大功率半導(dǎo)體激光器的幾種散熱方法

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)包括小型化、低功耗、高效率、易集成、可調(diào)諧等。此外，它的頻偏和線寬都比較小，輸出波長范圍廣。半導(dǎo)體激光器的尺寸小，泵浦效率高，響應(yīng)速度快，波長和尺寸與光纖尺寸適配，可直接調(diào)制，相干性好。

大功率激光器由于單顆芯片出光功率大，單位面積產(chǎn)生的熱量大，如果不做好散熱技術(shù)，很容易發(fā)生芯片死亡，性能快速下降。

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)及傳熱過程

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(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(huì)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(huì)影響對波長的鎖定，甚至還會(huì)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

1.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(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。

2.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?？蒲腥藛T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。

3.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。

新型散熱方法

隨著各領(lǐng)域?qū)す馄鞯囊笤絹碓礁?，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。

4.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，熱量通過這么長距離的傳導(dǎo)到熱沉，再到TEC制冷，散熱效果有限。

通過對芯片的內(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，波長漂移越厲害，光輸出功率也會(huì)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(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)到國軍標(biāo)GR-468-CORE的性能要求，部分指標(biāo)見表1。

5.微通道散熱方法

微通道散熱主要有兩種方式：根據(jù)通道大小定義的微通道;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)過無數(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)過程的換熱性能。

6.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(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。

奧萊光電直接半導(dǎo)體激光系統(tǒng)采用的就是976半導(dǎo)體激光器，根據(jù)功率的不同有恒溫風(fēng)冷(10W、40W、60W、100W)和恒溫水冷(200W、500W)兩種半導(dǎo)體激光器可選。主要應(yīng)用于激光錫焊，表面熱處理，熔覆高功率半導(dǎo)體激光器泵浦源。主要優(yōu)勢有：激光加工恒溫控制;PID算法不易燒毀焊點(diǎn);自整定控制，可內(nèi)建焊接模型;內(nèi)循環(huán)水冷;在線實(shí)時(shí)功率檢測。特別是在低溫焊接領(lǐng)域極其適用。