CN103915748A - 一种低应力散热装置及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低应力散热装置及其制造方法。该装置包括：按照预先设计的形状和尺寸，安装固体激光增益介质和散热器，并在固体激光增益介质和散热器之间形成缝隙；在固体激光增益介质和散热器之间填充热匹配-扩散层材料，形成热匹配-扩散层；热匹配-扩散层的热膨胀系数和固体激光增益介质的热膨胀系数在设定范围内相同；热匹配-扩散层的热导率大于等于散热器的热导率；将固体激光增益介质、热匹配-扩散层、散热器整体成型。本发明解决固体激光增益介质表面和内部产生应力，以及散热效果不佳的问题。通过在固体激光增益介质和散热器之间增加具有特定热膨胀系数和特定热导率的热匹配-扩散层，减小了扩散热阻，提升了散热效果。

Description

一种低应力散热装置及其制造方法

技术领域

本发明涉及固体激光技术领域，特别涉及应用于固体激光器中的一种低应力散热装置及其制造方法。

背景技术

固体激光器具有波长短，效率高，光束质量好，体积小，重量轻等优点，广泛应用于医疗、测量、工业加工等领域。

固体激光器在工作过程中，由泵浦光为固体增益介质提供激光能量，在此同时，部分能量以废热的形式残留于固体激光增益介质当中，为了使激光器可以连续运转，必须将这部分热量从固体激光增益介质中带走。由于固体激光增益介质中体热源所产生的热量只能从表面传递出去，这就不可避免地造成了固体激光增益介质内部和表面的温度差。固体激光器工作时，不均匀的体热源分布及表面散热的冷却方式，导致固体激光增益介质内部以及表面温度分布的不均匀，温度非均匀分布使得高温区域介质的热膨胀受到低温区域介质热膨胀的制约，于是固体激光增益介质中以及表面便产生了热应力。

由于热应力和温度差的存在，导致固体激光增益介质内部的折射率差异，这就是弹光效应。在激光晶体中，弹光效应会引发折射率椭球的旋转，产生双折射效应；当固体激光器中存在偏振敏感元件时，双折射效应将导致固体激光器的输出功率下降，即退偏损耗，这些效应都会导致固体激光器输出的激光光束质量下降和功率下降。

综上所述，减小固体激光增益介质传热时产生的内部应力，提高固体激光增益介质向外的传热能力，是固体激光器研究和制造中的重要问题。

对于固体激光器，常用的散热方法都要用到散热器（冷却器），传统的散热器材料如铜（Cu）、铝（Al）都具有较高的热导率，但是传统散热器材料的热膨胀系数与钇铝石榴石（YAG）、钕（Nd）玻璃、氟化钇锂（Nd:YLF）等固体激光增益介质材料相差很大；新型的散热器材料如氧化铍（BeO）、碳化硅（SiC）、氮化铝（AlN）的热膨胀系数和固体激光增益介质材料相对比较接近，但热导率不高，而且加工较困难；具有较好热膨胀匹配的铜钨复合（Cu-W）散热器材料热导率偏低。

另外，对于固体激光器，固体激光增益介质和散热器一般都是独立的，在固体激光增益介质和散热器之间利用导热胶等材料形成热界面。这种独立结构的优点是便于更换，但缺点是：①热界面热阻往往很高，影响激光输出功率；②热界面不均匀，而且热膨胀系数不匹配，影响激光输出质量；③热界面性质不稳定，影响固体激光器工作寿命。

近年来，将固体激光增益介质和散热器焊接为一体的散热结构已出现，优点是热阻较小，但固体激光增益介质和散热器的热膨胀系数不匹配，容易在固体激光增益介质表面和内部产生应力的缺点更为突出，造成输出激光质量下降。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种低应力散热装置及其制造方法，用以解决现有技术固体激光增益介质表面和内部产生应力，并且散热结构的散热效果不佳的问题。

为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案来实现的。

本发明提供了一种低应力散热装置，包括：固体激光增益介质、热匹配-扩散层、散热器；按照预先设计的形状和尺寸，安装所述固体激光增益介质和所述散热器，并在所述固体激光增益介质和所述散热器之间形成缝隙；通过在所述固体激光增益介质和所述散热器之间填充热匹配-扩散层材料，形成热匹配-扩散层；其中，所述热匹配-扩散层的热膨胀系数和固体激光增益介质的热膨胀系数在设定范围内相同；所述热匹配-扩散层的热导率大于等于所述散热器的热导率；将所述固体激光增益介质、热匹配-扩散层、散热器整体成型，形成一体式结构。

