半導(dǎo)體激光器熱特性

半導(dǎo)體激光器熱特性第1頁(yè)/共30頁(yè)半導(dǎo)體激光器的熱特性閾值電流隨有源區(qū)溫度的指數(shù)增長(zhǎng)；電光轉(zhuǎn)換效率隨有源區(qū)溫度的指數(shù)下降；有源區(qū)溫度增加器件壽命下降；腔面溫度升高非輻射復(fù)合導(dǎo)致ＣＯＤ問(wèn)題。有源區(qū)溫度控制大功率半導(dǎo)體激光器應(yīng)用的核心問(wèn)題。第2頁(yè)/共30頁(yè)半導(dǎo)體激光器的散熱熱相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)單元器件的散熱結(jié)構(gòu)陣列器件的散熱結(jié)構(gòu)第3頁(yè)/共30頁(yè)熱量傳遞的基本方式導(dǎo)熱：物體各部分之間不發(fā)生相對(duì)位移時(shí)依靠微觀粒子熱運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的熱量傳遞。對(duì)流：由于流體之間相對(duì)位移、冷熱流體相互摻混引起的熱量傳遞。熱輻射：通過(guò)電磁波來(lái)傳遞能量的方式稱為輻射第4頁(yè)/共30頁(yè)幾個(gè)基本公式傅立葉定律（熱傳導(dǎo)）

q=-λ(dt/dx)λ：熱導(dǎo)率牛頓冷卻公式（對(duì)流散熱）

q=hΔth:表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)斯泰藩-波爾茲曼定律（熱輻射）

q=ξA（T1-T2）第5頁(yè)/共30頁(yè)

固體中的熱傳導(dǎo)核心：目標(biāo)物體溫度場(chǎng)函數(shù)t（x.y.z)的確定。穩(wěn)態(tài)無(wú)內(nèi)熱源情況下的Laplace方程第6頁(yè)/共30頁(yè)求解方法—解析函數(shù)法解析函數(shù)法：利用合理的數(shù)學(xué)語(yǔ)言把實(shí)際工況變換成導(dǎo)熱微分方程，然后利用數(shù)學(xué)物理方法解之，得到溫度場(chǎng)函數(shù)。適用領(lǐng)域：整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、理想化的情況。第7頁(yè)/共30頁(yè)求解方法—數(shù)值解法數(shù)值解法：利用有限個(gè)離散點(diǎn)值的集合表征物理場(chǎng)（量）的連續(xù)變化情況。適用領(lǐng)域：外形結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、很難獲得解析解的情況下。第8頁(yè)/共30頁(yè)熱阻概念的引入熱量的傳遞同自然界中的其它轉(zhuǎn)移過(guò)程，如電量的轉(zhuǎn)移、質(zhì)量的轉(zhuǎn)移有著共同的規(guī)律，可歸結(jié)為：過(guò)程中的轉(zhuǎn)移量=過(guò)程中的動(dòng)力/過(guò)程中的阻力電學(xué)中這種規(guī)律性就是歐姆定律：傳熱學(xué)中此規(guī)律演變?yōu)椋?/p>

第9頁(yè)/共30頁(yè)半導(dǎo)體激光器的熱阻Φ為有源區(qū)產(chǎn)生的熱量：Φ=IV-Popt△t是有源區(qū)與冷卻介質(zhì)之間的溫度差Ｒ為有源區(qū)與冷卻介質(zhì)之間的熱阻，單位Ｋ／Ｗ降低有源區(qū)到冷卻介質(zhì)之間的熱阻是半導(dǎo)體激光熱控制的核心。第10頁(yè)/共30頁(yè)半導(dǎo)體激光單元器件依靠自然對(duì)流散熱，熱阻較高，熱阻約為５Ｋ／Ｗ左右第11頁(yè)/共30頁(yè)陣列器件熱沉的分類無(wú)源熱沉（passiveheatsinks)：

有源熱沉（activeheatsinks)：

第12頁(yè)/共30頁(yè)無(wú)源熱沉的熱結(jié)構(gòu)

(x=0,x=a)

(y=0,y=b);t=0(z=c)(z=0)

第13頁(yè)/共30頁(yè)計(jì)算結(jié)果利用傅立葉變換法求解以上方程組得到溫度場(chǎng)t（x,y,z）：第14頁(yè)/共30頁(yè)計(jì)算結(jié)果熱沉尺寸：25

257.5mm3熱流密度：4106W/m2λ=398W/m﹒K熱阻與熱沉長(zhǎng)、寬的關(guān)系熱阻與熱沉厚度與長(zhǎng)度的關(guān)系第15頁(yè)/共30頁(yè)半導(dǎo)體制冷半導(dǎo)體致冷也叫溫差電致冷是利用半導(dǎo)體材料的溫差電效應(yīng)——即珀?duì)柼?yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)致冷。把不同極性的兩種半導(dǎo)體材料（P型、N型），聯(lián)成電偶對(duì)，電流由N型元件流向P型元件時(shí)便吸收熱量，這個(gè)端面為冷面，電流由P型元件流向N型元件時(shí)便放出熱量，這個(gè)端面為熱面。體積小重量輕，具有致冷和加熱兩種功能：改變直流電源的極性，同一致冷器可實(shí)現(xiàn)加熱和致冷兩種功能。第16頁(yè)/共30頁(yè)無(wú)源熱沉的熱結(jié)構(gòu)第17頁(yè)/共30頁(yè)普通水冷熱沉第18頁(yè)/共30頁(yè)普通水冷熱沉牛頓冷卻公式（對(duì)流散熱）

q=hΔth:表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)第19頁(yè)/共30頁(yè)計(jì)算結(jié)果第20頁(yè)/共30頁(yè)基于普通水冷熱沉的亞封裝模塊第21頁(yè)/共30頁(yè)普通微通道熱沉第22頁(yè)/共30頁(yè)計(jì)算結(jié)果1mm腔長(zhǎng)bar，80W連續(xù)工作，電光轉(zhuǎn)換效率60%，微通道壁和微通道寬度均為200um時(shí)的溫度分布。熱阻為0.29K/W.第23頁(yè)/共30頁(yè)熱阻的實(shí)驗(yàn)測(cè)試熱阻0.34K/W第24頁(yè)/共30頁(yè)計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果差異分析Bar自身結(jié)構(gòu)熱阻；焊接界面熱阻；微通道制備結(jié)構(gòu)與理想結(jié)構(gòu)差異。第25頁(yè)/共30頁(yè)背冷式微通道熱沉第26頁(yè)/共30頁(yè)背冷式微通道熱沉的應(yīng)用