CN104810722A - 半导体激光器单片式宏通道热沉及半导体激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种半导体激光器单片式宏通道热沉，包括热沉主体，热沉主体上设有芯片安装区和水冷区，芯片安装区位于热沉主体的一端，水冷区位于靠近芯片安装区的位置，所述水冷区上设有贯通热沉主体的格栅；格栅由至少两个平行排列的格栅孔组成，每个格栅孔包括两个相互平行的侧壁以及用于衔接两个侧壁的衔接端。该热沉具有高效、均匀的散热效果。本发明还相应提供了含有该热沉的半导体激光器。
Description
技术领域
本发明涉及半导体激光器设备领域，特别是一种半导体激光器单片式宏通道热沉。该热沉采用格栅状过水通道显著提高了热沉的散热效果，本发明还相应提供了包括该热沉的半导体激光器。
背景技术
大功率半导体激光器在固体激光器泵浦、激光加工、激光医疗、美容等领域应用广泛，然而半导体激光器在工作时，会有约30％～50％电能会转化为热能损耗，且随着功率的增大，面临的散热要求就越苛刻。
目前半导体激光器的封装形式有整体宏通道和微通道。
对于高功率半导体激光器而言，采用整体宏通道方式，散热效率不高，一般只能达到几十瓦的输出功率，同时由于半导体激光叠阵是将多个半导体激光芯片(亦称巴条)紧密垂直排列而成的高功率模块，一个激光器芯片出现问题会导致整个激光器作废，若采用微通道热沉虽然能一定程度上改善散热效率，但热沉本身及其昂贵，使用过程中需要去离子水，成本较高，并且长时间使用一样会因为电化学反应导致微通道管壁腐蚀或堵塞，严重影响了半导体激光器的可靠性。
中国专利CN 104538836 A公开了一种用于高功率半导体激光器的液体制冷片，该制冷片包括通水区，通水区上设置有进水柱孔和出水柱孔以形成供冷却液流通的通孔，其中还公开了通孔的具体形状为花瓣形以及圆柱形。对于圆柱形通孔而言，其在水平方向上靠近芯片安装区的一侧形成较长的弧形面，这就造成激光芯片散热不均匀的问题，在半导体激光器的工作过程中，激光芯片会产生局部的热损伤，然后逐渐向其他部分扩散，致使整个激光叠阵报废。对于花瓣形的通孔而言，其向外发散的边界使得通孔整体构成了一个更大的圆弧面，上述散热不均的问题更加严重。中国专利CN 104538836 A披露的内容当中显然并没有意识到上述技术问题，故也没有给出解决上述技术问题的相关技术方案或启示，在其他现有技术文献中也未见报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种半导体激光器单片式宏通道热沉，具有高效、均匀的散热效果。
为了实现上述目的，本发明提供的一种半导体激光器单片式宏通道热沉，包括热沉主体，热沉主体上设有芯片安装区和水冷区，芯片安装区位于热沉主体的一端，水冷区位于靠近芯片安装区的位置，所述水冷区上设有贯通热沉主体的格栅；格栅由至少两个平行排列的格栅孔组成，每个格栅孔包括两个相互平行的侧壁以及用于衔接两个侧壁的衔接端。
优选地，所述格栅孔的衔接端为圆弧形状，且
每个格栅孔中两个侧壁之间的距离明显小于侧壁的长度。
优选地，所述格栅孔的形状为矩形，矩形中一组相互平行的边构成所述侧壁，另一组相互平行的边构成所述衔接端。
优选地，所述格栅包括至少三个格栅孔，格栅孔平行排列后，其排列方向定义出一条基准线，基准线与所述芯片安装区的长边平行。
进一步地，靠近所述芯片安装区的各个所述衔接端到芯片安装区的距离都相等。
优选地，所述热沉主体在所述芯片安装区所在的一面上设有两个密封槽，其中一个密封槽环绕于所述水冷区的周围，另一个密封槽位于远离芯片安装区的一端。
更优选地，所述热沉主体在背离所述芯片安装区所在的一面上设有两个密封槽，且与芯片安装区所在一面上的两个密封槽位置对应。
优选地，所述芯片安装区的两侧设置有缺口，且水冷区的长度不小于芯片安装区的长度，增大了散热面积且使散热更均匀，此外缺口的设计还可以为各种焊接夹具对芯片进行装卡提供了空间。
