Neben dem herkömmlichen Wärmesenken bei der Verpackung von mikroelektronischen Düsen entstehen für Kupfer / Wolfram (WCu) Metall-Matrix-Verbundwerkstoffe (MMCs) anspruchsvolle Anwendungen als Halterungen und Submounts für Halbleiterlaserdioden. Derzeit sind die meisten Halbleiter-Laserdioden auf einem Mount oder Submount aus WCu montiert. Die verbesserte thermische Ausdehnungsabstimmung zwischen dem Kühlkörper und der Düse, verbunden mit dem aktuellen Trend der zunehmenden Düsengröße und der Leistungsdissipationsanforderungen, hat WCu zum Material der Wahl für die Verpackung von Laserdioden gemacht. Dies gilt insbesondere für Dosen größer als 1000 μm in beliebiger Richtung. Kupfer / Wolfram liefert die notwendige Wärmeableitung und gute Wärmeausdehnung. Einige Laserdioden werden direkt auf sauerstofffreiem hochreinem Kupfer, auf einem Beryllia- oder Aluminiumnitrid-Keramiksubstrat oder sogar auf einem Diamantsubstrat montiert.

Die Mehrzahl der für Halbleiterlängen im Bereich von 800 bis 1550 nm hergestellten Leistungshalbleiter-Laserdioden profitierten von der verbesserten Leistung der neuen WCu-Kühlkörperbasen. Zu den Anwendungen gehören unter anderem medizinische, wissenschaftliche und faseroptische Kommunikationsnetze.

Kupfer-Wolfram-Montierungen ändern Konventionen

Herkömmliche Kupfer-Wolfram-Kühlkörperbasen liefern eine Wärmeleitfähigkeit zwischen 170 und 220 W / mK und einen reduzierten Wärmeausdehnungskoeffizienten, der den Halbleiterchips für die Diodenherstellung (5,6-9,0 ppm / ° C) entspricht. Laser-Düsen werden typischerweise auf Galliumarsenid (GaAs) -Substraten unter Verwendung von Verfahren wie Molekularstrahl-Epitaxie oder metallorganischer chemischer Dampfabscheidung aufgebaut. Die endgültige chemische Zusammensetzung kann Indiumgalliumarsenid (InGaAs), Indiumaluminiumgalliumarsenid (InAlGaAs), Aluminiumgalliumarsenid (AlGaAs), Indiumgalliumarsenidphosphid (InGaAsP) oder Indiumgalliumphosphid (InGaP) umfassen. In jüngster Zeit wurden Indium-Galliumnitrid- (InGaN) -Laser auf einem Saphirsubstrat unter Verwendung einer Schicht aus epitaktisch seitlich übergewachsenem GaN hergestellt, um die Gitterenergie zwischen dem Saphir und dem Halbleiter anzupassen.

Verschiedene Wolfram Kupferhalterungen wurden nach der Finite-Limit-Value-Lösung entwickelt. Die Leistung wurde mit 160-W / mK WCu-Material als Grundlinie und hochreines Kupfer (Wärmeleitfähigkeit = 398 W / mK) für Top-End-Performance verglichen. Basierend auf der thermischen Widerstandsreduktion wurde eine Verbesserung von 19,1% für das 200-W / mK-Material erhalten. Das funktional abgestufte 320-W / mK-Material war etwa 47,54% besser, wobei das Top-End-Material eine Verbesserung von 56,88% gegenüber dem Standard lieferte. Entsprechende Verringerung der Sperrschichttemperatur ist ebenfalls dargestellt.

Technische Entwicklungen mit funktional abgestuften Materialien (FGMs) drücken die Leistungshülle von Kupfer / Wolfram auf Wärmeleitfähigkeit um 320 W / mK. Dieses Leistungsniveau ist vergleichbar mit der thermischen Leistung von Kupfer. Diese thermischen Managementlösungen werden mit gängigen, leicht zugänglichen Materialien wie Kupfer und Wolfram verfolgt.

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