CN104538836B - 一种用于高功率半导体激光器的液体制冷片 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种用于高功率半导体激光器的液体制冷片，尤其是一种宏通道型液体制冷片。制冷片主体为片装结构，上设有通水区和芯片安装区，芯片安装区位于液体制冷片主体的一端，为激光芯片安装的位置；通水区位于制冷片主体上靠近芯片安装区的位置；制冷片主体的通水区分为相互对应的A面和B面，A面和B面分别位于片状制冷片主体的上表面和下表面，通水区的A面设置有多个出水柱孔C，B面设置有多个进水柱孔D；A面的出水柱孔C与B面的进水柱孔D连通。本发明结构简单，没有微通道的复杂结构，采用的是通孔，对制冷液颗粒度要求不高且液体制冷通道被腐蚀的风险较低，在使用过程中可以提高整个半导体激光器器件的可靠性。

Description

一种用于高功率半导体激光器的液体制冷片

技术领域

本发明属于激光器制造领域，涉及一种用于高功率半导体激光器的液体制冷片，尤其涉及一种宏通道型液体制冷片。

背景技术

目前，高功率半导体激光器在工业、国防等领域已经得到广泛的应用，市场需求巨大，发展前景广阔。随着半导体激光器功率的提高，基质材料热扩散将引起应力的变化，由于热量的沉积，会导致半导体激光器芯片温度升高、输出波长变化，使半导体激光器不能正常工作。为了提高半导体激光器的功率、可靠性和性能稳定性，降低生产成本，必须设计出高效散热结构。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，功率类电子器件的封装形式有热传导冷却型、微通道液体制冷型及高效液体制冷片（200910023753.3）。对于高功率半导体激光器而言，采用传导冷却的方式，散热效率较低，会导致器件寿命和可靠性下降，一般只能达到几十瓦的输出功率；若采用微通道液体制冷的方式，制冷液体需采用高质量的去离子水，成本较高，并且长时间使用会导致微通道管壁腐蚀或者堵塞，严重影响了半导体激光器的可靠性。

中国专利200910023753.3提出了一种液体制冷片结构，虽然解决了微通道液体制冷的管壁堵塞问题，但是散热效果有待提高，制约了半导体激光器的功率的进一步提高和应用领域。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种用于高功率半导体激光器的液体制冷片。

本发明的目的是通过以下技术方案解决的：

一种用于高功率半导体激光器的液体制冷片包括制冷片主体，制冷片主体为片装结构，该片状结构包括上表面和下表面；制冷片主体上设有通水区和芯片安装区，芯片安装区位于液体制冷片主体的一端，为激光芯片安装的位置；通水区位于制冷片主体上靠近芯片安装区的位置；制冷片主体的通水区分为相互对应的A面和B面，A面和B面分别位于片状制冷片主体的上表面和下表面，通水区的A面设置有多个出水柱孔C，B面设置有多个进水柱孔D；A面的出水柱孔C与B面的进水柱孔D连通。所述的A面上设置密封区，环绕于出水柱孔C的周围，或者所述的B面上设置密封区，密封区环绕于进水柱孔D的周围，密封区为环形的凹槽，用于放置密封装置。

所述的制冷片主体上设置有定位孔，在实际使用时用于固定液体制冷片。

当A面的出水柱孔C与B面进水柱孔D一一对应时，即A面的一个出水柱孔C对应B面的一个进水柱孔D；两者穿通形成从A面至B面的通孔，或者为出水柱孔C与进入柱孔D交错贯通的形式；所述A面出水柱孔C的截面积可以与B面进水柱孔D的截面积大小一样，也可以小于进水柱孔D的截面积。所述的从A面至B面的通孔可以为花瓣型，也可以为圆柱形或者不规则多边形等。

当A面的出水柱孔C与B面的进水柱孔D的个数不相等时，其对应方式可以为1个进水柱孔D对应N个出水柱孔C，N大于1，进水柱孔D的横截面积不小于对应的N个出水柱孔C在进水柱孔D截面上的投影面积之和；也可以为M个进水柱孔D对应1个出水柱孔C，M大于1，M个进水柱孔D的横截面积之和大于M个进水柱孔D在所对应的1个出水柱孔C横截面上的投影面积之和，保证制冷液体在流过通水区时有较大的压强差，增强散热效率。

根据所述的A面的出水柱孔C与B面的进水柱孔D的个数不相等时，所述的A面的出水柱孔C和B面的进水柱孔D的深度均不小于制冷片主体厚度的一半，出水柱孔C与对应的进水柱孔D存在通水重合区域，用于平衡液体在通水区的压强差，保证液体最优的制冷效果。

所述的A面的出水柱孔C和B面的进水柱孔D直径在0.3毫米到3.0毫米之间，若柱孔的直径过大，柱孔的数量会少，总的散热面积会小。所述的A面相邻两个进水柱孔D之间的壁厚不小于0.2毫米或者所述的B面相邻两个出水柱孔C之间的壁厚不小于0.2毫米。

