散熱設(shè)計(jì)以及材料PPT課件

1、激光的工作原理及散熱機(jī)理（一） 激光三要素 諧振腔 提供軸向光波，控制激光震蕩 粒子反轉(zhuǎn)數(shù) 以泵浦源提供增益介質(zhì)能量，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 增益介質(zhì) 產(chǎn)生激光的工作物質(zhì)激光器結(jié)構(gòu)示意圖諧振腔工作示意圖第1頁/共15頁激光的工作原理及散熱機(jī)理（二） 溫度與閾值電流關(guān)系溫度與輸出P關(guān)系部分能量轉(zhuǎn)換成熱量，溫度上升量子阱增益下降，載流子泄漏閾值升高，斜率下降，轉(zhuǎn)換效率降低為了保持輸出功率不變，加大驅(qū)動(dòng)電流產(chǎn)生更多熱量，節(jié)溫進(jìn)一步上升激光二極管發(fā)熱機(jī)理第2頁/共15頁現(xiàn)階段主流散熱技術(shù)（一） B現(xiàn)代散熱方式A經(jīng)典散熱方式1 循環(huán)水冷式散熱系統(tǒng)2 空氣對流式散熱系統(tǒng)1 微通道管液體散熱系統(tǒng) 2 基于熱管的相變

2、冷卻散熱系統(tǒng)第3頁/共15頁現(xiàn)階段主流散熱技術(shù)（二） 激光散熱技術(shù)電源LD中小功率：風(fēng)冷大功率：管道水冷平板熱沉噴霧冷卻大通道熱沉微通道水冷熱沉相變冷卻固體傳導(dǎo)冷卻第4頁/共15頁現(xiàn)階段主流散熱技術(shù)（三） 平板熱沉1 平板熱沉是最簡單的散熱方式之一，主以無氧銅作為材料，價(jià)格便宜，易加工，但是散熱效果差強(qiáng)人意，主要應(yīng)用于脈沖激光陣列以及占空比不高的激光疊陣；2 熱阻：0.5-2/W.cm2 ；3 Example：一個(gè)50W的激光熱能陣列，熱沉溫度升高25（50W*0.5/W.cm2）,以半價(jià)轉(zhuǎn)換率計(jì)算的話，50%電能轉(zhuǎn)換熱能，激光器最大功率則為100W；4 運(yùn)用：無氧銅表面需要添加3m的鎳，10

3、15m的金（效果更佳）第5頁/共15頁現(xiàn)階段主流散熱技術(shù)（四） 大通道熱沉1 大通道熱沉也多以無氧銅加工，與平板熱沉區(qū)別在于平板多了大直徑的水通道（保持大速水流），熱量可及時(shí)被帶走，從而降低熱沉的溫度；2 熱阻：0.1-0.25/W.cm2 ；3 Example：此熱沉可散去100-150W的熱能，若此熱沉溫度升高25（150W*0.16/W.cm2）,以半價(jià)轉(zhuǎn)換率計(jì)算的話，50%電能轉(zhuǎn)換熱能，激光器最大功率則為300W；4 運(yùn)用：無氧銅表面需要添加3m的鎳，1015m的金（與平板一樣，構(gòu)造工藝上加快熱傳導(dǎo)）第6頁/共15頁現(xiàn)階段主流散熱技術(shù)（五） 微通道熱沉1 優(yōu)勢： 1-1 有非常小的熱阻

4、，為了增加導(dǎo)熱性，在微通道金屬化之前沉積一層多晶金剛石（13W.CM-1 .K-1） 1-2 采用硅作為熱層制作材料（室溫下導(dǎo)熱性1.5W.CM-1 .K-1）； 1-3 微通道中水是分層流動(dòng)的，比大通道有更好的熱交換；2 熱阻：0.01-0.05/W.cm2 ；3 Example：假設(shè)激光最高溫度不超過25，則這種熱沉能散去500-2500W的熱能（2500W*0.01/W.cm2 =25 ），按照半價(jià)轉(zhuǎn)換率可滿足500W/50%=1000(min),2500/50%=5000W；4 結(jié)構(gòu)：多以多層片的微通道結(jié)構(gòu)，采用的材料有硅，銅，金剛石，每層片上設(shè)計(jì)有流通冷卻液的圖形和微通道，然后組合在