优选地，所述热沉主体的厚度为1.0mm-10.0mm，长度为10mm-30mm，宽度为10mm-20mm；所述水冷区的宽度为1mm-10mm；所述芯片安装区的最外侧边到所述格栅孔中心的距离为4mm-8mm；相邻两个所述格栅孔之间的距离不小于0.2mm；格栅孔从一个衔接端到另一衔接端的距离为2.0mm-5mm，每个格栅孔的两个平行侧壁之间的距离为0.3mm-2.0mm。
半导体激光器单片式宏通道热沉的半导体激光器，包括自下而上依次设置的下通水块，下绝缘片，正电极片，半导体激光器模块，负电极片，上绝缘片，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，半导体激光器单片式宏通道热沉，绝缘层和负极连接片，所述半导体激光器单片式宏通道热沉包括热沉主体，热沉主体上设有芯片安装区和水冷区，芯片安装区位于热沉主体的一端，水冷区位于靠近芯片安装区的位置，所述水冷区上设有贯通热沉主体的格栅；格栅由至少两个平行排列的格栅孔组成，每个格栅孔包括两个相互平行的侧壁以及用于衔接两个侧壁的衔接端。
本发明提供的半导体激光器单片式宏通道热沉，采用了格栅式的散热通道，每个格栅孔相互平行排列且包含相互平行的侧壁，平行的侧壁使得格栅孔边界更加平整，散热面更加均匀，且能限制衔接端的不平整度，使得衔接端靠近芯片安装区的部分尽可能平齐，进而使得散热效果更佳均匀，此外这种宏通道尺寸相较于微通道尺寸大幅增加，因此通水道被腐蚀而堵塞的风险大幅降低，提高了半导体激光器件的可靠性。
附图说明
图1为本发明实施例1所提供的半导体激光器单片式宏通道热沉的结构示意图；
图2为图1格栅孔的俯视图；
图3为实施例2所提供的半导体激光器单片式宏通道热沉的结构示意图；
图4为图3格栅孔的俯视图；
图5为含有实施例1、2热沉的半导体激光器中组件的爆炸图；
图6格栅孔排列方向定义的基准线示意图；
图中：
1.热沉主体 2.芯片安装区 3.水冷区 4.格栅孔 5.密封槽 6.销孔 7.缺口 8.基准线 11.下通水块 12.下绝缘片 13.正电极片 14.半导体激光器模块 15.负电极片 16.上绝缘片 17.上通水块
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
实施例1
请参考图1、2，本发明提供的一种半导体激光器单片式宏通道热沉，主要包括一个热沉主体1，热沉主体1为片状结构，其表面形状为矩形，在热沉主体1的其中一面(为方便描述将此面定义为“上表面”，相对一面为“下表面”)上设置有芯片安装区2，芯片安装区2位于热沉主体1的一端，在芯片安装区2的两侧设置有缺口7，使芯片安装区2相对于热沉主体1的其他部分形成向外凸出的结构，在靠近芯片安装区2的位置设有水冷区3，其形状为“跑道型”，也可以是矩形或其他形状，水冷区3的长度长于芯片安装区2的长度，使得散热面积更大，更均匀，缺口7的设计除了方便将水冷区3的长度设置长于芯片安装区2的长度之外，还能够给各种焊接夹具提供工作空间，方便其对半导体激光芯片(亦称巴条、BAR条)进行装卡、定位和校准，增加了半导体激光芯片的稳定性和可靠性。
水冷区3上设有由多个格栅孔4构成的格栅，每个格栅孔4都自上而下贯通热沉主体1，形成供制冷液流通的通道。格栅孔4的孔型类似于跑道型，即包括两个相互平行、长度相等的侧壁41，侧壁41的两个自由端通过衔接端42连接，衔接端42的形状为圆弧形，在同一格栅孔4上，两平行侧壁41之间的距离，即格栅孔4的宽度明显小于侧壁41的长度，以使衔接端42与侧壁41衔接在一起后形成前述的“跑道型”孔型，本领域技术人员可以根据实际情况按上述标准对具体的格栅孔尺寸进行适应性设置和调整，本实施例中两平行侧壁41之间的距离为0.3-2.0mm，本实施例中具体是0.5mm，格栅孔4的长度为2.5mm(以一个衔接端的最外侧端点到另一个衔接端最外侧的端点计算)。本实施例中采用12组上述格栅孔4来构成格栅，12组格栅孔4等间距平行排列在水冷区3，相邻两组格栅孔4之间的距离不小于0.2mm。格栅孔4的排列方向定义出了一条虚拟的基准线8(如图6所示)，该基准线8与与芯片安装区2的长边相互平行，并且，所有衔接端42到芯片安装区2长边的距离都相等，即各衔接端42的端点也都在同一条与基准线8平行的直线上。这种排列方式形成了图1中规则的格栅状散热通道，其衔接端42的端部平齐，与芯片安装区2等距，侧壁41也平齐，散热十分均匀，有效避免了芯片散热不均造成的损坏。
