高功率半導(dǎo)體激光器散熱方法的研究

 

　　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)封裝過程進(jìn)行的時(shí)候會出現(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進(jìn)行評價(jià)，在評價(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，激光芯片表面就會出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象，出現(xiàn)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?yàn)榻Y(jié)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(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(dǎo)率高的材料把產(chǎn)生出來的熱量帶走，之后再通過自然對流的方式散發(fā)熱量。科技人員在研究的時(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)候會降低很多的成本。在實(shí)際工作的時(shí)候經(jīng)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(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)常會出現(xiàn)在高功率的半導(dǎo)體激光器中，因?yàn)榧尤肓薚EC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，熱端再通過對流的方式和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，這樣就不會耽誤激光器的工作。針對這一點(diǎn)，科研人員在研究的時(shí)候發(fā)現(xiàn)，擾流結(jié)構(gòu)的散熱效果會比傳統(tǒng)的空腔結(jié)構(gòu)好，但是通道里面也會出現(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什粩嗵岣撸F(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。

 

　　標(biāo)簽：半導(dǎo)體激光器