其中，所述热匹配-扩散层材料包括基体材料组分和调节组分；通过调节所述调节组分在热匹配-扩散层材料中所占比例，获得具有特定热膨胀系数和特定热导率的热匹配-扩散层。

其中，所述基体材料组分为金属材料或金属合金材料；所述调节组分为金刚石粉。

其中，所述固体激光增益介质的几何构型至少包括板条型、薄片型、圆棒型、方棒型。

本发明还提供了一种低应力散热装置的制造方法，包括：按照预先设计的形状和尺寸，安装所述固体激光增益介质和所述散热器，并在所述固体激光增益介质和所述散热器之间形成缝隙；通过在所述固体激光增益介质和所述散热器之间填充热匹配-扩散层材料，形成热匹配-扩散层；将所述固体激光增益介质、热匹配-扩散层、散热器整体成型，形成一体式结构。

其中，通过在所述固体激光增益介质和所述散热器之间填充热匹配-扩散层材料，形成热匹配-扩散层，包括：所述热匹配-扩散层的热膨胀系数和固体激光增益介质的热膨胀系数在设定范围内相同；所述热匹配-扩散层的热导率大于等于所述散热器的热导率。

其中，所述热匹配-扩散层材料包括基体材料组分和调节组分；通过调节所述调节组分在热匹配-扩散层材料中所占比例，获得具有特定热膨胀系数和特定热导率的热匹配-扩散层。

其中，所述基体材料组分为金属材料或金属合金材料；所述调节组分为金刚石粉。

其中，所述热匹配-扩散层材料的成型工艺至少包括：粉末冶金法、挤压铸造法、放电等离子烧结法、液相浸渗法。

其中，所述固体激光增益介质的几何构型至少包括板条型、薄片型、圆棒型、方棒型。

本发明有益效果如下：

本发明通过在固体激光增益介质和散热器之间增加热匹配-扩散层，使固体激光增益介质和热匹配-扩散层的热膨胀系数相匹配，有效地解决了固体激光增益介质和散热结构之间热膨胀系数不匹配的问题，同时，热匹配-扩散层的热导率大于等于散热器的热导率，减小了扩散热阻，提升了散热效果。

附图说明

图1是根据本发明一实施例的低应力散热装置的截面图；

图2是根据本发明另一实施例的低应力散热装置的截面图；

图3是根据本发明一实施例的低应力散热装置的制造方法的流程图。

具体实施方式

为了解决现有技术固体激光增益介质表面和内部产生应力，并且散热结构的散热效果不佳的问题，本发明提供了一种低应力散热装置及其制造方法，以下结合附图以及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不限定本发明。

本发明首先，按照预先设计的形状和尺寸，安装固体激光增益介质与散热器，在固体激光增益介质和散热器之间形成缝隙。进一步地，可以预先设计固体激光增益介质和散热器的形状和尺寸，使固体激光增益介质嵌套在散热器中，这样，散热器可以有效地起到为固体激光增益介质散热的作用。其中，固体激光增益介质的几何构型至少可以包括板条型、薄片型、圆棒型、方棒型。

然后，通过在固体激光增益介质和散热器之间填充热匹配-扩散层材料，形成热匹配-扩散层；其中，热匹配-扩散层的热膨胀系数和固体激光增益介质的热膨胀系数在设定范围内相同。热匹配-扩散层的热导率大于等于散热器的热导率；最后，将固体激光增益介质、热匹配-扩散层、散热器整体成型，形成一体结构。

热匹配-扩散层的热膨胀系数和固体激光增益介质的热膨胀系数在设定范围内相同是指：热匹配-扩散层的热膨胀系数和固体激光增益介质的热膨胀系数的差值的绝对值小于或等于第一预设值。第一预设值可以由研发人员根据经验进行确定，也可以通过试验或者仿真来获取；该数值越小越好。

在一个实施例中，热匹配-扩散层的热导率在预定范围内小于散热器的热导率是指：热匹配-扩散层的热导率和散热器的热导率的差值的绝对值小于或等于第二预设值。第二预设值可以由研发人员根据经验进行确定，也可以通过试验或者仿真来获取；该数值越小越好。

如图1所示的根据本发明一实施例的低应力散热装置的截面图。图1采用的是方棒型固体激光增益介质130。而图2所示的根据本发明另一实施例的低应力散热装置的截面图，采用的是圆棒型固体增益介质230。为了起到更好的散热效果，图1中的散热器110和图2中的散热器210均采用可以环绕固体激光增益介质的构型。

