半导体激光器低热阻液冷热沉研究现状与展望_陈琅.pdf

，.，.基金项目：国家自然科学基金（）；陕西省自然科学基金（；）；陕西省科技厅人才项目（）（），（，），（）：.半导体激光器低热阻液冷热沉研究现状与展望陈 琅，刘嘉辰，张佳晨，王贞福，王 丹，李 特，中国科学院西安光学精密机械研究所瞬态光学与光子国家重点实验室，西安 中国科学院大学，北京 近年来，半导体激光器输出功率持续增加，引发热负载受限问题。热负载使芯片有源区产生温升，进一步影响芯片温度分布，导致半导体激光器（，）芯片性能逐渐劣化。而对于确定的封装形式，热沉热阻成为控制温升的决定性因素。因此，降低热沉热阻对提升半导体激光器输出能力与光束性质具有重要意义。液冷热沉可以有效降低热阻，本文从液冷热沉材料、液冷热沉结构和液冷冷媒性质三个方面，回顾了近 年 液冷热沉热阻演变进程，总结了液冷热沉发展过程中热阻的影响因素，进一步探讨了降低热阻的发展方向与应用前景。关键词 半导体激光器 液冷热沉 热阻 结构 材料 冷媒中图分类号：文献标识码：，：，引言半导体激光器（）具有电光转换效率高、输出功率高、寿命长、体积小和易集成的优点，常作为泵浦源被应用于高能量激光系统（如可控核聚变装置、高能激光武器系统、深紫外、空间通信等），具有广阔的应用前景和应用空间。输出功率和光束质量是研制 时追求的两个核心性能，但它们均受制于热负载，而这种限制在高能系统所需的高功率 泵浦源中表现得尤为突出。上述的大科学装置要求 叠阵耦合输出功率在 级或 级，这就要求单 巴条输出功率达到 量级，同时要减少叠阵封装体积以满足空间设计要求，而更为重要的一点是 芯片将电能转换为光能存在着转换效率问题。尽管现在某些近红外波段 巴条的最高电光转换效率已经由 年时的提升至，但仍会产生约 的输入功率损耗。这些损耗功率绝大多数以废热的形式存在，是使芯片有源区产生温升并影响芯片温度分布的主要原因。最终，升高的温度以及不均匀分布的温度场导致 性能（如电光转换效率、光 功 率 与 光 谱 分 布、效 应、寿命）劣化。一般地，液冷 由图 所示的 巴条与液冷热沉通过焊料焊接封装而成，对于这种标准形式的封装，巴条有源区的温升主要由封装热阻及热功率决定（见式（），而总的热阻可表示为式（），其由 巴条热阻、焊料热阻、界面热阻以及液冷热沉热阻组成。因此，当封装形式确定时，液冷热沉热阻变成了唯一变量，成为控制芯片有源区温升的决定性因素。（）（）式中：表示 芯片有源区温升，；表示封装热阻，；表示热功率，；表示 芯片热阻，；表示焊料热阻，；表示液冷热沉热阻，；表示界面热阻，。图 激光器与激光器热阻模型 热沉承载、扩散与运输芯片产生的热量，热量聚集引起的温升导致芯片性能劣化，而降低液冷热沉热阻对破解热负载受限，提升 输出功率与光束质量具有重要意义，也是众多研究者在此领域深耕的主要目的。但此领域已有的综述主要集中于 的散热封装形式与热沉冷却原理，例如，中科院理化技术研究所沈俊研究员课题组、重庆师范大学范嗣强课题组、河北工业大学吕志伟课题组的成果，而对 液冷热沉热阻的相关评价涉及很少。鉴于液冷热沉低热阻化的工作具有对今后优化 巴条温升的研究意义以及提升单 巴条功率的现实应用意义，本文就 液冷热沉低热阻化的关键影响因素进行了系统的分析与综述，梳理了大功率 液冷低热阻热沉的研究现状，并在此基础上探讨低热阻热沉的发展前景并进行了展望。液冷热沉热阻对 性能的影响 液冷热沉低热阻化可优化 的性能。随着应用于 的液冷热沉热阻逐渐降低，转换效率、功率也逐渐提升。当 功率发展到一定阶段时，又会激励液冷热沉增强性能，因此 与 液冷热沉两者之间相互影响，相互促进，见图。常温条件下，液冷散热的设计已达到瓶颈，自 年开始，液冷热阻很难突破 ，尽管 年 使用微针翅片低温冷冻方式，使 液冷热阻突破至 ，但是转换效率只有 ，这可能与 的结构设计和低温冷冻条件下材料的性能有关，虽然这两者对 性能也有重要影响，但本文着重于讨论 热沉，在此不展开论述。