CN101635432B - 一种用于半导体激光器的液体制冷片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于半导体激光器的液体制冷片及其制备方法，该液体制冷片包括制冷片主体，其中制冷片主体为多边形片状，制冷片主体的中部垂直开设有固定通孔，固定通孔的两侧分别设有入液通孔和出液通孔，所述入液通孔内设有散热翅片，所述制冷主体在靠近入液通孔的一端设有芯片安装区。该液体制冷片不仅制作简单、制作成本低、使用和维护简单，而且散热能力强、可靠性高，并且对密封的要求低。
Description
技术领域
本发明属于激光器制造领域，涉及一种制冷片，尤其是一种用于半导体激光器的液体制冷片及其制备方法。
背景技术
目前，功率电子器件在工业、国防等领域已经得到广泛的应用，市场需求巨大，发展前景极为广阔。随着电子器件功率的提高，其冷却器也在不断发展。功率电子器件的性能除了与芯片有关外，还与其封装和散热密切相关。为了提高功率电子器件的功率、可靠性和性能稳定性，降低生产成本，必须设计出高可靠性的封装结构和高效的散热结构。因此，设计和制备低成本、高效率的制冷器是十分必要的。
现有技术中，功率电子器件的封装形式有热传导冷却型(“Two-dimensional high-power laser diode arrays cooled by Funryu heatsink”.SPIE，vol.889，66-70(2000))和微通道液体制冷型(大功率半导体激光器迭阵的制备，中国发明专利，公开号为CN1402394A，2003.3.12)两种。以大功率半导体激光器为例，说明这两种封装形式。对于大块热沉而言，由于采用被动散热方式，容易产生器件温度上升，这将导致器件的寿命和可靠性下降等问题的产生。因此，用这种封装形式的器件，其输出功率一般只有几瓦到几十瓦，要想进一步扩展功率电子器件的功率就十分困难。
另一种现在已经商业化生产的微通道液体制冷器结构。虽然其采用主动散热，散热能力增强，使器件的功率得到很大的提高，但仍存在以下缺点：
1.使用和维护成本高：由于该制冷器的冷却液与电子器件正负极直接接触，因此在工作时必须使用高质量的去离子水作为冷却介质，以防止正负极导通。去离子水成本高，并且在使用时必须保持去离子水的低电导率，因此使用和维护成本很高。
2.加工难度大：微通道液体制冷器通常是由几层很薄的铜片层叠加工成型，内部的微通道大约为300微米，在制造过程中，需要对每一层铜片进行精确的加工，以使层叠后的微通道在液体流过时形成散热能力强的湍流。因此，微通道制冷器的精确加工是一个难点。
3.制造成本高：由于微通道制冷器的精密加工难度相当大，其制造成本也是非常高的。
4.使用寿命短：在功率电子器件的工作过程中，若冷却介质中存在杂质时，这些杂质很容易附着在微通道内壁上。这些杂质颗粒会引起微通道管壁的电化学腐蚀，严重时可能将微通道制冷器的管壁蚀穿，对器件的安全性造成极大地影响。这些都严重影响到功率电子器件的使用寿命。
5.密封要求高：由于微通道制冷器中冷却介质的流动空间非常狭小，因此容易产生多余的压力降，导致器件失效。
综上所述，热传导冷却型和微通道液体制冷型这两种封装形式都不能够完全满足大功率半导体激光器的要求。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种能够满足半导体激光器使用要求的高效液体制冷片，并有效降低其制造和使用成本。
本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：
这种用于半导体激光器的液体制冷片，包括制冷片主体，所述制冷片主体为多边形片状，制冷片主体的中部垂直开设有固定通孔，制冷片主体上垂直设有入液通孔和出液通孔，所述入液通孔内设有散热翅片，所述制冷片主体在靠近入液通孔的一端设有芯片安装区。
上述制冷片主体的材质为金属、陶瓷、金刚石或者铜和金刚石的复合材料。
上述矩形片状的制冷片主体的厚度为1.6mm。
上述固定通孔的直径为3.5mm；所述入液通孔的直径为5.5mm；所述出液通孔的直径为5.5mm。
上述散热翅片为固定于入液通孔内的若干条金属片。
上述散热翅片为设于入液通孔内的蜂窝状制冷片。
一种上述液体制冷片的制备方法，具体包括以下步骤：
