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激光二極管是在正常運(yùn)行期間產(chǎn)生熱量的多種不同類(lèi)型的電子設(shè)備之一，施加到此類(lèi)設(shè)備的一些功率作用熱能損失。為了確保穩(wěn)定的性能和高可靠性，在多余的熱量必須從激光二極管、微處理器和功率晶體管陶瓷基板等設(shè)備中導(dǎo)出，并在發(fā)熱設(shè)備周?chē)牟牧希ㄈ珉娐钒寤蛟O(shè)備外殼）或環(huán)境中安全消散。

沒(méi)有任何有源設(shè)備是100%有些的，這意味著電源或信號(hào)能量將不可避免地作為設(shè)備產(chǎn)生的熱量而損失。如果管理不當(dāng)，由此導(dǎo)致的器件溫度升高會(huì)縮短有源器件（如激光二極管）的工作壽命。事實(shí)上，一個(gè)典型的高功率激光二極管通常以50%的效率運(yùn)行，它產(chǎn)生的熱量與它產(chǎn)生的光一樣多。

隨著激光二極管輸出功率水平的增加，每單位器件面積產(chǎn)生的熱量也增加，需要對(duì)激光二極管進(jìn)行有效且均勻的冷卻。通過(guò)了解不同陶瓷基板材料的熱行為以及各種三維（3D）結(jié)構(gòu)（例如微通道冷卻器（MCC））如何促進(jìn)熱流，可以通過(guò)其將熱量從發(fā)熱激光二極管中排出。封裝和散熱器到周?chē)h(huán)境，MCC有許多不同的材料制成，包括銅和陶瓷上覆銅的基板，其中一些MCC，例如歧管 MCC，小到可以嵌入到有源器件的封裝中，它們?yōu)槠涮峁?span style="font-size: 16px; font-family: Calibri; ">-傳遞函數(shù)。

激光二極管封裝或其封裝材料或散熱器的熱導(dǎo)率是指其傳導(dǎo)熱量的能力，以瓦特/米/開(kāi)氏度 (W/mK) 為單位。熱量通過(guò)具有高導(dǎo)熱率或相反低熱阻的材料更有效地傳遞。例如，銅具有非常高的熱導(dǎo)率，約為 400 W/mK。熱阻或 R th是熱導(dǎo)率的倒數(shù)，當(dāng)需要高熱流時(shí)，更需要較低的值。

可以找到給定材料的 R th值作為溫度變化 ΔT 的函數(shù)，該變化發(fā)生在激光二極管在全輸出功率和功率損耗 (P loss ) 或耗散的熱功率 (P thermo ) 下激光二極管：

R th = ΔT/P損失

其中 ΔT 是激光二極管上的最熱溫度 T結(jié)與某些參考或環(huán)境溫度 T環(huán)境（例如室溫）之間的差：

T = T結(jié)- T環(huán)境

熱量從激光二極管流向?qū)岵牧系拿娣e也決定了材料的熱阻以及散發(fā)給定量熱量所需的散熱器尺寸，當(dāng)較小的散熱器與較大的散熱器的功率損耗和T相同時(shí)，可以得出結(jié)論，較大的散熱器具有較低的導(dǎo)熱率。因?yàn)橄嗤瑪?shù)量的熱量通過(guò)較大的區(qū)域消散。通過(guò) 3D 結(jié)構(gòu)（例如散熱器或 MCC）的熱流很少是簡(jiǎn)單的線性函數(shù)，因此，激光二極管的熱管理解決方案必須考慮冷卻結(jié)構(gòu)的機(jī)械設(shè)計(jì)，以及用于構(gòu)建這些冷卻結(jié)構(gòu)的材料的熱性能。

隨著緊湊型激光二極管產(chǎn)生的光功率水平（和熱量）增加，需要各種冷卻方法來(lái)保持激光二極管的工作溫度盡可能接近環(huán)境溫度。由于即使是低熱阻值的材料的冷卻限制，用于散發(fā)高功率激光二極管產(chǎn)生的熱量所需的冷卻結(jié)構(gòu)也可能過(guò)大，除非使用具有出色熱性能的材料制造。通常還需要新穎的冷卻結(jié)構(gòu)來(lái)有效地將熱量從激光二極管或大功率晶體管等有源器件中排出，機(jī)械配置（例如具有流通腔的 MCC）允許使用冷卻液通過(guò) MCC 傳遞熱量并遠(yuǎn)離熱源。通過(guò)使用這樣的結(jié)構(gòu)。

