设为首页 | 收藏本站

高功率半导体激光器散热方法

发表时间:2021-12-28 15:10作者:化合积电网址:http://www.csmc-semi.com

半导体激光器具有体积小、寿命长、电光转换效率高、波长可调范围广和可靠性好等优点,目前已广泛应用于工业、医疗、军事等领域。近年来,随着人们在国防、制造和空间探测等应用领域对高功率激光器需求的不断增加,实现全固态、光纤以及半导体激光器的高功率高性能输出已成为科研人员的研究重点。通常,传统半导体激光器的光束质量相对于其他类型激光器往往较差,因此如何改善半导体激光器的光束质量也是研究重点,并且目前已经取得了诸多的研究成果。为了提高半导体激光器的输出功率,人们通过芯片阵列或叠阵的方式已获得了千瓦级的功率输出。

相比于固体激光器、光纤激光器等技术,半导体激光器的电光转换效率可高达 40%~50%,即便如此仍会有 50%~60%的电能转换为热能,如果散热效果不佳,会造成芯片温度升高,这会直接影响半导体激光器的阈值电流密度、输出功率、微分量子效率等一系列性能,并导致半导体激光器寿命和可靠性的下降,甚至会损毁芯片。因此,散热问题成为制约半导体激光器功率和光束质量进一步提高的关键因素。


目前,激光器的主要散热方法包括:风冷散热、半导体制冷、大通道水冷散热、自然对流散热等传统方法;以及微通道散热、热管散热等新型散热方法。以上的散热方式经过优化设计后均可用于半导体激光器的散热管理系统。文中对若干种散热管理方式的效果及各自的特点进行了总结对比,展望了未来散热方式的发展前景。


半导体激光器的散热结构及传热过程



主要包含焊接层、绝缘层和三个部分。焊接层主要用于焊接激光芯片和热沉,使芯片和热沉可以更加牢固的连接在一起。为了降低热阻,一般采用锡、铟等热导率相对较高的材料进行焊接。而散热结构中与激光芯片直接焊接在一起的热沉,一般被称为初级热沉,因为它与激光芯片存在温度差,所以他们两者之间会形成对流传热,使激光芯片中的废热传入初级热沉中。与初级热沉相连的为次级热沉,次级热沉将直接与水、空气、液氨等冷却介质接触。最后,通过次级热沉和冷却介质之间的对流传热,将激光芯片所产生的废热经冷却介质带走,完成半导体激光器的散热。


散热性能的分析


散热方式性能的优劣主要由热阻和热通量两个指标来评价,但在以热通量评价散热性优劣时需要考虑在限定温差下的热通量大小。以常见冷却介质水为例,水的温度为20 ℃,而半导体激光器芯片可正常工作的温度一般在60 ℃以下,温差最大为40 ℃。如果利用提高温差来实现较大的热通量,在温差过大的情况下可能会造成激光芯片表面结露,从而影响激光光束质量,严重时可能会损毁电路。


由式(1)可知,在限定温差下想要获得较大的热通量,则需要尽可能的提高散热装置的热传导系数。


q = h(T - Text)


其中,q为热通量;h为传热系数;(T-Text)为传热温差。激光器系统的热阻对于散热也会有严重的影响,热阻低的情况下散热效果好,采用热导率较高的材料(如:石墨烯、金刚石膜等是比较常见的降低热阻的方法,此类方法相对于降低冷却介质温度有更大的优化空间及可行性。


传统散热方法


目前,传统散热方法主要包括自然对流热沉冷却散热、半导体制冷以及大通道水冷散热。传统散热方式技术比较成熟,可靠性强,本节对几种常见的散热方式进行了概述。


自然对流热沉冷却散热


自然对流热沉冷却散热利用热导率较高的金属块将激光器所产生的热量带走,然后热沉通过自然对流的方式将热量散掉。Yuncu 等对基板水平放置热沉的结构进行了实验研究,并指出翅片热沉具有最佳的翅片间距来使散热系统传热率达到最大值。当翅片高度一定时,在温差不同的条件下具有相同的最佳翅片间距,意味着最佳翅片间距不受温差的影响;当温差一定时,最佳翅片间距随翅片高度的增加而减小。史忠山等人采用数值模拟对板肋热沉自然对流换热进行了研究,文中主要通过改变基板水平放置热沉、基板竖直放置热沉两种热沉的结构,如图(2)所示。




分析得出前者的肋片高度大于720mm时,热阻温度在0.18℃左右,而后者在肋片高度增加时。热阻温度一直呈缓慢下降趋势。因此在使用基板竖直放置的热沉时,应尽可能的增加肋片的高度。这种散热方式结构简单、制作成本低,大多都采用热导率较高的铜作为热沉,但是整体散热速度慢。无法满足高功率半导体激光器的散热需要。