热沉主体1中部设置两个贯通的销孔6，用于将多片热沉组成半导体激光器叠阵，在热沉主体1上还设有密封槽5，用于热沉组成半导体激光体叠阵时的密封。在热沉主体1的上表面上设置两个密封槽5，其形状与水冷区3的形状相似，即可以为具有两条平行边和弧形边的跑道型，也可以是矩形。其中一个密封槽5环绕于水冷区3的周围，另一个的位置靠近热沉主体1远离芯片安装区2的一端。两侧均设置密封槽5，使得两片热沉之间的密封更加均匀、稳定。在热沉主体1的下表面也设置两个密封槽(图中未标出)，这两个密封槽的位置与上表面的两个密封槽相互对应，这一方面进一步增加了密封的耐压强度，另一方面，使得热沉主体1的结构(除芯片安装区2外)上、下、左、右完全对称，易于加工，降低了热沉的生产成本。
热沉主体1的厚度为1.0mm-10.0mm，长度为10mm-30mm，宽度为10mm-20mm；所述水冷区3的宽度为1mm-10mm；所述芯片安装区2的最外侧边到所述格栅孔4中心的距离为4mm-8mm；如前所述，相邻两个所述格栅孔4之间的距离不小于0.2mm；格栅孔4从一个衔接端到另一衔接端的距离为2.0mm-5mm，每个格栅孔4的两个平行侧壁41之间的距离为0.3mm-2.0mm。对于宏通道热沉，上述尺寸是较为优选的选择，宏通道尺寸相较于微通道尺寸大幅增加，因此通水道被腐蚀而堵塞的风险大幅降低，提高了半导体激光器件的可靠性。另外热沉主体1上还镀有保护层和/或功能层，如镍金层等，这进一步避免了微通道被腐蚀堵塞。
本发明提供的半导体激光器单片式宏通道热沉可采用各种高导热率材料，如铜、金刚石、陶瓷灯，该热沉对各种加工手段都具有良好的适应性，以铜材质为例，制备本发明中的半导体激光器单片式宏通道热沉主要包括如下步骤：
(1)先用线切割加工出热沉主体；
(2)对热沉主体表面抛光处理；
(2)上铣床铣出贯通热沉主体的格栅孔和密封槽；
(4)镀保护层和/或功能层。
实施例2
如图3、4所示，本实施例中提供的半导体激光器单片式宏通道热沉与实施例1的区别在于，格栅孔4的衔接端42为直线型，即与两平行的侧壁41组合后形成矩形的孔型，其尺寸也可在实施例1中给出范围内做出适应性调整。这种孔型及其排列的技术构思与实施例1中的“跑道型”孔型基本相同，其也具有边界规整、均匀、端部平齐且与芯片安装区2等距的特点，也可以起到优良的散热效果。此外密封槽5的形状也采用矩形(当然也可仍采用实施例1中的跑道型)。
实施例3
请一并参考图5，本实施例中提供了一种包含实施例1或实施例2中半导体激光器单片式宏通道热沉的半导体激光器，该半导体激光器中的核心组件包括自下而上依次设置的下通水块11，下绝缘片12，正电极片13，半导体激光器模块14，负电极片15，上绝缘片16，上通水块17；半导体激光器模块14为多个半导体激光器单元堆叠而成，且半导体激光器模块14内设有液体制冷通道；半导体激光器单元包括激光芯片，半导体激光器单片式宏通道热沉，绝缘层和负极连接片，半导体激光器单片式宏通道热沉即为实施例1或实施例2中的热沉，热沉主体上的格栅构成前述的液体制冷通道，半导体激光器工作时，通过上通水块、下通水块向液体制冷通道通水，带走激光芯片产生的热量。