图 电光转换效率与 液冷热沉的演变历程 从 年第一款液冷方案被设计出并成功应用于电子行业，到 年液冷开始应用于，直至今日，经历 多年的演变，液冷 单巴条从电光转换效率、光功率 发展到现在的电光转换效率、光功率达到 级水平。在这个发展过程中，液冷热沉对 性能影响的机理也逐渐变得清晰，本节将从液冷热沉热阻对 光功率、斜率效率、光谱性能、效应、寿命等方面的影响进行论述，阐明液冷热沉热阻对 性能的作用机理。液冷热沉热阻对 光功率与斜率效率的影响 输出光功率、斜率效率与热阻关联式分别见式（）、式（），当热阻降低时，光功率增加，斜率效率增加，表明热阻对提升电光转换效率有明显作用。（）（）（）（）（）（）式中：为输出光功率，；为斜率效率；为特征温度，；为参考温度 下的斜率效率；为运行电流，；为阈值电流，。液冷热沉热阻对 光谱的影响 巴条光谱功率分布见式（），当 表示第 个发射管的温升时，则，表示第 个发射管的局部热阻，表示第 个发射管的热功率，式（）可转换为式（），容易分析出热阻对 光谱分布有显著影响。（），（）（）（）式中：（）为总发射管数为 的 巴条光谱功率分布；，为中心发射管的最大光谱功率，；与 分别为第 个发射管与中心发射管温度，；为常量；为第 个高斯函数的归一化振幅；为波长的温度系数；为第 个高斯函数的中心波长，；是第 个发射管。，（）液冷热沉热阻对 效应的影响 效应采用偏转度度量，见式（），将式（）代入式（），可以判断，当减少热阻时 显著优化，可有效减缓 效应。（）（）（）|（）式中：（）为偏转度，；、分别为激光芯片厚度与长度，；为芯片与热沉热膨胀系数之差，；为初始状态与最终状态之间温度之差，；为弯曲刚度，；为沿芯半导体激光器低热阻液冷热沉研究现状与展望 陈 琅等 片长度的坐标，；为常数，与芯片、热沉、焊料厚度及刚度相关；为纵向刚度。液冷热沉热阻对 寿命的影响温度寿命预测采用式（）表示，结合式（）可以判定减少热阻能够明显降低结温，从而有效减弱寿命老化因子的加速作用，延长使用时间。|（）式中：为使用寿命加速因子；为热活化能，；为玻尔兹曼常数，；为加速老化时激光器芯片温度，；为正常运行激光器芯片温度，。影响 液冷热沉热阻的因素分析 液冷热沉热阻一般由热沉主体材料的传导热阻、流体与固体对流换热的对流换热热阻、流体本身的热阻三部分组成，具体见式（）。在这三部分热阻中，传导热阻主要由热沉材料决定，对流换热热阻主要由热沉结构决定，流体热阻主要由冷媒性质决定。因此，为了更好地梳理影响 液冷热沉热阻的因素，针对性地概述相关研究成果，本文将从液冷热沉材料、液冷热沉结构、液冷冷媒三方面出发，回顾近 年 液冷热沉热阻演变进程，并进一步探讨低热阻化热沉的发展方向与应用前景。（）式中：为传导热阻；为对流换热热阻；为流体本身的热阻。液冷热沉材料起初，常温无法持续工作，一般采用传导冷却热沉，但这种热沉承载的热量如果过大则无法及时耗散至大气环境，从而使芯片结温升高。为解决此问题，美国 于 年借鉴 冷却超大规模集成电路（，）的方案，设计出一款内部带有水流通道的硅液冷热沉，并将其应用于，开辟了激光器的液冷新时代。研究表明，硅液冷热沉产生的热阻为 ，与同时代传导冷却热沉热阻相比，实现了数量级的跨越。同时，该方案内部通道中的流体与热沉换热成为主要的热量耗散方式，削弱了热沉对大气环境的依赖。与传导冷却相比，液冷热沉中的固体材料不再是热量的承载体，而是变成一座“桥梁”，这个“桥梁”输送 芯片热源产生的热量至微通道内的流体。由于 液冷热沉传导热阻受材料物性诸多因素影响，研究者一般通过热沉材料厚度（）、热沉材料导热系数（）、热传导面积（）三个参数定义传导热阻，见式（）。（）硅微通道液冷热沉虽然在传导冷却热沉基础上已经进行了改进，但其热阻优化与温度均匀性还有很大的提升空间，例如，热沉材料的替换。年，德国 采用高导热的铜替代硅材料制作液冷热沉，在 流量下，将热阻降低至 ，详细结构见图。通过对比硅微通道热沉与铜微通道热沉，结合式（），不难发现，热沉材料的高导热系数 对降低微通道液冷热沉热阻有很大作用。