【应用】高性能TEC制冷片+高可靠性热界面材料为VCSEL激光器提供快速散热方案

时间： 2019-11-01 来源：世强

技术问答

在光通信、3D传感、面部识别、车载激光雷达（LiDAR）等应用中，VCSEL（Vertical-cavity surface-emitting laser，即垂直腔面发射激光器）是一个核心器件，影响其稳定性和可靠性的一个重要参数就是温度。众所周知，高温不但会导致激光器产品性能不稳定，其使用寿命也会大打折扣。所以我们结构工程师在设计时一定要参考相关热管理工程师的意见，结合热仿真选择合适的散热解决方案，保证器件正常稳定的运行。

那如何针对VCSEL激光器选择合适的散热方案呢？

图1 某摄像头模组

对于VCSEL来说，内部热量积累是非常关键的问题，VCSEL比边发射激光器有着更高的热阻，VCSEL的GaAs芯片中温度分布在芯片表面，每一个芯片都是通过银环氧树与陶瓷基板结合，热量传输就是在陶瓷基板端，故我们需要将芯片热量从陶瓷基板端迅速的转移出来。

我们常规的结构散热方案：热界面材料+铝制散热器，外接风冷。但对于VCSEL激光器，尽管发光效率可达25%，但剩余会以热量形式损失，其应用空间有限，陶瓷支架尺寸小，PCBA导热差等。故我们需要合适的散热解决方案，这里可推荐marlow 单级TEC半导体制冷片+Parker Chomerics热界面材料+散热器方案。

图2 SP2626系列TEC

II-VI MARLOW（贰陆-马洛）是高品质热电半导体制冷/发电技术的全球领军企业，其单级热电模块最大温差ΔTmax为76℃，多级热电模块可以达到+86至+130℃的ΔTmax。这里VCSEL激光器可推荐SP2626系列，具有固态可靠性，局部冷却和精确温度控制，高抗震动性，在27℃温度下，最大温差ΔTmax 60℃，符合VCSEL激光器散热对尺寸，功耗和噪声限制的要求。如图2

Parker Chomerics（派克-固美丽）其材料科学与工艺技术广泛应用于EMI屏蔽，热管理，金属基装配等方面，热管理解决方案在信息技术，医疗设备等行业是首选。可推荐固美丽导热垫片MCS30，质地非常柔软，热阻低，高达200℃的连续应用温度，压缩比例大等特性，与传统的高模量热垫相比具有优异的性能和长期热稳定性。

图3 激光器散热方案框架图

通过TEC制冷片+高导热系数导热垫片+散热器，再进行合理的结构优化，在诸多应用场景下VCSEL激光器散热便不再是难点。

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阿尼古 Lv8. 研究员 2022-11-22

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鹏鹏 Lv7. 资深专家 2019-11-01

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优选器件方案 - WEIDMUELLER,LITTELFUSE,LAIRD,SILICON LABS,WIMA,RENESAS,VINCOTECH,STANDEX-MEDER,II-VI MARLOW,WOLFSPEED,PI,ROGERS,MELEXIS,SGMICRO - V2.1 PDF 中文下载

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II-VI MARLOW单级制冷片/模块选型表

涵盖0.16-62.5mm全尺寸，温升高至146℃，最高功率206W的TEC。

产品型号	品类	ΔT°C-Vacuum {N2 (50°C)}	ΔT N2 (27°C)	Qmax 27°C (watts)	Imax 27°C (amps)	Vmax 27°C (volts)	Base Ceramic Width (MM)	Base Ceramic Length (MM)	Top Ceramic Width (MM)	Top Ceramic Length (MM)	Module Height (MM)
NL1020T-01AC	TEC 单级制冷片	72	64	0.9	1.8	0.8	0.16	0.16	0.16	0.16	0.085