CN102620592B - 应用于半导体激光器的液体制冷器的制备方法及其制冷装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种应用于半导体激光器的液体制冷器的制备方法及其制冷装置。该液体制冷器的制备方法，包括以下步骤：(1)在制冷器基体的上方开孔口，经由该孔口在制冷器基体内开设空腔；(2)在孔口位置安装盖板，或者采用堵片与孔口平齐焊接或粘接使制冷器基体外壳平整，从而实现对孔口的封闭；在步骤(2)之前，根据所述孔口的尺寸加工盖板或堵片，盖板或堵片的内侧固定设置与所述空腔匹配的散热组件以形成液冷通道；散热组件的结构设计依据是：尽可能增大散热面积，并使得所述液冷通道具有多条路径，加大冷却介质的湍流度。本发明具有散热能力强、成本低的优点，具有可调整性，便于设置防腐蚀层以提高可靠性。

Description

应用于半导体激光器的液体制冷器的制备方法及其制冷装置
技术领域
本发明属于半导体激光器制造领域，涉及一种应用于半导体激光器的液体制冷器的制备方法及其制冷装置，尤其适用于大功率半导体激光器。
背景技术
随着半导体激光器的输出功率、电光转换效率、可靠性和性能稳定性不断提高，大功率半导体激光器在工业，医疗和军事中的应用更加广泛，市场需求巨大，发展前景广阔。激光器的性能除了与芯片有关外，还与激光器的散热和封装有关。为了提高激光器的可靠性和稳定性，降低生产成本，必须设计高效的散热结构。此外，还要求封装结构设计和制造简单成本低、散热效率高。
目前，大功率半导体激光器已经有商业化产品出现，这类激光器的散热主要有传导冷却型、普通液体制冷型、微通道液体制冷型三种。
传导制冷器主要通过高导热率金属或者其他导热性较好的材料进行传导散热，这种制冷器的制备方法简单，但是散热能力有限，制约了激光器的功率扩展；普通液体制冷器制冷效果差，这种制冷器主要依靠中间或近热源一侧的贯通通道进行散热，散热面积有限，且其内部冷却介质不能有效形成湍流，对流换热系数低；微通道液体制冷器加工难度大、制造成本高、使用寿命短。微通道液体制冷器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，由于微通道制冷器的精密加工难度相当大，导致其制造成本非常高。而微通道制冷器中冷却介质的流动空间非常狭小，容易产生多余的压力降，密封条件恶劣，导致微通道制冷器使用寿命缩短。此外，激光器工作的过程中，若冷却介质(通常为去离子水)中存在杂质时，这些杂质很容易附着在微通道内壁上，从而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，既对激光器的安全性造成极大的影响，从而影响激光器的使用寿命。
发明内容
本发明提供一种应用于半导体激光器的液体制冷器的制备方法，以解决现有技术存在的散热效率低或加工难度大、生产成本较高等技术问题。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种应用于半导体激光器的液体制冷器的制备方法，包括以下步骤：
(1)在制冷器基体的上方开孔口，经由该孔口在制冷器基体内开设空腔；在制冷器基体的一端侧壁上开设进液口，另一端侧壁上开设出液口，并使进水口和出水口与所述空腔连通；
(2)在孔口位置安装盖板，或者采用堵片与孔口平齐焊接或粘接使制冷器基体外壳平整，从而实现对孔口的封闭；
在步骤(2)之前，根据所述孔口的尺寸加工盖板或堵片，盖板或堵片的内侧固定设置与所述空腔匹配的散热组件以形成液冷通道；散热组件的结构设计依据是：尽可能增大散热面积，并使得所述液冷通道具有多条路径，加大冷却介质的湍流度(结构设计可基于流体散热理论参考宏观设备的散热结构)。
