【摘要】散熱管理是保障半導體(ti) 激光器穩定性的重要因素之一。本文通過分析半導體(ti) 激光器的傳(chuan) 熱過程，歸納總結了高功率半導體(ti) 激光器的散熱方法，希望能夠給以後從(cong) 事高功率半導體(ti) 激光的研究人員提供一些幫助。

【關(guan) 鍵詞】高功率半導體(ti) 激光器；散熱

半導體(ti) 激光器最開始是從(cong) 國外開始研究， 最早的技術源於(yu) 美國、日本，主要用於(yu) 軍(jun) 事方麵，後隨著技術迭代發展，開始應用於(yu) 民用市場，應用在光電、通信等行業(ye) 中。隨著我國國防行業(ye) 和光電製造行業(ye) 的發展， 業(ye) 界開始增加對高功率激光器的需求，人們(men) 也開始對高功率半導體(ti) 激光器件進行研究。在研究的時候發現傳(chuan) 統的半導體(ti) 激光器的出光質量已經不能滿足現在人們(men) 的需求，為(wei) 了提高半導體(ti) 激光器的輸出功率，人們(men) 開始不斷進行改進分析。在研究的時候發現半導體(ti) 激光器在使用的時候會(hui) 有一半的電能轉換成熱能， 如果半導體(ti) 激光器本身散熱不好就會(hui) 直接影響半導體(ti) 激光器的壽命和使用情況，所以散熱問題是現在研究人員迫切需解決(jue) 的問題之一。

半導體(ti) 激光器是目前為(wei) 止使用最多的光電子器件之一。隨著技術的不斷進步和器件量產(chan) 化能力的提高， 現在能夠應用到更多的領域中。半導體(ti) 激光器是主要使用半導體(ti) 材料作為(wei) 工作物質一種的激光器，因為(wei) 物質結構的不同，產(chan) 生的激光也會(hui) 不同。半導體(ti) 激光器的特點就是體(ti) 積小、壽命長，除了通信領域，現在也可以在雷達、測聲、醫療中進行應用。

目前激光器主要的散熱方法分為(wei) 傳(chuan) 統散熱方法和新型散熱方法，傳(chuan) 統散熱方法包括：風冷散熱、半導體(ti) 製冷散熱、自然對流散熱等，新型散熱方法包括：倒裝散熱、微通道散熱。

圖 1 是半導體(ti) 激光器的散熱結構圖。

半導體(ti) 激光器封裝時的散熱機構主要由激光芯片、 焊接層、熱沉、金屬層等組成。半導體(ti) 激光器散熱結構裏麵的焊接層主要是用焊接的方法把芯片和熱沉連接在一起。高功率半導體(ti) 激光器在進行使用的時候為(wei) 了達到降低熱阻的目的，經常在焊接的時候使用一些熱導率比較高的材料， 比如金錫焊料。在整個(ge) 封裝過程進行的時候會(hui) 出現很多層次，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(chuan) 熱效果把激光芯片的熱能傳(chuan) 導出去， 最終使半導體(ti) 激光器形成良好的散熱，以延長激光器的使用壽命。

高功率半導體(ti) 激光器散熱的性能主要由熱阻和熱通來進行評價(jia) ，在評價(jia) 的時候需要注意考慮限定溫度下的熱通量。如果在進行散熱分析的時候發現兩(liang) 者之間溫差比較大， 激光芯片表麵就會(hui) 出現結露現象，出現此問題後，除了影響光輸出功率，還會(hui) 影響對波長的鎖定，甚至還會(hui) 因為(wei) 結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率材料， 熱導率材料的出現給激光器降低溫度提供了更多的優(you) 化空間。

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率高的材料把產(chan) 生出來的熱量帶走，之後再通過自然對流的方式散發熱量。科技人員在研究的時候還發現翅片也可以幫助散熱， 並且在散熱的時候能夠使散熱係統裏麵的傳(chuan) 熱率達到最大的數值。當溫度相同的時候翅片間距就會(hui) 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(hui) 降低很多的成本。在實際工作的時候經常會(hui) 使用銅或者氮化鋁作為(wei) 熱沉， 但熱沉的方式還不能完全滿足高功率半導體(ti) 激光器的散熱需要。

半導體(ti) 製冷散熱（電製冷散熱）方法

半導體(ti) 製冷散熱方法最主要特點就是體(ti) 積小、可靠性強。半導體(ti) 製冷散熱方法經常會(hui) 出現在高功率的半導體(ti) 激光器中，因為(wei) 加入了 TEC 製冷，封裝的尺寸相應提高，封裝的費用也相應上漲， 在使用的時候把半導體(ti) 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 自身的熱量散發出去，圖 2 是 TEC 工作結構圖。

