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1、第26卷第1期重庆工商大学学报(自然科学版)2009年2月Vo.l26NO.1JChongqingTechnolBusinessUniv.(NatSciEd)Feb.2009文章编号:1672-058X(2009)01-0080-04用于高功率半导体激光器列阵散热的微通道热沉的研制唐裕霞(重庆工商大学计算机科学与信息工程学院,重庆400067)摘要:理论分析了微通道热沉的热阻的组成,采用微机械加工技术和铜直接粘接技术(DBC)制作了冷却大功率半导体激光器列阵的5层结构的无氧铜微通道热沉;通过测试,用其封装的808nm线阵二极管激光器准连续输出功率达38.5W,无氧铜微通道热沉热
2、阻为0.645e/W,热沉的表面温度均匀性好,能有效散热,满足散热要求。关键词:半导体激光器;微通道热沉;热阻中图分类号:TN365文献标识码:A半导体激光器的研究中,随着输出功率的提高,对激光器散热能力要求也越来越高。如果激光器散热不及时,势必造成结温升高,从而使激光器的阈值电流密度升高,电光转换效率降低,激光波长发生严重温漂,严重影响器件的寿命和可靠性。因此如何及时消除因耗散功率所转化的热量是当今制备高效高可靠性高稳定性半导体激光器阵列的关键。目前,国内外主要采用无源热沉和有源热沉来实现对半导体激光器的散热。无源热沉的散热能力有限,一般适用于低功率连续或超短脉冲大功率半导体
3、激光器阵列的散热,而对于大功率连续、准连续半导体激光器阵列,其输出功率高,需采用更为有效的高效液体冷却器进行散热,即有源热沉。在此采用无氧铜做热沉材料,制作一种叠层铜微通道热沉,该热沉制备工艺简单,制作成本低,并且热沉的水密封性好,导热性好,利于高功率半导体激光器迭阵的散热,提高激光器迭阵的光功率密度。1叠层微通道热沉的热阻分析图1为叠层微通道热沉结构示意图。为了得到微通道热沉的基本结构参数,采用简单的一维模型分析对微通道的热阻进行分析,如图2所示。设微通道深dc,微通道沟道宽Xc,微通道叶片宽Xf,冷却液压降vP。在此模型下,微通道叶片中只考虑z方向的热流,x、y方向的热流忽
4、略不计;在微通道内,只考虑y方向的热流,x和z方向的热流忽略不计。当激光器芯片在微通道顶部表面产生热量PT时,热量传递经过如下3个过程:(1)热传导期Pcond:激光器芯片单位面积上产生的热量Q沿z方向流进下方微通道热沉的叶片中。(2)对流传导期Pconv:在微通道叶片与冷却液的界面处热量沿x方向从微通道叶片进入冷却液。收稿日期:2008-07-13;修回日期:2008-12-01。作者简介:唐裕霞(1977-),女,重庆市荣昌县人,讲师,从事电子器件与物理学研究。第1期唐裕霞:用于高功率半导体激光器列阵散热的微通道热沉的研制81(3)冷却液质流热转换期Pcap:微通道内,冷却
5、液携带热量沿着通道流动,冷却液温度升高,将热量带走。假设传递过程中没有其他能量损失则Pcond=Pconv=Pcap=PT。因此热沉的总热阻RT为:$TTD-T0RT==。PTPTd1热量传递的这3个阶段对微通道热阻均有贡献,分别为:传导热阻Rcond=U1-。U1是形状因子,kmA描述热传导的有效厚度,由冷却器顶部和微通道层高度组成。Rcond与沟道的宽度无关。对流热阻Rconv=1Tanh(dc2h/kmXf),h为对流热转换系数。Aeff=N(L@Xc+2L@dc),为固体与液体的有效接触面积,hAefdc2h/kmXf其中N为微通道的数量,L为微通道的长,Xc是微通道的
6、宽,dc是微通道的深度,km为微通道基体材料的热导1#率,Xf是微通道叶片的宽度。质流热阻Rcap=#,cp为冷却液的定压比热容,m=QfXcTdc,Qf是冷却液的密mcp度,T是冷却液的流速。另外,热量从热沉基体进入微通道叶片时,热流成漏斗型,对热流有限制作用,因此还11存在限制热阻Rcont,即Rcont=ln。PNLkmPXfsin[]2(Xc+Xf)所以,微通道热沉的总热阻为:RT=Rcond+Rconv+Rcap+Rcont由上分析可知,微通道热阻大小与微通道密度、深度、宽度、叶片宽度、冷却液压降、冷却液物理性质及热沉材料的物理性质等均有关系。为此,要获得低热阻的微通
7、道热沉,必须对微通道热沉结构进行合理设计,以便达到最好的散热效果;同时还要兼顾制造的可行性以及制作成本等问题。2微通道热沉的制作铜和硅都是具有良好导热性的热沉材料,但硅的成本比铜高,且较小的塑形形变就可导致硅的碎裂,因此在此选用无氧铜做微通道热沉材料,另选自来水(或去离子水)作冷却液。微通道和叶片宽度均为200Lm,通道深350Lm,多管宽度1000Lm。首先利用微机械加工方法分别在15@15@0.5mm的高热导率无氧铜上制备出微通道层、导水层、水密封层,而后对各层表面进行物理抛光、化学抛光
