CN109119887A - 一种用于大功率半导体激光器封装的散热装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于大功率半导体激光器封装的散热装置，包括底板、基座和单管激光器芯片的散热模块，底板的内部开设有一级冷却通道进液管和一级冷却通道出液管，底板的一侧壁上开设有最终进液口，最终进液口与一级冷却通道进液管的一端连通，底板的另一侧壁上开设有最终出液口，最终出液口与一级冷却通道出液管连通。本发明还公开了一种用于大功率半导体激光器封装的散热方法，包括七个步骤。本发明的微通道散热结构由三个等级的通道组成，其中三级微通道结构保证了大功率多单管激光器的散热效果优良，二级微通道和一级微通道结构解决了散热模块之间存在高度差的问题，避免了倾斜角度的加工，保证了散热均匀。

Description

一种用于大功率半导体激光器封装的散热装置及方法

技术领域

本发明涉及半导体激光器相关技术领域，特别涉及一种用于大功率半导体激光器封装的散热装置及方法。

背景技术

大功率激光器在工业与国防等领域有着广泛的应用。相比于传统的灯抽运激光器，半导体激光器具有体积小、效率高、质量轻、寿命长、成本低等诸多优点，在国民经济的许多方面起着越来越重要的作用。半导体激光器多单管合束是由激光单管组成的最小光学模组，可以直接合束实现光纤输出。激光器多单管合束的优点是:寿命长、可靠性高，慢轴光束质量比较好，可耦合进芯径≤100μm的光纤；而且光源模组整体体积小，重量轻；无需高电流驱动，可以采用并联方式，对电源要求也比较低。但随着单管耦合光源的应用领域越发广泛，激光器的功率要求也越来越高。近年来，已实现采用70多个单管排列组成四个单元，实现光纤输出700W以上的连续功率。

由于激光器芯片尺寸小，功率高，激光器工作时产生的废热会引起极大的热流密度。例如：对于尺寸为0.2mm×5mm×0.1mm的单管半导体激光器，当单管功率为10W时，其热流密度达到1000W·cm-2，与太阳表面的热流密度相当，如不设法解决如此高热流密度的散热问题将对激光器工作造成严重影响。激光器的性能参数与激光器芯片的温度息息相关，若芯片温度升高，不仅会影响这些关键参数，严重时甚至会引起激光器腔面的光学灾变，烧毁激光器。因此，针对单管半导体激光器的散热方法已有许多学者提出过可行的方案。

对于功率较小的单管半导体激光器，由于热源分散而且发热量较小，传统的散热方法是采用热沉传热对其进行散热。从激光器芯片产生的废热依次通过焊接层、绝缘层、初级热沉、次级热沉后最终通过对流传热的方式散出。其中热沉采用的是高导热性材料如铜和银等。但由于自然对流散热能力有限，随着激光器功率不断提高，这种结构已经无法满足大功率需求。

目前对于多单管半导体激光器，大部分散热形式都采用的是风冷或水冷。如上面所说，由于单个单管芯片的功率不断地增大，这些传统的散热方式已无法满足其散热需求。微通道散热可以达到散热需求但很少用于多单管半导体激光器。因为微通道散热结构的加工较为复杂，目前大部分微通道结构都是针对在同一平面的激光器阵列芯片进行散热。但大多数多单管半导体激光器由于光束整形的需要，每个芯片都会被安装在不同高度的台阶结构上。如果采用用于激光器阵列芯片的水平微通道结构如图7所示，将因为放置芯片的台阶高低不同导致散热不均，使得台阶较高的芯片散热不足导致芯片性能下降甚至出现光学灾变。但如果设计倾斜形式的微通道结构如图8所示，也许能解决这一问题，但是该倾斜式的微通道结构将使得加工十分困难，很难保证通道的倾斜度都保持一致。

因此，提出一种用于大功率半导体激光器封装的散热装置及方法来解决上述问题很有必要。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种用于大功率半导体激光器封装的散热装置及方法，解决了现有的用于大功率半导体激光器封装的散热装置散热效率低下的问题。

