大功率半导体激光器热沉结构的数值模拟

大功率半导体激光器热沉结构的数值模拟
张语;沈俊;李珂;董学强;公茂琼;戴巍;赵延兴
【摘要】In order to improve thermal dissipation performance,three types of extended structures were designed,including vertical parallel
fin,diamond fin and rectangular fin with an inclined angle of 30°.Their thermal resistance,maximum temperature and pump power are investigated numerically.It can be seen that rectangular fin with an inclined angle of 30°has best thermal performance.However,it has to be paid more pump power to make up for the increased flow resistance.Vertical parallel fin is recommended when both thermal resistance and pump power are considered.%为了提高激光器的冷却效果,设计了3种具有不同扩展结构的热沉,包括矩形平行肋、菱形肋片和30°矩形斜肋,模拟计算3种结构对应的热沉芯片的最高温度、器件热阻和水泵功耗.结果表明30°矩形斜肋布置方:可以增强不同流道内流体的扰动,破坏热边界层,提高对流传热系数,换热性能最好;然而,由于倾斜角的存在增加了流动阻力,需要以更高的功耗为代价.综合考虑器件热阻与水泵功耗,矩形平行肋片综合性能最好.
【期刊名称】《低温工程》
【年(卷),期】2017(000)004
【总页数】6页(P1-6)
【关键词】半导体激光器;数值模拟;热沉;器件热阻;水泵功耗
【作者】张语;沈俊;李珂;董学强;公茂琼;戴巍;赵延兴
【作者单位】中国科学院理化技术研究所低温工程学重点实验室北京 100190;中
国科学院大学北京100049;中国科学院理化技术研究所低温工程学重点实验室北京 100190;中国科学院大学北京100049;中国科学院理化技术研究所低温工程学
重点实验室北京 100190;中国科学院理化技术研究所低温工程学重点实验室北京100190;中国科学院理化技术研究所低温工程学重点实验室北京 100190;中国科
学院大学北京100049;中国科学院理化技术研究所低温工程学重点实验室北京100190;中国科学院大学北京100049;中国科学院理化技术研究所低温工程学重
点实验室北京 100190;中国科学院大学北京100049
【正文语种】中文
【中图分类】TB611
半导体激光器是成熟较早、进展较快的一类激光器，它的波长范围宽、制作简单、成本低、易于大量生产，并且具有体积小、重量轻、寿命长等优势，在工业应用、照明、投影、通信、医疗以及科研等领域应用相当普遍[1-4]。

半导体激光器虽然
能够实现较大功率的输出，但是伴随着高功率会产生大量废热，高效散热已经成为激光器发展的限制因素。

大功率半导体激光器在极小区域内产生的热流密度高达107 W/m2，与太阳表面热流密度级别相当。

如此高的热流密度需要及时、高效
传递出去，否则会引起芯片有源区温度升高，导致激光器的输出性能变差、寿命变短，热积累严重时会引起激光器腔面的光学灾变，烧毁激光器。

因此，通过散热来控制芯片的工作温度一直是大功率半导体激光器研制中的重要问题。

在散热方式上，国内外学者进行多种方法的尝试。

江苏大学Xin-Jie Zhao[5]采用
热电制冷方式，冷端可用水冷或者风冷，最高热流密度可以达到4.3×105 W/m2，考虑到热电制冷方式电能转换效率低，运行中会产生大量废热，制冷量较小，难以满足高功率密度的散热需求；华北电力大学徐进良[6]制作内部烧结金属泡沫的一
体化平板热管，经优化后的冷凝端周围的翅片结构还可以起到强化换热的作用，可以实现4.5×106 W/m2的热流密度。

南京理工大学宣益民[7]使用R134a代替传
统的制冷剂水，并将加热表面做成针状翅片结构以强化传热，通过以上两种方式可以获得3.2×106 W/m2的热流密度和42.47 ℃的表面温度；Pais[8]使用去离子的空气-流体混合工质对光滑表面进行喷雾冷却实验，在较低的过热度下可以实现
1.2×107 W/m2的热流密度，到目前为止，使用喷雾冷却的方式仅能在实验室做
到如此高的热流密度，由于条件不可精确控制，还很难在实际中应用。

微通道冷却技术是当前大功率电子器件散热研究的热点。

微通道的报道最早见诸于20世纪80年代初美国学者Tuckerman和Pease[9]的文献，他们设计一种硅制
的水冷肋片式散热器，热流密度高达7.9×106 W/m2，衬底温度最高会上升71℃，与理论值一致，但是牺牲了很大的压力损失；美国华盛顿州立大学Dix[10]团队使用zigzag形微通道已经可以实现6.67×106 W/m2的热流密度；近来，波兰学者Anna Kozlowska[11]通过在微通道内放置微型玻璃管，提高液体流速，改变结构的水流方向，缩小装置体积，最高热流密度可以达到3.8×106 W/m2。