所述的A面的进水柱孔D和B面的出水柱孔C可以是圆柱型孔，也可以是矩形方柱孔、菱形方柱孔或者多边形柱孔。

所述的芯片安装区上设置应力缓释层，应力缓释层以焊接或者金属键合的方式设置在芯片安装区位置上。激光芯片焊接或者金属键合在应力缓释层上，应力缓释层的材料的热膨胀系数与激光芯片匹配，比如铜钨或者陶瓷，陶瓷材料为氮化铝或者氧化铍。

上述液体制冷片的材质为高导热率材料，比如铜、金刚石、陶瓷。

所述的液体制冷片主体的厚度为1.0毫米到10.0毫米；长度为15毫米到30毫米；宽度为8.0毫米到30毫米。

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，采用的是通孔，对制冷液颗粒度要求不高。

（2） 制作简单、制作成本低：本发明结构简单，易于机械加工，从而有效降低制作成本。

（3） 散热能力强：本发明采用液体制冷，使用通孔，散热面积大，从大孔分流入多个小孔中再流出，增加了湍流度，散热能力强。

（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；此外，增加了应力缓释层结构，可以采用硬焊料无铟化工艺，具有耐高温、抗热疲劳、不易氧化、储存寿命长、性能稳定、降低电迁移和电热迁移等优点，极大地提高了器件的可靠性。

附图说明

图1为本发明的用于高功率半导体激光器的液体制冷片结构示意图。

图2为本发明液体制冷片的通水区B面结构示意图。

图3为本发明的用于高功率半导体激光器的液体制冷片的实施例一。

图4为本发明液体制冷片的实施例二。

图5为本发明液体制冷片实施例二的通水区B面示意图。

图6为本发明液体制冷片的实施例三。

图7为本发明液体制冷器实施例三的通水区B面示意图。

图8为本发明液体制冷器实施例三剖面结构示意图。

图9为本发明液体制冷器实施例三的进水柱孔D与出水柱孔C的投影示意图。

附图标号说明：1为制冷片主体，2为芯片安装区，3为密封区，4为通水区的A面，5为通水区的B面，6为出水柱孔C，7为进水柱孔D，8为应力缓释层，9为定位孔，10为进水柱孔D在出水柱孔C上的投影。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施实例详细叙述本发明：

图1为本发明的液体制冷片的结构示意图，一种用于高功率半导体激光器的液体制冷片包括制冷片主体1，制冷片主体为片装结构，该片状结构包括上表面和下表面；制冷片主体1上设有通水区和芯片安装区2，芯片安装区2位于液体制冷片主体1的一端，为激光芯片安装的位置；通水区位于制冷片主体1上靠近芯片安装区2的位置；制冷片主体的通水区分为相互对应的A面4和B面5，A面4和B面5分别位于片状制冷片主体的上表面和下表面，A面4的结构可参考图1，B面的结构可参考图2的液体制冷器的B面5结构示意图。通水区的A面4设置有多个出水柱孔C 6， B面 5设置有多个进水柱孔D 7；A面的出水柱孔C 6与B面的进水柱孔D7连通。所述的A面 4上设置密封区3，环绕于出水柱孔C 6的周围，或者所述的B面 5上设置密封区，密封区环绕于进水柱孔D7的周围，密封区3为环形的凹槽，用于放置密封装置。

图3为本发明的液体制冷片的实施例一，制冷片主体1除了包括图1中的结构外，还包括定位孔9和应力缓释层8。定位孔9为制冷片主体1上的通孔，用于固定液体制冷片。应力缓释层8设置在芯片安装区2上，安装方式为焊接或者金属键合的方式。激光芯片焊接或者金属键合在应力缓释层8上，应力缓释层8的材料的热膨胀系数与激光芯片匹配，比如铜钨，氮化铝陶瓷，氧化铍陶瓷。

图4为本发明的液体制冷片的实施例二，制冷片主体1包括通水区，芯片安装区2和定位孔9，通水区分为相互对应的A面4和B面5两个面，通水区A面4设有多个出水柱孔C 6，通水区B面5设有多个进水柱孔D 7，可参考图5的实施例二的B面结构图， A面出水柱孔C 6和进水柱孔D 7一一对应，两者穿通形成从A面至B面的通孔，所述通孔的形状为花瓣型，以中心对称的形式排列在通水区，增大了制冷液体流过通水区时的接触面积，增加了散热效率。

