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市場(chǎng)研究

高功率半導(dǎo)體激光器散熱方法的研究

來(lái)源:福建中科光芯光電科技有限公司 李秋2020-10-10 我要評(píng)論(0 )   

【摘要】散熱管理是保障半導(dǎo)體激光器穩(wěn)定性的重要因素之一。本文通過(guò)分析半導(dǎo)體激光器的傳熱過(guò)程,歸納總結(jié)了高功率半導(dǎo)體激光器的散熱方法,希望能夠給以后從事高功率...

【摘要】散熱管理是保障半導(dǎo)體激光器穩(wěn)定性的重要因素之一。本文通過(guò)分析半導(dǎo)體激光器的傳熱過(guò)程,歸納總結(jié)了高功率半導(dǎo)體激光器的散熱方法,希望能夠給以后從事高功率半導(dǎo)體激光的研究人員提供一些幫助。

【關(guān)鍵詞】高功率半導(dǎo)體激光器;散熱


引言


半導(dǎo)體激光器最開始是從國(guó)外開始研究, 最早的技術(shù)源于美國(guó)、日本,主要用于軍事方面,后隨著技術(shù)迭代發(fā)展,開始應(yīng)用于民用市場(chǎng),應(yīng)用在光電、通信等行業(yè)中。隨著我國(guó)國(guó)防行業(yè)和光電制造行業(yè)的發(fā)展, 業(yè)界開始增加對(duì)高功率激光器的需求,人們也開始對(duì)高功率半導(dǎo)體激光器件進(jìn)行研究。在研究的時(shí)候發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的半導(dǎo)體激光器的出光質(zhì)量已經(jīng)不能滿足現(xiàn)在人們的需求,為了提高半導(dǎo)體激光器的輸出功率,人們開始不斷進(jìn)行改進(jìn)分析。在研究的時(shí)候發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體激光器在使用的時(shí)候會(huì)有一半的電能轉(zhuǎn)換成熱能, 如果半導(dǎo)體激光器本身散熱不好就會(huì)直接影響半導(dǎo)體激光器的壽命和使用情況,所以散熱問(wèn)題是現(xiàn)在研究人員迫切需解決的問(wèn)題之一。


半導(dǎo)體激光器概念


半導(dǎo)體激光器是目前為止使用最多的光電子器件之一。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和器件量產(chǎn)化能力的提高, 現(xiàn)在能夠應(yīng)用到更多的領(lǐng)域中。半導(dǎo)體激光器是主要使用半導(dǎo)體材料作為工作物質(zhì)一種的激光器,因?yàn)槲镔|(zhì)結(jié)構(gòu)的不同,產(chǎn)生的激光也會(huì)不同。半導(dǎo)體激光器的特點(diǎn)就是體積小、壽命長(zhǎng),除了通信領(lǐng)域,現(xiàn)在也可以在雷達(dá)、測(cè)聲、醫(yī)療中進(jìn)行應(yīng)用。


激光器散熱方法分類


目前激光器主要的散熱方法分為傳統(tǒng)散熱方法和新型散熱方法,傳統(tǒng)散熱方法包括:風(fēng)冷散熱、半導(dǎo)體制冷散熱、自然對(duì)流散熱等,新型散熱方法包括:倒裝散熱、微通道散熱。


半導(dǎo)體激光器的散熱結(jié)構(gòu)及傳熱過(guò)程


圖 1 是半導(dǎo)體激光器的散熱結(jié)構(gòu)圖。

半導(dǎo)體激光器封裝時(shí)的散熱機(jī)構(gòu)主要由激光芯片、 焊接層、熱沉、金屬層等組成。半導(dǎo)體激光器散熱結(jié)構(gòu)里面的焊接層主要是用焊接的方法把芯片和熱沉連接在一起。高功率半導(dǎo)體激光器在進(jìn)行使用的時(shí)候?yàn)榱诉_(dá)到降低熱阻的目的,經(jīng)常在焊接的時(shí)候使用一些熱導(dǎo)率比較高的材料, 比如金錫焊料。在整個(gè)封裝過(guò)程進(jìn)行的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)很多層次,這些層次主要包括:芯片、焊料層、熱沉、金屬層,利用熱沉和金屬層的傳熱效果把激光芯片的熱能傳導(dǎo)出去, 最終使半導(dǎo)體激光器形成良好的散熱,以延長(zhǎng)激光器的使用壽命。


散熱性能分析時(shí)需要注意的事項(xiàng)