中国科学
院半导体所国家光电子装置工程研究中心仲莉[12]将大通道热沉优化成迷你通道热沉，在芯片温度低于35℃条件下，模拟结果显示其热流密度达到2.5×107 W/m2。

目前，微通道和小通道并没有严格的划分标准，Kandlikar和Grande[13]的分类
标准认可度最高。

水力直径在10 um到200 μm之间的属于微通道尺寸范围；水力直径在200 μm和3 mm之间的属于小通道范围。

虽然微通道热沉[14-16]的冷却效果最好，可以满足大热流量、高热流密度的散热需求，但是通道易堵塞、维修成本高昂、难以满足市场化的需求。

同时，微通道热沉对流体冷却系统有着严格的要求，例如需要配备有克服流体阻力的泵、无杂质离子的过滤结构等，因此配套设备大。

针对第3代大功率半导体激光器，必须研发新的热沉散热技术，满足大功率激光
器大热流量、高热流密度的散热需求。

本文将利用数值模拟方法研究矩形平行肋、菱形肋片、30°矩形倾斜肋3种热沉结构在不同冷却流体流速条件下的散热能力，并分析其器件热阻与水泵功耗的变化特性。

2.1 物理模型
液冷换热的传热系数大、换热效率高，越来越受到人们的关注。

在液冷换热中，不同结构的热沉其流动特性也不同。

设计的思路是使水流通道具有相同的水力直径，但内部扰流结构拓展形状不同。

使用COMSOL Multiphysics软件模拟分析3种结构热沉的换热效果，同时分析不
同热沉结构的热力学和流体动力学特性。

数值模拟中使用的模型示意图如图1所示，简化模型结构外部包含：芯片、初级
热沉、次级热沉、水流通道。

各材料的物性如表1所示，λ是导热系数，c是比热，ρ是密度，η是动力粘度。

热沉内部布置有不同类型的翅片，材料为铜。

翅片结构不同，换热效果不同，图2为热沉内布置的3种不同拓展形状的扰流柱肋片结构，为了方便表述和分析，矩
形平行肋、菱形肋片、30°矩形倾斜肋分别用热沉A、热沉B、热沉C表示。

不同结构类型的翅片都以阵列形式等间距地分布在热沉内部，其高度与通道高度相同，均为4 mm；剖面图和翅片尺寸如图3所示。

因次级热沉较薄，可以保证冷却水
更加贴近激光器阵列，冷却效果更好；扰流结构增强了流体通道内部的扰动，破坏边界层，具有更高的对流传热系数、热阻更小。

数值模拟中各热沉翅片尺寸如下：矩形平行肋，L=29.8 mm，H=2.5 mm，t=1 mm；菱形肋片：H=1 mm，t=2 mm，Tp=2.045 mm，Lp=2.5 mm，φ=30°；30°矩形斜肋，L=4 mm，t=1 mm，Tp=2.5 mm，Lp=1.634 mm，φ=30°。

2.2 数学模型
在数值模拟中，热源部分由10个单管芯片封装在一起，半导体激光器芯片与热沉
焊接热界面的尺寸为5 mm×0.2 mm，单管芯片的产热量为10 W，将芯片热源当作边界热源处理，因此芯片表面的边界热流密度为1×107 W/m2。

水流入口流速分别为0.5 m/s，1 m/s，1.5 m/s，2 m/s，入口水温20 ℃；出口条件设定为一个标准大气压，即1.01×105 Pa。

为了使得模型简化，数值模拟中作了如下假设：
(1)稳态传热过程；
(2)流道内水流流动状态为层流；
(3)流体物性为常数，从后续计算上看该假设基本合理；
(4)水作为不可压缩流体，忽略粘性耗散；
(5)因热沉与周围环境温差小，不考虑辐射换热；
(6)除流域和芯片热源外的其它外边界按照绝热条件处理；
(7)忽略接触热阻的影响。

