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高功率半導體激光器散熱

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發表時間:2021-07-20 16:57

        散熱管理是保障半導體激光器穩定性的重要因素之一。本文通過分析半導體激光的傳熱過程,總結了高功率半導體激光的散熱方法,希望對今后從事高功率半導體激光的研究者有所幫助。
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激光器散熱方法分類
目前激光的主要散熱方法分為傳統散熱方法和新散熱方法,傳統散熱方法包括風冷散熱、半導體制冷散熱、自然對流散熱等,新散熱方法包括倒裝散熱、微通道散熱。
半導體激光的散熱結構和傳熱過程。


微信圖片_20210721143411.png



       半導體激光封裝時的散熱機構主要由激光芯片、焊層、熱沉、金屬層等構成。半導體激光結構中的焊接層主要用焊接方法連接芯片和熱沉。高功率半導體激光在使用時,為了達到降低熱阻的目的,經常使用焊接時導熱率高的材料,如金錫焊接。在整個包裝過程中,會出現很多層次。這些層次主要包括芯片、焊接層、熱沉、金屬層,利用熱沉和金屬層的傳熱效果傳導激光芯片的熱能,最終使半導體激光形成良好的散熱,延長激光的壽命。
散熱性能分析時應注意的事項。



       高功率半導體激光散熱的性能主要由熱阻和熱通來評價,評價時需要考慮限定溫度下的熱通量。在進行散熱分析時,如果發現兩者之間的溫差很大,激光芯片的表面就會結露,這個問題發生后,不僅會影響光的輸出,還會影響波長的鎖定,結露問題會損害電路的光電性能,最終會影響可靠性。目前常見的降熱阻的方法是使用導熱材料,導熱材料的出現為激光降溫提供了更多的優化空間。




傳統的散熱方法

自然對流熱沉降散熱方法
         自然對流熱沉降散熱是利用導熱率高的材料取出產生的熱量,然后通過自然對流散熱??茖W技術人員在研究時發現翅片也有助于散熱,散熱時散熱系統中的傳熱率可以達到**值。溫度相同時,翅片的間隔隨著翅片高度的增加而下降。使用基板垂直放置熱沉時,需要適當增加高度,通過增加高度提高散熱效果,這種散熱方式在使用時會降低很多成本。在實際工作中,銅或氮化鋁經常被用作熱沉,但熱沉的方法不能完全滿足高功率半導體激光的散熱需求。


半導體冷凍散熱(電冷凍散熱)方法
半導體冷卻散熱方法的主要特點是體積小,可靠性強。半導體制冷散熱方法經常會出現在高功率的半導體激光器中,因為加入了 TEC 制冷,封裝的尺寸相應提高,封裝的費用也相應上漲, 在使用的時候把半導體芯片的冷端和熱沉連接在一起, 熱端再通過對流的方式和 TEC 自身的熱量散發出去,圖 2 是 TEC 工作結構圖。
照片。


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         通過調整TEC內部參數,可以提高TEC的控制冷卻效果??蒲腥藛T發現,**傳熱面積比值可以使TEC的特性系數達到**值。研究發現傳熱面積的比例與TEC材料的特性和交換面積有很大關系。



大通道水冷板散熱方法
為了降低熱沉的溫度,需要在熱沉中構筑通道,為了達到降溫的效果,需要在該通道中加入一定的水源,激光的工作不會延遲。在這方面,科研人員在研究過程中發現,流結構的散熱效果比傳統的空腔結構好,但通道中壓力也會增加。研究表明,雖然大通道被廣泛使用,但由于激光輸出功率的不斷提高,大通道的水冷散熱不能滿足高功率半導體激光的散熱需求。



新的散熱方法
隨著各個領域對激光的要求越來越高,傳統的散熱方法已經不能滿足當前的要求,需要研究更多新型的散熱方法。目前出現的新型散熱方式如下。
倒裝補丁的方法。


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           倒裝貼片封裝仍采用TEC方式,傳統的貼片激光貼片和熱沉貼片方式采用貼片正面朝上,背面冷卻面和熱沉通過焊料連接,但貼片有源區的發熱量主要集中在上表面的幾個微米區域發熱,上表面和下表面一般有幾百微米的距離,熱量通過這么長的距離傳導到熱沉,TEC制冷,散熱效果有限。
照片。


          通過改進芯片的內部結構,調整芯片的表面結構和有源區域的發熱層,研究采用芯片倒裝芯片的技術,使芯片的主要發熱面通過焊接層直接與熱沉連接,激光散熱可以提高20%或更高的散熱效率,由于光芯片的性能和溫度強相關,溫度越高,波長的漂移越嚴重,光輸出功率也隨之下降或飽和,通過倒裝芯片的方式可以大幅提高散熱效果,芯片的光輸出更加穩定
照片。


微通道的散熱方法
微通道散熱主要有①根據通道大小定義的微通道②根據表面張力定義的微通道。圖4是典型的微通道熱冷卻結構圖。


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       科學研究人員在研究時用微通道制作冷卻裝置進行實驗,通過實驗發現微通道的散熱特性,微通道的熱沉能夠散熱的原因是有一定的高熱通量。同時研究發現,微通道對散熱效果更好。另外,研究中發現微通道熱沉不同的槽形狀也會影響散熱效果。經過無數人的研究發現,馀弦型通道的散熱特征是所有形狀中**的。此外,科學研究人員還發現,微通道和玻璃微管道相結合的冷卻裝置可以滿足大功率半導體激光的散熱要求。



          激光器在使用時應用于微通道,是因為微通道比傳統散熱方式散熱效果好,能夠滿足當前高功率激光器的散熱要求。但是,使用微通道時,由于熱變冷介質粒子,微通道堵塞,影響散熱效果,因此需要用納米流體提高整個過程的熱交換性能。
噴霧冷卻散熱方法。

                               

激光鏟齒微通道散熱

         噴霧冷卻是通過壓力的幫助, 把冷卻液用霧化的方式噴到傳熱的表面,達到冷卻的目的。噴霧冷卻主要的特點就是傳熱系數大、冷卻液流量低??茖W研究人員發現,用水作為介質,使用實心圓錐噴嘴進行實驗時,微結構的表面可以增加熱交換的效果。研究發現,噴霧冷卻的冷卻性與噴霧流速有關。另外,科學研究人員還發現了噴霧相變冷器,實驗時噴霧冷卻裝置的噴嘴高度和散熱效果也有非常密切的關系。
       


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