以图1为例，对本发明所述的低应力散热装置进行说明。

固体激光增益介质130是可以采用钇铝石榴石（YAG）材料，散热器110可以采用纯铜材料。根据材料的特性，钇铝石榴石材料的固体激光增益介质130的热膨胀系数（Coefficient of thermal expansion，CTE）是8×10^-6/K，热导率（coefficient of thermal conductivity，TC）是14W/(m·K)；纯铜材料的散热器110的热膨胀系数是17×10^-6/K、热导率是401W/(m·K)。

固体激光增益介质130的形状被设计为方棒型，尺寸被设计为3.0mm（长）×3.0mm（宽）×12.0mm（深）。散热器110的形状被设计为方筒状，内部包含方形内孔，内孔尺寸为5.0mm（长）×5.0mm（宽）×12.0mm（深）。将固体激光增益介质130和散热器110按照设计的尺寸和形状进行安装，将固体激光增益介质130嵌套在散热器110内。进一步地，在固体激光增益介质130和散热器110之间会形成缝隙，利用该缝隙形成热匹配-扩散层120。通过固体激光增益介质130和散热器110的设计尺寸可以预先知道形成的缝隙的大小(1.0mm)，所以，在设计固体激光增益介质130和散热器110的尺寸时，可以限定缝隙的大小。该缝隙的大小可以是一个经验值，也可以根据预定的算法进行计算来获得一个最优值。

在固体激光增益介质130和散热器110之间的缝隙中填充热匹配-扩散层材料，来形成热匹配-扩散层120。其中，该热匹配-扩散层材料是粉状物。

热匹配-扩散层材料包括基体材料组分和调节组分。可以通过调节该调节组分在热匹配-扩散层材料中所占比例，获得具有不同热膨胀系数和不同热导率的热匹配-扩散层120。

可以将金刚石粉作为调节组分。金刚石是已知自然界中热导率最高的物质，单晶金刚石的热导率可以达到2000W/(m K)。

可以将金属材料或是金属合金材料作为基体材料组分。该基体材料组分可以采用高热导率材料。例如，将金属材料铜作为基体材料组分。铜的热导率为401W/(m K)，热膨胀系数(CTE)为17×10^-6/K。又如，将金属材料铝作为基体材料组分。铝的热导率为230W/(m K)，热膨胀系数为33×10^-6/K。

将基体材料组分和调节组分制成复合材料，也即是将金刚石粉和金属材料（或金属合金材料）制成的复合材料，以作为热匹配-扩散层材料。具体而言，按照一定比例配置热匹配-扩散层材料中的组分，使热匹配-扩散层120的热膨胀系数和固体激光增益介质130的热膨胀系数在设定范围内相同，即热匹配-扩散层120和固体激光增益介质130的热膨胀系数相匹配，使热匹配-扩散层120的热导率大于等于散热器110的热导率，或者热匹配-扩散层120的热导率在预定范围内小于散热器110的热导率，进而降低了固体激光增益介质130内部和表面的应力。

例如：将平均粒径200μm的金刚石粉与高纯铜粉混合均匀，金刚石粉的质量占40%，铜粉的质量占60%，可以得到金刚石-铜复合材料。该金刚石-铜复合材料的热导率为462W/(m K)、热膨胀系数为7.93×10^-6/K。该热膨胀系数与最常用的激光增益介质钇铝石榴石（YAG）材料的热膨胀系数(7.7-8.2×10^-6/K)几乎相同，而且金刚石-铜复合材料的热导率较高，可以有效的降低固体激光增益介质130内部和表面的应力。

在将基体材料组分和调节组分进行混合，形成热匹配-扩散层材料时，热匹配-扩散层材料的成型工艺至少包括：粉末冶金法、挤压铸造法、放电等离子烧结法、液相浸渗法等。

在热匹配-扩散层材料填充完毕后，可以将固体激光增益介质130、热匹配-扩散层120、散热器110进行整体成型，封装为一体式结构。例如：通过烧结，将所述固体激光增益介质、热匹配-扩散层、散热器形成一体式结构。这样，可以有效的减小热阻，而且，将固体激光增益介质130、热匹配-扩散层120和散热器110成型为一体式结构，避免了固定、粘接、安装等环节，降低了热界面失效故障率，提高了结构的可靠性。