上述的散热组件采用翅片、肋条或柱体的形式；在盖板或堵片的内侧固定设置散热组件前，先加工出与散热组件固定配合的凹槽或卡座。旨在实现尽可能增大散热面积，并使得所述液冷通道具有多条路径，加大冷却介质的湍流度。
或者上述的散热组件采用翅片、肋条或柱体的形式，但可以是散热组件与盖板或堵片采用压铸或者一次成型工艺生产。旨在实现尽可能增大散热面积，并使得所述液冷通道具有多条路径，加大冷却介质的湍流度。
在步骤(1)完成后可以对制冷器基体的内壁加防腐蚀镀层；对已固定设置好散热组件的盖板或堵片的内侧面以及散热组件外表面加防腐蚀镀层。
上述制冷器基体选材自铜、金、银、陶瓷、金刚石或金刚石铜复合材料。
上述制冷器基体可以为矩形块状、圆柱状或椭圆柱状。
经过如上述液体制冷器的制备方法生产得到的半导体激光器制冷装置，其特殊之处在于：在半导体激光器制冷装置的制冷器基体的平整表面镀有焊接层，半导体激光器芯片封装于焊接层上；制冷器基体的盖板或堵片部分的内侧固定设置有与制冷器基体内部空腔匹配的散热组件以形成液冷通道，散热组件采用翅片、肋条或柱体的形式。
上述散热组件是与盖板或堵片的内侧预设的凹槽或卡座配合固定；或者散热组件与盖板或堵片采用压铸或者一次成型工艺形成。
在散热组件的表面和制冷器基体的内壁还可以设置有防腐蚀镀层。
上述制冷器基体以矩形块状、圆柱状或椭圆柱状为佳。
本发明具有以下有益效果：
(1)散热能力强。本发明使用散热片结构形成的液流通道，大大增加了液体制冷器的散热面积，在制冷器基体空腔内部将水路分成多路水流，加大了冷却介质的湍流度，从而加强制冷器的制冷效果。
(2)成本低。本发明制冷器基体结构易于机械加工，制作成本低。制冷器基体可直接用普通机械加工方法制备，散热片也可根据其形状可用挤型或者压铸或者一次成型工艺生产，比一般使用线切割工艺的制冷器成本更低，适宜于批量化生产。
(3)具有可调整性。本发明中可根据散热要求，选择散热片的形状安装在制冷器基体中的液体通道上，例如，如散热要求低时可选择只有少量翅片的结构；散热要求较高时，可选择具有多片翅片的结构，方便对结构的合理运用和对成本的管控。
(4)便于设置防腐蚀层以提高可靠性。与一般微通道相比，本制冷器的水路尺寸大，且可加防腐蚀镀层，因此极大地降低了水路被堵塞或严重腐蚀的风险，可靠性大大提高。
附图说明
图1为本发明制冷器的制备方法示意图。
图2为为开设液体通道后制冷器的剖面图。
图3，图4为本发明采用的不同结构形式的盖板-散热组件。
其中1为制冷器本体；2为孔口；3为液体通道；4为进水口；5为盖板-散热组件；7为液体制冷器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
如图1所示，本发明的制冷器基体1采用经过对主平面进行磨削的块状坯体，首先在制冷器上方开设孔口2，从孔口2将制冷器基体掏空并在内部设置液体通道3，在制冷器基体的一端侧壁上开设进液口，另一端侧壁上开设出液口，并使进水口和出水口与液体通道连通。
为了实现良好的导热性，在盖板内侧设置散热组件，构成盖板-散热组件5，即盖板和散热片设计为一体式结构。制作方式可以是在盖板的内侧固定设置散热组件前，先加工出与散热组件固定配合的凹槽或卡座；也可以散热组件与盖板或堵片采用压铸或者一次成型工艺生产。通过在孔口处安装盖板-散热组件，使散热组件置于在制冷器基体内形成实际的液体通道，并将盖板封闭孔口。
使安装盖板-散热组件的制冷器基体1从外面看是一个完整的整体，便于半导体激光器的安装。
制冷器基体1的材质为高导热率材料，可以是金属，如铜、金、银，也可以是金刚石或者金刚石铜复合材料，也可以是陶瓷。
