CN104577707A - 一种叠层阵列液体制冷型高功率半导体激光器 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种叠层阵列液体制冷型高功率半导体激光器，尤其是一种宏通道液体制冷的叠层阵列半导体激光器。该叠层阵列液体制冷型高功率半导体激光器包括自下而上依次设置的下通水块，绝缘片a，正电极片，半导体激光器模块，负电极片，绝缘片b，上通水块；半导体激光器模块为多个半导体激光器单元堆叠而成，半导体激光器单元采用了片状结构的液体制冷片，其上设有通水区和芯片安装区。本发明中的叠层阵列液体制冷型高功率半导体激光器采用了宏通道的制冷结构，制冷通道为多组通孔，结构简单，与微通道制冷结构相比，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，提高了半导体激光器的可靠性。

Description

一种叠层阵列液体制冷型高功率半导体激光器

技术领域

本发明属于激光器制造领域，涉及一种液体制冷型高功率半导体激光器，具体涉及一种叠层阵列宏通道液体制冷方式的高功率半导体激光器。

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，发展前景广阔。随着电子器件功率的提高，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，叠层阵列半导体激光器的封装形式主要有传导冷却型和微通道液体制冷型。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，输出功率的提高收到了限制；若采用微通道液体制冷的方式，由于制冷通道直径很小，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200910023748.2提出了一种宏通道液体制冷的半导体激光器叠阵结构，虽然解决了微通道液体制冷的管壁堵塞问题，但是此种结构的制冷片采用散热翅片的结构，液体湍流度小，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，提供一种叠层阵列液体制冷型高功率半导体激光器，采用宏通道液体制冷的方式，不但可以实现较高的散热效率，并且降低了对制冷液体的要求，降低了成本。

本发明的目的是通过以下技术方案解决的：

一种叠层阵列液体制冷型高功率半导体激光器包括自下而上依次设置的下通水块，绝缘片a，正电极片，半导体激光器模块，负电极片，绝缘片b以及上通水块。所述的半导体激光器模块为多个半导体激光器单元堆叠而成，半导体激光器模块内设有液体制冷通道；所述的半导体激光器单元包括激光芯片，液体制冷片，绝缘层和负极连接片。所述的液体制冷片为片状结构，其上设有通水区和芯片安装区，芯片安装区位于液体制冷片的一端，通水区位于液体制冷片上靠近芯片安装区的位置；所述的液体制冷片的通水区分为相互对应的A面和B面两个面，A面和B面分别位于液体制冷片的上表面和下表面，所述的通水区A面设有多个出水柱孔C，通水区B面设有多个进水柱孔D，通水区A面的出水柱孔C和B面的进水柱孔D相互连通。所述的激光芯片的正极焊接或者金属键合在液体制冷片的芯片安装区，所述的绝缘层设置在液体制冷片上，绝缘层为覆于液体制冷片上表面的片状结构，所述的负极连接片一端焊接或者金属键合在激光芯片的负极上，另一端焊接或者金属键合在绝缘层上，负极连接片与绝缘层均开有与液体制冷片通水区匹配的通水孔，绝缘层用于将负极连接片和液体制冷片绝缘。

所述的下通水块内设有进水通道，所述的上通水块内设有出水通道，所述的下通水块的进水通道与半导体激光器模块的液体制冷通道以及上通水块的出水通道依次连通。所述的绝缘片a，正电极片，负电极片和绝缘片b均设有与半导体激光器模块制冷通道相匹配的通水孔。

所述的多个半导体激光器单元之间为串联连接。

所述的半导体激光器模块的两侧分别各设有一块侧板，两块侧板用于固定半导体激光器模块；所述的下通水块和半导体激光器模块之间还设有正电极片，正电极片与下通水块之间设有绝缘片a，保证下通水块与正电极片之间绝缘；所述的上通水块和半导体激光器模块之间设有负电极片，负电极片与上通水块之间设有绝缘片b，保证上通水块与负电极片之间绝缘。所述的半导体激光器模块的背部安装有绝缘块，绝缘块上覆有正电极的引出电极和负电极的引出电极。

所述的半导体激光器单元的液体制冷片通水区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。

所述的半导体激光器单元，下通水块，上通水块，侧板及绝缘板上均设置有定位孔, 用于叠层阵列液体制冷型高功率半导体激光器各部分的安装。

所述的半导体激光器单元的液体制冷片通水区的出水柱孔C与进水柱孔D的个数的对应关系可以为一一对应，两者穿通形成从A面至B面的通孔，出水柱孔C的截面积可以等于进水柱孔D的截面积，也可以小于进水柱孔D的截面积。

所述的半导体激光器单元的液体制冷片的通水区A面的出水柱孔C与通水区B面的进水柱孔D的个数对应关系可以为1个进水柱孔D对应N个出水柱孔C，N大于1，或者出水柱孔C与进水柱孔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，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。