半导体制冷


平导体制冷又称为热电制冷,是一种基于塞贝克效应的制冷技术,具有体积小、可靠性强、操作简单等优点,在半导体激光器中很常用。用半导体制冷器(TEC)对半导体激光器进行散热时,将半导体芯片的冷端同热沉相连接,而热端通过对流的形式将热沉以及TEC自身的热量散发出去,典型的TEC的工作结构如图3所示。



通过优化TEC结构参数可有效提高TEC的制冷效果。Lin Zhu和HongboTan等人网从传热面积分配比方面对制冷效果进行了分析,文中指出具有最佳的传热面积比值(TEC冷热端热交换器面积比值)可使TEC特性系数达最大值及冷端温度降到最低值,但是最住传执面积的比值会随TEC材料特性、热端和冷端的热导率以及总的热交换面积不同而发生变化,这些因素对半导体制冷系统的优化设计具有指导意义。通常优化半导体制冷性能系数的方法相对比较复杂,Yamanashi和 Kibayashi等人在给定TEC系统热阻以及TEC系统在恒定温差条件下,用无量纲熵流平衡公式优化TEC系统的特性系数,在这些公式中不仅能够体现TEC设计参数对TEC系统特性系数的影响还体现了TEC系统的热阻会降低TEC特性系数。半导体制冷速度非常快,但是制冷效率非常低,通常用于低功率半导体激光器制冷系统。


大通道水冷散热


在执沉中构建一个相对较宽的通道,然后在通道内注人一定流速的水源,这样就能够保证热沉中的热量被水流带走.从而降低热沉的温度,热沉能够从激光器中带走更多的热。使激光器温度降低。保证激光器的正常工作。但大通道热沉会造成温度分布不均以及热通量低等问题。针对这样的缺点,刘刚等人19在换热板内部设计扰流结构(交叉排列的圆柱和正方形排列的圆柱)同空腔结构热沉进行对比结果表明,在芯片表面的平均热流密度为100 W/em时,扰流结构的散热效果将优于传统的空腔结构,但在通道内加人了圆柱会导致压力损失的增加。HengZhao等人10设计了两种通道结构:S型通道和加人圆柱的S型通道,如图4所示。





文中通过进行实验和数值模拟得出,加圆柱S型通道热沉的最佳流速为11mL/s,热阻为0.015℃/W加圆柱的S型通道热沉的散热效果优于传统S型通道。目前,大通道热沉的应用十分广泛,但是随着激光器输出功率的不断提高,这种结构逐渐难以满足高功率激光器的散热需求。


新型散热方法


随着对激光器输出功率的要求越来越高,高功率激光器必然产生更高的热流密度.传统散热方式已无法满足高功率激光器的散热需求。所以,越来越多的学者开始研究新型的散热方式。目前,新型散执方法主要包括微通道散热 喷雾冷却热管散热等。本节对常见的几种新型散热方式进行了概述。


微通道散热


微通道即更窄的通道,目前主要有两种方式定义微通道:一种是根据通道大小进行定义,一般将水力直径在10~200um的通道定义为微通道。另一种是根据浮升力和表面张力的比值来定义微通道。由于对半导体的输出功率要求越来越高,所以越来越多的学者开展对微通道进行设计研究。图5为典型的微通道热沉冷却结构图。



Patel和Wagner等人叫用微通道作为冷却装置,用当时最先进的二维阵列与其焊接进行实验,证明了微通道较好的散热特性。具有高热通量是微通道热沉能够高效散热的一个关键因素。Roy和Avanic等人22)设计了一个高热通量的微通道热交换器来冷却半导体激光器阵列,它的热阻小于0.03℃/W热通量可高达1000W/em。一般微通道热沉采用硅作为基底材料,但是金刚石相对于硅有更高的执导率,所以一些学者采用金刚石做微通道热沉。 Kenneth EGoodson等人123采用化学气相沉积(CVD)技术设计了金刚石微通道热沉,并与Missaggia等人14所设计的硅微通道热沉进行了对比。实验结果表明,采用金刚石微通道的热阻更低、散热特性更好。刘刚,唐晓军等人2将金刚石扩散片焊接到看片无氧铜微通道执沉的上表面。在这种设计方案下用20℃.0.5 L/min的水冷,经数值仿真计算后,得到热阻值为0.244 ℃/W,热沉表面的最高温度为44.4℃,可满足100W以上的发热量设计要求。


为了解决传统微通道冷却装置需要大量器件等一些问题,Skidmore和Freitas等人(2采用硅晶片微通道冷却装置,它可以将许多bar条键合到一个晶片上,相邻bar条之间不会有温度的影响,热阻仅为0.031℃/W.可保证激光功率密度为1490W/cm的激光器正常工作。