图6为本发明的液体制冷片的实施例三，本发明的液体制冷片的制冷片主体包括通水区，芯片安装区2，安装孔9。通水区分为相互对应D 的A面4和B面5，A面结构参考图6，B面结构参考图7的通水区B面的结构图。通水区A面4设有多个出水柱孔C 6，B面设有多个进水柱孔D 7，且每个进水柱孔D 7对应N个出水柱孔C 6，N大于1，此时必然满足进水柱孔D7的截面积不小于对应的N个出水柱孔C6在进水柱孔D7截面上的投影10面积之和，图9中的阴影部分即为出水柱孔C 6在进水柱孔D7截面上的投影10 ，制冷液体可以通过阴影部分流动，其他部分阻碍了制冷液体的流动，保证制冷液体在流过通水区时有较大的压强差，增强散热效率。

图8为实施例三的液体制冷片的剖面图，所述的A面的出水柱孔C 6和B面的进水柱孔D7的深度均不小于制冷片主体厚度的一半，出水柱孔C6与对应的进水柱孔D7存在通水重合区域，即进水柱孔D的深度和出水柱孔C的深度有重叠的区域，增大了进水柱孔D和出水柱孔C的通水面，降低了液体在通水区的压强差，在实施例三的应用中可以平衡压强差，保证液体最优的制冷效果。

所述的A面的出水柱孔C和B面进水柱孔D直径在0.3毫米到3.0毫米之间，若柱孔的直径过大，柱孔的数量会少，总的散热面积会小。相邻两个进水柱孔D或者出水柱孔C之间的壁厚不小于0.2毫米。

所述的液体制冷片的厚度为1.0毫米到10.0毫米；长度为15毫米到30毫米；宽度为8.0毫米到30毫米。

上述液体制冷片的材质为高导热率材料，比如铜、金刚石、陶瓷。

Claims (8)

1.一种用于高功率半导体激光器的液体制冷片，包括制冷片主体，制冷片主体为片状结构，该片状结构包括上表面和下表面；制冷片主体上设有通水区和芯片安装区，芯片安装区位于液体制冷片主体的一端，为激光芯片安装的位置；通水区位于制冷片主体上靠近芯片安装区的位置，其特征在于：制冷片主体的通水区分为相互对应的A面和B面两个面，所述的A面和所述的B面分别位于片状制冷片主体的上表面和下表面，所述的A面设置有多个出水柱孔C，所述的B面设置有多个进水柱孔D，所述的A面的出水柱孔C与所述的B面进水柱孔D一一对应，两者穿通形成从A面至B面的通孔，出水柱孔C的横截面积小于进水柱孔D的横截面积；或者，

所述的A面的出水柱孔C与所述的B面进水柱孔D的对应方式是1个进水柱孔D对应N个出水柱孔C，N大于1；或者所述的A面的出水柱孔C与所述的B面进水柱孔D的对应方式为M个进水柱孔D对应1个出水柱孔C，M大于1，M个进水柱孔D的横截面积之和大于M个进水柱孔D在所对应的1个出水柱孔C横截面上的投影面积之和。

2.根据权利要求1所述的一种用于高功率半导体激光器的液体制冷片，其特征在于：所述的A面上设置密封区，环绕于出水柱孔C的周围密封区为环形的凹槽，用于放置密封装置；或者所述的B面上设置密封区，密封区环绕于进水柱孔D的周围，密封区为环形的凹槽，用于放置密封装置。

3.根据权利要求1所述的一种用于高功率半导体激光器的液体制冷片，其特征在于：所述的制冷片主体上设置有定位孔，用于固定液体制冷片。

4.根据权利要求1所述的一种用于高功率半导体激光器的液体制冷片，其特征在于：所述的从A面至B面的通孔形状为花瓣型，或者圆柱形，或者不规则形状。

5.根据权利要求1所述的一种用于高功率半导体激光器的液体制冷片，其特征在于：所述的A面的出水柱孔C和所述的B面的进水柱孔D的深度均不小于制冷片主体厚度的一半， A面的出水柱孔C与对应的B面的进水柱孔D存在通水重合区域。

6.根据权利要求1所述的一种用于高功率半导体激光器的液体制冷片，其特征在于：所述的A面的出水柱孔C和B面的进水柱孔D形状为圆柱型，或者矩形，或者菱形，或者多边形。

7.根据权利要求1-3之一所述的一种用于高功率半导体激光器的液体制冷片，其特征在于：所述的芯片安装区上设置应力缓释层，所述的应力缓释层以焊接或者金属键合的方式设置在芯片安装区上，应力缓释层的材料为铜钨、氮化铝或者氧化铍。

8.根据权利要求1-3之一所述的一种用于高功率半导体激光器的液体制冷片，其特征在于：所述的液体制冷片主体的厚度为1.0毫米—10.0毫米；长度为15毫米—30毫米；宽度为8.0毫米—30毫米；所述的A面的出水柱孔C和B面的进水柱孔D直径在0.3毫米—3.0毫米；所述的A面相邻两个进水柱孔D之间的壁厚不小于0.2毫米或者所述的B面相邻两个出水柱孔C之间的壁厚不小于0.2毫米。