高功率半导体激光器封装技术（下）

承接2025.6月刊P25

4.热管理技术

尽管半导体激光器的光电转换效率远优于其他类型激光器，但其日益提升的功率要求与紧凑化结构设计，显著提高了热管理技术的严苛性。高功率密度输出会导致激光器产生可观的热流密度，严重影响其输出效率、功率、波长等性能指标及可靠性，前文所述的失调问题核心因素亦源于此。因此，高功率半导体激光器的散热解决方案研究始终备受关注。本章介绍的高功率半导体激光器热管理技术分为传统散热方法与新型散热方法，通过对比各类热管理技术的散热方式与效果，分析其优劣特性，最终探讨可行的散热方案。

◆4.1传统散热方法
4.1.1自然对流散热片冷却
自然对流冷却法采用高导热金属扩展激光芯片的自然对流散热面积，从而提升散热效率并降低芯片温度。该方法散热结构加工简便且易于组装，通常选用高导热率的铜作为散热片材料。Yuncu等设计了一种翅片式散热片，通过研究获得翅片高度与间距对散热效果的影响规律：在温度恒定时，最佳翅片间距随翅片高度增加而减小。该散热片可适用于50W高性能激光器。

Meng等进一步研究了同类翅片式散热片与芯片的相对安装角度，对散热性能的影响。研究表明：安装角为15°时散热效果最差，90°时散热效果最优。同时还发现，通过适当切削散热片翅片边角，可降低比热阻并提高传热系数。改进后的散热片可适用于80W高性能激光器。图8A展示了不同安装角度下散热片结构及其翅片温度分布。

 

图8：传统散热方法图示说明。（A）切角散热器结构示意图及不同安装角度下的散热鳍片温度分布图；（B）带圆柱扰流片的S型大通道水冷装置；（C）典型半导体冷却装置结构示意图

然而，此类散热方法的容量有限，整体散热速度较慢，仅适用于早期低功率半导体激光器，难以满足功率持续提升的高功率激光器需求。

4.1.2大通道水冷技术
学者通过在散热片内构建大尺寸腔体并注入水流，将自然对流转化为强制对流，从而进一步降低激光器高热负荷。这种散热方法称为大通道水冷技术，其散热效率高于被动散热方式。Kan等设计的水冷散热通道通过优化孔径尺寸，实现了更高的激光光电转换效率。该散热器在输出功率115W时可确保激光器热阻为0.6℃/W。

然而该设计存在温度分布不均和热流密度偏低的问题。为此，有学者提出在水冷通道内增设交错排列结构、交叉线结构等湍流结构，虽提高了平均热流密度，但增加了通道压力。后续Zhao等设计了带圆柱扰流的S形水冷通道散热结构，通过研究确定了最佳散热效果的水流速度，其散热效果优于前期成果——200W激光器工作时热阻可达0.015°C/W。图8B展示了该散热装置结构。

Tsunekane等进一步指出，在水冷通道表面设置微纤维结构的散热装置，其热阻比平面结构降低40%。尽管大通道水冷技术的散热效果越来越难以满足高功率激光器需求，但其结构简单、散热效果良好的特点，使其仍是现阶段实际应用最广泛的散热方案之一。

4.1.3半导体致冷技术
半导体致冷是基于塞贝克效应的散热方法。在该过程中，半导体致冷芯片仅作为散热载体，需消耗电能驱动，最终热量通过冷端在对流作用下扩散（结构示意图见图8C）。早在1992年，Tongeren等就采用该技术实现环境温度65℃时激光芯片温度稳定在25℃。Zhang等通过提高加热段流体流速与散热片尺寸，将半导体散热器的热阻优化至环境温度60℃时小于1.55℃/W。

Tan团队则对热电致冷器（TEC）结构进行优化：通过改进传热面积分布，使TEC冷热端面积比达到最佳散热效果，并揭示了TEC材料特性与最大散热效率的关系，对半导体致冷系统设计具有指导意义。该技术具有散热速率快、体积小、可靠性高及操作简便等优势，但其制冷能力有限，通常仅适用于低功率半导体激光器冷却系统。