此外,微通道热沉不同的沟槽形状对其散热效果也会有一定的影响。Sajiad Baraty Beni 和Alireza Bahrami等人7对曲线通道、Z型通道和余弦型通道进行了模拟仿真,得到余弦型通道的热特性相对于其他两种类型通道的散热特性更好,使用寿命更长.且执阻为0.28℃/W。Joe Dix和Amir Jokar等人对已经存在的Z型通道进行了优化,采用数值模拟方法得出,对称结构的Z型通道的热特性更好。这对以后通道的优化设计有一定的指导作用。Anna Kozlowska和PiotrLapka等人叫设计并测试了一种微通道与玻璃微管道结合的冷却装置,减小了冷却装置垂直方向上的尺寸,散热效果好,可满足大功率半导体激光器的散热需求。


针对单层微通道对通道尺寸的变化非常敏感以及在通道方向上温度分布不均匀等问题。Tu- Chieh Hung和Wei-MonYan等人对微通道进行了改进,并设计了双层微通道热沉,经数值仿真和实验验证的结果表明,双层微通道热沉的热阻小于单层微通道热沉,散热效果更好,温度分布更均匀。为了进一步提高双层微通道热沉散热效果,Chuan Leng和Xiao-DongWang等人叫在双层微通道热沉的基础上将上层通道进行了截断。将模拟仿真的结果与原始的双层微通道热沉的结果做对比,在通道长度为30mm时热阻值降低了37.5%,通道数量为140时热阻值降低了30%。


微通道在激光器上的应用逐渐增多,主要得益于它比传统的散执方式有更好的散执效果,更能满足高功率激光器的散热需求,而且它的体积更小。为了获得更好的散热性能。微通道散热方式有待于进一步研究,完善相应的系统设计理论。另外,微通道的最大缺点在于,实际应用中可能会因热形变冷却介质颗粒过大而易造成通道堵塞,进而严重影响散热效果。因此采用纳米流体作为冷却介质可提高冷却装置的换热性能,且由于纳米流体颗粒小而不易堵塞。


喷雾冷却


喷雾冷却是将冷却液在一定压力作用下经过喷嘴进行雾化后喷射到传热表面.利用雾化液滴的对流和相变传热将热量带走,从而达到冷却的目的。喷雾冷却具有传执系数大、温度均匀性好、冷却液流量低等优点。Pais等人3对气助式喷雾进行实验研究,获得了高达1200W/cm的热通量。


王亚青等人4用水作为冷却介质,在不同微结构槽冷却表面的无沸腾区,采用实心圆锥喷嘴进行实验研究。研究结果表明,刻有微结构的表面可增强热交换效果,并最终实现了367 Wlem的热通量。杨波等人同样进行了不同微结构表面的喷雾冷却实验研究。研究结果表明,喷雾表面具有均匀微结构时的传热系数比光滑表面的传热系数提高了83.9%。因此.喷雾冷却装置的冷却板表面结构不同会影响散热效果。


Rui Zhao等人通过理论计算 仿真和实验验证得出,喷雾冷却的冷却性能对喷嘴的高度非常敏感,并且与喷雾的流速有关。武德勇等人设计了种喷雾相变冷却器,将氨用作制冷剂,经过实验研究,在冷却器表面温度为37℃时,热通量达到511 W/cm,实验结果证实了喷雾冷却装置中喷嘴的高度会影响到散热效果。


热管散热


热管散热属于被动散热装置,不能主动控制激光器芯片温度,虽然散热的热通量并不高,但在激光器领域中也有所应用,热管散热结构如图6所示。



Shili Shul和Guanyu Hou等人采用U型热管散热系统进行试验,结果表明,其执通量为367W cm。而宋小鹿等人3将热管散热器应用于固体激光器上,通过对水冷散热和执管散热的实验和仿真数据进行对比,实验结果表明,热管散热的效果相对更好。热管散热技术在激光器上的应用仍然比较少,技术不够成熟,想要应用于激光器需要再提高热管散热的热通量、降低热阻等方面做进一步的研究。


综上所述,降低散热系统的热阻以及提高热通量是提高散热效果的两个关键因素,因此文中主要对散热系统的热阻以及热通量进行了总结和分析。在降低热阻方面,可采用更高热导率的焊料和热沉。在提高热通量方面,除简单的通过增大温差之外,更应该提高散热终端的传热系数。目前,大通道水冷散热 TEC等传统散执方式已经不能够满足高功率激光器的散热需求。在限定的温差下能够实现大执通量的微通道散热 喷雾散执等新型散执方式逐渐成为学者们的主要研究方向,但新型的散热方式仍存在的一些问题(如微通道的压降损失问题,热管散热对于激光芯片温度的有效控制等)仍需进一步研究和解决。