5、一起構(gòu)成微通道水冷器第7頁/共15頁現(xiàn)階段主流散熱技術(shù)（六） 噴霧冷卻1 噴霧冷卻是將冷卻介質(zhì)霧化后直接噴射到發(fā)熱物體表面，通過液膜蒸發(fā)，強(qiáng)迫對流等機(jī)理帶走熱量的一種方式；2 如下為中國科技大學(xué)所做的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；第8頁/共15頁現(xiàn)階段主流散熱技術(shù)（七） 相變冷卻1 利用冷卻從液相到氣相的潛熱來進(jìn)行散熱。2 微槽群復(fù)合相變技術(shù)是利用大功率電子元器件散熱的熱量使取熱介質(zhì)蒸發(fā)產(chǎn)生動(dòng)能和勢能，蒸汽流動(dòng)使冷凝成液體，借助取熱器微槽 群的毛細(xì)力和液體重力回流與大功率電子器件緊貼的取熱器，從而實(shí)現(xiàn)無外加動(dòng)力的封閉式散熱循環(huán)；銅導(dǎo)熱系數(shù)：400W/M.超導(dǎo)熱能力：導(dǎo)熱系數(shù)大于106 W/M.01冷卻能力強(qiáng);取熱

6、熱流密度可達(dá)400W/cm202無功耗冷卻03第9頁/共15頁現(xiàn)階段主流散熱技術(shù)（八） 固體傳導(dǎo)冷卻1 示意圖如下： 常用的是固體與固體接觸，但是散熱效果不均勻（如光源般向四周散射出） LD銅熱沉LD銅熱沉金剛石箔片 正常情況下以金剛石箔片作為中間介質(zhì)易于熱量的均勻化傳導(dǎo)（原理如上） 同直徑，同厚度的金剛石膜和銅，金剛石膜的熱傳導(dǎo)率約為：1500，而銅約為350； 因此，添加金剛石膜更有助于熱量的傳導(dǎo)散發(fā)；第10頁/共15頁散熱材質(zhì)以及相關(guān)特性（一） 均熱板（Vapor Chamber）銅制散熱材質(zhì)Qread熱管散熱器均熱版散熱器熱管（Heat Pipe）銅制熱柱相變環(huán)路熱管FHP第11頁/共

7、15頁散熱材質(zhì)以及相關(guān)特性（二） 均熱板散熱器銅制VC結(jié)構(gòu)：底板（蒸發(fā)區(qū)），上蓋（冷凝區(qū)），內(nèi)部毛細(xì)結(jié)構(gòu)，底板和上蓋間銅環(huán)（回流液體），冷凝液（水，甲醇等）；原理：工作液體吸熱后變成蒸汽，由蒸汽壓力推動(dòng)蒸汽流向冷凝區(qū)，利用相變潛熱進(jìn)行傳熱，當(dāng)蒸汽遇到外部的冷凝時(shí)，釋放熱量后變成液體，由毛細(xì)結(jié)構(gòu)將液體回流到蒸發(fā)區(qū)，從而周而復(fù)始第12頁/共15頁散熱材質(zhì)以及相關(guān)特性（三） 熱柱相變銅制HP結(jié)構(gòu)：銅管，毛細(xì)結(jié)構(gòu)，工作液體；常溫下：銅/水熱管，低溫下：銅/甲醇熱管、銅/丙酮熱管環(huán)路熱管銅制結(jié)構(gòu)：超導(dǎo)熱之熱柱由銅管、底板、上蓋、毛細(xì)結(jié)構(gòu)和工作液體組成。熱柱的底部為蒸發(fā)區(qū)，管體為冷凝區(qū)。應(yīng)用：熱柱主要應(yīng)用于CPU導(dǎo)熱、LED工礦燈導(dǎo)熱等高熱處理。熱柱結(jié)合相變加強(qiáng)原有熱柱的導(dǎo)熱性能；第13頁/共15頁散熱材質(zhì)以及相關(guān)特性（三） 均熱版散熱器 熱管散熱器具備高熱