高光束质量大功率半导体激光阵列的微通道热沉

针对现有高光束质量大功率半导体激光阵列内部发光单元条宽、填充因子不断减小,腔长不断增加的发展趋势所带来的热源分布及长度变化影响器件热阻的问题,利用分离热源边界条件结合商用计算流体力学(CFD)软件FLUENT进行数值计算,获得微通道热沉热阻随阵列器件发光单元条宽、空间位置变化关系以及不同阵列腔长对应的微通道优化长度.根据优化参数制备获得尢氧铜微通道热沉,并对宽1 cm,腔长1 mm,条宽100μm,填充因子为25%的半导体激光阵列进行散热能力测试,冷却器外形尺寸27 mm×11 mm×1.5 mm.微通道热沉热阻0.34 K/W,能够满足半导体激光阵列器件高功率集成输出的散热需求.     

不同过渡热沉封装微盘腔半导体激光器热分析

为了降低微盘腔半导体激光器工作时有源区的温度,提升封装的可靠性,基于Ansys Workbench有限元分析分别对AlN,WCu10,SiC,石墨烯,以及CVD金刚石过渡热沉封装的蜗线型微盘腔半导体激光器进行了热特性分析,得到了器件工作时的温度分布以及热应力、热应变分布.结果显示,SiC封装器件的有源区温度较AlN和WCu10封装器件分别降低了 2.18,3.078 C,并在五种过渡热沉封装器件中表现出最低的热应力,器件热应变最小.SiC过渡热沉封装可以有效降低微盘腔半导体激光器工作时的有源区温度,同时减少封装应力与器件应变,从而提高器件的散热能力和可靠性.计算结果对半导体激光器单管散热及阵列集成散热均有指导意义.     

高光束质量大功率半导体激光阵列的热特性

针对目前大功率半导体激光短阵列器件和多个半导体激光单元器件集成结构应用于全光纤结构光纤激光器的发展趋势及其相关热控制理论的缺乏,利用有限元软件ANSYS对基于标准传导热沉散热结构的高光束质量半导体激光阵列(LDA)进行热特性仿真计算,通过改变阵列内部发光单元间距、发光单元数,将传统高填充因子厘米阵列(cm-bar)结构过渡到短阵列器件或多单元集成器件热模型,其热特性,为这种具有高光束质量的新型器件的设计及其高性能、长寿命散热提供了理论基础。     

基于微通道致冷的大功率LED阵列封装热分析

采用微通道致冷技术,设计了大功率LED阵列封装的微通道致冷结构,并应用热分析软件模拟了其热性能,探讨不同鳍片结构尺寸、流速、功率等参数对LED多芯片散热效果的影响.文中提出了采用交错通道以提高LED封装的散热能力,模拟结果显示,交错微通道致冷的封装结构能很好地满足大功率LED阵列的散热需要.     

高功率半导体激光器微通道热沉的模拟优化

针对原curamik微通道热沉因进水通道流量不均而导致散热不均匀的现象,基于FLUENT软件对其进行数值模拟。从内部结构及热沉材料方面提出优化方案,并进一步获得在热沉高度和进出口宽度为固定值的条件下,微通道宽度、间距及通道脊长度3个因素分别对芯片表面温升和压降的影响规律。根据优化的参数,通过选区激光熔化技术制备获得纯镍微通道热沉并进行芯片封装测试。结果显示,微通道热沉散热均匀,热阻为0.39K/W,压降为140kPa,能够满足输出功率为80 W的半导体激光器单巴条芯片的散热要求。     

大功率半导体激光器载体设计

激光器工作时由于存在各种非辐射复合损耗和自由载流子吸收等损耗机制,使注入到器件中的部分电功率转换成热耗散在激光器内,直接影响激光器的效率和寿命,因此散热处理一直是一个引人注意的焦点。采用微通道载体解决大功率半导体激光器阵列连续工作时散热问题,通过ANSYS软件模拟优化结构参数,实验测得了大功率半导体激光器阵列热阻。     

硅基热沉大功率LED封装阵列散热分析

为求解硅基热沉大功率LED封装阵列在典型工作模式下的热传导情况,采用Solidworks建立了2×2封装阵列的三维模型,模拟了其温度场分布,同时结合传热学基本原理分析计算了模型各部分的温度值,并对实际工艺制备出的封装器件的结温进行了测量。结果表明,理论计算值与热仿真结果基本一致,测量值也能很好地与理论计算值相吻合。     

高温高效率半导体激光器阵列封装结构研究

分析了热沉和陶瓷基板对背冷式封装结构半导体激光器阵列性能的影响.通过栅格化厚铜填充技术降低了复合金刚石热沉的等效电阻,并实现了热膨胀系数匹配;采用热沉和陶瓷基板嵌入焊接技术,提高了封装散热能力和稳定性.制作了间距为0.4 mm的5Bar条芯片阵列样品,在70℃热沉温度、200 A工作电流(占空比为1％)条件下进行性能测试,结果显示器件输出功率为1 065 W、电光转换效率为59.2％.在高温大电流条件下进行了 1 824 h寿命试验,器件表现出良好的可靠性.     

