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/ W。Loosen 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1500m。底部基板上，制作了微通道。每个微通道高约150m，宽约为150m。每个微通道的深度和长度分别为1000m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=1ADKAINA是加热面积，D是冷却液和加热表面之间的距离，KAIN是AIN的热导率。（2） 冷却液本身的热阻抗Rt_heat=1Cpf是冷却液的密度，Cp是比热，f为冷却剂的流速，=4118 J/（cm3）。（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Rth=0.1228/ W。3、 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：=0.3T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611W。AIN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):9662 Loosen P. Cooling and packaging of high-power diodelasers.In:High2Power Diode Laser, Topics Appl Phys. Diehl R, ed. Verlag Heidelberg: Springer, 2000, 78:2893 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):1