1)首先加工矩形片状的制冷片主体，并将其表面抛光，在其上制备固定通孔和出液通孔；
2)在制冷片主体上加工入液通孔和散热翅片，在制冷片主体距离入液通孔近的一端预留芯片安装区；
3)在出液通孔和入液通孔上端加工沉孔，完成液体制冷片的制作。
上述入液通孔和散热翅片成一体加工成型，所述散热翅片为一片或一片片以上。
本发明具有以下有益效果：
(1)使用和维护简单：该制冷片没有微通道结构，而是采用散热翅片结构，对制冷液颗粒度要求不高，仅使用工业用水即可正常工作。
(2)制作简单、制作成本低：本发明的主要部件包括矩形片状的散热器主体和散热翅片，结构非常简单，易于机械加工，从而有效降低了制作成本。
(3)散热能力强：本发明采用液体制冷，在液体通路中使用多片散热翅片进行散热，大大增加制冷片的散热面积，并增大了冷却介质的湍流度，从而强化制冷片的制冷效果。
(4)可靠性高：由于水路尺寸相比微通道结构尺寸大大增加，因此制冷液通道被腐蚀的风险较低，可靠性大大提高。
(5)密封要求低：本发明用散热翅片取代了现有技术中的微通道，大大增加了冷却介质的流通空间，从而降低了流阻，减小了压降，因此密封要求也随之降低。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明具有蜂窝状制冷片12的结构示意图；
图3为本发明的应用实例示意图；
图4为本发明的应用实例的测试结果图。
其中：1为制冷片主体；2为散热翅片；3为固定通孔；4为出液通孔；5为入液通孔；6为芯片安装区；7为沉孔；8为上液体制冷块；9为下液体制冷块；10为正极连接片；11为负极接线孔；12为蜂窝状制冷片。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图1和图2，这种用于半导体激光器的液体制冷片，其制冷片主体1为多边形片状(图中为矩形片状，具体形状可以根据需要设计)，制冷片主体1的中部垂直开设有固定通孔3，固定通孔3的直径为3.5mm，制冷片主体1上分别垂直设有入液通孔5和出液通孔4，制冷片主体1在靠近入液通孔5的一端设有芯片安装区6。其中，制冷片主体1厚度控制在1.6mm，入液通孔5的直径为5.5mm，出液通孔4的直径为5.5mm，所述入液通孔5内还设有散热翅片2，散热翅片2是径向固定于入液通孔5内的若干条金属片(如图1)，其数量可选取为三片。散热翅片2可以是在加工入液通孔5时一体成型的，也可以是后来固定于入液通孔5内，并且散热翅片2的结构也不局限于金属片一种，它也可以是设于入液通孔5内的蜂窝状制冷片12(如图2)。
为了便于放置密封圈，入液通孔5和出液通孔4的上端可以设置大于其直径的沉孔7，在沉孔7中设置密封圈，以保证组成半导体激光器时液体制冷片与其他部件之间的密封性能。本发明的入液通孔5和出液通孔4可以为圆形(如图1所示)，也可以为多边形、椭圆形等其他利于冷却液流通的形状。
制冷片主体1的材质可选择导热能力强的金属，如铜、铝，也可选择陶瓷、金刚石或者其他复合材料(如铜和金刚石的复合材料)。另外制冷片主体1的形状局限于矩形片，也可以根据需要设置为其他形状，其表面可以涂覆防腐镀层。
这种液体制冷片的制备过程如下：
1)如图1，选择合适的材质，加工成矩形片状的制冷片主体1，并将其表面抛光，在其上制备固定通孔3和出液通孔4；
2)在制冷片主体1上制备出入液通孔5和散热翅片2。入液通孔5的位置应该距离制冷片主体1的端头一段距离，这段即为预留的芯片安装区6。散热翅片的数量可以加工为一片或一片以上，并且在加工入液通孔5时可以同时将散热翅片2加工出来。这样散热翅片2与入液通孔5是成一体结构。也可以将散热翅片与制冷片主体结构分开加工，然后固定在一起，形成一体结构。
3)在出液通孔4和入液通孔5上端加工沉孔，完成液体制冷片的制作。
本发明的液体制冷片工作过程如下：
工作时，冷却液由入液通孔5流入与液体制冷片配套的液体循环通道内，经过散热翅片2后在入液通道内形成湍流。半导体激光器的芯片产生的热量通过连接界面(即芯片安装区6和热沉等相关配件)传导到本发明的液体制冷片上，进而传导给入液通孔5内的冷却液，冷却液循环后由出液通孔4流出，将热量带走。散热翅片起到增大冷却介质湍流度和增大散热面积的作用，从而增强散热效果。
以下介绍本发明的应用实例：
应用实例：