◆4.2新型冷却方法
4.2.1微通道水冷技术
微通道水冷与传统大通道水冷主要有两点区别：一是通道尺寸更小（直径10-200μm），二是表面张力更大。该技术具有冷却成本低、电化学腐蚀损伤小、维护简便等优势（典型结构见图9A）。为提升微通道水冷装置的散热性能、降低加工难度并增强设计可行性，学者们在结构优化方面进行了大量探索。

 

图9：典型微通道散热装置示意图。（A）常规微通道散热器件结构示意图；（B）采用间隙结构作为热交换微通道的模型图；（C）由五层薄片组成的微通道水冷散热装置详细结构图

Kozlowska等设计了一种微通道-微管复合散热结构（见图9B），该设计利用微管与通道间的狭缝作为热交换微通道，简化了微加工工艺。当热流密度达380 W/cm²时，仍能保证激光器具有良好的传热性能。

然而，这种单层通道易出现温度分布不均的问题。针对该缺陷，Hung等设计了一种双层微通道结构，其热阻较单层结构更小，且具有更优的散热性能与更均匀的温度分布，散热效果提升6.3%。Wang团队在前人基础上进一步优化双层微通道散热片结构：通过截断上层通道形成阶梯式散热片，使热阻较前代结构降低30%。

这种双层散热片结构存在加工难题。Deng等设计了一种由五层异形铜板组成的微通道水冷散热片（结构示意图见图9C）：第一层作为冷却液进出口；第二至四层组合构成微狭缝通道；最下层作为激光芯片安装基板。这种分层微通道结构既能满足双层通道的性能需求，又可解决加工复杂性问题。研究团队还探究了狭缝长度设置对散热效果的影响，结果表明：狭缝越长，压降越小，但热阻也随之增大。

在0.8 L/min的流速下，该散热器的热流密度可达506W/cm²，热阻仅0.23 K/W。常规微通道散热片多以铜或硅为基材，而Goodson团队在材料方面进一步创新——采用化学气相沉积（CVD）技术制备金刚石微通道散热片。相较于硅基微通道，金刚石微通道具有更低的热阻率与更优的散热特性，经测算其热阻较硅材质降低75%。

总体而言，微通道水冷技术在高功率半导体激光器应用中展现出显著优势，具体表现为：散热效率高、散热结构紧凑、冷却成本低。随着加工制造技术的持续进步，越来越多精巧高效的微通道散热片设计被开发应用。然而在实际应用中，仍存在通道易堵塞、制造成本较高等问题亟待解决。

4.2.2喷雾冷却技术
相较于微通道散热方法，喷雾冷却装置的结构更为复杂。该技术首先将冷却液高压雾化为气液两相流体，随后强制喷射至受热表面，最终通过对流与相变传热实现高效强化换热。早在1992年，Yang等就采用喷雾冷却实现了1000 W/cm²的最大热流密度；此后Pais等通过增强表面粗糙度，进一步将喷雾冷却的热流密度提升至1200 W/cm²。

 

图10：氮气喷雾冷却装置

传统喷雾冷却利用液滴汽化吸热实现散热。Ishimoto等设计了图10所示的喷雾冷却结构：在氦气冷却下将液氮固化为氮颗粒，再利用氮颗粒升华实现表面冷却。Bostanci等系统研究了喷雾流量、喷射距离、入口流体温度及表面活性剂对传热性能的影响，这些喷雾冷却参数研究为后续优化提供了理论基础。

喷雾冷却技术在高热流密度散热方面优势显著，但其结构复杂，在激光散热应用中仍存在特定技术难点，目前主要应用于核电与化工领域。随着技术的持续成熟，更适用于高功率半导体激光器散热的喷雾冷却装置正逐步发展。

4.2.3射流冲击冷却
射流冲击散热是一种利用高速流体冲击传热表面以强化换热的冷却方法。Silverman等采用流速为4m/s的液态金属冲击散热表面，实现了对热流密度高达2000 W/cm²的粒子加速器的散热，但换热温差达到了100℃。显然，直接将这种散热器应用于激光冷却可能会引发一些问题。相比之下，Browne等使用温度为23℃、流速高达20 m/s的水作为射流介质，在热流密度为1100 W/cm²时将受热面温度控制在50℃。