高功率半導(dǎo)體激光器散熱的性能主要由熱阻和熱通來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià),在評(píng)價(jià)的時(shí)候需要注意考慮限定溫度下的熱通量。如果在進(jìn)行散熱分析的時(shí)候發(fā)現(xiàn)兩者之間溫差比較大, 激光芯片表面就會(huì)出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象,出現(xiàn)此問(wèn)題后,除了影響光輸出功率,還會(huì)影響對(duì)波長(zhǎng)的鎖定,甚至還會(huì)因?yàn)榻Y(jié)露問(wèn)題損壞電路的光電性能,最終影響可靠性。目前常見的降低熱阻的方法就是使用熱導(dǎo)率材料, 熱導(dǎo)率材料的出現(xiàn)給激光器降低溫度提供了更多的優(yōu)化空間。

傳統(tǒng)散熱方法


自然對(duì)流熱沉冷卻散熱方法


自然對(duì)流熱沉冷卻散熱就是利用一些熱導(dǎo)率高的材料把產(chǎn)生出來(lái)的熱量帶走,之后再通過(guò)自然對(duì)流的方式散發(fā)熱量??萍既藛T在研究的時(shí)候還發(fā)現(xiàn)翅片也可以幫助散熱, 并且在散熱的時(shí)候能夠使散熱系統(tǒng)里面的傳熱率達(dá)到最大的數(shù)值。當(dāng)溫度相同的時(shí)候翅片間距就會(huì)隨著翅片高度的增加而降低。在使用基板豎直放置熱沉的時(shí)候需要適當(dāng)增加高度,通過(guò)增加高度提高散熱效果, 這樣的散熱方式在使用的時(shí)候會(huì)降低很多的成本。在實(shí)際工作的時(shí)候經(jīng)常會(huì)使用銅或者氮化鋁作為熱沉, 但熱沉的方式還不能完全滿足高功率半導(dǎo)體激光器的散熱需要。


半導(dǎo)體制冷散熱(電制冷散熱)方法


半導(dǎo)體制冷散熱方法最主要特點(diǎn)就是體積小、可靠性強(qiáng)。半導(dǎo)體制冷散熱方法經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)在高功率的半導(dǎo)體激光器中,因?yàn)榧尤肓?TEC 制冷,封裝的尺寸相應(yīng)提高,封裝的費(fèi)用也相應(yīng)上漲, 在使用的時(shí)候把半導(dǎo)體芯片的冷端和熱沉連接在一起, 熱端再通過(guò)對(duì)流的方式和 TEC 自身的熱量散發(fā)出去,圖 2 是 TEC 工作結(jié)構(gòu)圖。



通過(guò)調(diào)整 TEC 內(nèi)部參數(shù)就可以提高 TEC 的控冷效果。科研人員在研究的時(shí)候發(fā)現(xiàn)具有最佳的傳熱面積比值能夠讓TEC 特性系數(shù)達(dá)到最大值。在研究的時(shí)候還發(fā)現(xiàn)傳熱面積的比值和 TEC 材料的特性還有交換面積都有非常大的關(guān)系。


大通道水冷散熱方法


要想降低熱沉的溫度就需要在熱沉中構(gòu)建一個(gè)通道,要想達(dá)到降溫的效果就需要在這個(gè)通道里面加入一定的水源,這樣就不會(huì)耽誤激光器的工作。針對(duì)這一點(diǎn),科研人員在研究的時(shí)候發(fā)現(xiàn), 擾流結(jié)構(gòu)的散熱效果會(huì)比傳統(tǒng)的空腔結(jié)構(gòu)好,但是通道里面也會(huì)出現(xiàn)壓力增加的情況發(fā)生。研究發(fā)現(xiàn),雖然大通道使用非常廣泛, 但因?yàn)榧す馄鬏敵龉β什粩嗵岣?,現(xiàn)在大通道水冷散熱也已經(jīng)不能滿足高功率半導(dǎo)體激光器的散熱需求。


新型散熱方法


隨著各領(lǐng)域?qū)す馄鞯囊笤絹?lái)越高, 傳統(tǒng)的散熱方法已經(jīng)不能滿足現(xiàn)在的要求,需要研究更多新型的散熱方式。目前出現(xiàn)的新型散熱方式有以下幾種。