因此，在上述研究基础上，年，美国 采用高导热系数的金刚石与陶瓷制作微通道热沉应用于，对比其可靠性及散热性能发现，在 流量时，热沉的热阻小于 ，该方案在技术指标上实现了低流量低热阻的效果，但金刚石成本昂贵，其商业化成本是一个难题。图 （）硅通道热沉；（）铜通道热沉（）；（）对于微通道热沉材料的热阻，中科院西光所提出了微通道热沉导热网络热阻模型，将液冷热沉材料导热热阻模型提升至新的高度，见图。该模型将微通道热沉内部结构进行模块化划分，每一模块的热阻等效为电阻并进行串并联，组成热阻网络，该模型的建立使热沉仿真与实测数值误差控制在 以内，为后续 热沉材料热阻的仿真建模夯实了坚实的理论基础。热沉材料的厚度 也是 的重要影响因素之一，中科院西安光机所 等研究发现，紧贴 芯片的铜钨材料厚度对芯片温度分布有显著影响，不均衡的温度分布导致热应力不协调，引起光束质量劣变。增加热源与热沉材料的接触面积 可有效降低 液冷热沉热阻，此方式与采用高导热系数材料在实际应用上具有同等效果。因此，从 年开始，德国 尝试在 巴条两面均焊接高导热铜钨合金（与单面散热相比 增加一倍），制成具有次级金属衬底的 巴条，同时将八个带有次级金属衬底的 巴条垂直焊接于宏通道主体之上，形成集成化的 液冷热沉。研究表明，液冷热阻可降至 ，详细结构原理如图 所示。为进一步增加带有金属衬底的 巴条数目至 个，德国 将主体冷媒流经的宏通道改为微通道，优化固液换热能力，在不改变热阻情况下，提升了 集成度。虽然具有明显的降低热阻优势与一定的集成度，但其也有很大的局限性，单个主体上承载的芯片数目有限导致其不能充分利用垂直空间，这就产生了局部有限空间的集成，也是这一缺点导致了其规模化应用受到限制。此外，增加热源与热沉材料接触面积的另一种方式是采用双面微通道热沉，即在芯片两面同时贴上微通道热沉（相当于换热面积增加一倍），年，美国 采用该方案将热阻 降 低 至材料导报，（）：，实现了高热负载的散热，虽然此结构解决了热阻散热问题，但存在厚度大和使小型化受限的缺点，而且工艺相对复杂，对封装精度要求较高。常用热沉材料物性见表。表 常用热沉材料物性 材料名称硅铜铜钨合金金刚石碳化硅 铝钨钼铜钼合金密度（）导热系数（）热膨胀系数（）图 （）中科院光机所液冷热沉导热网络热阻模型；（）的 热沉 （）；（）液冷热沉结构相比热沉制作材料自身性能的影响因素，结构通道设计的复杂多样性使液冷热沉热阻影响因素变得丰富，而流体的形态适应性又恰巧满足这种复杂的结构。液冷热沉流体通道的影响因素很多，例如通道的特征尺寸与通道长度、通道布局、流体与固体换热面积、局部结构设计对流速的影响（射流）等，下面主要结合对流换热热阻等式（见式（）式（）中的变量进行论述，梳理近年的研究进展。（）|（）（）（）式中：为对流换热热阻；为微通道特征尺寸，为微通道长度，为流体导热系数，为努塞尔系数，为雷诺系数，为流体密度，为流体粘度，为流体流速，为普朗特数，为流体比热容。增大换热界面流体流动速度以提升 是降低对流换热热阻的有效手段，这种手段可以通过改变热沉局部结构实现，尤其是射流冲击结构。根据上述原理，年，日本 与 联合设计了 热沉，即射流冲结构模型，并且将 巴条底部对应的水流接触界面设计为粗糙面，辅助增大换热面积（）。当水流流量为 时，该结构的热阻降低至 ，与未采用 构型时的热阻（）相比，数值显著降低。年，美国 实验室在 基础上设计了一款（）热沉，该设计在铜片上加工微米级别小孔径，实现面阵射流，增加了流体流动速度，强力喷射流体至焊接芯片的热沉底部（见图），通过这种方式减小流体与固体边界层的厚度，强化对流换热。大幅度降低流道特征尺寸（），增加流速以提升，并且 型受冲击面增大了换热面积（），最终使热阻降低至 ，但此设计需强压降驱动 大流量，会产生额外的泵动力能源消耗，与现有国际上提倡的碳管理和碳中和政策相左，同时也对热沉密封及力学强度提出了更高的要求。图 （）热沉原理图；（）