制冷器基体1可以为便于开设空腔以及配合容置散热组件的任意形状，可以是矩形块状，可以是圆柱体状等。
根据孔口大小来设置盖板的尺寸，散热组件可以是任意能够增加面积的结构形式，比如片状，圆柱状，菱形柱状，在实际应用中，本发明的翅片也可以稍作改进，如将翅片制作成环状等有利于散热的结构；即可以是多个相互平行的条形片状翅片组成，也可以是多个垂直柱体阵列，所述柱体阵列的横截面积可以是圆形也可以是多边形。图3和图4举例示出了盖板-散热组件的两种结构形式。
将盖板-散热组件封闭孔口部位进行封闭的方式可以是将盖板焊接在孔口部位，使整个制冷器基体从外侧看是一个完整体。
为了防止水流通道的腐蚀，液体通道3的内壁均设有防腐蚀镀层，这种在水路镀抗腐蚀材料的方式，大大提高了散热系统的抗腐蚀能力。
基于本发明液体制冷器的制备方法，在制备得到的液体制冷器7上镀焊接层，再在焊接层层上封装半导体激光器芯片，半导体激光器芯片工作时热源产生的热量通过热传导的方式垂直向下传导到制冷器散热片上，通过散热组件进行散热。具体工作方式为：冷却介质由制冷器基体1壁面上的入水口进入液体通道3，在液体通道内形成湍流并被散热组件分流，激光器芯片产生的热量传导到散热组件上，并由散热组件内水流将热量及时带走，水流经出水口流出。这样，半导体激光器芯片传导到液体制冷器上的热量被冷却介质带走。由于散热组件的存在，散热面积大大增加，从而产生良好的制冷效果。
本发明可根据半导体激光器的散热需求进行设计制备液体制冷器。可满足为能够封装任意个巴条的液体制冷器。
综上所述，本发明的制备方法简单、易于机械加工，制作成本低。譬如制冷器基体可直接用普通机械加工方法制备，并可实现在制冷器基体上加工螺纹孔等辅助工艺；若散热翅片组件与卡座根据其形状可用挤型或者压铸或者一次成型工艺生产，比一般使用线切割工艺的制冷器成本更低，适宜于批量化生产，当然，样品同样可使用线切割工艺制备，其主表面可直接加工到应用所需要的平面度和粗糙度；制冷器基体组装可根据具体应用情况使用焊接工艺，粘接工艺等一次完成。如果对制冷器表面要求极高，亦可直接于制冷器基体组装后二次对主平面进行磨削等二次加工，亦可于整体架构外也加防腐蚀镀层。

Claims (4)

1.一种应用于半导体激光器的液体制冷器的制备方法，包括以下步骤：
（1）在制冷器基体的上方开孔口，经由该孔口在制冷器基体内开设空腔；在制冷器基体的一端侧壁上开设进液口，另一端侧壁上开设出液口，并使进液口和出液口与所述空腔连通；
（2）在孔口位置安装盖板，或者采用堵片与孔口平齐焊接或粘接使制冷器基体外壳平整，从而实现对孔口的封闭；
在步骤（2）之前，根据所述孔口的尺寸加工盖板或堵片，盖板或堵片的内侧固定设置与所述空腔匹配的散热组件以形成液冷通道；散热组件的结构设计依据是：尽可能增大散热面积，并使得所述液冷通道具有多条路径，加大冷却介质的湍流度；
所述散热组件采用翅片、肋条或柱体的形式，在盖板或堵片的内侧固定设置散热组件前，先加工出与散热组件固定配合的凹槽或卡座；
在步骤（1）完成后对制冷器基体的内壁加防腐蚀镀层；对已固定设置好散热组件的盖板或堵片的内侧面以及散热组件外表面加防腐蚀镀层。
2.根据权利要求1所述的液体制冷器的制备方法，其特征在于：散热组件采用翅片、肋条或柱体的形式，散热组件与盖板或堵片采用压铸或者一次成型工艺生产。
3.根据权利要求1所述的液体制冷器的制备方法，其特征在于：制冷器基体选材自铜、金、银、陶瓷、金刚石或金刚石铜复合材料。
4.根据权利要求3所述的液体制冷器的制备方法，其特征在于：制冷器基体为矩形块状、圆柱状或椭圆柱状。
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