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 изготовлять приборы с длительным сроком службы в жестких условиях эксплуатации, в частности, эти сборки могут быть собраны с использованием технологии твердого припоя (hardsolder), которая обеспечивает работу сборок при больших частотах повторения импульсов и больших токах. Кроме того, такая технология пайки позволяет содавать сборки, которые легко колимируются линзами и удовлетворяют широкому спектру непосредственных использований диодов, включая  сварку и маркировку.

Эти МСС сборки являют собой следующий важный шаг в индустрии твердотельных лазеров. Они обеспечивают гораздо более простое (без использования  DI воды) охлаждение системы, сохраняя при этом отличные тепловые характеристики в течение длительного срока службы.

Введение

Последние достижения в области полупроводниковых технологий привели к созданию лазерных диодных линеек, производящих сотни ватт выходной мощности CW. Эти устройства обычно работают с эффективностью преобразования электрической мощности в оптическую в диапазоне 50-75%. В результате в  линейке генерируется огромное количество тепла, которое необходимо отвести  с тепловыми потоками порядка 1 кВт/см2, что является сегодня индустриальной нормой.

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 около 200 микрон. Большинство имеющихся в продаже микроканальных охладителей изготовлены из нескольких слоев меди. Диодные линейки паяются либо непосредственно на медный МСС, либо на согласованную по коэффициенту линейного расширения (CTE matched) подложку, которая затем припаивается к медной МСС.

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 системе охлаждения [2]. В частности, требуется, чтобы чиллер был оснащен средствами контроля рН и сопротивления воды. Использование некоторых материалов сантехники (например латуни) также запрещено.

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. В то время как это противоречие было преодолено в ряде приложений, оно представляет значительное препятствие в других случаях.

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. Кроме того, сложность технического обслуживания такой системы охлаждения ложится дополнительным бременем на конечного пользователя лазерной системы. И наконец, медные МСС принципиально функционально ограничены, поскольку мягкая медь делает МСС подверженными эрозии.

 

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 для создания многослойных устройств с водными каналами, по своей природе похожими на медные МСС. Типичные медные MCC имеют пять слоев. LTCC конструкции, предложенные NGCEO имеют от трех до девяти слоев.

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 устранить необходимость в использовании деионизированной воды и уменьшить тепловое сопротивление пакета. Поскольку охлаждающая жидкость находится в прямом контакте с подсборкой, низкая теплопроводность керамического тела МСС не оказывает негативного влияния на тепловые характеристики устройства.

Конструкция керамического МСС может быть оптимизирована для сборки линеек любой геометрии с помощью вычислительного программного обеспечения по гидродинамике (CFD) Пример решетки типично используемых струйных сопел охлаждения показан на рисунке 2. Синий цвет соответствует внутренней структуре керамических каналов, которые заполняются водой во время работы. Это MCC содержит решетку из 27 сопел, расположенных в девять рядов потри сопла в каждом. Выходные каналы расположены между каждыми рядами сопел.

 

 

 

 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, при одновременном увеличении  выхода годных изделий в производственном процессе изготовдения охладителя. Эти правила проектирования позволяют МСС быть адаптированными для конкретных приложений, особенно таких, когда специфицируются нестандартные расход или давление.

Краткое описание свойств материалов, используемых в новой МСС, приведено в таблице 1. Материалы, используемые в этих охладителях обладают рядом преимуществ по сравнению с медью.

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 аналогичны (или лучше) харавтеристик существующих (медных) конструкций MCC.

Во-вторых, должены быть оценены.долгосрочные параметры эрозии и коррозии пакета.

В-третьих, практические соображения (например, относительно формы и размера) необходимо учитывать для того, чтобы понять, могут или нет новые устройства быть использованы в качестве прямой замены существующих систем.

 Параметр,  широко используемый в качестве тепловой характеристики упаковки лазерных  диодов, является их тепловое сопротивление Rth.Тепловое сопротивление определяется как увеличение температуры устройства при генерации определенного количества тепла:

Тепловое сопротивление сборок лазерных диодов на основе медных МСС находится в диапазоне 0,2-0,4 ° С / Вт и зависит от ряда факторов, в том числе геометрим лазерной диодной линейки и скорости потока теплоносителя.

.Моделируемое тепловое сопротивление для линеек с LTCC МСС показано на рисунке 3.

 

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. Характеристики образцов с подложками из BeO соответствуют характеристикам  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 GPM / охладитель, который примерно в четыре раза больше, чем расход, рекомендованные производителем медных охладителей. Это была чистая проверка эрозии охладителей  - к линейкам в стеке не прикладывалось никакого напряжения для устранения возможного влияния гальванической коррозии.

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 медных MCC до (вверху) и после (внизу) воздействия потока с высокой скоростью.

 Эффект высокой скорости потока хорошо виден в нижней части Рисунка 4. Большая часть структуры, которая существовала в передней части охладителя, была полностью размыта водой. Небольшие отверстия в передней части для подачи воды в охлаждающий слой расширились в размерах, и значительная часть картины зигзаков оказалась размытой из-за эрозии. Эта картина может служить представлением того, что наблюдается в других испытаниях, проведенных при высокой скорости потока.

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 чего образец с AlN подложкой был снят на аналогичный анализ. Фотографии внутренней структуры этих двух образцов, наряду с неиспользованной МСС, показаны на рисунке 5.

 

Рисунок 5. Внутренняя структура образца LTCC МСС в разное время при испытаниях при высоком расходе воды. Тест: перед тестом (вверху), 550 часов (в центре) и 2500 часов (внизу).

 

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 приложениях, где допускаются высокие скорости потока, они могут быть использованы для улучшения тепловых характеристик устройств с небольшим негативным влиянием на общее время жизни.

 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), так и горизонтально, с теми же растояниями между  линейками как в стандартных сборках на основе меди. В результате существующие медные MCC сборки могут быть заменены на керамические MCC