本发明还提供了一种低应力散热装置的制造方法。如图3所示，图3是根据本发明一实施例的低应力散热装置的制造方法的流程图。

步骤S310，按照预先设计的形状和尺寸，安装固体激光增益介质与散热器，并在固体激光增益介质和散热器之间形成缝隙。

固体激光增益介质的几何构型至少包括板条型、薄片型、圆棒型、方棒型。

步骤S320，通过在固体激光增益介质和散热器之间填充热匹配-扩散层材料，形成热匹配-扩散层。

热匹配-扩散层的热膨胀系数和固体激光增益介质的热膨胀系数在设定范围内相同；热匹配-扩散层的热导率大于等于散热器的热导率。

热匹配-扩散层材料包括基体材料组分和调节组分；通过调节所述调节组分在热匹配-扩散层材料中所占比例，获得具有特定热膨胀系数和特定热导率的热匹配-扩散层。进一步地，基体材料组分为金属材料或金属合金材料；调节组分为金刚石粉。

步骤S330，将固体激光增益介质、热匹配-扩散层、散热器整体成型，形成一体式结构。例如：通过烧结，将所述固体激光增益介质、热匹配-扩散层、散热器形成一体式结构。

本发明具有以下优点：（1）改变热匹配-扩散层材料中各组分的比例可以改变热匹配-扩散层材料的热膨胀系数，进而可以根据使用需要设计热匹配-扩散层材料的热膨胀系数的范围。（2）固体激光增益介质和热匹配-扩散层的热膨胀系数匹配，在不同工作温度下工作时都可有效减小固体激光增益介质内部和表面的应力，消除或者减小不良光学效应。（3）热匹配-扩散层的热导率大于散热器的热导率，可以减小散热结构的总传热热阻；提高固体激光增益介质通过散热器向外部的传热能力，提高激光输入功率。（4）本发明固体激光增益介质、热匹配-扩散层和散热器为一体式结构，没有固定、粘接等环节，出现热界面失效故障的几率大大降低，有效地提高了可靠性。

尽管为示例目的，已经公开了本发明的优选实施例，本领域的技术人员将意识到各种改进、增加和取代也是可能的，因此，本发明的范围应当不限于上述实施例。

Claims (10)

1.一种低应力散热装置，其特征在于，所述装置包括：固体激光增益介质、热匹配-扩散层、散热器；

按照预先设计的形状和尺寸，安装所述固体激光增益介质和所述散热器，并在所述固体激光增益介质和所述散热器之间形成缝隙；

通过在所述固体激光增益介质和所述散热器之间填充热匹配-扩散层材料，形成热匹配-扩散层；其中，

所述热匹配-扩散层的热膨胀系数和固体激光增益介质的热膨胀系数在设定范围内相同；

所述热匹配-扩散层的热导率大于等于所述散热器的热导率；

将所述固体激光增益介质、热匹配-扩散层、散热器整体成型，形成一体式结构。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，

所述热匹配-扩散层材料包括基体材料组分和调节组分；

通过调节所述调节组分在热匹配-扩散层材料中所占比例，获得具有特定热膨胀系数和特定热导率的热匹配-扩散层。

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，

所述基体材料组分为金属材料或金属合金材料；

所述调节组分为金刚石粉。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述固体激光增益介质的几何构型至少包括板条型、薄片型、圆棒型、方棒型。

5.一种低应力散热装置的制造方法，其特征在于，包括：

按照预先设计的形状和尺寸，安装所述固体激光增益介质和所述散热器，并在所述固体激光增益介质和所述散热器之间形成缝隙；

通过在所述固体激光增益介质和所述散热器之间填充热匹配-扩散层材料，形成热匹配-扩散层；

将所述固体激光增益介质、热匹配-扩散层、散热器整体成型，形成一体式结构。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，通过在所述固体激光增益介质和所述散热器之间填充热匹配-扩散层材料，形成热匹配-扩散层，包括：

所述热匹配-扩散层的热膨胀系数和固体激光增益介质的热膨胀系数在设定范围内相同；

所述热匹配-扩散层的热导率大于等于所述散热器的热导率。

7.如权利要求5或6所述的方法，其特征在于：

所述热匹配-扩散层材料包括基体材料组分和调节组分；

通过调节所述调节组分在热匹配-扩散层材料中所占比例，获得具有特定热膨胀系数和特定热导率的热匹配-扩散层。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于：

所述基体材料组分为金属材料或金属合金材料；

所述调节组分为金刚石粉。

9.如权利要求5、6或8任一所述的方法，其特征在于，所述热匹配-扩散层材料的成型工艺至少包括：粉末冶金法、挤压铸造法、放电等离子烧结法、液相浸渗法。

10.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述固体激光增益介质的几何构型至少包括板条型、薄片型、圆棒型、方棒型。