| 二極管激光（DL）面陣封裝技術(shù)是實(shí)現(xiàn)DL高功率輸出的有效手段，本文根據(jù)對DL工作頻率、封裝功率密度等參數(shù)的不同要求，分別研究了次封裝背冷式和模塊化微通冷卻兩種不同結(jié)構(gòu)的封裝。采用三維有限元法數(shù)值分析了次封裝背冷式面陣封裝散熱過程，得到了次封裝熱沉厚度優(yōu)化參數(shù)。根據(jù)次封裝結(jié)構(gòu)散熱冷卻需要，設(shè)計(jì)了銅多通道結(jié)構(gòu)液體冷卻器，同樣用三維有限元法對冷卻器的冷卻效率進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，優(yōu)化了冷卻器結(jié)構(gòu)參數(shù)。計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)冷卻器通道寬0.2mm，深1mm，壁厚0.1mm時，冷卻器具有最低的熱阻率0.093，可以滿足功率密度1000W/ cm2、占空比10％的高功率面陣DL封裝需要。
封裝實(shí)驗(yàn)采用美國國際半導(dǎo)體激光公司（SLI）的二極管芯片，芯片輸出峰值功率50W，尺寸10mm′0.15mm（厚）′0.9mm（腔長方向），中心波長804nm±3nm。次封裝背冷結(jié)構(gòu)封裝實(shí)驗(yàn)中，次熱沉采用去應(yīng)力無氧銅，經(jīng)光學(xué)拋光后各面依次濺射Ti，Pt，Au，芯片焊接面蒸鍍銦焊料，在氫氣或氮?dú)獗Ｗo(hù)環(huán)境下，采用再流焊工藝焊接形成次封裝。次封裝在低占空比條件下運(yùn)轉(zhuǎn)測試，選擇功率、閾值電流、中心波長、譜寬等性能參數(shù)一致的用于面陣封裝，共封裝了10條。在工作電流65A、電壓20.5V、脈寬190ms、重復(fù)頻率100Hz時，激光輸出功率達(dá)到538W，閾值電流20A，最高效率為38.4%。每個次封裝的串聯(lián)電阻為8.5mW，串聯(lián)電阻較大的原因是次熱沉彼此間采用預(yù)成形焊料焊接時，次熱沉表面層氧化造成焊接狀態(tài)不理想。激光中心波長在65A時為809.2nm，譜線半高寬3.5nm，適合泵浦Nd:YAG激光介質(zhì)。
模塊化微通冷卻封裝實(shí)驗(yàn)中，用重慶師范學(xué)院研制的硅微通道冷卻器封裝了11條DL芯片，芯片間距1.8mm。實(shí)驗(yàn)分別測試了脈沖寬度為170ms，工作頻率為200、700、1000Hz時的輸出功率，在工作電流為70A時，電壓為39.6V，輸出功率為527W，激光閾值電流為23A。測試時硅微通道冷卻器的水流量為120 L / h、壓力為0.405 MPa。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明硅微通道冷卻器可較好地滿足高占空比DL封裝需要，但由于實(shí)驗(yàn)用的冷卻器表面鍍金層質(zhì)量不好及用于電連接和水密封的導(dǎo)電橡膠電阻較大，導(dǎo)致器件的串聯(lián)電阻較大，平均每個模塊串聯(lián)電阻為30mW，因而總的電光效率較低，只有23.3%。通過改善硅冷卻器表面金屬化質(zhì)量及采用有低電阻率的密封材料可有效提高器件的性能。 |