基于本发明的液体制冷片，制备出了808nm，250W大功率半导体激光器。其装配完全后的结构如图3所示。由上液体制冷块8和下液体制冷块9将本发明的制冷片主体1夹紧安装，在上液体制冷块8的下端相对制冷片主体1上的入液通孔5和出液通孔4也设有相互导通的入液孔和出液孔，下液体制冷块9上同样相对于入液通孔5和出液通孔4设有进液通孔和排出通孔，将芯片以及涉及芯片的其他必要部件安装在芯片安装区6；在下液体制冷块9一端设置正极连接片10，正极连接片10将芯片的正极引出，芯片的负极连接到上液体制冷块8上，上液体制冷块8的一端设置有负极接线孔11。
工作时，在正极接线片10和负极接线孔11上加电压。激光器芯片正常工作，工作时发出的热量利用冷却液的循环流动带走。冷却液由下液体制冷块9的进液通孔进入，冲到本发明的制冷片主体1的入液通孔5中，穿过散热翅片2。芯片产生的热量会通过制冷片主体1传导到散热翅片2上，冷却液穿过散热翅片2时，将散热翅片2上的热量带走，冷却液之后到达上液体制冷块8的入液孔内，由于上液体制冷块8的入液孔与出液孔连通，冷却液由上液体制冷块8的出液孔流出，到制冷片主体1的出液通孔4，最后经下液体制冷块9的排出通孔排出。经外部冷却后由泵从新送回下液体制冷块9的进液通孔，进行下一轮循环。冷却液在入液通道和出液通道里完全密封，以防止因冷却剂泄露而对半导体激光器造成损坏。
以下给出这种808nm单阵列液体制冷半导体激光器的各项测试结果：
(1)如图4所示，当测试水温为25℃时，808nm单阵列半导体激光器样品在脉冲(400Hz，200us)250A的工作条件下，其输出光功率为289.45W。
(2)在250A电流输入条件下，激光器的阈值电流为21.35A，斜坡效率为1.31W/A，典型的电光转换效率为59.07％。
(3)如图4所示，使用本发明专利制作的808nm单阵列半导体激光器样品，在250A电流输入条件下，其峰值波长为808.53nm，中心波长为808.53nm，FWHM为2.73nm，FW90％E为3.85nm。
综上所述，本发明设计了一种新型高效低成本液体冷却片，在输出相同光功率的前提下，成本更低。本发明可主要应用于单阵列、水平阵列和叠层阵列液体制冷半导体激光器。
Claims (8)
1.一种用于半导体激光器的液体制冷片，包括制冷片主体(1)，其特征在于：所述制冷片主体(1)为多边形片状，所述制冷片主体(1)的中部垂直开设有固定通孔(3)，所述制冷片主体(1)上垂直设有入液通孔(5)和出液通孔(4)，所述入液通孔(5)内设有散热翅片(2)，所述制冷片主体(1)在靠近入液通孔(5)的一端设有芯片安装区(6)。
2.根据权利要求1所述的用于半导体激光器的液体制冷片，其特征在于：所述制冷片主体(1)的材质为金属、陶瓷、金刚石或者铜和金刚石的复合材料。
3.根据权利要求1所述的用于半导体激光器的液体制冷片，其特征在于：所述多边形片状的制冷片主体(1)的厚度为1.6mm。
4.根据权利要求1所述的用于半导体激光器的液体制冷片，其特征在于：所述固定通孔(3)的直径为3.5mm；所述入液通孔(5)的直径为5.5mm；所述出液通孔(4)的直径为5.5mm。
5.根据权利要求1所述的用于半导体激光器的液体制冷片，其特征在于：所述散热翅片(2)为固定于所述入液通孔(5)内的若干条金属片。
6.根据权利要求1所述的用于半导体激光器的液体制冷片，其特征在于：所述散热翅片(2)为设于所述入液通孔(5)内的蜂窝状制冷片。
7.一种权利要求1所述液体制冷片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)首先加工所述的制冷片主体(1)，并将其表面抛光，在其上制备所述固定通孔(3)和出液通孔(4)；
2)在所述制冷片主体(1)上加工所述入液通孔(5)和散热翅片(2)，在所述制冷片主体(1)距离入液通孔(5)近的一端预留芯片安装区(6)；
3)在所述出液通孔(4)和入液通孔(5)上端加工沉孔(7)，完成液体制冷片的制作。
8.根据权利要求7所述的液体制冷片的制备方法，其特征在于，步骤2)中所述入液通孔(5)和散热翅片(2)成一体加工成型，所述散热翅片(2)是一片或一片以上。
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