一种高功率LED封装的热分析

建立了大功率发光二极管(LED)器件的一种封装结构并利用有限元分析软件对其进行了热分析,比较了采用不同材料作为LED芯片热沉的散热性能.最后分析了LED芯片采用chip-on-board技术封装在新型高热导率复合材料散热板上的散热性能.     

百瓦级多芯片半导体激光器稳态热分析

半导体激光器在各领域的广泛应用要求其输出功率不断提高,使得多芯片集成封装大功率半导体激光器的发展成为主流之一。针对典型的12 只芯片以阶梯形式封装的百瓦级激光器,利用ANSYS 软件进行了稳态热分析,模拟得出芯片有源区温度及其热耦合温升与热沉结构尺寸变化的关系曲线,分析了该激光器热特性,进而提出一种使芯片散热较好的热沉结构。     

金刚石复合热沉面发射激光器面阵热特性研究

通过设计基于金刚石微槽结构的复合热沉,利用不同材料的热导率差异改变热流传导方向,以优化垂直腔面发射半导体激光器(VCSEL)面阵由于温度分布不均匀导致的中心热量堆积的问题,从而改善激光器面阵整体的输出功率,提高可靠性。基于有限元分析法建立三维热电耦合模型,研究了VCSEL面阵单元排布方式对激光器热串扰效应的影响,同时还研究分析了金刚石复合热沉中微槽形状和位置的变化对半导体激光器内部温度的影响,设计最优结构对激光器的出光性能做进一步优化。采用金刚石复合热沉后的垂直腔面发射激光器面阵,与传统金刚石热沉的封装结构相比,激光器发光单元的温度差值降低了29%,为大面积半导体激光器面阵的输出功率优化提供了新思路。     

连续工作的体布拉格光栅外腔半导体激光器的温度特性

对体布拉格光栅(VBG)作为波长选择元件的外腔半导体激光器的波长锁定进行了实验研究,报道了连续运转输出功率达43.5 W的半导体激光器阵列的体布拉格光栅波长锁定实验结果,给出了不同热沉温度下的稳定的波长锁定结果,说明采用体布拉格光栅外腔将减小半导体激光器的温控压力。实验中发现,随着注入电流的增大,输出激光功率逐渐增强,锁定的激射波长向长波长方向偏移。在输出功率为34.5 W时,波长红移约0.56 nm。这一移动与实验测量的体布拉格光栅的温度特性相吻合。连续和高占空比运行、高输出功率情况下,在器件的设计和使用时应该考虑这一效应。     

激光二极管合束模块整体散热热阻分析

半导体激光器散热是在热源至热沉之间尽可能提供一条低的热阻通路。其主要目的是降低外热阻(即激光器芯片至散热空间的热阻),使发热激光器芯片与被冷却表面之间保持一个低的温度梯度和良好的热接触。对于接触热阻冷却方法,人们往往根据自身的研究对象,用实验方法来解决接触热阻的问题。通过对单管合束模块整体热阻逐步进行分析,通过软件模拟和结合频率红移法对激光二极管热阻进行测量,得出单管合束模块整体散热热阻小于0.25 ℃/W。此散热模块可以满足百瓦级半导体激光器的散热要求。     

射流微通道耦合高效散热器传热实验研究

针对光导开关高重复频率运行时产生丝电流加热,使光导开关温度迅速超过材料最高允许使用温度,造成开关失效或损伤的难题,本文结合微通道散热技术和射流冷却技术的优点,设计了射流微通道耦合高效散热器。通过实验测试,对不同运行工况下射流微通道耦合高效散热器的传热特性进行了研究,并与美国进口的蜂窝型微通道散热器进行散热性能对比。实验结果表明：体积流量为3 L/min的情况下,射流微通道耦合高效散热器的换热系数超过35 000 W/(K·m²),散热量高达1 000 W,相比蜂窝型微通道散热器散热量提升了45%。在测试流量下,随着体积流量的增加,射流微通道耦合高效散热器的平均换热系数接近线性增加,而蜂窝型微通道散热器的平均换热系数在大流量下却增加缓慢。此外,采用射流微通道耦合高效散热器冷却的热源面温度均匀性明显优于采用蜂窝型微通道散热器冷却的热源面温度均匀性,采用射流微通道耦合高效散热器的热源面温度波动能降低58%,更有利于降低光导开关热应力。     