化合积电(厦门)半导体科技有限公司,是一家专注于第三代(宽禁带)半导体衬底材料和器件研发、生产和销售的高科技企业,致力于成为全球领先的宽禁带半导体材料和器件公司,核心产品是晶圆级金刚石热沉片金刚石基氮化镓外延片氮化铝薄膜和压电材料等。


公司具备MPCVD设备设计能力,国内首家掌握MPCVD制备高质量金刚石的核心工艺并实现量产, 并且独创基于等离子体辅助抛光的金刚石原子级表面高效精密加工方法,全球首家将金刚石热沉片表面粗糙度从数十微米级别降低至1nm以下,达到半导体级应用标准。采用金刚石热沉的大功率半导体激光器已经用于光通信,在激光二极管、功率晶体管、电子封装材料等领域也都有应用。

热门文章

2022

01-18

50 多年来,采用高压高温技术(HPHT) 制造的合成金刚石广泛应用于研磨应用,充分发挥了金刚石极高硬度和极强耐磨性的特性。在过去20年中,基于化学气相沉积(CVD) 的新金刚石生成方法已投入商业化应用,这样就使得以较低成本生成单晶和多晶金刚石。这些新合成方法支持全面开发利用金刚石的光学、热学、电化、化学以及电子属性。目前金刚石已广泛应用于光学和半导体行业。本文主要讨论金刚石的热学优势,介绍...

2022

01-17

激光是20世纪与计算机、原子能和半导体齐名的四项重要发明之一,其在工业、农业、国防、医学、科研、日常生活等诸多领域应用越来越广泛,进入了飞速发展期。随着激光功率及能量越来越高,激光器朝着小型化、集成化发展,需要面临在功率提升过程中激光工作物质加剧的热积累所引发的热透镜、热致双折射、光束畸变以及光谱展宽等负面效应。金刚石拥有已知材料中最高的热导率、低的热膨胀系数、高度的化学惰性及优异的光学性能...

2022

01-11

近十年来,氮化镓(GaN)的研究热潮席卷了全球的电子工业,这种材料属于宽禁带半导体材料,具有禁带宽度大、热导率高、电子饱和漂移速度高、易于形成异质结构等优异性能,非常适于研制高频、大功率微波、毫米波器件和电路,在5G通讯、航天、国防等领域具有极高的应用价值,是近20余年以来研制微波功率器件最理想的半导体材料。与其他类型芯片类似,在尺寸小型化和功率增大化的条件下,尤其是在高偏置电压工作状态下,...

2022

01-10

具有窄线宽的激光器在激光干涉引力波探测 (LIGO)、精密激光光谱和微波光子学等领域有着重要的应用,尤其是高功率、低噪声、高光束质量的极窄线宽激光光源已成为前沿科学探索中的有力工具。但是自由振荡的激光器受到工作物质的固有增益线宽、谐振腔的相位噪声、机械振动、温度抖动等环境因素的制约,难以直接获得窄线宽激光输出。基于受激布里渊散射(SBS)效应的布里渊激光器,利用SBS光波场与声波场之间频率和...

2022

01-07

氮化镓(GaN)和金刚石的直接集成在大功率器件中具有广阔的应用前景。然而,由于GaN和金刚石之间存在较大的晶格和热膨胀系数失配,在金刚石上生长GaN一直是一个巨大的挑战。近日,日本大阪市立大学Jianbo Liang报道了采用表面活化键合(SAB)方法在室温下成功地制备了GaN/金刚石异质界面。采用透射电子显微镜(TEM)和能量色散X射线能谱(EDS)系统地研究了异质界面的纳米结构和原子行为...

2022

01-06

近十年来,氮化镓(GaN)的研究热潮席卷了全球的电子工业,这种材料属于宽禁带半导体材料,具有禁带宽度大、热导率高、电子饱和漂移速度高、易于形成异质结构等优异性能,非常适于研制高频、大功率微波、毫米波器件和电路,在5G通讯、航天、国防等领域具有极高的应用价值,是近20余年以来研制微波功率器件最理想的半导体材料。与其他类型芯片类似,在尺寸小型化和功率增大化的条件下,尤其是在高偏置电压工作状态下,...
新闻中心
>行业动态


产品中心
>金刚石热沉片
>金刚石氮化镓
>氮化铝薄膜
>压电氮化铝薄膜

联系我们
>联系我们


E-mail:sales@csmc. tech Telephone:0086-13859969306
厦门总部:福建省厦门市集美区灌口大道253号
韩国分公司:Changchundoing Shinchon-ro 2nd floor
2108 ho Seodaemoon-gu Seoul, Korea
上海办事处:上海市嘉定区浏翔公路955号小美科技园5号楼407室

点击这里给我发消息