2.2.1 流体区域的方程
连续性方程：
式中：u、v、w分别是x，y，z方向上的速度。

动量方程：
式中：ρ1和u分别是流体的密度和速度，p是压力，i代表x、y、z方向。

能量方程：
式中：T1是流体的温度，c1是流体的比热，κ1是流体的热导率。

2.2.2 固体区域内的能量方程：
式中：Ts和ks分别是固体的温度和热导率。

在网格划分方面，模型属于流固耦合问题，固体和流体区域分别被划分好网格，在温度梯度大的地方将网格加密，其它非主要关注区域采用粗化网格。

使用COMSOL Multiphysics软件进行分析模拟，将前处理网格划分、后处理图像表格
分析集成在一起。

为了检验模型的精度和可靠性，需要对模型进行网格独立性检验。

本文中的案例是一个稳态的物理过程，因此只需要考虑空间步长的精度，通过不断加密网格，增加网格数量，达到稳定时即可以满足精度需求。

通过给矩形平行肋片设置为粗化(287 411)、细化(377 320)、较细化(470 853)3
种不同精度网格，进行网格独立性检验。

以入口流速2.0m/s时芯片表面的最高温度作为独立性检验标准，后两种网格类型的结果十分接近，局部温度误差为
0.18%，在允许的范围以内。

因此，细化网格既可以保证计算精度又可以节约计算资源，本文计算均基于此细化网格。

3.1 不同热沉结构的换热效果
次级热沉内部无肋片结构时，在入口水流速为2 m/s时，芯片表面最高温度为96.2 ℃。

图4展示了在入口流速为2m/s时3种热沉结构的温度分布：热沉A的芯片最高温度为56.9 ℃，热沉B的芯片最高温度为57.6 ℃，热沉C的芯片最高
温度为55.8 ℃，相对于无肋片流道芯片表面最高温度分别下降了39.3 ℃、38.6 ℃和40.4 ℃，热沉C的芯片温度最低，其次为热沉A和B。

热沉C的30°倾角的布置使得速度重新分布，减薄了热边界层厚度，增大传热系数，从而增加换热效果，带走更多的热量。

此外，以水流方向流经的第一块芯片与最后一块芯片表面最高温度差值作为温度均匀性衡量标准，平行矩形肋片温差为4.6 ℃，菱形肋片温差为5.4 ℃，矩形肋片温差为4.2 ℃，30°倾角矩形肋的热沉结构具有较好的温度均匀性。

如图5所示，激光器芯片的最高温度随着入口水流速度的增加而降低。

通过仿真
模拟计算，当入口水流速度从0.5 m/s增加到2.0 m/s的过程中，矩形平行肋的
最高温度从66.3 ℃下降到59.6 ℃，菱形肋片的最高温度从67.2 ℃下降到
57.6 ℃，30°矩形斜肋的最高温度从60 ℃下降到55.8 ℃。

但是从图中可以看出，当入口水流速度增加至1.5 m/s以上时，芯片最高温度下降的速度趋于平缓。

3.2 不同流速下器件热阻的对比分析
一般定义微通道热沉的整体热阻为：
式中H S 为热沉发热面的平均温度；Tf，in为流体入口温度，被设定为室温20 ℃；P为热源总发热量，P=100 W。

在实际工况下，芯片有源区的最高温度决定半导体激光器的性能，而芯片有源区的最高温度取决于发热面的最高温度，因此热阻的计算公式表示为：
式中：THS,max为热沉发热面的最高温度。

热阻是半导体激光器换热能力的重要指标，代表半导体激光器封装结构的整体换热能力。

换热能力的强弱直接影响半导体激光器芯片的全生命周期、使用稳定性和发光效率。

如图6所示，不同结构的热阻都随着入口水流速度的增加而降低。

在相
同的流速下，热阻最小的是30°矩形斜肋。

如果仅以器件热阻最小化为衡量标准，30°矩形斜肋是性能最好的肋片结构。

从图6中还可以得出：3种肋片结构的器件
热阻在小流速时随入口水流速变化剧烈，随着流速增加，器件热阻变化趋势减缓，这说明继续增加水流速度对于换热效果的提升有限，而水泵功耗如下节所示会迅速增长。

3.3 不同肋片结构水泵功耗对比
驱动通道内流体流动的水泵功耗计算公式为：
P=ΔpUmwcH
式中：Δp为水流通道进出口压力差，Pa；Um为水流通道入口的速度，m/s；wc 与H为与水流入口速度方向相垂直的截面尺寸，m。

图7为水泵功耗与入口水流速度的变化关系，从图中可以看出不同结构类型翅片
在不同流速下的泵功消耗情况，泵功随着流速的增大而急剧增加。

30°矩形斜肋消耗泵功最多；其次是矩形平行肋片；消耗泵功最少的结构是菱形肋片。

综上所述，30°矩形斜肋换热性能最好，但是需要较大水泵功耗为代价。

矩形平行肋片的器件
热阻和水泵功耗水平均处于中等水平，综合性能最好。

通过数值模拟对3种热沉结构进行了散热性能分析。

如果仅以换热性能为评价指标，30°矩形斜肋片的布置方式可以增强不同流道内流体的扰动，破坏热边界层，提高对流传热系数，换热性能最好；然而，由于倾斜角的存在增加流动阻力，需要以更高的功耗为代价。

综合考虑水泵功耗与器件热阻，矩形平行肋片在3种结构
中是更好的选择。

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