Pumplaserdioden erreichen Einzel-Chip-Ausgangsleistungen von bis zu 50 W. Dies wirft die Frage auf, wie sich Micro-Channel-Kühler in Single-Emitter-Anwendungen im Vergleich zu herkömmlichen Kühlkörpern verhalten würden und ob für Laserdioden der nächsten Generation eine verbesserte Kühlung erforderlich ist. Anwender stehen angesichts steigender Leistungslevels vor der Herausforderung, die Laserdioden innerhalb ihrer Betriebstemperaturspezifikationen zu halten. Ein Entwicklungsziel ist auch eine möglichst niedrige Temperaturdifferenz zwischen den Halbleitern. Deshalb haben wir mit dem Einsatz von Micro-Channel-Kühlern (MCCs) in diesem Anwendungsbereich getestet und bewertet. Hierzu wurden Mikrokanal-Designs mit Standardkühlkörpern verglichen.
Zu prüfende Thesen sind:
Wir können ein ΔT unter 2.0K erreichen.
Der Einsatz von Rogers MCC wird gegenüber dem Benchmark eine Senkung der Temperatur um >25K auf Chipebene ermöglichen.
Spezifische MCCs
Rogers Curamik Cooling Solutions bietet eine Reihe von fortschrittlichen Lösungen für die Flüssigkeitskühlung, die durch das hochmoderne Curamik-Fügeverfahren ermöglicht werden. Die Lagen werden ohne zusätzliches Löten oder Kleben hermetisch miteinander verbunden. Diese Flüssigkeitskühler sind mit Kupferfolien-Kanalstrukturen (<250 µm Kanalbreite) ausgestattet, die mittels des Direct-Bond-Copper (DBC)-Verfahrens zu einem kompakten Block verbunden werden. Im Vergleich zu Standardlösungen sind solche Kühler viermal effizienter als herkömmliche Produkte auf Basis flüssiger Kühlmittel. Falls erforderlich, können die Kühler mit Keramiksubstrate integriert werden, was eine direkte Montage der Komponenten und eine elektrische Isolation vom Kühlkreislauf ermöglicht. Wichtige Anwendungsmärkte für diese gefügten Kühler sind Hochleistungs-Diodenlaser, hochkonzentrierte Photovoltaik, High-Performance-Computer, sowie die Kühlung von LED-Anordnungen mit hoher Leistung.
Methoden
Um die Kühlleistung von MCCs mit einer Stand-der-Technik-Referenz zu vergleichen, haben wir Simulationen nach der Finite-Elemente-Methode (FEM) in Kombination mit Computational Fluid Dynamics (CFD) durchgeführt. Die dabei verwendete Software war Solidworks 2022.
Die simulierten Designs der Kühlkörper sind fiktiv, aber in Bezug auf Materialien und Abmessungen nahe genug an realen Anwendungen. Die MCC-Variante besteht aus einer treppenförmigen Kupferstruktur mit zehn Ebenen, wobei jede Ebene zwei einzelne Emitter auf AlN-Submounts und zwei optische Komponenten enthält. Alle Grenzflächen zwischen ungleichen Materialien werden als perfekte thermische Kontakte behandelt. Die Ein- und Auslässe befinden sich an der Unterseite und sind mit den internen Flüssigkeitsverteilungskanälen verbunden, wodurch eine turbulente Strömung entsteht. Die Kühlkanäle unter jeder Wärmequelle sind parallel angeordnet, um eine möglichst gleichmäßige Temperaturverteilung zu gewährleisten.
Um die Temperaturverteilung im stationären Zustand zu ermitteln, wurde eine statische thermische Last von P = 25 W pro Einzelemitter angesetzt und die Kühlwassereintrittstemperatur auf T = 20°C eingestellt. Die Chiptemperatur konvergiert innerhalb von 1,5 Prozent bei Verwendung eines feinmaschigen und eines grobmaschigen Parameters. Die Simulationsergebnisse können als Untergrenze für die tatsächliche Leistung eines realen MCC angesehen werden. Nach unserer Erfahrung, die auf experimentellen Ergebnissen beruht, schneiden reale MCC jedoch besser ab als ihre digitalen Modelle, da die konvektive Wärmeübertragung über die Luft vernachlässigt wird und mikroskopische Turbulenzen im Fluid in der Simulation nicht vollständig aufgelöst werden können.
