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深圳威尼遜自動化科技有限公司
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高功率準(zhǔn)連續(xù)面陣二極管激光封裝技術(shù)
點擊次數(shù):663 發(fā)布時間:2008/7/23 10:59:07
二極管激光(DL)面陣封裝技術(shù)是實現(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行了數(shù)值模擬計算,優(yōu)化了冷卻器結(jié)構(gòu)參數(shù)。計算結(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。
封裝實驗采用美國國際半導(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)封裝實驗中,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,在氫氣或氮氣保護環(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,激光輸出功率達到538W,閾值電流20A,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)。
封裝實驗采用美國國際半導(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)封裝實驗中,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,在氫氣或氮氣保護環(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,激光輸出功率達到538W,閾值電流20A,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驗中,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。實驗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。實驗結(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,但由于實驗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。
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