散熱設(shè)計以及材料

1、激光器及其散熱技術(shù) Bruce 2017.9.29 提綱 激光的工作原理及散熱機理 01 現(xiàn)階段主流激光散熱技術(shù) 02 散熱材質(zhì)以及特性 03 激光的工作原理及散熱機理（一） 激光三要素 諧振腔 提供軸向光波，控制激光震蕩 粒子反轉(zhuǎn)數(shù) 以泵浦源提供增益介質(zhì)能量，實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 增益介質(zhì) 產(chǎn)生激光的工作物質(zhì) 激光器結(jié)構(gòu)示意圖諧振腔工作示意圖 激光的工作原理及散熱機理（二） 溫度與閾值電流關(guān)系 溫度與輸出P關(guān)系 部分能量 轉(zhuǎn)換成熱 量，溫度 上升 量子阱增 益下降， 載流子泄 漏 閾值升高， 斜率下降， 轉(zhuǎn)換效率降 低 為了保持輸 出功率不變， 加大驅(qū)動電 流 產(chǎn)生更多熱 量，節(jié)溫進(jìn) 一步上升 激

2、光二極管發(fā)熱機理 現(xiàn)階段主流散熱技術(shù)（一） B 現(xiàn)代散熱方 式 A 經(jīng)典散熱方 式 1 循環(huán)水冷式散熱系統(tǒng) 2 空氣對流式散熱系統(tǒng) 1 微通道管液體散熱系統(tǒng) 2 基于熱管的相變冷卻散熱系統(tǒng) 現(xiàn)階段主流散熱技術(shù)（二） 激光散熱技術(shù) 電源 LD 中小功率：風(fēng)冷 大功率：管道水冷 平板熱沉 噴霧冷卻 大通道熱沉 微通道水冷熱沉 相變冷卻 固體傳導(dǎo)冷卻 現(xiàn)階段主流散熱技術(shù)（三） 平板熱沉 1 平板熱沉是最簡單的散熱方式之一，主以無氧銅作為材料，價格便宜，易加工，但是散熱 效果差強人意，主要應(yīng)用于脈沖激光陣列以及占空比不高的激光疊陣； 2 熱阻：0.5-2/W.cm2 ； 3 Example：一個50W

3、的激光熱能陣列，熱沉溫度升高25（50W*0.5/W.cm2）,以半價轉(zhuǎn)換 率計算的話，50%電能轉(zhuǎn)換熱能，激光器最大功率則為100W； 4 運用：無氧銅表面需要添加3m的鎳，1015m的金（效果更佳） 現(xiàn)階段主流散熱技術(shù)（四） 大通道熱沉 1 大通道熱沉也多以無氧銅加工，與平板熱沉區(qū)別在于平板多了大直徑的水通道（保持大速 水流），熱量可及時被帶走，從而降低熱沉的溫度； 2 熱阻：0.1-0.25/W.cm2 ； 3 Example：此熱沉可散去100-150W的熱能，若此熱沉溫度升高25（150W*0.16/W.cm2）, 以半價轉(zhuǎn)換率計算的話，50%電能轉(zhuǎn)換熱能，激光器最大功率則為300W

4、； 4 運用：無氧銅表面需要添加3m的鎳，1015m的金（與平板一樣，構(gòu)造工藝上加快熱傳 導(dǎo)） 現(xiàn)階段主流散熱技術(shù)（五） 微通道熱沉 1 優(yōu)勢： 1-1 有非常小的熱阻，為了增加導(dǎo)熱性，在微通道金屬化之前沉積一層多晶金剛石（13W.CM-1 .K-1） 1-2 采用硅作為熱層制作材料（室溫下導(dǎo)熱性1.5W.CM-1 .K-1）； 1-3 微通道中水是分層流動的，比大通道有更好的熱交換； 2 熱阻：0.01-0.05/W.cm2 ； 3 Example：假設(shè)激光最高溫度不超過25，則這種熱沉能散去500-2500W的熱能 （2500W*0.01/W.cm2 =25 ），按照半價轉(zhuǎn)換率可滿足500