(二)技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种用于大功率半导体激光器封装的散热装置，包括底板、基座和单管激光器芯片的散热模块，所述基座焊接在底板的上表面，所述单管激光器芯片的散热模块焊接在基座的上表面，所述底板的内部开设有一级冷却通道进液管和一级冷却通道出液管，所述底板的一侧壁上开设有最终进液口，所述最终进液口与一级冷却通道进液管的一端连通，所述底板的另一侧壁上开设有最终出液口，所述最终出液口与一级冷却通道出液管连通，所述底板、基座和单管激光器芯片的散热模块内均开设有二级冷却通道进液管和二级冷却通道出液管，所述二级冷却通道进液管的底端与一级冷却通道进液管相连通，所述二级冷却通道出液管的底端与一级冷却通道出液管相连通，所述单管激光器芯片的散热模块的顶面开设有三级微通道，所述三级微通道设置为S型结构，所述三级微通道的一端开设有进液口，所述进液口与二级冷却通道进液管的顶端连通，所述三级微通道的另一端开设有出液口，所述出液口与二级冷却通道出液管的顶端连通，所述三级微通道的内部固定连接有多个等间距设置的散热柱；

所述二级冷却通道进液管和二级冷却通道出液管的外侧设置有金属化聚酰亚胺薄模板，所述金属化聚酰亚胺薄模板设置于基座内，所述金属化聚酰亚胺薄模板的一侧设置有激光器阵列，所述激光器阵列通过引线键合与金属化聚酰亚胺薄模板固定连接，所述金属化聚酰亚胺薄模板内固定连接有多个微通道元件，多个微通道元件呈等间距竖直分布，所述微通道元件内固定连接有微管，所述微管插入二级冷却通道进液管和二级冷却通道出液管内，所述二级冷却通道进液管和二级冷却通道出液管之间设置有胶粘剂，所述之间设置有胶粘剂粘接在金属化聚酰亚胺薄模板的中部。

优选的，所述一级冷却通道进液管和一级冷却通道出液管均为水平设置，且一级冷却通道进液管和一级冷却通道出液管相互平行设置。

优选的，所述二级冷却通道进液管和二级冷却通道出液管均为垂直设置，且二级冷却通道进液管和二级冷却通道出液管相互平行设置。

优选的，所述单管激光器芯片的散热模块设置有多个，多个单管激光器芯片的散热模块均为并排贴合设置，且多个单管激光器芯片的散热模块的高度从左到右呈依次递增设置。

优选的，所述单管激光器芯片的散热模块由铜和铝等导热性优良的材料制成，且单管激光器芯片的散热模块的宽度为4.5～5.5mm，厚度为3.5～4.5mm。

优选的，所述一级冷却通道进液管的另一端、一级冷却通道出液管、二级冷却通道进液管的底端和二级冷却通道出液管的底端均设置有密封铜塞。

一种用于大功率半导体激光器封装的散热方法，包括以下步骤：

步骤一：首先将基座焊接在底板上，再将多个单管激光器芯片的散热模块焊接在基座上；

步骤二：然后将加热至软化的铜塞入一级冷却通道进液管和一级冷却通道出液管的另一端，再将加热至软化的铜塞入二级冷却通道进液管和二级冷却通道出液管的底端；

步骤三：待铜冷却后，向底板上的最终进液口内通入冷却液，冷却液流入一级冷却通道进液管内，在此过程中，底板内的热量被一级冷却通道进液管内的冷却液吸收；

步骤四：然后冷却液进入二级冷却通道进液管内，在此过程中，基座内的热量通过微通道元件传输到微管上，二级冷却通道进液管内的冷却液将微管上的热量吸收；

步骤五：然后冷却液进入三级微通道内，在此过程中，单管激光器芯片的散热模块内的热量传输至散热柱内，三级微通道内的冷却液将散热柱上大的热量吸收；

步骤六：然后冷却液流入二级冷却通道出液管内，在此过程中，基座内的热量通过微通道元件传输到微管上，二级冷却通道出液管内的冷却液将微管上的热量吸收；

步骤七：最后冷却液流入一级冷却通道出液管内，在此过程中，底板内的热量被一级冷却通道进液管内的冷却液吸收，最终冷却液从最终出液口流出。

优选的，所述步骤一中基座在焊接之前，先将基座上的二级冷却通道进液管和二级冷却通道出液管与底板上的二级冷却通道进液管和二级冷却通道出液管对齐。

优选的，所述步骤一中的单管激光器芯片的散热模块在焊接之前，先将单管激光器芯片的散热模块上的二级冷却通道进液管和二级冷却通道出液管与基座上的二级冷却通道进液管和二级冷却通道出液管对齐。

