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高功率半导体激光器散热

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发表时间:2021-07-20 16:57

        散热管理是保障半导体激光器稳定性的重要因素之一。本文通过分析半导体激光的传热过程,总结了高功率半导体激光的散热方法,希望对今后从事高功率半导体激光的研究者有所帮助。
【关键词】高功率半导体激光散热。点击了解半导体激光器>>


激光器散热方法分类
目前激光的主要散热方法分为传统散热方法和新散热方法,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,新散热方法包括倒装散热微通道散热
半导体激光的散热结构和传热过程。


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       半导体激光封装时的散热机构主要由激光芯片、焊层、热沉、金属层等构成。半导体激光结构中的焊接层主要用焊接方法连接芯片和热沉。高功率半导体激光在使用时,为了达到降低热阻的目的,经常使用焊接时导热率高的材料,如金锡焊接。在整个包装过程中,会出现很多层次。这些层次主要包括芯片、焊接层、热沉、金属层,利用热沉和金属层的传热效果传导激光芯片的热能,最终使半导体激光形成良好的散热,延长激光的寿命。
散热性能分析时应注意的事项。



       高功率半导体激光散热的性能主要由热阻和热通来评价,评价时需要考虑限定温度下的热通量。在进行散热分析时,如果发现两者之间的温差很大,激光芯片的表面就会结露,这个问题发生后,不仅会影响光的输出,还会影响波长的锁定,结露问题会损害电路的光电性能,最终会影响可靠性。目前常见的降热阻的方法是使用导热材料,导热材料的出现为激光降温提供了更多的优化空间。




传统的散热方法

自然对流热沉降散热方法
         自然对流热沉降散热是利用导热率高的材料取出产生的热量,然后通过自然对流散热。科学技术人员在研究时发现翅片也有助于散热,散热时散热系统中的传热率可以达到**值。温度相同时,翅片的间隔随着翅片高度的增加而下降。使用基板垂直放置热沉时,需要适当增加高度,通过增加高度提高散热效果,这种散热方式在使用时会降低很多成本。在实际工作中,铜或氮化铝经常被用作热沉,但热沉的方法不能完全满足高功率半导体激光的散热需求


半导体冷冻散热(电冷冻散热)方法
半导体冷却散热方法的主要特点是体积小,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。
照片。


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         通过调整TEC内部参数,可以提高TEC的控制冷却效果。科研人员发现,**传热面积比值可以使TEC的特性系数达到**值。研究发现传热面积的比例与TEC材料的特性和交换面积有很大关系。



大通道水冷板散热方法
为了降低热沉的温度,需要在热沉中构筑通道,为了达到降温的效果,需要在该通道中加入一定的水源,激光的工作不会延迟。在这方面,科研人员在研究过程中发现,流结构的散热效果比传统的空腔结构好,但通道中压力也会增加。研究表明,虽然大通道被广泛使用,但由于激光输出功率的不断提高,大通道的水冷散热不能满足高功率半导体激光的散热需求。



新的散热方法
随着各个领域对激光的要求越来越高,传统的散热方法已经不能满足当前的要求,需要研究更多新型的散热方法。目前出现的新型散热方式如下。
倒装补丁的方法。


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           倒装贴片封装仍采用TEC方式,传统的贴片激光贴片和热沉贴片方式采用贴片正面朝上,背面冷却面和热沉通过焊料连接,但贴片有源区的发热量主要集中在上表面的几个微米区域发热,上表面和下表面一般有几百微米的距离,热量通过这么长的距离传导到热沉,TEC制冷,散热效果有限。
照片。


          通过改进芯片的内部结构,调整芯片的表面结构和有源区域的发热层,研究采用芯片倒装芯片的技术,使芯片的主要发热面通过焊接层直接与热沉连接,激光散热可以提高20%或更高的散热效率,由于光芯片的性能和温度强相关,温度越高,波长的漂移越严重,光输出功率也随之下降或饱和,通过倒装芯片的方式可以大幅提高散热效果,芯片的光输出更加稳定
照片。


微通道的散热方法
微通道散热主要有①根据通道大小定义的微通道②根据表面张力定义的微通道。图4是典型的微通道热冷却结构图。


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       科学研究人员在研究时用微通道制作冷却装置进行实验,通过实验发现微通道的散热特性,微通道的热沉能够散热的原因是有一定的高热通量。同时研究发现,微通道对散热效果更好。另外,研究中发现微通道热沉不同的槽形状也会影响散热效果。经过无数人的研究发现,馀弦型通道的散热特征是所有形状中**的。此外,科学研究人员还发现,微通道和玻璃微管道相结合的冷却装置可以满足大功率半导体激光的散热要求。



          激光器在使用时应用于微通道,是因为微通道比传统散热方式散热效果好,能够满足当前高功率激光器的散热要求。但是,使用微通道时,由于热变冷介质粒子,微通道堵塞,影响散热效果,因此需要用纳米流体提高整个过程的热交换性能。
喷雾冷却散热方法。

                               

激光铲齿微通道散热

         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。科学研究人员发现,用水作为介质,使用实心圆锥喷嘴进行实验时,微结构的表面可以增加热交换的效果。研究发现,喷雾冷却的冷却性与喷雾流速有关。另外,科学研究人员还发现了喷雾相变冷器,实验时喷雾冷却装置的喷嘴高度和散热效果也有非常密切的关系。
       


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