
这种材料在 -40~400 惰性环境下均能保持良好的导热性能。
二、人工导热石墨片的特点与优势
1.高导热系数：人工导热石墨片的导热系数在水平方向高达
1500W/M-K，是铜的 2-4 倍，铝的 3-7 倍。
2.良好的温度性能：人工导热石墨片在 -40~400 惰性环境下均能保持良好的导热性能，且无老化问题。
3.良好的柔韧性能：人工导热石墨片易于模切加工、安装使用，可多次弯折。
三、人工导热石墨片的应用领域
人工导热石墨片广泛应用于各种电子产品，如 IC、CPU、MOS、LED、散热片、LCD-TV、笔记本电脑、通讯设备、无线交换机、DVD、手持设备
等。
其主要作用是均匀散热，提高电子产品的性能和稳定性。
四、人工导热石墨片在智能手机散热中的应用
智能手机是人们生活中不可或缺的一部分，然而在使用过程中，往往会出现发热现象。
人工导热石墨片可以有效地将手机内部的热量传导至外部，降低手机发热，提高用户体验。
此外，人工导热石墨片还具有超薄的厚度和良好的再加工性能，可与 PET 等其他薄膜材料复活或涂胶使用，适用于将点热源转化为面热源的快速热传导。
五、总结
人工导热石墨片作为一种新型散热材料，具有高导热系数、良好的温度性能和柔韧性能等优点，广泛应用于各种电子产品。
在智能手机散热方面，人工导热石墨片也能发挥重要作用，提高手机的性能和用户体验。