第二屆未來半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新大會(huì)
面對(duì)未來產(chǎn)業(yè)高性能芯片熱管理的迫切需求，4月16-17日，寧波啟明產(chǎn)鏈聯(lián)合國(guó)家第三代半創(chuàng)新中心（蘇州）、蘇州晶和半導(dǎo)體科技有限公司，在蘇州，舉辦第二屆未來半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新大會(huì)，將設(shè)置（超）寬禁帶半導(dǎo)體材料與器件創(chuàng)新論壇、 金剛石/碳化硅熱管理與微通道散熱論壇。
金剛石/碳化硅熱管理與微通道散熱論壇，將針對(duì)性探討微通道散熱及封裝關(guān)鍵工藝、微通道加工工藝、金剛石及碳化硅熱管理材料與案例、先進(jìn)鍵合技術(shù)、襯底/晶圓加工、界面熱阻等關(guān)鍵話題，歡迎大家參與交流與討論。
在工業(yè)加工、醫(yī)療診療、前沿科研等領(lǐng)域，高功率固體激光器憑借卓越的光束質(zhì)量和穩(wěn)定性占據(jù)核心地位。然而，隨著輸出功率持續(xù)攀升，增益介質(zhì)內(nèi)的量子虧損、非輻射躍遷等會(huì)產(chǎn)生大量熱量，引發(fā)熱透鏡、熱雙折射等效應(yīng)，輕則導(dǎo)致光束質(zhì)量退化，重則造成晶體開裂、鍍膜失效，成為限制功率提升的 “致命瓶頸”。如何在緊湊結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定光路的約束下，高效管理高熱流密度，成為激光器技術(shù)升級(jí)的核心命題。
近期，由中國(guó)科學(xué)院微電子研究所聯(lián)合西安交通大學(xué)團(tuán)隊(duì)發(fā)表綜述《高功率固體激光器散熱技術(shù)綜述》，系統(tǒng)梳理了散熱技術(shù)的發(fā)展脈絡(luò)，提出 “內(nèi)部導(dǎo)熱 - 界面?zhèn)鳠?- 末端冷卻” 三階段熱管理框架。同時(shí)，按百瓦級(jí)、 千瓦級(jí)、 十千瓦級(jí)及更高功率段梳理典型散熱組合(熱擴(kuò)散層/封裝界面/冷卻結(jié)構(gòu)) 及其工程邊界, 并在金屬基與碳基熱擴(kuò)散、 低界面熱阻連接與高熱流冷卻 (宏通道液冷、 微通道/射流強(qiáng)化液冷與可控兩相液冷) 三個(gè)層面總結(jié)能力差距與極限，為高功率激光器的散熱設(shè)計(jì)提供了清晰指引。
熱效應(yīng)：高功率激光器的 “隱形枷鎖”
固體激光器工作時(shí)，輸入的泵浦功率無法完全轉(zhuǎn)化為激光能量，未轉(zhuǎn)化部分會(huì)以熱能形式積聚在增益介質(zhì)中。其中，量子虧損是最根本的熱源 —— 泵浦光子能量高于激光光子能量，二者的差值會(huì)通過非輻射方式轉(zhuǎn)化為晶格熱能。此外，晶體摻雜離子相互作用、光路散射損耗、鍍膜殘余吸收等，會(huì)進(jìn)一步加重?zé)岱e聚，形成局部熱點(diǎn)。這些熱量若不能及時(shí)導(dǎo)出，會(huì)引發(fā)一系列連鎖反應(yīng)：晶體內(nèi)形成非均勻溫度場(chǎng)，導(dǎo)致折射率變化和幾何形變，產(chǎn)生 “熱透鏡效應(yīng)”，使光束聚焦能力失真；過大的溫度梯度會(huì)引發(fā)熱應(yīng)力集中，輕則導(dǎo)致腔模畸變、輸出功率波動(dòng)，重則直接造成晶體開裂，讓昂貴的激光器徹底失效。因此，散熱系統(tǒng)的性能直接決定了激光器的功率上限和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。評(píng)價(jià)散熱方案的優(yōu)劣，需兼顧三大核心指標(biāo)：熱學(xué)效率（以熱阻、等效熱導(dǎo)率為核心）、光學(xué)性能（以最大穩(wěn)定輸出功率、光束質(zhì)量 M2 因子為核心）、封裝可靠性（以熱應(yīng)力水平、熱循環(huán)壽命為核心），三者缺一不可。內(nèi)部導(dǎo)熱 - 界面?zhèn)鳠?- 末端冷卻三階段熱管理
