应用于大功率激光二极管列阵的单片集成微通道制冷热沉(中文翻译).doc

应用于大功率激光二极管列阵的单片集成微通道制冷热沉马杰慧 　方高瞻 　蓝永生 　马骁宇（中国科学院半导体研究所 国家光电子工程中心，北京 100083）摘要：介绍了一种应用于大功率激光二极管列阵的新型单片集成微通道制冷热沉. 这种热沉已制造并经过测试10 叠层的激光二极管列阵的热阻为 0.121℃/W相邻两个激光条的间距是 1.17mm在 20%高占空比条件下，波长为 808nm 左右，峰值功率可以达到611W关键词：微通道 单片集成 AIN正文：1、 引言激光二极管阵列已经被广泛用作泵浦固态激光器领域中的来源激光二极管阵列运行在高负荷因子模式或连续波模式下时，平均输出功率是非常高的大平均功率和小排放区域导致在二极管材料焊接的界面峰值热流密度大约 1 kw/cm2为了保持可靠和高效率的运作，交界处的温度必须保持在低于 50℃，因此，低热阻抗包装的就变得非常重要目前，以应付激烈的热通量，微通道冷却器是最有效的方法这种积极的热控，可以提供非常低的热阻抗对于这种情况，激光二极管棒粘合到一个多层散热器和冷却的狭窄通道这种方法使用层流冷却液和非常有效的二极管冷却应用程序硅和铜的微通道散热器已经开发出来。

Beach et al.[1] 在 1992 年曾报道过三层硅微通道散热器，热阻为 0.23℃/ WLoosen et al.[2] 在 2000 年曾报道过 5 层的铜微通道散热器，热阻为 0.29℃/ W铜的导热系数是很高的，但使用铜无法实现单片包装可以在一个单独的散热片只安装一个二极管栏，所以包装密度是有限的硅微通道散热器可以实现在一个散热片结构上，安装许多激光二极管棒的单片包装然而，制造硅微通道是复杂和困难的为了克服这些缺点，已经提出了一种新型 AIN 陶瓷微通道结构的大功率激光二极管阵列微通道中，流动的水带来的热量，制作一个单一的 AIN 陶瓷面板而其他面板凹槽用于固定激光二极管棒在这种新型结构的高密度封装下，低热阻抗可以得到AIN 陶瓷具有优良的电气绝缘性，非常良好的导热性，超热循环稳定性，以及良好的散热，因此它可以用于大功率激光二极管阵列的风冷散热器此外，在目前 AIN 陶瓷表面上，微通道可以很容易地制作由于低丢失，制备工艺简单，更好的散热性能，AIN 陶瓷微通道使大功率激光二极管阵列更具吸引力2、 配置和热阻抗分析图 1 显示了 AIN 微通道水冷散热器结构的示意图，在冷却的微通道和用来固定钢筋的凹槽里，可以同时制作一个单一的 AIN 衬底。

AIN 衬底直接粘到铜块，基材的厚度是约可达 1500μm底部基板上，制作了微通道每个微通道高约 150μm，宽约为 150μm每个微通道的深度和长度分别为 1000μm 和 10mm在 AIN 衬底上微通道共 33 个在 AIN 衬底顶面的 10 个凹槽被切粒由传统工艺，激光二极管棒被固定在凹槽中我们还可以发现，这种材料大面积基板的高精确度和质量控制是很容易实现的激光二极管的散热片包的最重要的参数是它的热阻抗在下面将对散热器进行详细热分析一个简单的热阻抗表示 [3]按顺序给出三个关系是：（1 ） 通过 AIN 的阻抗𝑅𝑡_𝑐𝑜𝑛𝑑=1𝐴×𝐷𝐾𝐴𝐼𝑁A 是加热面积，D 是冷却液和加热表面之间的距离， 是 AIN 的热导率𝐾𝐴𝐼𝑁（2 ） 冷却液本身的热阻抗𝑅𝑡_ℎ𝑒𝑎𝑡= 1𝜌𝐶𝑝𝑓ρ 是冷却液的密度， 是比热，f 为冷却剂的流速，ρ=4118 J/（℃·cm 3） 𝐶𝑝（3 ） 通过冷却液边界层的阻抗𝑅𝑡_𝑐𝑜𝑛𝑣= 1𝐿ℎ𝑛𝑝n 是微通道的数量，L 是微通道的长度，p 是截面的周长，h 为对流换热系数计算列于表 1，总 =0.1228℃/ W。

𝑅𝑡ℎ3、 结果热阻抗是交界处消耗的热功率二极管结测量温度的衍生图 2 显示了不同的排放二极管在不同的热功率耗散波长下以 14 立方厘米/ 秒的流速流进 15℃的水时的情况耗散的电功率由提供的电功率减去测得的光输出功率来计算我们可以根据不同的电源获得的 PN 结温度的增加，利用 PN 结的温升测量二极管的发射波长与光谱漂移：Δλ=0.3 ΔT 纳米在实验中，电源电压（ 18V）和电流（60A） ，保持不变，改变占空比来改变输入功率基于这些数据，测量二极管接口和冷却液入口之间的热阻为 0.121℃/ W 的阵列光电流特性如图 3 所示，入口温度为 13℃，流速为 14 立方厘米/ 秒在整个范围内的曲线给出了 12.6W/ A 的斜率效能在 20％占空比条件下，提供 61.5A 电流可以达到 611W的功率水平图 4 显示了具有 2.27nm 的频带宽度（全宽（ FWHM）的半最大）的堆栈阵列波长在此功率级的测量值为 808.43nm这一结果表明，这种二极管阵列可以稳定在 20％占空比条件下工作4、 总结大功率激光二极管阵列已被证明为一种新型 AIN 单片微通道冷却散热器二极管阵列热阻为 0.121℃ / W，两个相邻棒的间距是 1.17 毫米。

此外，二极管阵列可以稳定工作在20％的占空比条件下，而输出功率峰值达 611WAIN 单片微通道冷却散热器是制造非常简单和易于实现高密度封装的，这种散热器的结构进一步优化用于 CW 二极管阵列中，这方面的实验研究目前正在进行中激光二极管阵列的散热设计可以很好的用在这种需要高平均功率和高系统可靠性的 AIN 单片微通道冷却技术上参考文献：[1] Beach R, Benett W J, Freitas B L, et al. Modular micro channel cooled heat sinks for high average power laser diode arrays. IEEEJ Quantum Electron, 1992, 28(4):966[2] Loosen P. Cooling and packaging of high-power diodelasers.In:High2Power Diode Laser, Topics Appl Phys. Diehl R, ed. Verlag Heidelberg: Springer, 2000, 78:289[3] Mundinger D, Beach R, Benett W, et al. Demonstration of high-performance silicon micro channel heat exchangers for laser diode array cooling. Appl Phys Lett, 1988, 53(12):19[4] Tuckerman D B, Pease R F W. High-performance heat sinking for VLSI. IEEE Electron Device Lett, 1981, Edl-2(5):126本文由 2009213603 叶静阳 翻译。