以上对本发明所提供的半导体激光器单片式宏通道热沉及半导体激光器进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，比如，缩短单排的格栅孔长度，转而设置多排长度较短的格栅孔，但每个格栅孔的形状仍与本发明相同等，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.半导体激光器单片式宏通道热沉，包括热沉主体(1)，热沉主体(1)上设有芯片安装区(2)和水冷区(3)，芯片安装区(2)位于热沉主体(1)的一端，水冷区(3)位于靠近芯片安装区(2)的位置，其特征在于，所述水冷区(3)上设有贯通热沉主体(1)的格栅；格栅由至少两个平行排列的格栅孔(4)组成，每个格栅孔(4)包括两个相互平行的侧壁(41)以及用于衔接两个侧壁(41)的衔接端(42)。
2.根据权利要求1所述的半导体激光器单片式宏通道热沉，其特征在于，所述格栅孔(4)的衔接端(41)为圆弧形状，且
每个格栅孔(4)中两个侧壁(41)之间的距离明显小于侧壁(41)的长度。
3.根据权利要求1所述的半导体激光器单片式宏通道热沉，其特征在于，所述格栅孔(4)的形状为矩形，矩形中一组相互平行的边构成所述侧壁(41)，另一组相互平行的边构成所述衔接端(42)。
4.根据权利要求2或3所述的半导体激光器单片式宏通道热沉，其特征在于，所述格栅包括至少三个格栅孔(4)，格栅孔(4)平行排列后，其排列方向定义出一条基准线(8)，基准线(8)与所述芯片安装区(2)的长边平行。
5.根据权利要求4所述的半导体激光器单片式宏通道热沉，其特征在于，靠近所述芯片安装区(2)的各个所述衔接端(42)到芯片安装区(2)的距离都相等。
6.根据权利要求1所述的半导体激光器单片式宏通道热沉，其特征在于，所述热沉主体(1)在所述芯片安装区(2)所在的一面上设有两个密封槽(5)，其中一个密封槽环绕于所述水冷区(3)的周围，另一个密封槽位于远离芯片安装区(2)的一端。
7.根据权利要求6所述的半导体激光器单片式宏通道热沉，其特征在于，所述热沉主体(1)在背离所述芯片安装区(2)所在的一面上设有两个密封槽，且与芯片安装区(2)所在一面上的两个密封槽位置对应。
8.根据权利要求1所述的半导体激光器单片式宏通道热沉，其特征在于，所述芯片安装区(2)的两侧设置有缺口(7)，且
水冷区(3)的长度不小于芯片安装区(2)的长度。
9.根据权利要求1-3中任一所述的半导体激光器单片式宏通道热沉，其特征在于，所述热沉主体(1)的厚度为1.0mm-10.0mm，长度为10mm-30mm，宽度为10mm-20mm；所述水冷区(3)的宽度为1mm-10mm；所述芯片安装区(2)的最外侧边到所述格栅孔(4)中心的距离为4mm-8mm；相邻两个所述格栅孔(4)之间的距离不小于0.2mm；格栅孔(4)从一个衔接端到另一衔接端的距离为2.0mm-5mm，每个格栅孔(4)的两个平行侧壁(41)之间的距离为0.3mm-2.0mm。
10.含有权利要求1所述半导体激光器单片式宏通道热沉的半导体激光器，其特征在于，包括自下而上依次设置的下通水块(11)，下绝缘片(12)，正电极片(13)，半导体激光器模块(14)，负电极片(15)，上绝缘片(16)，上通水块(17)；所述的半导体激光器模块(14)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，半导体激光器单片式宏通道热沉，绝缘层和负极连接片，所述半导体激光器单片式宏通道热沉包括热沉主体(1)，热沉主体(1)上设有芯片安装区(2)和水冷区(3)，芯片安装区(2)位于热沉主体(1)的一端，水冷区(3)位于靠近芯片安装区(2)的位置，所述水冷区(3)上设有贯通热沉主体(1)的格栅；格栅由至少两个平行排列的格栅孔(4)组成，每个格栅孔(4)包括两个相互平行的侧壁(41)以及用于衔接两个侧壁(41)的衔接端(42)。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| EXSB | Decision made by sipo to initiate substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20181012 |