高功率半導體激光器散熱方法的研究

 行業新聞    |      2020/10/15 10:48:03

摘要】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器的傳熱過程,歸納總結了高功率半導體激光器的散熱方法,希望能夠給以后從事高功率半導體激光的研究人員提供一些幫助。

【關鍵詞】高功率半導體激光器;散熱

引言

半導體激光器最開始是從國外開始研究, 最早的技術源于美國、日本,主要用于軍事方面,后隨著技術迭代發展,開始應用于民用市場,應用在光電、通信等行業中。隨著我國國防行業和光電制造行業的發展, 業界開始增加對高功率激光器的需求,人們也開始對高功率半導體激光器件進行研究。在研究的時候發現傳統的半導體激光器的出光質量已經不能滿足現在人們的需求,為了提高半導體激光器的輸出功率,人們開始不斷進行改進分析。在研究的時候發現半導體激光器在使用的時候會有一半的電能轉換成熱能, 如果半導體激光器本身散熱不好就會直接影響半導體激光器的壽命和使用情況,所以散熱問題是現在研究人員迫切需解決的問題之一。

半導體激光器概念

半導體激光器是目前為止使用最多的光電子器件之一。隨著技術的不斷進步和器件量產化能力的提高, 現在能夠應用到更多的領域中。半導體激光器是主要使用半導體材料作為工作物質一種的激光器,因為物質結構的不同,產生的激光也會不同。半導體激光器的特點就是體積小、壽命長,除了通信領域,現在也可以在雷達、測聲、醫療中進行應用。

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散熱方法和新型散熱方法,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,新型散熱方法包括:倒裝散熱、微通道散熱。

半導體激光器的散熱結構及傳熱過程

圖 1 是半導體激光器的散熱結構圖。

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半導體激光器封裝時的散熱機構主要由激光芯片、 焊接層、熱沉、金屬層等組成。半導體激光器散熱結構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。高功率半導體激光器在進行使用的時候為了達到降低熱阻的目的,經常在焊接的時候使用一些熱導率比較高的材料, 比如金錫焊料。在整個封裝過程進行的時候會出現很多層次,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出去, 最終使半導體激光器形成良好的散熱,以延長激光器的使用壽命。

散熱性能分析時需要注意的事

高功率半導體激光器散熱的性能主要由熱阻和熱通來進行評價,在評價的時候需要注意考慮限定溫度下的熱通量。如果在進行散熱分析的時候發現兩者之間溫差比較大, 激光芯片表面就會出現結露現象,出現此問題后,除了影響光輸出功率,還會影響對波長的鎖定,甚至還會因為結露問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率材料, 熱導率材料的出現給激光器降低溫度提供了更多的優化空間。

傳統散熱方法

自然對流熱沉冷卻散熱方法

自然對流熱沉冷卻散熱就是利用一些熱導率高的材料把產生出來的熱量帶走,之后再通過自然對流的方式散發熱量??萍既藛T在研究的時候還發現翅片也可以幫助散熱, 并且在散熱的時候能夠使散熱系統里面的傳熱率達到最大的數值。當溫度相同的時候翅片間距就會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候需要適當增加高度,通過增加高度提高散熱效果, 這樣的散熱方式在使用的時候會降低很多的成本。在實際工作的時候經常會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體激光器的散熱需要。

半導體制冷散熱(電制冷散熱)方法

半導體制冷散熱方法最主要特點就是體積小、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。

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通過調整 TEC 內部參數就可以提高 TEC 的控冷效果??蒲腥藛T在研究的時候發現具有最佳的傳熱面積比值能夠讓TEC 特性系數達到最大值。在研究的時候還發現傳熱面積的比值和 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建一個通道,要想達到降溫的效果就需要在這個通道里面加入一定的水源,這樣就不會耽誤激光器的工作。針對這一點,科研人員在研究的時候發現, 擾流結構的散熱效果會比傳統的空腔結構好,但是通道里面也會出現壓力增加的情況發生。研究發現,雖然大通道使用非常廣泛, 但因為激光器輸出功率不斷提高,現在大通道水冷散熱也已經不能滿足高功率半導體激光器的散熱需求。

新型散熱方法

隨著各領域對激光器的要求越來越高, 傳統的散熱方法已經不能滿足現在的要求,需要研究更多新型的散熱方式。目前出現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焊料相連接, 但芯片有源區發熱量主要是集中在上表面幾個微米的區域發熱, 上表面和下表面的一般有上百微米的距離,熱量通過這么長距離的傳導到熱沉,再到TEC 制冷,散熱效果有限。

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通過對芯片的內部結構進行改進, 調整芯片表面結構和有源區發熱層,研究采用芯片倒裝貼片技術,使芯片的主要發熱面通過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;因為光芯片的性能和溫度強相關,溫度越高,波長漂移越厲害,光輸出功率也會隨之下降或者飽和,通過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定,整個激光器的性能也得到大幅度提高,最終性能需要達到國軍標 GR-468-CORE 的性能要求, 部分指標見表 1 。

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微通道散熱方法

微通道散熱主要有兩種方式:① 根據通道大小定義的微通道;② 根據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構圖。

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科研人員在研究的時候用微通道做冷卻裝置做了一次實驗,通過實驗發現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。同時研究也發現了微通道會對散熱效果更好。此外還有人在研究的時候發現微通道熱沉不同的溝槽形狀也會影響散熱效果。經過無數人的研究發現余弦型通道的散熱特征是所有形狀中最好的。此外科研人員還發現微通道和玻璃微管道結合的冷卻裝置能夠滿足大功率半導體激光器的散熱要求。

激光器在使用的時候會應用到微通道, 是因為微通道會比傳統散熱方式的散熱效果更好, 能夠滿足現在高功率激光器的散熱要求。但是微通道在使用的時候有一個缺點,就是經常會因為熱形變冷卻介質顆粒導致微通道堵塞, 影響散熱效果,所以需要用納米流體提高整個過程的換熱性能。

噴霧冷卻散熱方法

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??蒲腥藛T發現用水當介質,使用實心圓錐噴嘴進行實驗時, 微結構的表面能夠增加熱交換的效果。在研究的時候發現噴霧冷卻的冷卻性和噴霧流速有關。此外,科研人員還發現了一種噴霧相變冷卻器,在實驗時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系。

結束語

總而言之, 提高散熱效果的最關鍵兩個因素就是降低散熱系統的熱阻和提高熱通量。在降低熱阻的時候可以使用熱導率高的材料進行降低;在提高熱通量的時候可以通過提高散熱終端傳熱系數的方式來進行幫助。隨著對高功率激光器性能指標的要求越來越高, 現在很多方式已經不能滿足應用需求,需要更多研究學者通過不斷的努力進行研究,這樣才能找到更多適合高功率半導體激光器的散熱方法。

 

 

 

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