CN111029895B - 一种微通道散热器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微通道散热器结构，包括：盖板，所述盖板设置有工质入口和工质出口；金属底座，所述金属底座密封设置在所述盖板下方；第一微流道结构，所述第一微流道结构沿第一方向设置在所述盖板和所述金属底座密封体的内部；第二微流道结构，所述第二微流道结构沿第二方向设置在所述盖板和所述金属底座密封体的内部，且与所述第一微流道结构、所述工质入口、所述工质出口连通；以及微流道分流结构，所述微流道分流结构设置在所述盖板和所述金属底座密封体的内部，且与所述第一微流道结构连通。

Description

一种微通道散热器及其制作方法

技术领域

本发明涉及半导体激光器热管理技术领域，具体地，尤其涉及一种用于端面泵浦板条激光器中激光晶体的局部强化微通道散热器及其制作方法。

背景技术

激光技术是20世纪发展起来的一项重要的科学技术，已经广泛应用于军事、医疗、材料加工等场合。其中的激光二极管泵浦全固态激光器，具有高效率、高可靠性、高光束治疗等优点，这些优点在端面泵浦板条激光器中尤其明显。但由于端面泵浦板条激光器中激光晶体的热导率不高，热透镜效应和热断裂损伤的风险在很大程度上限制了激光器功率的提高。因此，激光晶体的散热成了一个亟待解决的问题。

Ma Z等人在Optics Communications,2007,275(1):179-185发表的文章《Thermaleffects of the diode end-pumped Nd:YVO4 slab》建立了端面泵浦板条激光器中激光晶体的理论模型，分析了激光晶体热效应。根据所得出的解析可知，激光晶体的热源功率在晶体内部呈指数分布，泵浦面附近的热功率极大，并在晶体内部快速衰减。

Weber R等人在IEEE Journal of Quantum Electronics,1998,34(6):1046-1053发表的文章《Cooling schemes for longitudinally diode laser-pumped Nd:YAG rods》提出了四种散热方式，分别是直接在散热面固定紫铜块、将泵浦端浸没在水中、在泵浦端固定蓝宝石传热、改变掺杂方式。紫铜块散热的效果并不显著，其他三种方式虽然在一定程度上减少了激光晶体热效应，但是浸没式散热会影响光束的质量，蓝宝石冷却和改变掺杂方式有一定的技术难度，并且应用场景有限。总的来说，几种方式的散热性能都有待提高。

刘云等人在发光学报2005,26(1):109-114中发表《大功率半导体激光器叠层无氧铜微通道热沉》提出了一种叠层微通道结构，散热器的总厚度为2.2微米，在一定参数下，最小热沉热阻R_thm＝4.205×10^-3K·cm²/W。但是要实现这个热阻所需的压降为2.2×10⁶，这在实际中存在一定的困难。

针对现有的激光晶体散热技术存在的散热效果不显著、应用场景有限以及技术实现困难等问题，本发明提出一种微通道散热器及其制作方法，至少部分的克服了上述问题。

发明内容

针对现有的激光晶体散热技术存在的散热效果不显著、应用场景有限以及技术实现困难等问题，根据本发明的一个实施例，提供一种微通道散热器结构，包括：

盖板，所述盖板设置有工质入口和工质出口；

金属底座，所述金属底座密封设置在所述盖板下方；

第一微流道结构，所述第一微流道结构沿第一方向设置在所述盖板和所述金属底座密封体的内部；

第二微流道结构，所述第二微流道结构沿第二方向设置在所述盖板和所述金属底座密封体的内部，且与所述第一微流道结构、所述工质入口、所述工质出口连通；以及

微流道分流结构，所述微流道分流结构设置在所述盖板和所述金属底座密封体的内部，且与所述第一微流道结构连通。

在本发明的一个实施例中，所述第一方向为平直方向；所述第二方向为与所述第一方向相交且垂直的平直方向。

在本发明的一个实施例中，所述第一方向为折线、弧形或其组合方向；所述第二方向为与所述第一方向相交的折线、弧形或其组合方向。

在本发明的一个实施例中，所述第一微流道结构、第二微流道结构、微流道分流结构设置在所述金属底座的内面。

在本发明的一个实施例中，所述第一微流道结构、第二微流道结构、微流道分流结构设置在所述盖板的内面。

在本发明的一个实施例中，该微通道散热器结构还包括散热工质，所述散热工质可以通过金属引流管，经所述工质入口、所述第二微流道结构、所述第一微流道结构、所述微流道分流结构、所述第二微流道结构以及所述工质出口，进行散热工质的导入和导出；所述散热工质为去离子水或含纳米金属颗粒的水溶液，或其他热导率高于293K的溶液。

