CN102623889A - 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，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。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)将经由所述孔将散热组件固定安装入所述空腔中，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；(3)将制冷器基体上方开设的孔口封闭。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
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)将经由所述孔将散热组件固定安装入所述空腔中，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(该结构设计可基于公知的流体散热理论并参考其他领域中常见的散热结构)；
(3)将制冷器基体上方开设的孔口封闭。
上述散热组件可以采用翅片、肋条或柱体的形式，步骤(1)开设空腔的过程中在制冷器基体的内壁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。
或者上述散热组件也可以是具有基底的一体件，采用压铸或者一次成型工艺生产；基底上布设有多个散热翅片、散热肋条或散热柱，步骤(2)直接将基底固定于制冷器基体的内壁。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。
上述步骤(3)中将孔口封闭是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以使制冷器基体外壳平整。
在步骤(2)安装散热组件后，最好对整个液冷通道加防腐蚀镀层。这样，即使使用的冷却剂存在一些杂质，也仍能够保证长时间地正常散热工作。
上述的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。
上述制冷器基体最好采用矩形块状、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；制冷器基体的内部设置有散热组件；
所述散热组件采用翅片、肋条或柱体的形式，在制冷器基体的内壁加工有与散热组件固定配合的凹槽或卡座；
或者所述散热组件为具有基底的一体件，基底固定于制冷器基体的内壁，基底上布设有多个散热翅片、散热肋条或散热柱。
在散热组件的表面和制冷器基体的内壁设置有防腐蚀镀层。
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为开设液体通道后制冷器的剖面图。
图3，图4，图5，图6为本发明采用的不同结构形式的散热组件。
其中，1为制冷器基体；2为孔口；3为液体通道；4为进水口；5为散热组件；6为盖板；7为液体制冷器成品。
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。最后将制冷器基体1上方开设孔口2部位进行封闭，封闭的方式是安装盖板6或者将盖板6焊接在孔口2部位上，使安装盖板6的制冷器基体3从外面看是一个完整的整体，便于设置焊接层从而安装半导体激光器芯片。
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。
散热组件5可以是任意能够增加散热面积的结构形式，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。
液体通道与散热组件相适配，即：若散热组件5采用翅片的形式，则液体通道3是与每个翅片所配合的凹槽，每个翅片可安装在于之配合凹槽上；若散热组件5采用柱体状的形式，则液体通道3是与主体状所配合的凹槽；同时散热组件5也可是个整体，只是在散热组件5的基底上设置了翅片或者其他散热结构，那么液体通道3和散热组件5的基底配合。
制冷器基体1侧壁上连通液体通道的进出水口的位置可以根据工艺要求来设定。
本发明的散热组件5可以根据散热需要设计成多种结构形式，如3所示，散热组件采用翅片形式，是由多个相互平行的条形片状翅片组成；图4，散热组件为多个柱状体；图5散热器有基座，在基座上设置增加散热的翅片；图6散热组件有基座，在基座上设置增加散热的柱状结构。
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。
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，亦可于整体架构外加防腐蚀镀层。
Claims (10)
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，并使进水口和出水口与所述空腔连通；
(2)将经由所述孔将散热组件固定安装入所述空腔中，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；
(3)将制冷器基体上方开设的孔口封闭。
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：所述散热组件采用翅片、肋条或柱体的形式，步骤(1)开设空腔的过程中在制冷器基体的内壁加工出与散热组件固定配合的凹槽或卡座。
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：所述散热组件为具有基底的一体件，采用压铸或者一次成型工艺生产；基底上布设有多个散热翅片、散热肋条或散热柱，步骤(2)直接将基底固定于制冷器基体的内壁。
4.根据权利要求1至3任一所述的液体制冷器的制备方法，其特征在于：步骤(3)中将孔口封闭是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以使制冷器基体外壳平整。
5.根据权利要求4所述的液体制冷器的制备方法，其特征在于：在步骤(2)安装散热组件后，对整个液冷通道加防腐蚀镀层。
6.根据权利要求5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。
7.根据权利要求6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。
8.经过如权利要求1所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，其特征在于：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；制冷器基体的内部设置有散热组件；
所述散热组件采用翅片、肋条或柱体的形式，在制冷器基体的内壁加工有与散热组件固定配合的凹槽或卡座；
或者所述散热组件为具有基底的一体件，基底固定于制冷器基体的内壁，基底上布设有多个散热翅片、散热肋条或散热柱。
9.根据权利要求8所述的半导体激光器制冷装置，其特征在于：在散热组件的表面和制冷器基体的内壁设置有防腐蚀镀层。
10.根据权利要求9所述的半导体激光器制冷装置，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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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
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| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
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| C56 | Change in the name or address of the patentee | ||
| CP01 | Change in the name or title of a patent holder |
Address after: 710119 high tech Zone, Shaanxi, Xi'an new industrial park information Avenue, building 17, building three, floor 10 Patentee after: FOCUSLIGHT TECHNOLOGIES INC. Address before: 710119 high tech Zone, Shaanxi, Xi'an new industrial park information Avenue, building 17, building three, floor 10 Patentee before: Xi'an Focuslight Technology Co., Ltd. |
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: Preparation method for liquid refrigerator applied to semiconductor laser and refrigerating device for semiconductor laser Effective date of registration: 20170922 Granted publication date: 20141224 Pledgee: Shaanxi SME financing Company limited by guarantee Pledgor: FOCUSLIGHT TECHNOLOGIES INC. Registration number: 2017610000107 |
|
| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
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Date of cancellation: 20181101 Granted publication date: 20141224 Pledgee: Shaanxi SME financing Company limited by guarantee Pledgor: FOCUSLIGHT TECHNOLOGIES INC. Registration number: 2017610000107 |
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: Preparation method for liquid refrigerator applied to semiconductor laser and refrigerating device for semiconductor laser Effective date of registration: 20181106 Granted publication date: 20141224 Pledgee: Shaanxi SME financing Company limited by guarantee Pledgor: FOCUSLIGHT TECHNOLOGIES INC. Registration number: 2018610000181 |
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| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right |
Date of cancellation: 20200918 Granted publication date: 20141224 Pledgee: Shaanxi SME financing Company limited by guarantee Pledgor: Focuslight Technologies Inc. Registration number: 2018610000181 |