CN1103505C - 高功率激光二极管列阵的微通道冷却封装组件 - Google Patents

Abstract

本发明与高功率激光二极管列阵有效冷却方式有关。该组件由硅片一玻璃片一硅片粘合而成，13mm×13mm×1mm。硅片内侧有化学蚀刻的200条微通道，二极管条粘附在微通道背面。泵送高压冷却液从中流过，实现冷却。本发明提出更有效的方法，在一次工艺中完成夹心层的粘合。本发明是将硅片，玻璃片，硅片三层材料叠好，放在恒温炉中两电极间实现，用于玻璃与金属(或单晶)之间的粘合。

Description

高功率激光二极管列阵的微通道冷却封装组件

本发明与高功率激光二极管列阵的微通道冷却封装组件的制造方法有关。

激光二极管比起现有激光器，比如二氧化碳激光器，有体积小、结构紧凑、寿命长、电光转换效率高以及运转可靠的优点。90年代以来，国际上的量子阱激光二极管线阵在1mm×0.1mm孔径上，可发射数十瓦的平均功率。但是，它高功率运行时，在很小体积内发散相当多的耗散热。这些热由二极管串联电阻和非辐射复合引起。它使发射波长漂移，电光转换效率降低，甚至损坏pn结。耗散热已限制了高功率激光二极管列阵的使用。微通道冷却封装组件是下硅片、玻璃片和上硅片粘合的夹心层结构，典型尺寸为13mm×13mm×1mm。硅片内侧有用化学反应蚀刻出的许多微通道，发热元件烧结在它背面。泵送高压冷却液从中流过，可有效带走由发热元件传导到硅片体的热量。微通道冷却元件原来用于集成电路的冷却，美国加洲大学利福莫尔国家实验室(Lawrence Livermore National Laboratory of UniversityCalifornia)的David C.Mundinger等人，在专利说明书，US005105429中，已提出用微通道冷却组件来封装并冷却高功率激光二极管列阵的方法，并于February 7，1996在Internet网上公布了他们改进后的设计方案(http：//www.llnl.gov/IPandC/op96/05/5I-new.html)。该专利公布：先粘合下硅片与玻璃片，为此，玻璃片上要附加一表面平整的金属电极，偏压保持下硅片为正，玻璃片为负。粘合完成后，缓慢降至室温，取出下硅片和玻璃片的双层结构，清洗后，再粘合双层结构的玻璃片和上硅片。为了给玻璃片加负极，要为上硅片加工3个均匀分布的小孔。

本发明的任务是提出一种设备简单、操作简化、成本较低、时间缩短的粘合方法，让夹心层的粘合在一次粘合过程中分二步完成，即始环境洁净度有一定程度降低，也能达到强度更高的硅片、玻璃片和硅片这种夹心层的粘合效果。

本发明的夹心层电场粘合方法是将上硅片、玻璃片和下硅片这尚未粘合的三层材料放在两电极之间。这里的硅片是单晶硅片，硅片和玻璃片的表面按光学元件要求研磨。用一定的压力使上硅片，玻璃片和下硅片之间的两对超净光学表面，即下硅片与玻璃片下表面以及玻璃片上表面与上硅片两对界面间紧密接触。同样，上下两硅片与两电极也是紧密接触，未加电压前，两电极是绝缘的。然后整体置于恒温炉中，以每小时100℃的速率升温到550℃。在此过程中，将静电场正负极加在两电极上，比如下硅片为正极，上硅片为负极。电压从低到高缓慢调节，其最大值视夹心层厚度而定，比如，玻璃片厚0.5mm时，最大电压为500V。恒温恒电压维持2小时后，温度保持不变，静电场缓降为零。利用电路中已经接入的双刀双掷开关使电极反向，即下硅片为负极，上硅片为正极。再缓慢增加静电场电压，达到500V。恒温恒电压2小时后，以每小时100℃速率将温度降到室温，此过程便完成，可得到微通道组件的坯件。此粘合过程可在空气中进行，也可在真空中或惰性气体的气氛中进行。

该夹心层电场粘合方法的特征是：下硅片与玻璃片第一界面粘合之后，不缓慢降温，也不取出双层结构重新清洗后，再入炉，再升温，进行玻璃片与上硅片第二界面的粘合。而是一次入炉后，分两个步骤完成下硅片与玻璃片和玻璃片与上硅片两个界面的粘合，过程中间不出炉，不降温。这种方法不仅缩短了粘合时间，更重要的是防止了玻璃片光学表面在第一次高温粘合中损伤，致使第二次与上硅片粘合十分困难。该方法实施的结果已证明，夹心层电场粘合方法不仅缩短了粘合过程所需的时间，而且提高了粘合强度。此外，不需要制作特殊粘合电极，二个界面的粘合中，硅片本身相互作为玻璃片的电极。这大为降低了实施的难度。因为，按专利US005105429的陈述，对上硅片、玻璃片和下硅片作两次升降温度的粘合方法中，第一次要为玻璃片作一个有光学表面的金属电极或三点式电极，第二次要为上硅片加工三个分布均匀的小孔，以便为玻璃片引入负电极。其次，二个硅片与玻璃片从最后的清洗液中取出时，勿须对每个表面进行脱水和真空烘干，而是在清洗液中按要求叠好后，才取出来，送入烘箱烘干。这一操作上的改进，大为减少了粘合表面受污染的机会，降低了对环境洁净度的要求。为了保证此方法的实施，本发明还提出了一项配套操作：在夹心层电场粘合中，硅片内侧已刻好的微通道被两电场电极平面密封，高温下，微通道中的膨胀的空气和汽化的残留物必须排出，才能维持粘合过程的正常进行。为此，要在电极平面内侧铣2条截面为0.3×0.5mm的凹沟。

