散热设计以及材料

1、激光器及其散热技术 Bruce 2017.9.29 提纲 激光的工作原理及散热机理 01 现阶段主流激光散热技术 02 散热材质以及特性 03 激光的工作原理及散热机理（一） 激光三要素 谐振腔 提供轴向光波，控制激光震荡 粒子反转数 以泵浦源提供增益介质能量，实现粒子数反转 增益介质 产生激光的工作物质 激光器结构示意图谐振腔工作示意图 激光的工作原理及散热机理（二） 温度与阈值电流关系 温度与输出P关系 部分能量 转换成热 量，温度 上升 量子阱增 益下降， 载流子泄 漏 阈值升高， 斜率下降， 转换效率降 低 为了保持输 出功率不变， 加大驱动电 流 产生更多热 量，节温进 一步上升 激

2、光二极管发热机理 现阶段主流散热技术（一） B 现代散热方 式 A 经典散热方 式 1 循环水冷式散热系统 2 空气对流式散热系统 1 微通道管液体散热系统 2 基于热管的相变冷却散热系统 现阶段主流散热技术（二） 激光散热技术 电源 LD 中小功率：风冷 大功率：管道水冷 平板热沉 喷雾冷却 大通道热沉 微通道水冷热沉 相变冷却 固体传导冷却 现阶段主流散热技术（三） 平板热沉 1 平板热沉是最简单的散热方式之一，主以无氧铜作为材料，价格便宜，易加工，但是散热 效果差强人意，主要应用于脉冲激光阵列以及占空比不高的激光叠阵； 2 热阻：0.5-2/W.cm2 ； 3 Example：一个50W

3、的激光热能阵列，热沉温度升高25（50W*0.5/W.cm2）,以半价转换 率计算的话，50%电能转换热能，激光器最大功率则为100W； 4 运用：无氧铜表面需要添加3m的镍，1015m的金（效果更佳） 现阶段主流散热技术（四） 大通道热沉 1 大通道热沉也多以无氧铜加工，与平板热沉区别在于平板多了大直径的水通道（保持大速 水流），热量可及时被带走，从而降低热沉的温度； 2 热阻：0.1-0.25/W.cm2 ； 3 Example：此热沉可散去100-150W的热能，若此热沉温度升高25（150W*0.16/W.cm2）, 以半价转换率计算的话，50%电能转换热能，激光器最大功率则为300W

4、； 4 运用：无氧铜表面需要添加3m的镍，1015m的金（与平板一样，构造工艺上加快热传 导） 现阶段主流散热技术（五） 微通道热沉 1 优势： 1-1 有非常小的热阻，为了增加导热性，在微通道金属化之前沉积一层多晶金刚石（13W.CM-1 .K-1） 1-2 采用硅作为热层制作材料（室温下导热性1.5W.CM-1 .K-1）； 1-3 微通道中水是分层流动的，比大通道有更好的热交换； 2 热阻：0.01-0.05/W.cm2 ； 3 Example：假设激光最高温度不超过25，则这种热沉能散去500-2500W的热能 （2500W*0.01/W.cm2 =25 ），按照半价转换率可满足500

5、W/50%=1000(min),2500/50%=5000W； 4 结构：多以多层片的微通道结构，采用的材料有硅，铜，金刚石，每层片上设计有流通冷却液的 图形和微通道，然后组合在一起构成微通道水冷器 现阶段主流散热技术（六） 喷雾冷却 1 喷雾冷却是将冷却介质雾化后直接喷射到发热物体表面，通过液膜蒸发， 强迫对流等机理带走热量的一种方式； 2 如下为中国科技大学所做的实验数据； 现阶段主流散热技术（七） 相变冷却 1 利用冷却从液相到气相的潜热来进行散热。 2 微槽群复合相变技术是利用大功率电子元器件散热的热量使取热介质蒸发产生动能和势能，蒸汽流 动使冷凝成液体，借助取热器微槽 群的毛细力和液

6、体重力回流与大功率电子器件紧贴的取热器，从而 实现无外加动力的封闭式散热循环； 铜导热系数：400W/M. 超导热能力：导热系数大于106 W/M. 01 冷却能力强; 取热热流密度可达400W/cm2 02 无功耗冷却 03 现阶段主流散热技术（八） 固体传导冷却 1 示意图如下： 常用的是固体与固体接触，但是散热效果不均匀（如光源般向四周散射出） LD 铜热沉 LD 铜热沉 金刚石箔片 正常情况下以金刚石箔片作为中间 介质易于热量的均匀化传导（原理如上） 同直径，同厚度的金刚石膜 和铜，金刚石膜的热传导率约为： 1500，而铜约为350； 因此，添加金刚石膜更有助 于热量的传导散发； 散热

7、材质以及相关特性（一） 均热板（Vapor Chamber）铜制 散热材质 Qread 热管散热器 均热版散热器 热管（Heat Pipe） 铜制 热柱相变 环路热管 FHP 散热材质以及相关特性（二） 均热板散热器 铜制 VC结构：底板（蒸发区），上盖（冷凝区）， 内部毛细结构，底板和上盖间铜环（回流液体）， 冷凝液（水，甲醇等）； 原理：工作液体吸热后变成蒸汽，由蒸汽压力推 动蒸汽流向冷凝区，利用相变潜热进行传热，当 蒸汽遇到外部的冷凝时，释放热量后变成液体， 由毛细结构将液体回流到蒸发区，从而周而复始 散热材质以及相关特性（三） 热柱相变 铜制 HP结构：铜管，毛细结构，工作液体； 常温下：铜/水热管， 低温下：铜/甲醇热管、铜/丙酮热管 环路热管 铜制 结构：超导热之热柱由铜管、底板、上盖、毛细 结构和工作液体组成。热柱的底部为蒸发区，管 体为冷凝区。 应用：热柱主要应用于CPU导热、LED工矿灯导 热等高热处理。 热柱结合相变加强原有热柱的导热性能； 散热材质以及相关