《Materials Today Communications》：Reliable Thermal Management of High-Power Semiconductor Lasers Based on Nano-Silver Sintering Diamonds
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本研究针对高功率半导体激光器热管理难题，提出基于纳米银烧结技术的低成本多晶金刚石(PCD)封装方案。通过对比传统AuSn共晶键合，压力辅助纳米银烧结实现了4.5×10-7m2·K/W的超低热边界电阻和19.24 MPa的剪切强度，使结温较AlN基底降低19°C，显著提升器件可靠性和寿命，为下一代高功率激光器提供了兼具高热性能和工业可扩展性的解决方案。
随着高功率半导体激光器在工业制造、电子设备、医疗技术和国防安全等领域的广泛应用，其热管理问题日益凸显。当激光器功率不断提升时，活性区域产生的热量若不能及时消散，将导致波长漂移、输出功率下降、阈值电流升高，最终严重影响器件寿命和可靠性。传统热管理材料如氮化铝(AlN)和氧化铍(BeO)已无法满足下一代高功率激光器的散热需求，而金刚石虽然具有高达2200 W/(m·K)的导热系数，但其与激光芯片的高效集成及界面热传输特性仍是未解难题。
厦门大学电子科学与技术学院的研究团队在《Materials Today Communications》发表论文，提出了一种创新的纳米银烧结金刚石封装方案。该研究通过系统比较传统AuSn共晶键合与压力辅助纳米银烧结技术，成功将低成本多晶金刚石(PCD)基底与激光二极管芯片集成，为解决高功率半导体激光器的热失效风险提供了新思路。
研究人员采用压力辅助纳米银烧结、AuSn共晶键合、X射线扫描、扫描电镜分析、剪切强度测试、激光闪光法热导率测量、波长漂移分析和有限元热仿真等关键技术方法。通过制备GaAs激光芯片与PCD基底的键合样品，系统评估了界面孔隙率、微观结构、力学性能和热传输特性。
3.1. AuSn共晶键合与纳米银烧结
X射线扫描显示AuSn键合样品孔隙率仅为2.72%，而纳米银烧结样品界面无气泡和干燥痕迹。SEM截面分析显示压力辅助纳米银烧结的键合层厚度最薄(30.2 μm)，且结构致密无孔隙。剪切强度测试表明压力辅助纳米银烧结达到19.24 MPa的最高值，确保了热应力下的界面稳定性。
3.2. 热阻测试
通过激光闪光法测量热扩散系数，计算得出压力辅助纳米银烧结的热边界电阻仅为4.5×10-7m2·K/W，较AuSn键合降低38%。波长漂移法测量的结温数据显示，采用金刚石基底的激光器结温降低3.5-4.8%，其中压力辅助纳米银烧结样品表现最佳，结温降至75.7°C，热阻为1.80°C/W。
4.1. 金刚石厚度和键合层对激光性能的影响
有限元模拟表明，金刚石厚度增加至900 μm时，激光器温度和热阻逐渐降低并趋于稳定。键合层厚度增加会导致温升，但纳米银烧结的温度上升幅度远小于AuSn键合，在30 μm厚度时优势显著。
4.2. 热扩散材料对热性能的影响
芯片直接键合金刚石的配置相比传统AlN基底，稳态工作时结温降低超过19°C。瞬态热仿真显示金刚石基底具有更优的动态散热能力，关机后冷却速度更快。不同材料对比表明，导热系数从WCu10的160 W/(m·K)增至金刚石的1200 W/(m·K)时，最高温度从78.2°C降至56.6°C。
4.3. 芯片-金刚石-铜散热器封装设计
金刚石厚度优化至800 μm时可实现温度和热应力的同时降低。芯片厚度增加至200 μm可改善散热但会增大热应力。纳米银烧结在所有厚度下均表现出优于AuSn的热性能。高电流(>70 A)条件下，金刚石散热器能保持比其它材料低约30°C的温升。
本研究证实压力辅助纳米银烧结金刚石封装可同时实现优异的热管理和机械可靠性。通过实验测试和模拟仿真，证明了该方案能将结温降低19°C，延长器件寿命近3.7倍，且在高电流条件下保持稳定的散热性能。这些发现为高功率半导体激光器提供了兼顾热性能、可靠性和成本效益的解决方案，对推进激光技术在苛刻环境下的长期稳定运行具有重要意义。
