【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(guò)分析半導(dǎo)體激光器的傳熱過(guò)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(kāi)始是從國(guó)外開(kāi)始研究， 最早的技術(shù)源于美國(guó)、日本，主要用于軍事方面，后隨著技術(shù)迭代發(fā)展，開(kāi)始應(yīng)用于民用市場(chǎng)，應(yīng)用在光電、通信等行業(yè)中。隨著我國(guó)國(guó)防行業(yè)和光電制造行業(yè)的發(fā)展， 業(yè)界開(kāi)始增加對(duì)高功率激光器的需求，人們也開(kāi)始對(duì)高功率半導(dǎo)體激光器件進(jìn)行研究。在研究的時(shí)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(mǎn)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(kāi)始不斷進(jìn)行改進(jìn)分析。在研究的時(shí)候發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體激光器在使用的時(shí)候會(huì)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(huì)直接影響半導(dǎo)體激光器的壽命和使用情況，所以散熱問(wèn)題是現(xiàn)在研究人員迫切需解決的問(wèn)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?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)就是體積小、壽命長(zhǎng)，除了通信領(lǐng)域，現(xiàn)在也可以在雷達(dá)、測(cè)聲、醫(yī)療中進(jìn)行應(yīng)用。

激光器散熱方法分類(lèi)

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(duì)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(guò)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(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(guò)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(zhǎng)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(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)，在評(píng)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(wèn)題后，除了影響光輸出功率，還會(huì)影響對(duì)波長(zhǎng)的鎖定，甚至還會(huì)因?yàn)榻Y(jié)露問(wèn)題損壞電路的光電性能，最終影響可靠性。目前常見(jiàn)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(duì)流熱沉冷卻散熱方法

自然對(duì)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(lái)的熱量帶走，之后再通過(guò)自然對(duì)流的方式散發(fā)熱量?？萍既藛T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(guò)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(mǎn)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(huì)出現(xiàn)在高功率的半導(dǎo)體激光器中，因?yàn)榧尤肓?TEC 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(guò)對(duì)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(guò)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。

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(duì)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?，現(xiàn)在大通道水冷散熱也已經(jīng)不能滿(mǎn)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?lái)越高， 傳統(tǒng)的散熱方法已經(jīng)不能滿(mǎn)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(guò)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(guò)這么長(zhǎng)距離的傳導(dǎo)到熱沉，再到TEC 制冷，散熱效果有限。

通過(guò)對(duì)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(guò)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(zhǎng)漂移越厲害，光輸出功率也會(huì)隨之下降或者飽和，通過(guò)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(guó)軍標(biāo) GR-468-CORE 的性能要求， 部分指標(biāo)見(jiàn)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(shí)候用微通道做冷卻裝置做了一次實(shí)驗(yàn)，通過(guò)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(duì)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(guò)無(wú)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(mǎn)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(mǎn)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(guò)程的換熱性能。

噴霧冷卻散熱方法

噴霧冷卻是通過(guò)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。科研人員發(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。

結(jié)束語(yǔ)

總而言之， 提高散熱效果的最關(guān)鍵兩個(gè)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(shí)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(shí)候可以通過(guò)提高散熱終端傳熱系數(shù)的方式來(lái)進(jìn)行幫助。隨著對(duì)高功率激光器性能指標(biāo)的要求越來(lái)越高， 現(xiàn)在很多方式已經(jīng)不能滿(mǎn)足應(yīng)用需求，需要更多研究學(xué)者通過(guò)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。