5、W/50%=1000(min),2500/50%=5000W； 4 結(jié)構(gòu)：多以多層片的微通道結(jié)構(gòu)，采用的材料有硅，銅，金剛石，每層片上設(shè)計有流通冷卻液的 圖形和微通道，然后組合在一起構(gòu)成微通道水冷器 現(xiàn)階段主流散熱技術(shù)（六） 噴霧冷卻 1 噴霧冷卻是將冷卻介質(zhì)霧化后直接噴射到發(fā)熱物體表面，通過液膜蒸發(fā)， 強迫對流等機理帶走熱量的一種方式； 2 如下為中國科技大學(xué)所做的實驗數(shù)據(jù)； 現(xiàn)階段主流散熱技術(shù)（七） 相變冷卻 1 利用冷卻從液相到氣相的潛熱來進(jìn)行散熱。 2 微槽群復(fù)合相變技術(shù)是利用大功率電子元器件散熱的熱量使取熱介質(zhì)蒸發(fā)產(chǎn)生動能和勢能，蒸汽流 動使冷凝成液體，借助取熱器微槽 群的毛細(xì)力和液

6、體重力回流與大功率電子器件緊貼的取熱器，從而 實現(xiàn)無外加動力的封閉式散熱循環(huán)； 銅導(dǎo)熱系數(shù)：400W/M. 超導(dǎo)熱能力：導(dǎo)熱系數(shù)大于106 W/M. 01 冷卻能力強; 取熱熱流密度可達(dá)400W/cm2 02 無功耗冷卻 03 現(xiàn)階段主流散熱技術(shù)（八） 固體傳導(dǎo)冷卻 1 示意圖如下： 常用的是固體與固體接觸，但是散熱效果不均勻（如光源般向四周散射出） LD 銅熱沉 LD 銅熱沉 金剛石箔片 正常情況下以金剛石箔片作為中間 介質(zhì)易于熱量的均勻化傳導(dǎo)（原理如上） 同直徑，同厚度的金剛石膜 和銅，金剛石膜的熱傳導(dǎo)率約為： 1500，而銅約為350； 因此，添加金剛石膜更有助 于熱量的傳導(dǎo)散發(fā)； 散熱

7、材質(zhì)以及相關(guān)特性（一） 均熱板（Vapor Chamber）銅制 散熱材質(zhì) Qread 熱管散熱器 均熱版散熱器 熱管（Heat Pipe） 銅制 熱柱相變 環(huán)路熱管 FHP 散熱材質(zhì)以及相關(guān)特性（二） 均熱板散熱器 銅制 VC結(jié)構(gòu)：底板（蒸發(fā)區(qū)），上蓋（冷凝區(qū)）， 內(nèi)部毛細(xì)結(jié)構(gòu)，底板和上蓋間銅環(huán)（回流液體）， 冷凝液（水，甲醇等）； 原理：工作液體吸熱后變成蒸汽，由蒸汽壓力推 動蒸汽流向冷凝區(qū)，利用相變潛熱進(jìn)行傳熱，當(dāng) 蒸汽遇到外部的冷凝時，釋放熱量后變成液體， 由毛細(xì)結(jié)構(gòu)將液體回流到蒸發(fā)區(qū)，從而周而復(fù)始 散熱材質(zhì)以及相關(guān)特性（三） 熱柱相變 銅制 HP結(jié)構(gòu)：銅管，毛細(xì)結(jié)構(gòu)，工作液體； 常溫下：銅/水熱管， 低溫下：銅/甲醇熱管、銅/丙酮熱管 環(huán)路熱管 銅制 結(jié)構(gòu)：超導(dǎo)熱之熱柱由銅管、底板、上蓋、毛細(xì) 結(jié)構(gòu)和工作液體組成。熱柱的底部為蒸發(fā)區(qū)，管 體為冷凝區(qū)。 應(yīng)用：熱柱主要應(yīng)用于CPU導(dǎo)熱、LED工礦燈導(dǎo) 熱等高熱處理。 熱柱結(jié)合相變加強原有熱柱的導(dǎo)熱性能； 散熱材質(zhì)以及相關(guān)