高出力半導体レーザーの放熱方法に関する研究

半導体レーザーは最初に海外から研究されました。 初期の技術は米国と日本に端を発し、主に軍隊で使用されていました。 技術の反復的な開発により、それは民間市場に適用され始め、オプトエレクトロニクスや通信などの産業に適用されました。 私の国&＃39;の国防産業とオプトエレクトロニクス製造業の発展に伴い、この産業は高出力レーザーの需要を増やし始めており、人々は高出力半導体レーザーデバイスの研究も始めています。 。 研究の過程で、従来の半導体レーザーの光品質はもはや人々のニーズを満たすことができないことが発見されました。 半導体レーザーの出力を上げるために、人々は継続的に改善と分析を始めました。 研究の結果、半導体レーザーの電気エネルギーの半分が使用時に熱エネルギーに変換されることがわかりました。 半導体レーザー自体が熱をうまく放散しない場合、半導体レーザーの寿命と使用に直接影響します。 したがって、熱放散の問題は、現在、研究者によって解決されることが緊急に必要とされています。 問題の1つ。

レーザー放熱方法の分類

現在、レーザーの主な放熱方法は、従来の放熱方法と新しい放熱方法に分けられます。 従来の熱放散方法には、空冷、半導体冷凍、自然対流熱放散などが含まれ、新しい熱放散方法には、フリップチップ熱放散とマイクロチャネル熱放散が含まれます。

半導体レーザーパッケージの放熱メカニズムは、主にレーザーチップ、溶接層、ヒートシンク、金属層などで構成されています。 半導体レーザーの放熱構造の溶接層は、主にチップとヒートシンクを溶接で接続するために使用されます。 高出力半導体レーザーを使用する場合の熱抵抗を低減する目的を達成するために、金スズはんだなどの比較的熱伝導率の高い材料がはんだ付け中に使用されることがよくあります。 パッケージングプロセス全体で、多くのレベルがあります。これらのレベルには、主に次のものが含まれます。チップ、はんだ層、ヒートシンク、金属層、ヒートシンクと金属層の熱伝達効果を使用してレーザーチップの熱エネルギーを伝導します。そして最後に、レーザーの寿命を延ばすために、半導体レーザーを良好な放熱を形成させます。

高出力半導体レーザーの放熱性能は、主に熱抵抗と熱流束によって評価されます。 評価では、限られた温度での熱流束に注意を払う必要があります。 放熱解析で両者の温度差が比較的大きい場合は、レーザーチップの表面に凝縮が発生します。 この問題が発生した後は、光出力パワーに影響を与えるだけでなく、波長のロックにも影響を及ぼし、接合部によっても影響を及ぼします。 露出の問題は、回路の光電性能を損ない、最終的に信頼性に影響を与えます。 現在、熱抵抗を低減する一般的な方法は、熱伝導性材料を使用することです。 熱伝導性材料の出現により、レーザーが温度を下げるための最適化スペースが増えました。

自然対流ヒートシンク冷却および放熱方法自然対流ヒートシンク冷却および放熱は、熱伝導率の高いいくつかの材料を使用して発生した熱を取り除き、自然対流によって熱を放散することです。研究中、科学的および技術的担当者はまた、フィンが熱を放散するのにも役立ち、熱を放散するときに熱放散システムの熱伝達率を最大化できることを発見しました。 温度が同じ場合、フィンの高さが高くなるとフィンのピッチが小さくなります。 基板を使用してヒートシンクを垂直に配置する場合は、高さを適切に高くする必要があり、高さを高くすることで放熱効果が向上します。 このような放熱方法を使用すると、多くのコストを削減できます。 実際の作業では、ヒートシンクとして銅や窒化アルミニウムがよく使用されますが、ヒートシンク方式では、高出力半導体レーザーの放熱ニーズを十分に満たすことができません。

大チャンネル水冷方式

ヒートシンクの温度を下げたい場合は、ヒートシンクにチャネルを構築する必要があります。 冷却効果を実現したい場合は、レーザーの動作を遅らせないように、このチャネルに特定の水源を追加する必要があります。 これに対応して、研究者は研究中にスポイラー構造の放熱効果が従来のキャビティ構造よりも優れていることを発見しましたが、チャネル内の圧力上昇も発生します。 研究によると、大きなチャネルが広く使用されていますが、レーザー出力が継続的に増加するため、水冷の大きなチャネルでは、高出力半導体レーザーの放熱要件を満たすことができなくなります。

スプレー冷却方式

スプレー冷却とは、冷却の目的を達成するために、圧力を利用して噴霧化することにより、冷却液を伝熱面にスプレーすることです。 スプレー冷却の主な特徴は、大きな熱伝達係数と低いクーラントフローです。 研究者は、媒体として水を使用し、実験に固体コーンノズルを使用すると、微細構造の表面が熱交換効果を高める可能性があることを発見しました。 研究中に、スプレー冷却の冷却性能はスプレー流量に関連していることがわかりました。 さらに、研究者たちはスプレー相変化クーラーも発見しました。 実験中、スプレー冷却装置のノズルの高さと放熱効果も非常に密接に関連しています。

結びの言葉

全体として、放熱効果を改善するための2つの最も重要な要素は、放熱システムの熱抵抗を減らし、熱流束を増やすことです。 熱抵抗を下げる場合は、熱伝導率の高い材料を使用して熱抵抗を下げることができます。 熱流束を増やす場合は、放熱端子の熱伝達率を上げると効果的です。 高出力レーザーの性能指標がますます高くなるにつれて、多くの方法はもはやアプリケーションの要件を満たすことができなくなります。 高出力半導体レーザーに適した放熱方法を見つけるために、より多くの研究者が継続的な研究努力を行う必要があります。