高功率固體激光器的散熱過程，本質(zhì)是一條串聯(lián)耦合的熱流通道，可劃分為三個(gè)相互關(guān)聯(lián)的階段。隨著功率提升，系統(tǒng)的主導(dǎo)瓶頸會(huì)在三個(gè)階段間動(dòng)態(tài)遷移，形成獨(dú)特的 “功率 - 瓶頸” 對(duì)應(yīng)關(guān)系。內(nèi)部導(dǎo)熱階段：作為熱流起點(diǎn)，負(fù)責(zé)將增益介質(zhì)內(nèi)的局部高熱流快速擴(kuò)散至更大面積，降低峰值熱流密度，為后續(xù)散熱創(chuàng)造穩(wěn)定條件，核心是 “攤平熱量”。界面?zhèn)鳠犭A段：連接內(nèi)部導(dǎo)熱層與末端冷卻結(jié)構(gòu)，核心是降低不同材料間的熱阻，確保熱量跨介質(zhì)高效傳遞，避免 “熱阻隔”。末端冷卻階段：最終將熱量排出系統(tǒng)，核心是 “快速排熱”，其換熱能力直接決定系統(tǒng)的散熱極限。百瓦級(jí)（10~100W）：末端冷卻能力是核心限制。此階段熱流密度適中，多采用強(qiáng)迫風(fēng)冷或小型液冷，內(nèi)部導(dǎo)熱僅需基礎(chǔ)金屬熱沉，界面用簡(jiǎn)單導(dǎo)熱膠即可滿足需求，但氣體對(duì)流的換熱上限決定了功率難以進(jìn)一步提升。千瓦級(jí)（0.1~10kW）：界面熱阻成為關(guān)鍵瓶頸。宏通道液冷的普及大幅提升了末端冷卻能力，但晶體與熱沉、熱沉與冷板間的界面熱阻會(huì)顯著放大溫升，此時(shí)需采用低熱阻的金屬焊料或燒結(jié)連接方案。十千瓦級(jí)及以上（>10kW）：系統(tǒng)協(xié)同約束凸顯。末端冷卻需升級(jí)為微通道、射流或兩相冷卻，內(nèi)部導(dǎo)熱依賴高熱擴(kuò)散材料，界面需具備可檢測(cè)、可更換特性，污染維護(hù)、流動(dòng)穩(wěn)定性等系統(tǒng)問題成為主要挑戰(zhàn)。關(guān)鍵技術(shù)突破：各階段方案演進(jìn)與對(duì)比
1. 內(nèi)部導(dǎo)熱：從金屬基到碳基的材料革命內(nèi)部導(dǎo)熱的核心是在 “高導(dǎo)熱”“熱脹冷縮匹配”“可制造性” 之間尋找平衡，目前形成了兩大技術(shù)路線：金屬基導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)：以銅、鋁為基礎(chǔ)，逐步發(fā)展為 W-Cu、Mo-Cu 等復(fù)合材料。這類材料工藝成熟、成本可控，通過引入低膨脹金屬骨架，在導(dǎo)熱能力與熱脹匹配度之間實(shí)現(xiàn)折中。例如，W-Cu 功能梯度材料通過成分漸變?cè)O(shè)計(jì)，可顯著降低界面應(yīng)力集中，在 3~9kW 多薄片激光器中廣泛應(yīng)用。碳基導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)：以金剛石為代表的超高導(dǎo)熱材料，室溫?zé)釋?dǎo)率可達(dá) 1500~2200 W?m?1?K?1，是銅的 3~5 倍。將 Nd∶YAG 增益介質(zhì)直接鍵合至金剛石基底，可使晶體溫差降低 30%；采用金剛石帽蓋策略，能讓端面溫升降低 20%、熱應(yīng)力峰值減小 15%，成為十千瓦級(jí)激光器的核心選擇。不同材料的性能差異顯著：銅 / 鋁適合百瓦級(jí)到低千瓦級(jí)，金屬基復(fù)合材料適配千瓦級(jí)主承載，而金剛石碳基材料則為更高功率段提供了關(guān)鍵的熱擴(kuò)散冗余。2. 界面?zhèn)鳠幔旱蜔嶙枧c長(zhǎng)壽命的雙重追求界面熱阻的形成源于材料表面粗糙度、間隙氣體和界面缺陷，其影響會(huì)隨功率提升呈指數(shù)級(jí)放大。在 5kW 熱負(fù)荷下，聚合物導(dǎo)熱界面的溫升可達(dá) 250K，而金屬焊料界面僅需 25K，差距高達(dá)一個(gè)數(shù)量級(jí)。金屬焊料 / 燒結(jié)金屬：界面熱阻僅 0.5~5 K?mm2/W，是關(guān)鍵熱通路的首選。納米銀燒結(jié)技術(shù)可使界面熱阻比傳統(tǒng)焊膏降低 59% 以上，且熱循環(huán)可靠性更優(yōu)，適用于高熱流密度場(chǎng)景。