(三)有益效果

本发明提供了一种用于大功率半导体激光器封装的散热装置及方法，具备以下有益效果：

本发明的微通道散热结构由三个等级的通道组成，其中三级微通道结构保证了大功率多单管激光器的散热效果优良，二级微通道和一级微通道结构解决了散热模块之间存在高度差的问题，避免了倾斜角度的加工，保证了散热均匀。该装置可为大功率多单管激光器提供良好的散热性能，保证大功率单管激光器芯片的工作性能稳定，降低功率损耗，提高光束质量。该装置结构紧凑，尺寸小，易加工，可实现大功率多单管激光器芯片封装。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为本发明结构剖面示意图。

图3为本发明单管激光器芯片的散热模块结构示意图。

图4为本发明三级微通道结构示意图。

图5为本发明二级冷却通道进液管结构剖面示意图。

图6为本发明微通道元件结构剖面示意图。

图7为本发明阶梯型多单管激光器平台结构示意图。

图8为本发明倾斜的微通道结构设计示意图。

图中：底板1、基座2、金属化聚酰亚胺薄模板21、单管激光器芯片的散热模块3、盖板4、一级冷却通道进液管5、最终进液口51、一级冷却通道出液管6、最终出液口61、二级冷却通道进液管7、二级冷却通道出液管8、三级微通道9、进液口91、出液口92、散热柱93、激光器阵列10、引线键合11、微通道元件12、微管13、胶粘剂14。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是机械连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明提供了如图1-8所示的一种用于大功率半导体激光器封装的散热装置，包括底板1、基座2和单管激光器芯片的散热模块3，基座2焊接在底板1的上表面，单管激光器芯片的散热模块3焊接在基座2的上表面，底板1的内部开设有一级冷却通道进液管5和一级冷却通道出液管6，底板1的一侧壁上开设有最终进液口51，最终进液口51与一级冷却通道进液管5的一端连通，底板1的另一侧壁上开设有最终出液口61，最终出液口61与一级冷却通道出液管6连通，底板1、基座2和单管激光器芯片的散热模块3内均开设有二级冷却通道进液管7和二级冷却通道出液管8，二级冷却通道进液管7的底端与一级冷却通道进液管5相连通，二级冷却通道出液管8的底端与一级冷却通道出液管6相连通，单管激光器芯片的散热模块3的顶面开设有三级微通道9，三级微通道9设置为S型结构，三级微通道9的一端开设有进液口91，进液口91与二级冷却通道进液管7的顶端连通，三级微通道9的另一端开设有出液口92，出液口92与二级冷却通道出液管8的顶端连通，三级微通道9的内部固定连接有多个等间距设置的散热柱93；

二级冷却通道进液管7和二级冷却通道出液管8的外侧设置有金属化聚酰亚胺薄模板21，金属化聚酰亚胺薄模板21设置于基座2内，金属化聚酰亚胺薄模板21的一侧设置有激光器阵列10，激光器阵列10通过引线键合11与金属化聚酰亚胺薄模板21固定连接，金属化聚酰亚胺薄模板21内固定连接有多个微通道元件12，多个微通道元件12呈等间距竖直分布，微通道元件12内固定连接有微管13，微管13插入二级冷却通道进液管7和二级冷却通道出液管8内，二级冷却通道进液管7和二级冷却通道出液管8之间设置有胶粘剂14，之间设置有胶粘剂14粘接在金属化聚酰亚胺薄模板21的中部。