所述的半导体激光器单元的液体制冷片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。

所述的半导体激光器模块的多个半导体激光器单元的液体制冷片的通水区的进水柱孔D与出水柱孔C之间依次连通，构成了本发明的叠层阵列液体制冷型半导体激光器的液体制冷通道。

所述的半导体激光器单元的液体制冷片通水区的出水柱孔C和进水柱孔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。

所述的半导体激光器单元的液体制冷片通水区的进水柱孔D和出水柱孔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。

所述的半导体激光单元的激光芯片和芯片安装区之间可以加应力缓释层，激光芯片的正极焊接或者金属键合在应力缓释层上，应力缓释层焊接或者金属键合在芯片安装区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，陶瓷，陶瓷材料为氮化铝或者氧化坡。

所述半导体激光器单元的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：本发明所述的叠层阵列的半导体激光器的液体制冷片采用了较大孔径，可以采用自来水作为制冷液体。

（2） 制作简单、制作成本低：本发明的叠层阵列半导体激光器仅设有一条制冷通道，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：本发明采用多通孔的液体制冷方式，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为本发明的叠层阵列液体制冷型高功率半导体激光器结构图。

图2为半导体激光器单元结构图。

图3为半导体激光器单元的液体制冷片通水区B面结构图。

图4为本发明的叠层阵列液体制冷型高功率半导体激光器的制冷液水路示意图。

图5为本发明的叠层阵列液体制冷型高功率半导体激光器的实施例。

附图标号说明：1为下通水块，2为半导体激光器模块，3为上通水块，4为绝缘片a，5为正电极片，6为负电极片，7为绝缘片b，8为液体制冷片，9为激光芯片，10为绝缘层，11为负极连接片，12为芯片安装区，13为通水区，14为应力缓释层，15为出水柱孔C，16为进水柱孔D，17为密封区，18为侧板，19为绝缘块，20为定位孔，21为液体制冷通道，22为下通水块内的进水通道，23为上通水块的出水通道。

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为本发明的叠层阵列液体制冷型高功率半导体激光器结构图，叠层阵列液体制冷型高功率半导体激光器包括自下而上依次设置的下通水块1，绝缘片a 4，正电极片5，半导体激光器模块2，负电极片6，绝缘片b 7以及上通水块3。所述的半导体激光器模块2为多个半导体激光器单元堆叠而成，多个半导体激光器单元之间为串联连接，半导体激光器模块内设有液体制冷通道21。图2为半导体激光器单元结构图，半导体激光器单元包括激光芯片9，液体制冷片8，绝缘层10和负极连接片11。所述的液体制冷片8为片状结构，其上设有通水区13和芯片安装区12，芯片安装区12位于液体制冷片8的一端，通水区13位于液体制冷片8上靠近芯片安装区12的位置；液体制冷片的通水区13分为相互对应的A面和B面两个面，A面和B面分别位于液体制冷片的上表面和下表面，A面结构参考图2，B面结构参考图3，所述的通水区A面设有多个出水柱孔C 15，通水区B面设有多个进水柱孔D 16，通水区A面的出水柱孔C15和B面的进水柱孔D 16相互连通。所述的激光芯片9的正极焊接在液体制冷片8的芯片安装区12上，绝缘层10设置在液体制冷片8上，所述的负极连接片11一端焊接在激光芯片9的负极上，另一端焊接在绝缘层10上，绝缘层10用于将负极连接片11和液体制冷片8绝缘。

所述的半导体激光器单元的液体制冷片8通水区13 的A面上设置密封区17，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。

所述的半导体激光单元的激光芯片9和芯片安装区12之间可以加应力缓释层14，激光芯片9的正极焊接在应力缓释层14上，应力缓释层焊接在芯片安装区12上，应力缓释层的材料的热膨胀系数与激光芯片匹配，比如铜钨或陶瓷，陶瓷材料为氮化铝或者氧化坡。

所述的半导体激光器单元的液体制冷片8通水区的出水柱孔C15与进水柱孔D 16的个数的对应关系为一一对应，两者穿通形成从A面至B面的通孔，出水柱孔C15的截面积可以等于进水柱孔D16的截面积，也可以小于进水柱孔D16的截面积。

图4为本发明的叠层阵列液体制冷型高功率半导体激光器的制冷液水路图，所述的下通水块1内设有进水通道22，所述的上通水块3内设有出水通道23，所述的下通水块1的进水通道与半导体激光器模块2的液体制冷通道21以及上通水块3的出水通道依次连通，图4中箭头指向方向为制冷液体流动的路径方向，制冷液体从下通水块1的进水通道22进入，流经液体制冷通道21，从上通水块3的出水通道23流出；此外，制冷液体也可以从上通水块3流入，从下通水块1流出。半导体激光器模块2的多个半导体激光器单元的液体制冷片8的通水区13的进水柱孔D 16与出水柱孔C15之间依次连通，构成了本发明的叠层阵列液体制冷型半导体激光器的液体制冷通道21。所述的绝缘片a，正电极片，负电极片和绝缘片b均设有与半导体激光器模块制冷通道21相匹配的通水孔。