聚合物基導(dǎo)熱材料：熱阻 10~100 K?mm2/W，工藝窗口寬、柔順性好，適合裝配補(bǔ)償或次級(jí)界面，但無法承擔(dān)千瓦級(jí)以上主熱通路。碳基復(fù)合導(dǎo)熱材料：兼顧低熱阻（4~20 K?mm2/W）與柔順性，通過垂直取向石墨烯等結(jié)構(gòu)優(yōu)化，可在低裝配壓力下實(shí)現(xiàn)高效傳熱，是近年的研發(fā)熱點(diǎn)。界面設(shè)計(jì)的核心趨勢(shì)是 “減少層級(jí)、優(yōu)化工藝”，例如將晶體直接鍵合至金剛石基底，可避免多層界面的熱阻疊加，同時(shí)通過控制焊料厚度、降低孔洞率，提升長(zhǎng)期穩(wěn)定性。界面?zhèn)鳠犭A段通過材料、 工藝與結(jié)構(gòu)的協(xié)同能對(duì)固體激光器整體熱管理起到放大或削弱作用。 在內(nèi)部導(dǎo)熱能力與末端冷卻能力基本確定的條件下, 優(yōu)良的界面設(shè)計(jì)可顯著降低溫升與溫度梯度支撐更高的可用功率與更穩(wěn)定光束質(zhì)量; 反之, 即便采用金剛石熱沉或高性能液冷結(jié)構(gòu), 過大的界面熱阻仍會(huì)使整體散熱性能受限。3. 末端冷卻：從風(fēng)冷到兩相冷卻的換熱升級(jí)，從單一冷卻到系統(tǒng)協(xié)同末端冷卻的演進(jìn)直接對(duì)應(yīng)激光器功率的提升，形成了清晰的技術(shù)階梯：1990-2005 年：以風(fēng)冷和常規(guī)金屬熱沉為主，支撐百瓦級(jí)輸出，核心目標(biāo)是控制總體熱阻。氣體散熱：熱流密度承載能力 1~50 W/cm2，適用于百瓦級(jí)以下低功率系統(tǒng)。通過 SiC 包層配合翅片優(yōu)化，可實(shí)現(xiàn) 83W 連續(xù)輸出，具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)便利的優(yōu)勢(shì)，至今仍是便攜式激光器的首選。2005-2015 年：宏通道液冷技術(shù)成熟，實(shí)現(xiàn)千瓦級(jí)工程化應(yīng)用，界面熱阻優(yōu)化成為研發(fā)重點(diǎn)。宏通道液冷：熱流密度 10~100 W/cm2，是千瓦級(jí)激光器的工程化主力。采用毫米級(jí)流道和去離子水介質(zhì)，已實(shí)現(xiàn) 3~9kW 連續(xù)輸出，但其換熱能力受限于流道尺度，難以滿足更高熱流需求。2015 年至今：微通道、射流、兩相冷卻逐步普及，聚焦十千瓦級(jí)及以上系統(tǒng)，強(qiáng)調(diào)材料、界面、冷卻結(jié)構(gòu)的協(xié)同優(yōu)化。微通道液冷：熱流密度 50~150 W/cm2，通過幾十至幾百微米的狹窄流道增加換熱面積，可有效壓低晶體溫差。配合波紋流道、金屬泡沫填充等優(yōu)化，能在 150 W/cm2 熱流密度下維持穩(wěn)定運(yùn)行，是緊湊化高功率激光器的核心方案。兩相 / 射流冷卻：熱流密度 200~1000 W/cm2，代表散熱技術(shù)的最高水平。利用冷卻介質(zhì)相變潛熱或高速射流沖擊，可應(yīng)對(duì)極端熱流場(chǎng)景，例如金剛石微通道配合多孔銅層，能實(shí)現(xiàn)近 kW/cm2 的散熱能力，但需解決流動(dòng)不穩(wěn)定、霧滴污染等工程問題。這種演進(jìn)背后，是 “功率需求” 與 “技術(shù)突破” 的相互驅(qū)動(dòng)：每一次功率提升都會(huì)暴露新的瓶頸，而材料、工藝的進(jìn)步則為突破瓶頸提供可能，最終形成 “功率升級(jí) - 瓶頸遷移 - 技術(shù)創(chuàng)新” 的良性循環(huán)。未來方向：三階段協(xié)同打造十千瓦級(jí)散熱體系