通過調整 TEC 內(nei) 部參數就可以提高 TEC 的控冷效果。科研人員在研究的時候發現具有最佳的傳(chuan) 熱麵積比值能夠讓TEC 特性係數達到最大值。在研究的時候還發現傳(chuan) 熱麵積的比值和 TEC 材料的特性還有交換麵積都有非常大的關(guan) 係。

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建一個(ge) 通道，要想達到降溫的效果就需要在這個(ge) 通道裏麵加入一定的水源，這樣就不會(hui) 耽誤激光器的工作。針對這一點，科研人員在研究的時候發現， 擾流結構的散熱效果會(hui) 比傳(chuan) 統的空腔結構好，但是通道裏麵也會(hui) 出現壓力增加的情況發生。研究發現，雖然大通道使用非常廣泛， 但因為(wei) 激光器輸出功率不斷提高，現在大通道水冷散熱也已經不能滿足高功率半導體(ti) 激光器的散熱需求。

隨著各領域對激光器的要求越來越高， 傳(chuan) 統的散熱方法已經不能滿足現在的要求，需要研究更多新型的散熱方式。目前出現的新型散熱方式有以下幾種。

倒裝貼片方法

圖 3 為(wei) 倒裝貼片圖。倒裝貼片封裝仍采用 TEC 方式，傳(chuan) 統的貼激光器芯片和熱沉貼片方式采取芯片正麵朝上， 背麵冷卻麵和熱沉通過焊料相連接， 但芯片有源區發熱量主要是集中在上表麵幾個(ge) 微米的區域發熱， 上表麵和下表麵的一般有上百微米的距離，熱量通過這麽(me) 長距離的傳(chuan) 導到熱沉，再到TEC 製冷，散熱效果有限。

通過對芯片的內(nei) 部結構進行改進， 調整芯片表麵結構和有源區發熱層，研究采用芯片倒裝貼片技術，使芯片的主要發熱麵通過焊接層後直接和熱沉相接， 激光器散熱可以提高20% 或者更高的散熱效率；因為(wei) 光芯片的性能和溫度強相關(guan) ，溫度越高，波長漂移越厲害，光輸出功率也會(hui) 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定，整個(ge) 激光器的性能也得到大幅度提高，最終性能需要達到國軍(jun) 標 GR-468-CORE 的性能要求， 部分指標見表 1 。

微通道散熱方法

微通道散熱主要有兩(liang) 種方式：① 根據通道大小定義(yi) 的微通道；② 根據表麵張力影響定義(yi) 的微通道。圖 4 是典型的微通道熱沉冷卻結構圖。

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，通過實驗發現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。同時研究也發現了微通道會(hui) 對散熱效果更好。此外還有人在研究的時候發現微通道熱沉不同的溝槽形狀也會(hui) 影響散熱效果。經過無數人的研究發現餘(yu) 弦型通道的散熱特征是所有形狀中最好的。此外科研人員還發現微通道和玻璃微管道結合的冷卻裝置能夠滿足大功率半導體(ti) 激光器的散熱要求。

激光器在使用的時候會(hui) 應用到微通道， 是因為(wei) 微通道會(hui) 比傳(chuan) 統散熱方式的散熱效果更好， 能夠滿足現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(ge) 缺點，就是經常會(hui) 因為(wei) 熱形變冷卻介質顆粒導致微通道堵塞， 影響散熱效果，所以需要用納米流體(ti) 提高整個(ge) 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(chuan) 熱的表麵，達到冷卻的目的。噴霧冷卻主要的特點就是傳(chuan) 熱係數大、冷卻液流量低。科研人員發現用水當介質，使用實心圓錐噴嘴進行實驗時， 微結構的表麵能夠增加熱交換的效果。在研究的時候發現噴霧冷卻的冷卻性和噴霧流速有關(guan) 。此外，科研人員還發現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(guan) 係。

總而言之， 提高散熱效果的最關(guan) 鍵兩(liang) 個(ge) 因素就是降低散熱係統的熱阻和提高熱通量。在降低熱阻的時候可以使用熱導率高的材料進行降低；在提高熱通量的時候可以通過提高散熱終端傳(chuan) 熱係數的方式來進行幫助。隨著對高功率激光器性能指標的要求越來越高， 現在很多方式已經不能滿足應用需求，需要更多研究學者通過不斷的努力進行研究，這樣才能找到更多適合高功率半導體(ti) 激光器的散熱方法。

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