基于氮化铝技术的表贴型微波封装

采用氮化铝多层布线技术,运用垂直过渡方式实现微波信号从基板底部到表面的信号传输,完成表贴式微波封装设计。在DC-18GHz内,该表贴互连反射损耗小于-15dB,插入损耗小于1.0dB。采用该技术封装了6～18GHz宽带放大器,封装尺寸为5mm×5mm×1.2mm,频带内反射损耗小于-10dB,增益15dB,平坦度小于1dB;另外还封装C波段5W功率放大器,封装尺寸为8mm×8mm×1.2mm,带内增益大于25dB,反射损耗小于-10dB,饱和输出功率37dBm,效率35%。采用技术的表面贴装放大器性能上能够满足微波通信、雷达应用,可用回流焊安装,适合规模生产。     

大功率电子器件散热系统的数值模拟

针对大功率器件的散热状况,采用强迫水冷的散热系统设计方案,并依据国家有关标准与试验要求,应用有限元分析软件ANSYS对其水冷散热器的流场、温度场进行了数值模拟和系统分析.模拟结果不仅可以方便地观察到散热器内腔各处水流的饱和程度、流速及压力分布,而且可以得到功率器件、散热器和流体的温度分布;同时也验证了数值模拟方法的合理性,对散热器结构的优化设计提供了可靠的保证.     

Thermal Interaction in Semiconductor Laser Arrays

A novel theoretical model of thermal diffusion has been established to study thermal interaction between two neighboring diodes in semiconductor laser arrays. The main cause of the ocurrence of the thermal interaction between two neighboring diodes in array devices is the heat conduction through heat sink. We hold that as the devices must have heat sink to diffuse heat, this kind of interaction in the array would always exist. However, when the pitch between two neighboring diodes in the array is reasonably defined, this troublesome thermal interaction can be simply reduced by using our model. Based on the individual diodes with leaky waveguide structure, we experimentally succeeded in fabricating 2D 4 ×4 arrays. The thermal interaction between upper and lower diodes in the 2D array is also considered as well as the function of the heat sink. The measured results show that the pulse peak output powor of the 2D 4 ×4 array is high up to 11 W.     

超高导热金刚石铜复合材料在GaN器件中的应用

金刚石铜具有高导热率和低膨胀系数,可用于大功率芯片的散热热沉.未做处理的金刚石表面非常光滑,不易附着其他金属,由于金刚石性质非常稳定,不容易被强酸和强碱进行表面处理.采用JG-01金刚石铜粗化处理液对金刚石进行粗化处理,而对铜无损伤,提升了金刚石表面结合力.金刚石铜镀层对金锡(AuSn)和锡铅(PbSn)焊料的润湿性满足GJB548B-2005要求.GaN功率放大器芯片采用金刚石铜热沉比铜钼铜热沉结温可以降低12℃.金刚石铜载板镀层润湿性良好,焊接后芯片底部的空洞率不大于3％,热沉焊接后空洞率不大于5％,满足高功率芯片散热要求.按照产品环境适应要求,对GaN功率放大器做了高低温冲击和机械振动两种环境筛选实验,最终满足可靠性考核要求.     

高功率轴快流CO2激光器激励源热沉结构优化设计

为了提高激励源的热稳定性,保证4kW轴快流CO₂激光器的光束质量,采用计算流体动力学的方法,理论分析了激光器激励源热沉的散热机理,对热流密度为106W/m2、面积为16cm2的激励源热沉结构进行了优化设计。结果表明,经过优化之后的热沉其表面的最高温度低于340K,完全能够满足激光器正常工作时激励源核心功率MOSFET对散热指标的要求;同时经过数值模拟得到了带凹槽微通道热沉的优化结构尺寸,分别是微通道凹槽间距P=0.6mm,微通道凹槽倾角θ=45°,微通道凹槽交错距离s=0.1mm,同时当雷诺数Re=546.9时,热沉有最优的散热效果,激光输出功率的稳定度可以控制在±2%以内。此研究为设计具有高效散热能力的微通道热沉提供了理论指导。