【摘要】散熱管理是保障半導(dǎo)體激光器穩(wěn)定性的重要因素之一。本文通過分析半導(dǎo)體激光器的傳熱過程，歸納總結(jié)了高功率半導(dǎo)體激光器的散熱方法，希望能夠給以后從事高功率半導(dǎo)體激光的研究人員提供一些幫助。
【關(guān)鍵詞】高功率半導(dǎo)體激光器；散熱
引言
半導(dǎo)體激光器最開始是從國外開始研究， 最早的技術(shù)源于美國、日本，主要用于軍事方面，后隨著技術(shù)迭代發(fā)展，開始應(yīng)用于民用市場，應(yīng)用在光電、通信等行業(yè)中。隨著我國國防行業(yè)和光電制造行業(yè)的發(fā)展， 業(yè)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(dǎo)體激光器件進(jìn)行研究。在研究的時候發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的半導(dǎo)體激光器的出光質(zhì)量已經(jīng)不能滿足現(xiàn)在人們的需求，為了提高半導(dǎo)體激光器的輸出功率，人們開始不斷進(jìn)行改進(jìn)分析。在研究的時候發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體激光器在使用的時候會有一半的電能轉(zhuǎn)換成熱能， 如果半導(dǎo)體激光器本身散熱不好就會直接影響半導(dǎo)體激光器的壽命和使用情況，所以散熱問題是現(xiàn)在研究人員迫切需解決的問題之一。
半導(dǎo)體激光器概念
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，因為物質(zhì)結(jié)構(gòu)的不同，產(chǎn)生的激光也會不同。半導(dǎo)體激光器的特點就是體積小、壽命長，除了通信領(lǐng)域，現(xiàn)在也可以在雷達(dá)、測聲、醫(yī)療中進(jìn)行應(yīng)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(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
圖 1 是半導(dǎo)體激光器的散熱結(jié)構(gòu)圖。
半導(dǎo)體激光器封裝時的散熱機(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)行使用的時候為了達(dá)到降低熱阻的目的，經(jīng)常在焊接的時候使用一些熱導(dǎo)率比較高的材料， 比如金錫焊料。在整個封裝過程進(jìn)行的時候會出現(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。
散熱性能分析時需要注意的事項
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，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(jìn)行散熱分析的時候發(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，甚至還會因為結(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候還發(fā)現(xiàn)翅片也可以幫助散熱， 并且在散熱的時候能夠使散熱系統(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(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候會降低很多的成本。在實際工作的時候經(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就是體積小、可靠性強。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，因為加入了 TEC 制冷，封裝的尺寸相應(yīng)提高，封裝的費用也相應(yīng)上漲， 在使用的時候把半導(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)建一個通道，要想達(dá)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(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， 但因為激光器輸出功率不斷提高，現(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)す馄鞯囊笤絹碓礁撸?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。
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；因為光芯片的性能和溫度強相關(guān)，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(wěn)定，整個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 。
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候用微通道做冷卻裝置做了一次實驗，通過實驗發(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。同時研究也發(fā)現(xiàn)了微通道會對散熱效果更好。此外還有人在研究的時候發(fā)現(xiàn)微通道熱沉不同的溝槽形狀也會影響散熱效果。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。
激光器在使用的時候會應(yīng)用到微通道， 是因為微通道會比傳統(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候有一個缺點，就是經(jīng)常會因為熱形變冷卻介質(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(dá)到冷卻的目的。噴霧冷卻主要的特點就是傳熱系數(shù)大、冷卻液流量低。科研人員發(fā)現(xiàn)用水當(dāng)介質(zhì)，使用實心圓錐噴嘴進(jìn)行實驗時， 微結(jié)構(gòu)的表面能夠增加熱交換的效果。在研究的時候發(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(guān)系。
結(jié)束語
總而言之， 提高散熱效果的最關(guān)鍵兩個因素就是降低散熱系統(tǒng)的熱阻和提高熱通量。在降低熱阻的時候可以使用熱導(dǎo)率高的材料進(jìn)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(shù)的方式來進(jìn)行幫助。隨著對高功率激光器性能指標(biāo)的要求越來越高， 現(xiàn)在很多方式已經(jīng)不能滿足應(yīng)用需求，需要更多研究學(xué)者通過不斷的努力進(jìn)行研究，這樣才能找到更多適合高功率半導(dǎo)體激光器的散熱方法。
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