Als Referenz haben wir ein Simulationsmodell eines massiven Kupferkühlkörpers mit denselben Außenabmessungen, optischen Komponenten und thermischen Belastungen erstellt. Er ist auf einer Grundplatte mit variablem Wärmeübergangskoeffizienten α auf der Unterseite montiert, um die Leistung einer Reihe von im Handel erhältlichen Kühlern zu simulieren. Für den direkten Vergleich mit der Kühlleistung von MCCs nehmen wir α ≈ 15 kW/m2K an. Das ist ein typischer Wert für wassergekühlte Pin-Fin-Strukturen, die häufig für das Wärmemanagement zum Beispiel im Automobilsektor verwendet werden. In diesem Fall erreichten wir eine Konvergenz der Chiptemperatur innerhalb von 1,5 Prozent bei Verwendung eines feinmaschigen Parameters und eines grobmaschigen Parameters.
Ergebnisse und Diskussion
In diesem Abschnitt werden die Simulationsergebnisse des MCC und des Referenzkühlers in Bezug auf die durchschnittliche Temperatur und die maximale Temperaturdifferenz von Halbleitern und optischen Komponenten diskutiert. Zu hohe Betriebstemperaturen und Temperaturschwankungen bei GaAs-Chips und optischen Komponenten können sich aufgrund von Wellenlängenverschiebungen negativ auf die Kopplungseffizienz auswirken (Alamtaha, Syahriar, & Burdah, 2019), die thermische Degradation beschleunigen (Egawa, Jimbo, Hasegawa, & Umeno, 1994) und eine Fehlausrichtung der optischen Komponenten, aufgrund thermischer Ausdehnung, verursachen (Corbacho, Kuiper, & Gill, 2020)].
Die Laserdioden und Optiken auf einem MCC bleiben im Vergleich zum Referenzkühler über einen weiten Bereich von Betriebsbedingungen wesentlich kühler. Bei typischen Werten von α stabilisiert der passive Kupferkühlkörper die durchschnittliche Chiptemperatur bei etwa 72 °C und die Optik bei 47 °C, während der MCC bei der höchsten Durchflussrate von 3 l/min Werte von 51 °C beziehungsweise 26 °C erreicht. Vor allem im Bereich von Durchflussraten unter 1,5 l/min und α < 15 kW/m2K sind MCCs wesentlich unkritischer, wenn Kosteneffizienz das vorrangige Ziel ist. Selbst bei sehr geringen Durchflussmengen stabilisieren sich die Temperaturen unter 67 °C beziehungsweise 40 °C. Wenn die Kosten aufgrund eines übermäßigen Kühlwasserverbrauchs oder Druckabfall ein Problem darstellen, bleibt der Leistungs-Nachteil, aufgrund der deutlich geringeren Neigung im Vergleich zu kostengünstigen Referenzkühlungslösungen, minimal.
Ein weiterer zu berücksichtigender Aspekt sind die Kosten pro Watt Laserleistung. Falls die Eingangsleistung reduziert werden muss, um bestimmte Betriebstemperaturen nicht zu überschreiten, kann auf Systemebene der MCC trotz höherer Stückkosten günstiger sein. Das gleiche Prinzip gilt für thermische Schwankungen und Temperaturdifferenzen (ΔT) zwischen den einzelnen Chips. Die Frequenzverschiebung nimmt mit ΔT zu, was die Kopplungseffizienz verringern und damit die Kosten pro Watt erheblich erhöhen kann. Mit einer vollständig anpassbaren Mikrokanalstruktur kann ΔT minimiert werden, um den Gesamtwirkungsgrad zu optimieren.