根据本发明的另一个实施例，提供一种基于微通道散热器的端面泵浦激光器结构，包括：

第一微通道散热器；

第二微通道散热器；

激光晶体，所述第一微通道散热器设置在所述激光晶体的第一面，所述第二微通道散热器设置在所述激光晶体与所述第一面相对的第二面；以及

导热条，所述导热条覆盖在所述激光晶体泵浦端面上的泵浦线以外位置，且与所述第一微通道散热器和/或所述第二微通道散热器相连。

在本发明的另一个实施例中，所述第一微通道散热器和/或所述第二微通道散热器进一步包括：

盖板，所述盖板设置有工质入口和工质出口；

金属底座，所述金属底座密封设置在所述盖板下方；

第一微流道结构，所述第一微流道结构沿第一方向设置在所述盖板和所述金属底座密封体的内部；

第二微流道结构，所述第二微流道结构沿第二方向设置在所述盖板和所述金属底座密封体的内部，且与所述第一微流道结构、所述工质入口、所述工质出口连通；以及

微流道分流结构，所述微流道分流结构设置在所述盖板和所述金属底座密封体的内部，且与所述第一微流道结构连通。

根据本发明的又一个实施例中，提供一种制作基于微通道散热器的端面泵浦激光器结构的方法，包括：

提供衬底，并对衬底进行清洗和烘干；

在衬底上形成微流道结构及微流道分流结构互补形状；

在衬底上具有微流道结构及微流道分流结构互补形状面电镀金属形成微通道散热器的金属底座；

释放获得金属底座；

提供微通道散热器的盖板；

在盖板上形成工质入口和工质出口；

提供激光晶体；

在激光晶体泵浦端面上的泵浦线以外位置形成导热条；

将金属底座与盖板键合形成微通道散热器；以及

在形成了导热条的激光晶体的上下散热面各组装一个微通道散热器。

在本发明的又一个实施例中，所述在衬底上形成微流道结构及微流道分流结构互补形状是通过图形化刻蚀工艺形成；

所述释放获得金属底座是通过对衬底材料的牺牲腐蚀获得；

所述在盖板上形成工质入口和工质出口是通过激光通孔或刻蚀形成；以及

所述将金属底座与盖板键合形成微通道散热器是通过铜锡等温凝固键合形成。

本发明提供一种微通道散热器及其制作方法。采用了微通道散热器对激光晶体进行散热，并对传统的矩形槽式微通道散热器做出针对板条激光器的改进，在传统的微通道散热器中添加了额外的分流式结构，进一步增加了高热功率处微通道与散热工质的换热面积，从而达到局部散热强化的目的，另一方面添加了泵浦线上下的导热条，在不影响光束质量的前提下，部分未能传导到晶体散热面的热量可以通过泵浦面的导热条传导到散热器体，大幅度减轻了由于激光晶体工作时热源分布不均和晶体热导率过低而产生的热量聚集。与现有技术相比，基于本发明的该种微通道散热器及其制作方法具有以下有益效果：与现有的针对板条激光器的散热器相比较，本发明对泵浦面的强化散热与导热条的添加可以大幅度提高散热器的换热效率，降低激光晶体的温度，并提高晶体的温度均匀性，同时还具有工作压降低、体积小、工艺简单等优点。

附图说明

为了进一步阐明本发明的各实施例的以上和其它优点和特征，将参考附图来呈现本发明的各实施例的更具体的描述。可以理解，这些附图只描绘本发明的典型实施例，因此将不被认为是对其范围的限制。在附图中，为了清楚明了，相同或相应的部件将用相同或类似的标记表示。

