液态镓铟合金冷却高功率高亮度半导体激光阵列研究

以水作为冷却介质的微通道热沉性能已趋极限，难以满足高功率、高亮度半导体激光阵列发展需要。本项目以高功率、高亮度半导体激光阵列热管理需求及结构兼容性为出发点，将新型液态金属冷却技术引入到大功率半导体激光领域，力求在保持现有半导体激光阵列基本集成结构框架不变的情况下，高效解决高功率、高亮度半导体激光阵列的热管理问题。本项目拟采用新型高导热、绿色液态金属- - 镓铟合金替代水作为冷却介质应用于半导体激光阵列微通道热沉中，并就半导体激光阵列热场条件下的复杂微通道结构内镓铟合金的流动特性及换热特性开展理论及实验研究，在此基础上制备获得液态镓铟合金用新型微通道热沉，为镓铟合金实际应用于半导体激光阵列冷却中提供理论与实验基础。本项目研究属新材料、新技术、新器件相结合，其成果为发展新型半导体激光冷却技术提供理论与实验探索，促进高功率、高亮度半导体激光器进一步发展。

项目基于与现有标准化微通道热沉结构的兼容性，以及整个芯片散热效果的均匀性，微通道区域设计为多通道并联散热结构，通道内工质流动方向平行于激光bar腔长方向，根据周期性对称条件对微通道热沉的二分之一进行建模，将激光bar分别理想化为一均匀面热源加载到模型表面，利用商用CFD软件FLUENT进行数值传热计算，获得不同微通道结构参数条下，半导体激光芯片工作时，GaIn合金工质条件下整个热交换体系的热流特性。计算结果表明，采用GaIn合金AlN微通道热沉对高功率半导体激光芯片进行散热，热沉热阻约为0.12-0.13K/W，与目前常用无氧铜去离子水微通道热沉相比可有效降低热沉热阻40%-80%左右，但需消3倍泵功对其进行驱动。得益于GaIn合金的高热导率，当GaIn合金流量一定时，AlN微通道热沉热阻对微通道区域结构变化敏感度较低，当微通道周期从400um到1mm，占空比从40%到80%变化时，热沉的热阻在0.122-0.138K/W范围内变化，热阻变化范围仅为13%，但工质压降变化10倍，通道越窄，压降越大。表明，GaIn工质AlN微通道热沉设计优化过程中应主要关注动力学指标（压降），热输运方面指标变化不大。.在测试样品制作过程中，开展半导体激光芯片与热沉表面低应力焊接工艺优化研究，经大量实验优化焊接参数，如正压力、保护气流量、焊接回流曲线，最终将微通道表面焊接芯片后"Smile"效应稳定控制在1um左右，焊层空洞率小于1%，降低了焊接应力和焊层局部空洞影响芯片出射波长间接干扰温度场测试的影响。完成了利用计量泵驱动GaIn合金的散热测试平台的设计和搭建，并分别以水和GaIn合金作为冷却工质的AlN MCC进行散热性能测试。结果表明在实际应用中，GaIn合金的流动换热特性尚有待进一步深入研究，为这种高性能冷却工质的实际使用提供理论和实验保障。