经济型宏通道半导体激光脱毛模块的设计

论文摘要

近年来,半导体激光器在我国工业、农业、军事和医疗等方面应用日益广泛。激光脱毛作为激光医疗美容的主要组成,在欧美国家已相当成熟,在国内的市场份额也日益增大。但是,半导体激光脱毛模块和芯片被国外激光行业巨头垄断。由于半导体激光器固有的工作原理,工作时将不可避免地产生大量热,而热量堆积将严重影响激光器的工作效率和可靠性。国外通常采用微通道热沉来解决激光模块的散热问题,但其结构复杂,成本高昂。为降低激光脱毛模块成本,便于推广应用,国内曾有采用宏通道热沉替代微通道的相关研究报导,但其宏通道的散热水平和芯组形式不便于国产激光脱毛模块和芯片的商业化应用。针对此问题,本文基于宏通道激光模块的结构特点,围绕经济型宏通道激光模块的芯组结构和散热片形式开展了基础研究,主要完成了以下工作。(1)改变宏通道激光模块传统一体式芯组形式,设计独立单元芯组,方便对目前质量欠佳的国产激光脱毛芯片进行预筛选,提高模块封装成品率,促进芯片实用化和改善,降低了芯片成本。降低芯组封装和烧结难度,提高模块芯组阵列的温度场分布均匀性和降低芯片封装应力,提高激光模块寿命。应用ANSYS分析芯组单元中绝缘瓷片厚度与芯片结温的关系,确定绝缘瓷片材质和厚度,节约材料成本。(2)改变宏通道激光模块散热片结构形式,设计菱形齿散热片,以模块芯组阵列的温度场分布为参考,应用Fluent分析验证菱形齿散热片相对方齿形式的散热均匀性。以芯片结温为衡量标准,应用CFDesign流体仿真软件分析对比微通道和菱形齿宏通道的散热水平,结合正交法完成菱形齿关键参数设计,使得宏通道模块更加轻便化。应用ANSYS分析证明设计模块的独立单元芯组相对一体式芯组的芯片封装热应力下降约50%。计算菱形齿宏通道模块造价相对国外微通道形式节约近70%。(3)编制模块封装工艺流程,保障模块工作性能和寿命。设计独立单元芯组的便捷型烧结夹具,提高封装的质量和效率,降低封装成本。依据烧结空洞的关联因素,调整烧结炉真空度降低烧结焊料层空洞,制定芯片腔面检验规范,筛除不良单元。封装激光模块制样,应用热释电型激光功率计测试模块制样的激光功率和光谱变化,表明其满足使用要求。老化实验推算模块寿命达20000h,达到实用化水平。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 本文课题研究背景、目的和意义
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 激光脱毛的研究现状
•     1.2.2 半导体激光器简述
•     1.2.3 半导体激光器散热模块的研究现状
•   1.3 本文的主要研究内容
• 第2章 半导体激光脱毛模块的设计要求与总体方案
•   2.1 引言
•   2.2 脱毛的基本要求
•   2.3 大功率半导体激光脱毛模块的技术要求
•     2.3.1 半导体激光模块芯组的温度和应力
•     2.3.2 半导体激光脱毛模块的波长指标
•     2.3.3 半导体激光脱毛模块的能量指标
•   2.4 大功率半导体激光脱毛模块的经济性要求
•   2.5 经济型大功率半导体激光脱毛模块的总体设计方案
•     2.5.1 芯组结构设计方案
•     2.5.2 宏通道散热结构设计方案
•   2.6 本章小结
• 第3章 经济型宏通道半导体激光脱毛模块的设计
•   3.1 引言
•   3.2 经济型宏通道二维叠阵激光模块设计
•   3.3 独立单元芯组模块的设计
•     3.3.1 传导热沉的设计
•     3.3.2 芯组焊料的设计
•     3.3.3 绝缘瓷片的设计
•   3.4 散热热沉的分析
•     3.4.1 散热理论基础
•     3.4.2 微通道的热仿真分析
•     3.4.3 宏通道齿形散热片的流场分析
•     3.4.4 菱形散热片的热仿真分析
•   3.5 宏通道散热单元芯片的热应力改善分析
•   3.6 模块散热性能的整体评价和结论
•   3.7 模块电绝缘设计
•   3.8 模块经济性对比
•   3.9 本章小结
• 第4章 模块封装工艺研究及性能检测
•   4.1 引言
•   4.2 封装工艺方案确定
•   4.3 封装前期准备
•   4.4 芯组制备
•     4.4.1 芯组烧结夹具设计
•     4.4.2 芯组烧结工艺设计
•     4.4.3 芯组检验
•   4.5 模块成型
•   4.6 经济型激光模块制样的检测
•     4.6.1 激光功率和光谱测试
•     4.6.2 老化实验推算模块工作寿命
•   4.7 模块性能检测的评价
•   4.8 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 李德震

导师: 王加春,江崇民

关键词: 半导体激光脱毛模块,经济型,宏通道,正交法,热仿真

来源: 燕山大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学

单位: 燕山大学

分类号: TN248.4

DOI: 10.27440/d.cnki.gysdu.2019.001789

总页数: 67

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