半導(dǎo)體激光焊接機(jī)的激光器新型散熱方法

在最后一篇文章《半導(dǎo)體激光焊機(jī)的激光散熱方法》中，傳統(tǒng)的散熱方法能滿(mǎn)足當(dāng)前的要求，需要研究更多新的散熱方法。

首先，了解散熱性能分析中需要注意的事項(xiàng)

高功率半導(dǎo)體激光器的散熱性能主要由熱阻和熱通量來(lái)評(píng)估，在評(píng)估時(shí)應(yīng)考慮限溫下的熱通量。若在散熱分析中發(fā)現(xiàn)兩者之間的溫差較大， 激光芯片表面會(huì)結(jié)露。這個(gè)問(wèn)題出現(xiàn)后，不僅會(huì)影響光輸出功率，還會(huì)影響波長(zhǎng)的鎖定，甚至?xí)p壞電路的光電性能，較終影響可靠性。熱阻的常用方法是使用熱導(dǎo)率材料， 導(dǎo)熱材料的出現(xiàn)為激光冷卻提供了更多的優(yōu)化空間。

目前有幾種散熱方式。

噴霧冷卻散熱方法

在壓力的幫助下，噴霧冷卻， 將冷卻液霧化到傳熱表面，達(dá)到冷卻的目的。噴霧冷卻的主要特點(diǎn)是傳熱系數(shù)大，冷卻液流量低。當(dāng)研究人員發(fā)現(xiàn)用水作為介質(zhì)，用實(shí)心圓錐噴嘴進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)， 微結(jié)構(gòu)的表面可以增加熱交換的效果。研究發(fā)現(xiàn)，噴霧冷卻的冷卻與噴霧流速有關(guān)。此外，研究人員還發(fā)現(xiàn)了一種與散熱效果密切相關(guān)的噴霧相變冷卻器。

微通道散熱法

微通道散熱主要有兩種方式：根據(jù)通道大小定義的微通道；根據(jù)表面張力定義的微通道。

研究人員用微通道作為冷卻裝置進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了微通道的散熱特性。微通道熱沉能散熱的原因是有一定的高熱通量。研究還發(fā)現(xiàn)，微通道對(duì)散熱效果更好。此外，還發(fā)現(xiàn)微通道熱沉不同的溝槽形狀也會(huì)影響散熱效果。經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)人的研究，余弦通道的散熱特性是所有形狀中較好的。此外，研究人員還發(fā)現(xiàn)，結(jié)合微通道和玻璃微管的冷卻裝置可以滿(mǎn)足大功率半導(dǎo)體激光焊機(jī)的散熱要求。

激光器將用于微通道， 由于微通道的散熱效果優(yōu)于傳統(tǒng)的散熱方式， 它能滿(mǎn)足當(dāng)前高功率激光器的散熱要求。但微通道在使用時(shí)存在一個(gè)缺點(diǎn)，即微通道常被熱變冷介質(zhì)顆粒堵塞， 因此，需要使用納米流體來(lái)提高整個(gè)過(guò)程的換熱性能。

倒裝貼片法

仍采用倒裝貼片封裝 TEC 傳統(tǒng)的貼激光芯片和熱沉貼片正面朝上， 背面冷卻面和熱沉通過(guò)焊料連接， 但芯片有源區(qū)的熱量主要集中在上表面幾微米的區(qū)域， 一般來(lái)說(shuō)，上表面和下表面之間有數(shù)百微米的距離。熱量從這么長(zhǎng)的距離傳遞到熱沉，再到TEC 制冷，散熱效果有限。

改進(jìn)芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)， 調(diào)整芯片表面結(jié)構(gòu)和有源區(qū)加熱層，研究采用芯片倒裝貼片技術(shù)，使芯片的主加熱面在焊接層后直接與熱沉連接， 激光散熱可增加20% 或散熱效率高；由于光芯片的性能與溫度密切相關(guān)，溫度越高，波長(zhǎng)漂移越嚴(yán)重，光輸出功率也會(huì)下降或飽和，可以大大提高散熱效果，芯片光電輸出更穩(wěn)定，整個(gè)激光器的性能也大大提高。

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