二极管激光（DL）面阵封装技术是实现DL高功率输出的有效手段，本文根据对DL工作频率、封装功率密度等参数的不同要求，分别研究了次封装背冷式和模块化微通冷却两种不同结构的封装。采用三维有限元法数值分析了次封装背冷式面阵封装散热过程，得到了次封装热沉厚度优化参数。根据次封装结构散热冷却需要，设计了铜多通道结构液体冷却器，同样用三维有限元法对冷却器的冷却效率进行了数值模拟计算，优化了冷却器结构参数。计算结果表明，当冷却器通道宽0.2mm，深1mm，壁厚0.1mm时，冷却器具有最低的热阻率0.093，可以满足功率密度1000W/ cm2、占空比10％的高功率面阵DL封装需要。
封装实验采用美国国际半导体激光公司（SLI）的二极管芯片，芯片输出峰值功率50W，尺寸10mm′0.15mm（厚）′0.9mm（腔长方向），中心波长804nm±3nm。次封装背冷结构封装实验中，次热沉采用去应力无氧铜，经光学抛光后各面依次溅射Ti，Pt，Au，芯片焊接面蒸镀铟焊料，在氢气或氮气保护环境下，采用再流焊工艺焊接形成次封装。次封装在低占空比条件下运转测试，选择功率、阈值电流、中心波长、谱宽等性能参数一致的用于面阵封装，共封装了10条。在工作电流65A、电压20.5V、脉宽190ms、重复频率100Hz时，激光输出功率达到538W，阈值电流20A，最高效率为38.4%。每个次封装的串联电阻为8.5mW，串联电阻较大的原因是次热沉彼此间采用预成形焊料焊接时，次热沉表面层氧化造成焊接状态不理想。激光中心波长在65A时为809.2nm，谱线半高宽3.5nm，适合泵浦Nd:YAG激光介质。
模块化微通冷却封装实验中，用重庆师范学院研制的硅微通道冷却器封装了11条DL芯片，芯片间距1.8mm。实验分别测试了脉冲宽度为170ms，工作频率为200、700、1000Hz时的输出功率，在工作电流为70A时，电压为39.6V，输出功率为527W，激光阈值电流为23A。测试时硅微通道冷却器的水流量为120 L / h、压力为0.405 MPa。实验结果表明硅微通道冷却器可较好地满足高占空比DL封装需要，但由于实验用的冷却器表面镀金层质量不好及用于电连接和水密封的导电橡胶电阻较大，导致器件的串联电阻较大，平均每个模块串联电阻为30mW，因而总的电光效率较低，只有23.3%。通过改善硅冷却器表面金属化质量及采用有低电阻率的密封材料可有效提高器件的性能。
论文作者：唐 淳 武德勇 高松信 将全伟 邵冬竹 左 蔚