Verglichen mit der Referenz mit typischem Wärmeübergangskoeffizienten α, lässt sich die Temperaturdifferenz ΔT des Chips von 7 °C auf unter 2 °C reduzieren beziehungsweise um 30 bis 75 Prozent je nach Betriebsbedingungen. Auch das ΔT der Optik liegt auf einem wesentlich niedrigeren Niveau als bei einem massiven Kupferkühlkörper mit einer ähnlichen Charakteristik als das ΔT des Chips.
Der Vorteil eines gleichmäßigen Temperaturverlaufs lässt sich an Querschnitten durch die jeweiligen Kühlkörper erkennen. Im Falle des MCC bilden sich die Gleichgewichts-Hotspots sehr lokal unter den Wärmequellen aus, wo die Wärme gleichmäßig über die darunter liegenden Kühlkanäle abgeführt wird. Andere Teile des Kühlers bleiben unbeeinflusst, was ein Vorteil für die thermische Entkopplung zusätzlicher optischer Komponenten zur Wellenlängenstabilisierung und/oder Modenselektion sein kann, wie zum Beispiel Volumen-Bragg-Gitter (VBGs).
Der Vollkupfer-Kühlkörper hingegen zeigt eine breit verlaufende thermische Signatur der Wärmequellen im gesamten Kühler. Temperaturgradienten über den Kühlkörper werden durch die Konzentration des Wärmestroms unterhalb der mittleren Positionen verursacht. Systeme mit massiven Kupferkühlkörpern erreichen daher bei Betrieb mit ähnlicher Leistung deutlich schneller ihre Grenzen hinsichtlich der thermischen Belastung der Komponenten. Darüber hinaus ist für die MCC-Variante kein sperriger Pin-Fin-Kühler erforderlich, was sie zur überlegenen Lösung für Leichtbauanwendungen mit Platzproblemen macht.
Fazit und Ausblick
Mit einer wesentlich geringeren absoluten Temperatur und Temperaturdifferenz zwischen den optischen Komponenten zeigen MCC in den beschriebenen Tests eine deutlich bessere Kühlleistung als massive Kupferkühlkörper. Der Einsatz von MCC kann daher potenziell dazu beitragen, thermisch bedingte Wellenlängenverschiebungen, beschleunigte Chipdegradation und Probleme im Zusammenhang mit der thermischen Ausdehnung zu mindern. MCC bieten eine kompakte und gewichtseffiziente Lösung und können letztlich die Kosten pro Watt der Laser-Ausgangsleistung erheblich senken.
Doch wie verhalten sich diese Ergebnisse zu unserer zu prüfenden These:
MCCs können ein ΔT unter 2,0 K erreichen. Auf der Grundlage der Simulation in Abbildung 2.2 und der besprochenen Ergebnisse kann dies als zutreffend angesehen werden. Bei einer Durchflussrate von 3 l/min erreicht ΔT auf Chip- und Optikebene ein Niveau von weniger als 2,0 K.
Der Einsatz des beschriebenen MCC reduziert die Gesamt-Temperatur T um >25 K auf Chipebene gegenüber dem Benchmark. Die im Versuch ermittelte niedrigste Gesamt-T-Differenz von 24,3 K kann dagegen nicht als zutreffend angesehen werden. Auch wenn die Simulation Werte zeigt, die der These sehr nahekommen, sind daher weitere Verbesserungen notwendig.
Obwohl die simulierten fiktiven Designs einen ersten Richtwert für die thermische Performance und die Vergleichbarkeit der Modelle liefern, können einzelne Systeme für kritische Spezifikationen wie Temperaturverteilung, Durchflussmenge oder Druckabfall optimiert werden.
Die nächsten Ziele sind deshalb eine weitere Reduzierung der Gesamt-T, die Optimierung des Druckabfalls und die Verbesserung der Kühlungs-Homogenität auf Chip-Ebene.