作为本发明的一种可选技术方案：一级冷却通道进液管5和一级冷却通道出液管6均为水平设置，且一级冷却通道进液管5和一级冷却通道出液管6相互平行设置。

作为本发明的一种可选技术方案：二级冷却通道进液管7和二级冷却通道出液管8均为垂直设置，且二级冷却通道进液管7和二级冷却通道出液管8相互平行设置。

作为本发明的一种可选技术方案：单管激光器芯片的散热模块3设置有多个，多个单管激光器芯片的散热模块3均为并排贴合设置，且多个单管激光器芯片的散热模块3的高度从左到右呈依次递增设置。

作为本发明的一种可选技术方案：单管激光器芯片的散热模块3由铜和铝等导热性优良的材料制成，且单管激光器芯片的散热模块3的宽度为4.5～5.5mm，厚度为3.5～4.5mm。

作为本发明的一种可选技术方案：一级冷却通道进液管5的另一端、一级冷却通道出液管6、二级冷却通道进液管7的底端和二级冷却通道出液管8的底端均设置有密封铜塞。

一种用于大功率半导体激光器封装的散热方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：首先将基座2焊接在底板1上，再将多个单管激光器芯片的散热模块3焊接在基座2上；

步骤二：然后将加热至软化的铜塞入一级冷却通道进液管5和一级冷却通道出液管6的另一端，再将加热至软化的铜塞入二级冷却通道进液管7和二级冷却通道出液管8的底端；

步骤三：待铜冷却后，向底板1上的最终进液口51内通入冷却液，冷却液流入一级冷却通道进液管5内，在此过程中，底板1内的热量被一级冷却通道进液管5内的冷却液吸收；

步骤四：然后冷却液进入二级冷却通道进液管7内，在此过程中，基座2内的热量通过微通道元件12传输到微管13上，二级冷却通道进液管7内的冷却液将微管13上的热量吸收；

步骤五：然后冷却液进入三级微通道9内，在此过程中，单管激光器芯片的散热模块3内的热量传输至散热柱93内，三级微通道9内的冷却液将散热柱93上大的热量吸收；

步骤六：然后冷却液流入二级冷却通道出液管8内，在此过程中，基座2内的热量通过微通道元件12传输到微管13上，二级冷却通道出液管8内的冷却液将微管13上的热量吸收；

步骤七：最后冷却液流入一级冷却通道出液管6内，在此过程中，底板1内的热量被一级冷却通道进液管5内的冷却液吸收，最终冷却液从最终出液口61流出。

其中，步骤一中基座2在焊接之前，先将基座2上的二级冷却通道进液管7和二级冷却通道出液管8与底板1上的二级冷却通道进液管7和二级冷却通道出液管8对齐；步骤一中的单管激光器芯片的散热模块3在焊接之前，先将单管激光器芯片的散热模块3上的二级冷却通道进液管7和二级冷却通道出液管8与基座2上的二级冷却通道进液管7和二级冷却通道出液管8对齐。

本发明使用加热至软化的铜塞入一级冷却通道进液管5和一级冷却通道出液管6的另一端，塞入深度7～8mm；使用加热至软化的铜塞入二级冷却通道进液管7和二级冷却通道出液管8的底端，塞入深度0.5～1mm；避免了通道之间的堵塞或者是通道死水端口过长。

需要说明的是，在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于大功率半导体激光器封装的散热装置，包括底板、基座和单管激光器芯片的散热模块，其特征在于：所述基座焊接在底板的上表面，所述单管激光器芯片的散热模块焊接在基座的上表面，所述底板的内部开设有一级冷却通道进液管和一级冷却通道出液管，所述底板的一侧壁上开设有最终进液口，所述最终进液口与一级冷却通道进液管的一端连通，所述底板的另一侧壁上开设有最终出液口，所述最终出液口与一级冷却通道出液管连通，所述底板、基座和单管激光器芯片的散热模块内均开设有二级冷却通道进液管和二级冷却通道出液管，所述二级冷却通道进液管的底端与一级冷却通道进液管相连通，所述二级冷却通道出液管的底端与一级冷却通道出液管相连通，所述单管激光器芯片的散热模块的顶面开设有三级微通道，所述三级微通道设置为S型结构，所述三级微通道的一端开设有进液口，所述进液口与二级冷却通道进液管的顶端连通，所述三级微通道的另一端开设有出液口，所述出液口与二级冷却通道出液管的顶端连通，所述三级微通道的内部固定连接有多个等间距设置的散热柱；

