Надежное охлаждение МОЩНЫХ диодных сборок
Ryan Feeler, Jay Doster, Jeremy Junghans, Greg Kemner, Ed Stephens
Northrop Grumman Cutting Edge Optronics, 20 Point West Boulevard, St. Charles, MO, 63301, USA
Фирмой Northrop Grumman Cutting Edge Optronics разработана линейка лазерных диодных сборок с микроканальным охлаждением (MCC - Micro Channel Cooling), в которых теплоноситель электрически изолирован от токопроводящих частей микроканальной структуры . В результате, эти сборки не требуют использования деионизованной (DI) воды. Представлены тепловые характеристики этих сборок и на примере одной сборки показано, что они существенно превосходят характеристики стандартных МСС, выполненных из меди.
Это отличает разработанные сборки от других не-DI МСС, присутсвующих в настоящее время на рынке, которые, как правило, имеют худшие тепловые характеристики, чем медные МСС.
Новые МСС совместимы с другими технологиями, разработанными NGCEO,что позволяет
Эти МСС сборки являют собой следующий важный шаг в индустрии твердотельных лазеров.
Введение
Последние достижения в области полупроводниковых технологий привели к созданию лазерных диодных линеек, производящих сотни ватт выходной мощности CW. Эти устройства
По мере улучшения технологии линеек и увеличения их оптической выходной мощности, дополнительные порции тепла должны быть удалены из пакета лазерного диода. Наиболее распространенным методом удаления большого количества выработанного тепла в пакете диодного лазера является использование технологии МСС. Этот метод позволяет охлаждающей жидкости проходить очень близко к диодной линейке, с типичными расстояния от лазера
Вторая конфигурация позволяет легче использовать технологию твердого припоя (AuSn). Хотя такой подход обеспечивает превосходные тепловые характеристики, есть несколько существенных недостатков. Использование металлических (медных) МСС приводит к электрическому контакту линеек с охлаждающей жидкостью. Это требует использования деионизованной воды, чтобы обеспечить отсутствие тока, проходящего через охладитель.
Как правило для охлаждения микроканалов в МСС используется вода с удельным сопротивлением порядка 0,5Мом * см. Использование не-деионизированной воды в медных микроканальных системах охлаждения диодных сборок приводило к ряду хорошо изученных деградационных механизмов, в первую очередь к эрозии и коррозии МСС [1].
Для минимизации отказов вследсвие коррозии требуется уделятть большое внимания всей
Эрозия медных МСС также является серьезной проблемой. Тепловые характеристики медных MCC, как правило, могут быть улучшены за счет увеличения расхода теплоносителя. А это увеличивает скорость воды через каналы МСС и ускоряет процесс эрозии. Таким образом, два из наиболее важных факторов, влияющих на общее время жизни диодной сборки - тепловые свойства и жесткость (твердость) упаковки - противоречивы к увеличению скорости потока охлаждающей жидкости.
Дополнительные расходы и размеры, связанные с использованием чиллеров, изготовленных ??для DI воды, часто делает их применение неприемлемым в приложениях с охлаждением небольших по размеру диодных сборок. В этих случаях стоимость чиллера может значительно превышать стоимость сборок.
Конструкция
NGCEO разработала новые конструкции сборок лазерных диодов, которые обладают многими преимуществами медных МСС, в то же время устраняют их недостатки [3,4].
Новый пакет основан на многослойной керамической технологии. Для создания керамической МСС NG СЕО использованы низко- и высо- температурные Cofired Керамики (LTCC и HTCC, соответственно). Эта технология успешно применяется в электронной промышленность в течение многих лет. В частности, это технология широко используется в производстве радиочастотных приборов, в том числе многих РЧ схемах в сотовых телефонах. Эта технология также используется в различных микрофлюидных приложениях.
NGCEO использовала обычную технику изготовления и склеивания толстых пленок
Упрощенный схематический вид сбоку одного из керамических МСС показан на рисунке 1.
Рис.1 Схематический вид сбоку керамической МКС
Вода проходит через каналы в керамическом корпусе и направляется непосредственно на заднюю поверхность распределителя тепла (в подсборке). В подсборках используются электрически изоляционные материалы с высокой теплопроводностью (AlN,ВеО, или алмаз) для того, чтобы
Конструкция керамического МСС может быть оптимизирована для сборки линеек любой геометрии
Рисунок 2. Внутренняя структура керамических MСC.
Правила проектирования были разработаны авторами для обеспечения максимального извлечения тепла при расходе охладителя сравнимом с тем, что используется для медных МСС,
Краткое описание свойств материалов, используемых в новой МСС, приведено в таблице 1.