倒裝貼片方法


圖 3 為倒裝貼片圖。倒裝貼片封裝仍采用 TEC 方式,傳統(tǒng)的貼激光器芯片和熱沉貼片方式采取芯片正面朝上, 背面冷卻面和熱沉通過(guò)焊料相連接, 但芯片有源區(qū)發(fā)熱量主要是集中在上表面幾個(gè)微米的區(qū)域發(fā)熱, 上表面和下表面的一般有上百微米的距離,熱量通過(guò)這么長(zhǎng)距離的傳導(dǎo)到熱沉,再到TEC 制冷,散熱效果有限。

通過(guò)對(duì)芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn), 調(diào)整芯片表面結(jié)構(gòu)和有源區(qū)發(fā)熱層,研究采用芯片倒裝貼片技術(shù),使芯片的主要發(fā)熱面通過(guò)焊接層后直接和熱沉相接, 激光器散熱可以提高20% 或者更高的散熱效率;因?yàn)楣庑酒男阅芎蜏囟葟?qiáng)相關(guān),溫度越高,波長(zhǎng)漂移越厲害,光輸出功率也會(huì)隨之下降或者飽和,通過(guò)倒裝貼裝方式可以大幅度提高散熱效果,芯片的光電輸出更加穩(wěn)定,整個(gè)激光器的性能也得到大幅度提高,最終性能需要達(dá)到國(guó)軍標(biāo) GR-468-CORE 的性能要求, 部分指標(biāo)見表 1 。



微通道散熱方法


微通道散熱主要有兩種方式:① 根據(jù)通道大小定義的微通道;② 根據(jù)表面張力影響定義的微通道。圖 4 是典型的微通道熱沉冷卻結(jié)構(gòu)圖。


科研人員在研究的時(shí)候用微通道做冷卻裝置做了一次實(shí)驗(yàn),通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了微通道的散熱特性,微通道熱沉能夠散熱的原因就是有一定的高熱通量。同時(shí)研究也發(fā)現(xiàn)了微通道會(huì)對(duì)散熱效果更好。此外還有人在研究的時(shí)候發(fā)現(xiàn)微通道熱沉不同的溝槽形狀也會(huì)影響散熱效果。經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)人的研究發(fā)現(xiàn)余弦型通道的散熱特征是所有形狀中最好的。此外科研人員還發(fā)現(xiàn)微通道和玻璃微管道結(jié)合的冷卻裝置能夠滿足大功率半導(dǎo)體激光器的散熱要求。


激光器在使用的時(shí)候會(huì)應(yīng)用到微通道, 是因?yàn)槲⑼ǖ罆?huì)比傳統(tǒng)散熱方式的散熱效果更好, 能夠滿足現(xiàn)在高功率激光器的散熱要求。但是微通道在使用的時(shí)候有一個(gè)缺點(diǎn),就是經(jīng)常會(huì)因?yàn)闊嵝巫兝鋮s介質(zhì)顆粒導(dǎo)致微通道堵塞, 影響散熱效果,所以需要用納米流體提高整個(gè)過(guò)程的換熱性能。


噴霧冷卻散熱方法


噴霧冷卻是通過(guò)壓力的幫助, 把冷卻液用霧化的方式噴到傳熱的表面,達(dá)到冷卻的目的。噴霧冷卻主要的特點(diǎn)就是傳熱系數(shù)大、冷卻液流量低??蒲腥藛T發(fā)現(xiàn)用水當(dāng)介質(zhì),使用實(shí)心圓錐噴嘴進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí), 微結(jié)構(gòu)的表面能夠增加熱交換的效果。在研究的時(shí)候發(fā)現(xiàn)噴霧冷卻的冷卻性和噴霧流速有關(guān)。此外,科研人員還發(fā)現(xiàn)了一種噴霧相變冷卻器,在實(shí)驗(yàn)時(shí)噴霧冷卻裝置中的噴嘴高度和散熱效果也有非常密切的關(guān)系。


結(jié)束語(yǔ)

總而言之, 提高散熱效果的最關(guān)鍵兩個(gè)因素就是降低散熱系統(tǒng)的熱阻和提高熱通量。在降低熱阻的時(shí)候可以使用熱導(dǎo)率高的材料進(jìn)行降低;在提高熱通量的時(shí)候可以通過(guò)提高散熱終端傳熱系數(shù)的方式來(lái)進(jìn)行幫助。隨著對(duì)高功率激光器性能指標(biāo)的要求越來(lái)越高, 現(xiàn)在很多方式已經(jīng)不能滿足應(yīng)用需求,需要更多研究學(xué)者通過(guò)不斷的努力進(jìn)行研究,這樣才能找到更多適合高功率半導(dǎo)體激光器的散熱方法。

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