图5为本发明的叠层阵列液体制冷型高功率半导体激光器的实施例，半导体激光器模块2的两侧分别各设有一块侧板18，两块侧板18用于固定半导体激光器模块2；所述的下通水块1和半导体激光器模块2之间设有正电极片5，正电极片5与下通水块1之间设有绝缘片a 4，保证下通水块1与正电极片5之间绝缘；所述的上通水块3和半导体激光器模块2之间设有负电极片6，负电极片6与上通水块3之间设有绝缘片b 7，保证上通水块3与负电极片6之间绝缘。所述的半导体激光器模块2的背部安装有绝缘块19，绝缘块19上覆有正电极片的引出电极和负电极片的引出电极。

所述的下通水块1，上通水块3，侧板18及绝缘块19上均设置有定位孔20，用于叠层阵列液体制冷型高功率半导体激光器各部分的安装。

Claims (10)

1.一种叠层阵列液体制冷型高功率半导体激光器，其特征在于：包括自下而上依次设置的下通水块，绝缘片a，正电极片，半导体激光器模块，负电极片，绝缘片b，上通水块；所述的半导体激光器模块为多个半导体激光器单元堆叠而成，且半导体激光器模块内设有液体制冷通道；所述的半导体激光器单元包括激光芯片，液体制冷片，绝缘层和负极连接片，所述的液体制冷片为片状结构，其上设有通水区和芯片安装区，芯片安装区位于液体制冷片的一端，通水区位于液体制冷片上靠近芯片安装区的位置，通水区分为相互对应的A面和B面两个面，A面和B面分别位于液体制冷片的上表面和下表面，所述的通水区A面设有多个出水柱孔C，通水区B面设有多个进水柱孔D，通水区A面的出水柱孔C和B面的进水柱孔D相互连通；所述的激光芯片的正极焊接或者金属键合在液体制冷片的芯片安装区，所述的绝缘层设置在液体制冷片上，所述的负极连接片一端焊接或者金属键合在激光芯片的负极上，另一端焊接或者金属键合在绝缘层上，绝缘层用于将负极连接片和液体制冷片绝缘。

2.根据权利要求1所述的一种叠层阵列液体制冷型高功率半导体激光器，其特征在于：所述的下通水块内设有进水通道，所述的上通水块内设有出水通道，并且下通水块的进水通道与半导体激光器单元的液体制冷片的通水区以及上通水块的出水通道依次连通，所述的绝缘片a，正电极片，负电极片和绝缘片b均设有与半导体激光器模块液体制冷通道相匹配的通水孔。

3.根据权利要求1所述的一种叠层阵列液体制冷型高功率半导体激光器，其特征在于：所述的半导体激光器模块的两侧分别各设有一块侧板，用于固定半导体激光器模块；所述的半导体激光器模块的背部安装有绝缘块，绝缘块上覆有正电极的引出电极和负电极的引出电极。

4.根据权利要求1所述的一种叠层阵列液体制冷型高功率半导体激光器，其特征在于：所述的半导体激光器单元的激光芯片和芯片安装区之间设有应力缓释层，激光芯片的正极焊接或者金属键合在应力缓释层上，应力缓释层焊接或者金属键合在芯片安装区上；所述的应力缓释层材料为铜钨。

5.根据权利要求1所述的一种叠层阵列液体制冷型高功率半导体激光器，其特征在于：所述的多个半导体激光器单元之间为串联连接。

6.根据权利要求1所述的一种叠层阵列液体制冷型高功率半导体激光器，其特征在于：所述的半导体激光器单元的液体制冷片通水区的出水柱孔C与进水柱孔D的个数对应关系为一一对应，两者穿通形成从A面至B面的通孔，出水柱孔C的截面积小于或者等于进水柱孔D的截面积。

7.根据权利要求1所述的一种叠层阵列液体制冷型高功率半导体激光器，其特征在于：所述的半导体激光器单元的液体制冷片的通水区的出水柱孔C与进水柱孔D的个数对应关系可以为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。

8.根据权利要求1所述的一种叠层阵列液体制冷型高功率半导体激光器，其特征在于：所述的半导体激光器单元的液体制冷片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。

9.根据权利要求1所述的一种叠层阵列液体制冷型高功率半导体激光器，其特征在于：所述的半导体激光器单元的液体制冷片通水区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。

10.根据权利要求1所述的一种叠层阵列液体制冷型高功率半导体激光器，其特征在于：所述的半导体激光器单元的液体制冷片通水区的进水柱孔D和出水柱孔C为圆柱型孔，或者矩形方柱孔，或者菱形方柱孔，或者多边形柱孔。