材料特性

盡管銅具有優(yōu)異的熱性能，但它通常與不同類(lèi)型的陶瓷基板材料結(jié)合使用，以實(shí)現(xiàn)熱性能和電性能的混合，以實(shí)現(xiàn)高可靠性與激光二極管等高能有源器件的高可靠性。用于冷卻結(jié)構(gòu)的典型陶瓷基板材料包括氧化鋁、氮化鋁和氮化硅。為了有效散熱，冷卻結(jié)構(gòu)采用多層陶瓷絕緣體和多層銅，以促進(jìn)熱量從有源器件流出。如前所述，這些冷卻結(jié)構(gòu)還可以采用冷卻結(jié)構(gòu)內(nèi)的空腔，該冷卻結(jié)構(gòu)具有某種形式的冷卻液，該預(yù)定流速已被優(yōu)化用于有效地將熱量從熱源轉(zhuǎn)移出去。

這些陶瓷絕緣體的材料特性，以及用于將銅層相互連接到陶瓷基板的粘合工藝，對(duì)于冷卻結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期有效性至關(guān)重要。例如激光二極管的熱量產(chǎn)生的熱應(yīng)力，由陶瓷絕緣體之類(lèi)的周?chē)牧蠈㈦S著溫度發(fā)生膨脹，這由材料的熱膨脹（CTE）描述。CTE本質(zhì)上定義了材料的尺寸將如何隨溫度增加，較大的值表示尺寸隨溫度增加的幅度更大。通過(guò)使用具有緊密匹配CTE的材料，可以最大限度低減少不同材料之間界面處的潛在熱應(yīng)力。

類(lèi)似地冷卻結(jié)構(gòu)中銅層和陶瓷絕緣層之間的結(jié)合將在高溫下受到一定量的應(yīng)力，這取決于它們的 CTE 特性的差異。通過(guò)使用 CTE 與銅非常匹配的陶瓷基板材料，可以最大限度地減少任何潛在的熱應(yīng)力。例如，典型 CTE 為 1 ppm/K 的金剛石基板由于其隨溫度的穩(wěn)定性而經(jīng)常用作散熱器的基礎(chǔ)，盡管典型 CTE 為 17 ppm/K 的銅會(huì)在界面處承受應(yīng)力銅和金剛石之間的鍵合，因?yàn)樗鼈兊木€性膨脹率隨溫度變化很大。

然而，對(duì)于由銅和陶瓷材料層形成的實(shí)際冷卻結(jié)構(gòu)，銅和前面提到的絕緣體材料之間的 CTE 匹配更接近，從而導(dǎo)致隨溫度變化的熱應(yīng)力更小。例如，對(duì)于 Al 2 O 3陶瓷基板，CTE 為 6.8 ppm/K，與銅的 CTE 相當(dāng)接近，而 Si 3 N 4的 CTE 為 2.5 ppm/ K，AlN 為 4.7 ppm/K。然而，Si 3 N 4和 AlN 的熱導(dǎo)率分別為 90 和 170 W/mK，高于 Al 2 O 3的 24 W/mK ，以改善熱冷卻結(jié)構(gòu)中的散熱。

其他材料特性可以指導(dǎo)電路或系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員選擇用于構(gòu)建激光二極管冷卻結(jié)構(gòu)的陶瓷絕緣體材料。例如，與其他陶瓷絕緣體材料相比，Si 3 N 4材料具有較高的機(jī)械強(qiáng)度，與使用活性金屬釬焊 (AMB) 或直接鍵合銅 (DBC) 工藝處理的傳統(tǒng)基板相比，具有更高的耐用性。這種材料特性表明，當(dāng)將諸如 AlN 之類(lèi)的陶瓷基板用作具有足夠銅層的精心設(shè)計(jì)的冷卻結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)時(shí)，即使對(duì)于具有高功率密度的有源器件（例如激光二極管）也可以提供出色的散熱性能。

熱冷卻結(jié)構(gòu)依賴(lài)于有效的粘合方法來(lái)連接銅對(duì)銅和銅對(duì)陶瓷層。將銅連接到陶瓷基板的兩種成熟的連接方法是 DBC 和 AMB 方法。DBC 是一種高溫工藝，通過(guò)該工藝純銅熔化并擴(kuò)散到陶瓷基板上。AMB 也是一種高溫工藝，將純銅釬焊到陶瓷基板上。許多復(fù)雜的冷卻結(jié)構(gòu)可能還需要大量薄銅層來(lái)增強(qiáng)熱量從熱源中的流動(dòng)，并且通常在極高的加工溫度下通過(guò)共晶熔體連接多個(gè)薄的預(yù)氧化銅層，例如+1083°C。