图1是本发明，夹心层电场粘合方法中，高功率激光二极管列阵的微通道冷却封装组件各部分的相对放置位置。图2是施加在图1上的静电场产生及其换向装置的电路。图3是图1中，上、下两电极板平面上刻出的高温气体通道。图4是用图1方法作出的，已装上20瓦连续运行激光二极管列阵的一个微通道冷却组件。

图1所描述的夹心层电场粘合方法布置中，包括两个电极(1)和(5)，以及由上硅片(2)，玻璃片(3)和下硅片(4)组成的高功率激光二极管列阵微通道冷却封装组件。两硅片同一端内侧已用最新的半导体工艺和设备刻出了上百条平行微通道，夹在中间的玻璃片同一端也刻有一条狭缝，连通上下两硅片的微通道，并通过微通道与两椭圆孔相通。这组件的三层必须粘合在一起，而且其粘合强度要能承受0.6Mpa的张压强。电极(1)，(5)是用钼、钨一类电子脱出功较大的金属材料做成，按图1所示方式叠合后再加压力，使金属与硅之间电阻减少到百分之一欧姆以下。当高压静电场施加在两电极上时，比如下硅片为正，上硅片为负，就有一极大的匀强电场存在于玻璃片内，电场力使玻璃中的少量正金属离子缓慢朝上硅片移动。一定时间积累后，便在下硅片与玻璃片界面上形成一空间负电荷带。这一负电荷带与它从下硅片感应出的正电荷带在很近的距离上产生极强大的静电吸引力。下硅片与玻璃片在这种压力下，在一定的温度气氛中会发生缓慢合金过程，达到粘合的效果。此时，上硅片与玻璃片之间不会积累电荷。因为玻璃材料内只有正金属离子，如钠离子，钙离子，…才能在外电场中作定向迁移，形成固溶体中的离子电流。上硅片为负极时，金属离子在玻璃片内向负极移动，一到达边界就被中和，即上硅片充当了玻璃的负电极。事实上，在数百度的温度下，半导体单晶硅的导电性已属于金属的范畴。下硅片处于正极性时与玻璃片的粘合过程是不可逆的，因为玻璃中的金属离子还原后，并不可能随着温度下降和偏压取消而恢复成离子。正是基于申请人这个创新的理论认识，提出了夹心层电场粘合方法。该新方法的特点就是在缓慢降低偏置电场电压过程中，不降低温度，而是用双刀双掷开关让电极倒向。倒向后，上硅片为正，下硅片为负。然后，又缓慢增加电压，玻璃内的正金属离子改变定向位移方向，向下硅片运动，让上硅片与玻璃片之间形成空间电荷带，形成合金粘合。第二步粘合过程中，下硅片充当了负电极。图中右边是硅片、玻璃片和硅片的夹心层结构，它们是在清洗液中先叠好后才取出的。图2中的(1)，(2)，(3)，(4)，和(5)与图1相同。(6)表示对叠合的各种片子加压力。(7)指的是把高压发生器与待粘合元件连接起来的电线。(9)高压发生器。(10)代表用来改变电场方向的双刀双掷开关。这是一个夹心层电场粘合方法实施方案。(1)，(5)是钼片。(2)，(4)硅片厚0.5mm，(3)玻璃片厚0.5mm，电场最高调到500v，温度最高调到550℃。图3表示的是电极片内侧刻出的细沟，硅片内侧微通道中的空气加热膨胀后，可从此细沟排出。图4是一个用夹心层电场粘合方法制作出来的高功率激光二极管列阵的微通道冷却封装组件。(11)是装配该组件成大功率激光二极管面阵的装配螺孔，(12)，(13)是冷却水的出入口，(14)是安装在微通道冷却封装组件上的激光二极管线阵。(15)是该线阵发射的椭圆形截面的高斯光束。

Claims (2)

1.高功率激光二极管列阵的微沟道冷却封装组件制作过程中，夹心层电场粘合方法是：将上硅片、玻璃片和下硅片依次叠合，放在两个电极之间，用一定压力使上硅片、玻璃片和下硅片之间的两对洁净光学界面紧密接触，再置于恒温炉中以每小时50～100℃速率升温到550℃，同时将静电场正负极加在两电极上，电压缓慢调节到约800V，恒温两小时后静电场缓降为零伏，温度不变，再利用已经接入电路中的双刀双掷开关使电极反向，又以同样方式施加静电场，恒温两小时后缓降至室温而完成的。

2.根据权利要求1所述的夹心层电场粘合方法，其特征是：电场电极选用表面脱出功较高的金属，经磨床加工并在电极的金属平板内侧平面上铣2条截面为0.3×0.5mm的凹沟，用以排出高温下硅片内侧已刻好的微沟道所在空间中膨胀的空气。

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