大功率半导体激光器实用化微通道热沉.PDF

第35卷第12期 北京工业大学学报 V01．35No．12 oF INGUNIVERSITY 2009年12月 JOURNALBEIJ OFTECHNOlLOGYDec．2009 大功率半导体激光器实用化微通道热沉 尧 舜，丁 鹏，刘 江，曹银花，王智勇 (北京工业大学激光工程研究院国家产学研激光技术中心，北京100022) 摘要：根据大功率半导体器无氧铜微通道热沉的实用化制备工艺特点，利用商用CFD软件FLUENT对微通 道热沉内部微通道散热区层间折转通道宽度和热沉前端面壁厚度进行优化设计，并采用化学腐蚀结合扩散焊技 mm×11mm×1．5 术制备无氧铜微通道热沉。微通道尺寸为27 mm．利用低电光转换效率大功率半导体激光阵 列器件对所制备热沉进行散热能力测试，激光阵列宽1 000 crIl，腔长1pm，条宽200弘m。填充因子为50％，微通道 热沉热阻0．34 K／W，能满足半导体激光阵列器件高功率集成输出的散热需求． 关键词：半导体激光器；微通道热沉；热阻 中图分类号：TN248．4 文献标志码：A 文章编号：0254—0037(2009)12—1718～04 大功率半导体激光器由于体积小、重量轻、电光转换效率高、寿命长等优点广泛应用于工业、军事、医 疗等领域u-2】．作为大功率半导体激光器的核心部件，半导体激光阵列(简称激光bar)内部有源区的热管 理水平直接影响器件的性能和寿命[3]，而微通道热沉散热技术是支撑激光bar高性能工作的关键[4】． 目前，无氧铜微通道热沉已成为国外商用大功率半导体激光器的标准配置，相关文献较多，主要集中 在微通道局部结构的探讨[5-6】，而微通道前端面壁厚、微通道层间折转宽度等实际微通道热沉设计中非常 重要的结构参数对整体热沉性能的影响却未见文献分析报道．作者从实际微通道结构参数优化入手，根 据大功率半导体器无氧铜微通道热沉的实用化制备工艺特点，对微通道热沉内部微通道散热区域进行优 化设计，并根据设计参数制备了无氧铜微通道热沉． 1结构的优化设计 微通道热沉由多层内部镂空图形各异的矩形薄片焊接而成，各层镂空部分在热沉内部构成完整的冷 却液通路，用于散热的微通道区通过扩大固液接触面积和压缩冷却液热边界层厚度获得高热传导效 率【7J．微通道区域为多通道并联散热结构，通道内水流方向平行于激光bar腔长方向，根据周期性对称条 件对单个微通道区域的二分之一进行建模，如图1所示．微通道热沉设计受制于加工水平的限制，现有微 通道加工技术包括：化学腐蚀、激光切割、微机械加工、反应离子刻蚀等，其中化学腐蚀技术成熟，易于规模 化，适合于实用化微通道热沉的制备．但是，由于金属材料的各向同性，大规模化学腐蚀时的侧腐蚀效应 导致微通道深宽比较低，微通道热沉设计时应予以考虑．选择微通道壁厚(2a)、微通道宽度(2b)均为0．2 mm，标准微通道热沉的各层厚度(f)均为0．3mm”1；为了确定微通道前断面壁厚(d)、层间折转通道宽度 数值传热计算． 数值计算得到80w连续输出，1mm腔长半导体激光bar，典型电光转换效率60％，热沉内部冷却水 总流量0．3 L／min，微通道壁厚、微通道宽度均为0．2mm，微通道前壁厚固定为0．5mm时，热沉热阻、通 过微通道区冷却水压降随层间折转通道宽度变化关系曲线，如图2所示，其中热沉热阻定义为热源区域平 均温度与发热量之比．由图2可以得到，热沉热阻随c增大基本呈线性增加，这主要是由于局部雷诺数降 低，热边界层增加而引起的；同时，冷却水流通过微通道区的压降随之下降并趋于饱和．实际参数确定时 收稿日期：2008—05—08． 作者简介：尧舜(1979一)，男，重庆人，助理研究员 第12期 尧舜，等：大功率半导体激光器实用化微通道热沉 1719 应在热沉热阻允许范围内选择较大的e值以减小整体压降，降低外围管路和水泵的负载．