Во-первых, все материалы значительно тверже меди, что улучшает их эрозионную стойкость. Во-вторых, материалы по CTE соответствуют GaAs и / или InP. Это дает возможность использования твердых припоев, таких как AuSn, в процессе изготовления сборки. Как было неоднократно показано, использование AuSn припоя, приводит к возрастанию срока службы устройств по сравнгению с устройствами, собранными с использованием мягких припоев (например индия)
Таблица 1. Твердость и коэффициент теплового расширения (СТЕ) материалов, используемых в керамической МСС. Медь включена для сравнения.
Есть три основных критерия, которые должны быть оценены при рассмотрении новых MCC.
Во-первых, должно быть показано, что тепловые характеристики новой упаковки
Во-вторых, должены быть оценены.долгосрочные параметры эрозии и коррозии
В-третьих, практические соображения (например, относительно формы и размера)
Параметр, широко используемый в качестве тепловой характеристики упаковки лазерных диодов, является их тепловое сопротивление Rth.Тепловое сопротивление определяется как увеличение
Тепловое сопротивление сборок лазерных диодов на основе
.
Рис.3 Смоделироваанное тепловое сопротивление в зависимости от скорости потока охладителя для LTCC МСС с различными материалами для подложки.
Представлены данные для четырех различных материалов теплораспределителя: AlN, BeO и двух сортов CVD алмаза. Эти данные для линейки с длиной резонатора 1,2 мм и коэффициентом заполнения ~ 54%, обычно используемой в 50-100 Вт CW приложениях. Для расхода теплоносителя типичного для медных МСС (0,05 - 0,1 GPM), расчитанные характеристики обравзцов с алмазными теплораспределителями (подложками) превосходят характеристики медных МСС.
Сопротивления эрозии
Одним из основных недостатков существующих медных МСC технологий является тот факт, что медные охладители могут эрродировать при воздействии воды с высокими скоростями, что характерно для современных диодных приложений.
NGCEO проведен ряд исследований по изучению эрозию, чтобы оценить то пространство параметров, в которых медные охладители могут надежно работать. Результаты одного из таких исследований представлены здесь для сравнения с результатами, полученными на LTCC МСС.Вертикальная сборка (стек) из шести медных МСС была подвергнута воздействию потока с расходом 0,2
По завершении теста на эрозию, верхний (со стороны монтажной поверхности) слой охладителя был удален и результат сравнен с картинкой для неиспользованного охладителя. Изображение каждого охладителя показано на рисунке 4. Поток воды поступает через маленькие отверстия в передней части охладителя, а затем в сторону от передней части охладителя, как это указано синей стрелкой. Зигзаги в каналах предназначены для содействия турбулентности потока для улучшения охлаждающих свойств MCC.
Рисунок 4. Примеры внутренней структуры
Эффект высокой скорости потока хорошо виден в нижней части Рисунка 4. Большая часть структуры, которая существовала в передней части охладителя, была полностью
Аналогичная проверка была проведена с тремя керамическими МСС, по одному охладителю с подложками из разных материалов (AlN, BeO, и CVD алмаз). Эти охладители были упакованы в сборки с одной линейкой и помещены в установку по ресурсным испытаниям. Был установлен расход 0,25 GPM / МСС и установке было разрешено работать без какого-либо контроля рН или сопротивления воды.
Примерно через 550 часов образец с ВеО подложкой был снят с испытаний, подложка удалена и внутренние каналы МСС были рассмотрены в микроскопе. Нижняя часть подложки BeO была также рассмотрена в поисках признаков эрозии от инжектируемой воды.
Два других образца были протестированы с общим временем работы около 2500 часов, после
Рисунок 5. Внутренняя структура образца LTCC
Разница в функциональности между медными и керамических МСС в условиях высоких скоростей потока поражает.
Керамические охладители демонстрируют малые (если таковые вообще имеются) признаки эрозии после 2500 часов при потоке на 0,25 GPM / МСС, в то время как медные охладители имели эрозию близкую к точке отказа после 1000 часов при 0,2 GPM / МСС. Не менее важным является эрозионная стойкость материала подложки. ВеО, исследованный после 550 часов, и AlN - после 2500 часов, показали очень ограниченые признаки эрозии. Этот тест демонстрирует надежнность керамических микроканальных охладителей.
Устойчивость к эрозии LTCC МСС открывает дверь широкому диапазону условий эксплуатации. В
NGCEO разработано несколько различных конструкций MCC на основе многослойной керамической технологии. Одна MCC по форме и разменрам подходит для замены существующих медных МСС производства NGCEO. Эти МСС моут быть спаяны в сборки как вертикально (стеки),