面向 10~100kW 級(jí)高功率固體激光器的發(fā)展需求，單一環(huán)節(jié)的技術(shù)優(yōu)化已難以為繼，三階段協(xié)同的分級(jí)散熱架構(gòu)成為必然選擇：內(nèi)部導(dǎo)熱階段：采用 AlSiC、金剛石復(fù)合或梯度擴(kuò)散層，配合泵浦均勻化設(shè)計(jì)，進(jìn)一步降低峰值熱流密度，為末端冷卻創(chuàng)造寬松條件。界面?zhèn)鳠犭A段：推廣薄層焊接和燒結(jié)金屬連接，引入梯度緩沖層緩解熱循環(huán)應(yīng)力，確保長(zhǎng)期低熱阻穩(wěn)定。末端冷卻階段：采用 “宏通道 + 局部強(qiáng)化” 組合，宏通道處理底座整體熱負(fù)荷，微通道、射流或兩相冷卻針對(duì)性解決局部熱點(diǎn)，同時(shí)通過過濾系統(tǒng)、水質(zhì)控制、在線監(jiān)測(cè)保障長(zhǎng)期運(yùn)行可靠性。此外，金剛石等碳基材料的工程化應(yīng)用、界面熱阻的長(zhǎng)期穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)、冷卻系統(tǒng)的集成化設(shè)計(jì)，將成為未來研發(fā)的核心方向。
高功率固體激光器的散熱技術(shù)，已從單一冷卻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，邁入材料、界面、冷卻系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計(jì)的新階段。三階段熱管理框架清晰揭示了不同功率段的核心矛盾，而功率 - 年代演進(jìn)規(guī)律則為技術(shù)選型提供了明確指引。隨著碳基導(dǎo)熱材料的普及、低熱阻界面工藝的成熟、強(qiáng)化冷卻技術(shù)的工程化落地，十千瓦級(jí)乃至更高功率的固體激光器將逐步走向?qū)嵱茫瑸楦黝I(lǐng)域的技術(shù)革新注入新的動(dòng)力。散熱技術(shù)的突破，不僅是激光器功率提升的 “鑰匙”，更是推動(dòng)激光應(yīng)用邊界持續(xù)拓展的核心支撐。 07
活動(dòng)推薦：第二屆未來半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新論壇
面對(duì)未來產(chǎn)業(yè)高性能芯片熱管理的迫切需求，4月16-17日，寧波啟明產(chǎn)鏈聯(lián)合國(guó)家第三代半創(chuàng)新中心（蘇州）、蘇州晶和半導(dǎo)體科技有限公司，在蘇州，舉辦第二屆未來半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新大會(huì)。論壇將以金剛石、碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）、氧化鎵（Ga2O3）等（超）寬禁帶半導(dǎo)體材料為核心，緊扣“材料-器件-工藝-裝備”與“異質(zhì)集成-熱管理-封裝應(yīng)用”兩大鏈條，聚焦半導(dǎo)體材料生長(zhǎng)、高導(dǎo)熱基底、異質(zhì)集成、先進(jìn)封裝、微通道散熱、微納加工等關(guān)鍵領(lǐng)域，探討下一代芯片材料與電子器件散熱趨勢(shì)，旨在搭建產(chǎn)學(xué)研協(xié)同平臺(tái)，助力半導(dǎo)體綠色計(jì)算新生態(tài)構(gòu)建。
大會(huì)特別設(shè)置金剛石/碳化硅熱管理與微通道散熱主題論壇，將針對(duì)性探討微通道散熱及封裝關(guān)鍵工藝、微通道加工工藝、金剛石及碳化硅熱管理材料與案例、先進(jìn)鍵合技術(shù)、襯底/晶圓加工、界面熱阻等關(guān)鍵話題。
金剛石/碳化硅熱管理與微通道散熱主題論壇，特邀北大王瑋教授、西安交大胡文波教授、廈門大學(xué)馬盛林教授、國(guó)家第三代半創(chuàng)新中心（蘇州）梁劍波教授、甬江實(shí)驗(yàn)室萬青研究員、張瓦利研究員、哈工大王晨曦教授、中科院寧波材料所江南研究員、哈工大武高輝教授、華中科技大學(xué)辛國(guó)慶教授、元素六亞洲戰(zhàn)略業(yè)務(wù)總監(jiān)秦景霞、中南大學(xué)魏秋平教授、中電科五十五所郭懷新研究員、武漢大學(xué)袁超研究員、乾元實(shí)驗(yàn)室楊家樂副研究員、西南科技大學(xué)劉輝強(qiáng)副教授、武漢大學(xué)沈威副教授、蘇州清煜半導(dǎo)體科技有限公司技術(shù)等共同參與，分享主題報(bào)告。