 

图11：激光散热专用射流冲击装置喷嘴结构示意图；（B）水冷散热与射流冲击散热复合装置结构示意图

设计的射流冲击喷嘴结构如图11A所示。该喷嘴采用微电子机械精密加工制成，具有结构紧凑、可靠性好的特点，适用于激光器散热，并能有效改善激光芯片的“微笑效应”。Miyajima等设计了一种新型射流冲击冷却散热器，该装置融合了射流冲击技术与水冷技术，其结构示意图如图11B所示。该器件由进水口、热交换器和出水口组成，冷却液流经底部区域，同时通过300微米孔径喷射的冷却液冲击靶板粗糙表面，从而提升冷却效率。

输出功率255W的激光器，其热阻可控制在0.25°C/W。射流冲击冷却技术通常应用于核反应堆散热及其他超高热流密度场景。该散热方法的缺点在于需要提供特定的高速喷射冷却介质，导致功耗相对较大。要将其应用于大功率半导体激光器的散热，还需进一步优化改进。

4.2.4热管冷却
热管散热是一种被动式散热装置，同样利用相变传热原理实现散热，其典型散热结构如图12A所示。Hou等人设计了两款热管冷却装置：首款n型热管冷却系统由8根6毫米热管与烧结粉末吸液芯组成，可轻松处理最高73W的激光模块热负载，对应最大热流密度达367W/cm²；第二款U型热管冷却系统则采用10根12毫米铜质热管搭配烧结粉末吸液芯，能同时为五个激光模块提供散热支持，最高可处理300W的热负载。

 

图12：（A）典型热管冷却装置结构示意图；（B）U型与n型热管散热器结构图

图13：（A）液态铝合金环管旋转散热系统结构示意图；（B）血管化液态金属散热器结构示意图

其结构示意图如图12B所示。有学者研究了热管倾斜角度及充液率对传热效率的影响，发现当充液率为30%时热管具有更优的传热效果，其中水平放置的热管热阻更小。尽管热管散热技术是一种新型激光散热方案，但由于其被动散热特性，可实现的热流密度相对有限。目前热管散热技术在激光领域的应用仍处于初步探索阶段，尚需进一步深入研究。

4.2.5液态金属散热
液态金属具有优异的导热性能，以镓铟合金为例，其导热系数约为水的28倍，且具备良好的对流传热特性。因此该材料被广泛应用于电子芯片散热技术领域，亦有学者将其应用于大功率半导体激光器的散热研究。Vetrovec等创新性地提出一种液态金属散热方案：将液态铝合金注入环形腔体进行旋转流动，同时结合热管或微通道强化散热，其结构示意图如图13A所示。研究表明，当激光芯片热流达到1000W时，芯片温度可维持在23℃的低温水平。

Zhang等人将血管化液态金属冷却技术应用于大功率半导体激光二极管阵列的散热，设计出包含70个1.8毫米流道的液态金属散热器。实验结果表明：该液态金属冷却方案可实现2000W激光器的散热需求，散热器顶面温度始终低于54℃。值得注意的是，当流速超过2.4升/分钟时，血管化液态金属的冷却效能优于同结构的血管化水冷系统，其结构示意图如图13B所示。

Muhammad等学者进一步研究了以镓铟锡液态合金（Galinstan）为冷却介质的微通道散热器的热力学特性与流动特性。这种集成微通道冷却与液态金属冷却的技术方案，为大功率半导体激光器新型散热技术的研发提供了新思路。尽管液态金属具备优异的散热性能，但作为冷却介质仍存在若干问题：例如液态金属与常见金属间的腐蚀问题，以及冷却装置无法在低温环境下运行等。该技术仍需进一步研发改进。

作者：中南大学机电工程学院高性能复杂制造国家重点实验室、湖南先导集团股份有限公司

 

来源：荣格-《国际工业激光商情》

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