所述二级冷却通道进液管和二级冷却通道出液管的外侧设置有金属化聚酰亚胺薄模板，所述金属化聚酰亚胺薄模板设置于基座内，所述金属化聚酰亚胺薄模板的一侧设置有激光器阵列，所述激光器阵列通过引线键合与金属化聚酰亚胺薄模板固定连接，所述金属化聚酰亚胺薄模板内固定连接有多个微通道元件，多个微通道元件呈等间距竖直分布，所述微通道元件内固定连接有微管，所述微管插入二级冷却通道进液管和二级冷却通道出液管内，所述二级冷却通道进液管和二级冷却通道出液管之间设置有胶粘剂，所述之间设置有胶粘剂粘接在金属化聚酰亚胺薄模板的中部。

2.根据权利要求1所述的一种用于大功率半导体激光器封装的散热装置，其特征在于：所述一级冷却通道进液管和一级冷却通道出液管均为水平设置，且一级冷却通道进液管和一级冷却通道出液管相互平行设置。

3.根据权利要求1所述的一种用于大功率半导体激光器封装的散热装置，其特征在于：所述二级冷却通道进液管和二级冷却通道出液管均为垂直设置，且二级冷却通道进液管和二级冷却通道出液管相互平行设置。

4.根据权利要求1所述的一种用于大功率半导体激光器封装的散热装置，其特征在于：所述单管激光器芯片的散热模块设置有多个，多个单管激光器芯片的散热模块均为并排贴合设置，且多个单管激光器芯片的散热模块的高度从左到右呈依次递增设置。

5.根据权利要求1所述的一种用于大功率半导体激光器封装的散热装置，其特征在于：所述单管激光器芯片的散热模块由铜和铝等导热性优良的材料制成，且单管激光器芯片的散热模块的宽度为4.5～5.5mm，厚度为3.5～4.5mm。

6.根据权利要求1所述的一种用于大功率半导体激光器封装的散热装置，其特征在于：所述一级冷却通道进液管的另一端、一级冷却通道出液管、二级冷却通道进液管的底端和二级冷却通道出液管的底端均设置有密封铜塞。

7.一种用于大功率半导体激光器封装的散热方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：首先将基座焊接在底板上，再将多个单管激光器芯片的散热模块焊接在基座上；

步骤二：然后将加热至软化的铜塞入一级冷却通道进液管和一级冷却通道出液管的另一端，再将加热至软化的铜塞入二级冷却通道进液管和二级冷却通道出液管的底端；

步骤三：待铜冷却后，向底板上的最终进液口内通入冷却液，冷却液流入一级冷却通道进液管内，在此过程中，底板内的热量被一级冷却通道进液管内的冷却液吸收；

步骤四：然后冷却液进入二级冷却通道进液管内，在此过程中，基座内的热量通过微通道元件传输到微管上，二级冷却通道进液管内的冷却液将微管上的热量吸收；

步骤五：然后冷却液进入三级微通道内，在此过程中，单管激光器芯片的散热模块内的热量传输至散热柱内，三级微通道内的冷却液将散热柱上大的热量吸收；

步骤六：然后冷却液流入二级冷却通道出液管内，在此过程中，基座内的热量通过微通道元件传输到微管上，二级冷却通道出液管内的冷却液将微管上的热量吸收；

步骤七：最后冷却液流入一级冷却通道出液管内，在此过程中，底板内的热量被一级冷却通道进液管内的冷却液吸收，最终冷却液从最终出液口流出。

8.根据权利要求7所述的一种用于大功率半导体激光器封装的散热方法，其特征在于：所述步骤一中基座在焊接之前，先将基座上的二级冷却通道进液管和二级冷却通道出液管与底板上的二级冷却通道进液管和二级冷却通道出液管对齐。

9.根据权利要求7所述的一种用于大功率半导体激光器封装的散热方法，其特征在于：所述步骤一中的单管激光器芯片的散热模块在焊接之前，先将单管激光器芯片的散热模块上的二级冷却通道进液管和二级冷却通道出液管与基座上的二级冷却通道进液管和二级冷却通道出液管对齐。