大功率半导体激光器散热方法的研究

半导体激光器是目前为止使用最多的光电子器件之一。随着技术的不断进步和器件量产化能力的提高, 现在能够应用到更多的领域中。半导体激光器是主要使用半导体材料作为工作物质一种的激光器,因为物质结构的不同,产生的激光也会不同。半导体激光器的特点就是体积小、寿命长,除了通信领域,现在也可以在雷达、测声、医疗中进行应用。

   大功率激光器由于单颗芯片出光功率大,单位面积产生的热量大,如果不做好散热技术,很容易发生芯片死亡,性能快速下降。

激光器散热方法分类

目前激光器主要的散热方法分为传统散热方法和新型散热方法,传统散热方法包括:风冷散热、半导体制冷散热、自然对流散热等,新型散热方法包括:倒装散热、微通道散热。

半导体激光器的散热结构及传热过程

图 1 是半导体激光器的散热结构图。

半导体激光器封装时的散热机构主要由激光芯片、 焊接层、热沉、金属层等组成。半导体激光器散热结构里面的焊接层主要是用焊接的方法把芯片和热沉连接在一起。高功率半导体激光器在进行使用的时候为了达到降低热阻的目的,经常在焊接的时候使用一些热导率比较高的材料, 比如金锡焊料。在整个封装过程进行的时候会出现很多层次,这些层次主要包括:芯片、焊料层、热沉、金属层,利用热沉和金属层的传热效果把激光芯片的热能传导出去, 最终使半导体激光器形成良好的散热,以延长激光器的使用寿命。

散热性能分析时需要注意的事项

高功率半导体激光器散热的性能主要由热阻和热通来进行评价,在评价的时候需要注意考虑限定温度下的热通量。如果在进行散热分析的时候发现两者之间温差比较大, 激光芯片表面就会出现结露现象,出现此问题后,除了影响光输出功率,还会影响对波长的锁定,甚至还会因为结露问题损坏电路的光电性能,最终影响可靠性。目前常见的降低热阻的方法就是使用热导率材料, 热导率材料的出现给激光器降低温度提供了更多的优化空间。

传统散热方法

自然对流热沉冷却散热方法

自然对流热沉冷却散热就是利用一些热导率高的材料把产生出来的热量带走,之后再通过自然对流的方式散发热量。科技人员在研究的时候还发现翅片也可以帮助散热, 并且在散热的时候能够使散热系统里面的传热率达到最大的数值。当温度相同的时候翅片间距就会随着翅片高度的增加而降低。在使用基板竖直放置热沉的时候需要适当增加高度,通过增加高度提高散热效果, 这样的散热方式在使用的时候会降低很多的成本。在实际工作的时候经常会使用铜或者氮化铝作为热沉, 但热沉的方式还不能完全满足高功率半导体激光器的散热需要。

半导体制冷散热(电制冷散热)方法

半导体制冷散热方法最主要特点就是体积小、可靠性强。半导体制冷散热方法经常会出现在高功率的半导体激光器中,因为加入了 TEC 制冷,封装的尺寸相应提高,封装的费用也相应上涨, 在使用的时候把半导体芯片的冷端和热沉连接在一起, 热端再通过对流的方式和 TEC 自身的热量散发出去,图 2 是 TEC 工作结构图。

通过调整 TEC 内部参数就可以提高 TEC 的控冷效果。科研人员在研究的时候发现具有最佳的传热面积比值能够让TEC 特性系数达到最大值。在研究的时候还发现传热面积的比值和 TEC 材料的特性还有交换面积都有非常大的关系。

大通道水冷散热方法

要想降低热沉的温度就需要在热沉中构建一个通道,要想达到降温的效果就需要在这个通道里面加入一定的水源,这样就不会耽误激光器的工作。针对这一点,科研人员在研究的时候发现, 扰流结构的散热效果会比传统的空腔结构好,但是通道里面也会出现压力增加的情况发生。研究发现,虽然大通道使用非常广泛, 但因为激光器输出功率不断提高,现在大通道水冷散热也已经不能满足高功率半导体激光器的散热需求。

新型散热方法

随着各领域对激光器的要求越来越高, 传统的散热方法已经不能满足现在的要求,需要研究更多新型的散热方式。目前出现的新型散热方式有以下几种。

倒装贴片方法

图 3 为倒装贴片图。倒装贴片封装仍采用 TEC 方式,传统的贴激光器芯片和热沉贴片方式采取芯片正面朝上, 背面冷却面和热沉通过焊料相连接, 但芯片有源区发热量主要是集中在上表面几个微米的区域发热, 上表面和下表面的一般有上百微米的距离,热量通过这么长距离的传导到热沉,再到TEC 制冷,散热效果有限。

通过对芯片的内部结构进行改进, 调整芯片表面结构和有源区发热层,研究采用芯片倒装贴片技术,使芯片的主要发热面通过焊接层后直接和热沉相接, 激光器散热可以提高20% 或者更高的散热效率;因为光芯片的性能和温度强相关,温度越高,波长漂移越厉害,光输出功率也会随之下降或者饱和,通过倒装贴装方式可以大幅度提高散热效果,芯片的光电输出更加稳定,整个激光器的性能也得到大幅度提高,最终性能需要达到国军标 GR-468-CORE 的性能要求, 部分指标见表 1 。

微通道散热方法

微通道散热主要有两种方式:根据通道大小定义的微通道;根据表面张力影响定义的微通道。图 4 是典型的微通道热沉冷却结构图。

科研人员在研究的时候用微通道做冷却装置做了一次实验,通过实验发现了微通道的散热特性,微通道热沉能够散热的原因就是有一定的高热通量。同时研究也发现了微通道会对散热效果更好。此外还有人在研究的时候发现微通道热沉不同的沟槽形状也会影响散热效果。经过无数人的研究发现余弦型通道的散热特征是所有形状中最好的。此外科研人员还发现微通道和玻璃微管道结合的冷却装置能够满足大功率半导体激光器的散热要求。

激光器在使用的时候会应用到微通道, 是因为微通道会比传统散热方式的散热效果更好, 能够满足现在高功率激光器的散热要求。但是微通道在使用的时候有一个缺点,就是经常会因为热形变冷却介质颗粒导致微通道堵塞, 影响散热效果,所以需要用纳米流体提高整个过程的换热性能。

喷雾冷却散热方法

喷雾冷却是通过压力的帮助, 把冷却液用雾化的方式喷到传热的表面,达到冷却的目的。喷雾冷却主要的特点就是传热系数大、冷却液流量低。科研人员发现用水当介质,使用实心圆锥喷嘴进行实验时, 微结构的表面能够增加热交换的效果。在研究的时候发现喷雾冷却的冷却性和喷雾流速有关。此外,科研人员还发现了一种喷雾相变冷却器,在实验时喷雾冷却装置中的喷嘴高度和散热效果也有非常密切的关系。

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