图1示出根据本发明的一个实施例的一种微通道散热器结构100的立体示意图。

图2示出根据本发明的一个实施例的一种微通道散热器结构100的盖板110的俯视图。

图3示出根据本发明的一个实施例的一种微通道散热器结构100的金属底座120的俯视图。

图4示出根据本发明的一个实施例的一种微通道散热器结构100沿图3中AA’方向截断的截面示意图。

图5示出根据本发明的一个实施例的一种基于微通道散热器的端面泵浦激光器结构500的装配示意图。

图6示出根据本发明的一个实施例制作一种基于微通道散热器的端面泵浦激光器结构500的流程图示意图。

图7示出根据本发明的另一实施例的一种微通道散热器结构的盖板700的底视图。

具体实施方式

在以下的描述中，参考各实施例对本发明进行描述。然而，本领域的技术人员将认识到可在没有一个或多个特定细节的情况下或者与其它替换和/或附加方法、材料或组件一起实施各实施例。在其它情形中，未示出或未详细描述公知的结构、材料或操作以免使本发明的各实施例的诸方面晦涩。类似地，为了解释的目的，阐述了特定数量、材料和配置，以便提供对本发明的实施例的全面理解。然而，本发明可在没有特定细节的情况下实施。此外，应理解附图中示出的各实施例是说明性表示且不一定按比例绘制。

在本说明书中，对“一个实施例”或“该实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。在本说明书各处中出现的短语“在一个实施例中”并不一定全部指代同一实施例。

需要说明的是，本发明的实施例以特定顺序对工艺步骤进行描述，然而这只是为了方便区分各步骤，而并不是限定各步骤的先后顺序，在本发明的不同实施例中，可根据工艺的调节来调整各步骤的先后顺序。

本发明提供一种微通道散热器及其制作方法。采用了微通道散热器对激光晶体进行散热，并对传统的矩形槽式微通道散热器做出针对板条激光器的改进，在传统的微通道散热器中添加了额外的分流式结构，进一步增加了高热功率处微通道与散热工质的换热面积，从而达到局部散热强化的目的，另一方面添加了泵浦线上下的导热条，在不影响光束质量的前提下，部分未能传导到晶体散热面的热量可以通过泵浦面的导热条传导到散热器体，大幅度减轻了由于激光晶体工作时热源分布不均和晶体热导率过低而产生的热量聚集。与现有技术相比，基于本发明的该种微通道散热器及其制作方法具有以下有益效果：与现有的针对板条激光器的散热器相比较，本发明对泵浦面的强化散热与导热条的添加可以大幅度提高散热器的换热效率，降低激光晶体的温度，并提高晶体的温度均匀性，同时还具有工作压降低、体积小、工艺简单等优点。

下面结合图1、图2、图3以及图4来详细介绍根据本发明的一个实施例的一种微通道散热器结构。图1示出根据本发明的一个实施例的一种微通道散热器结构100的立体示意图；图2示出根据本发明的一个实施例的一种微通道散热器结构100的盖板110的俯视图；图3示出根据本发明的一个实施例的一种微通道散热器结构100的金属底座120的俯视图；图4示出根据本发明的一个实施例的一种微通道散热器结构100沿图3中AA’方向截断的截面示意图。如图1、图2、图3以及图4所示，该微通道散热器结构100进一步包括盖板110、金属底座120。

如图1、图2所示，盖板110进一步包括盖板本体111、工质出口112以及工质入口113。在本发明的一个实施例中，工质出口112、工质入口113位于盖板本体111上临近相对两边的中心对称位置，盖板本体111的材料为氮化铝陶瓷。在本发明的又一实施例中，盖板本体111的材料为硅、氧化硅、碳化硅或者金属材料。在本发明的另一实施例中，工质出口112、工质入口113通过刻蚀、机械加工或激光打孔形成通孔结构，用于外接导流管。在本发明的再一实施例中，工质出口112和/或工质入口113的截面形状为圆形、长方形、六边形。

如图1、图3所示，金属底座120进一步包括金属基底121、第一微流道结构122、第二微流道结构123以及微流道分流结构124。其中第一微流道结构122沿第一方向平行排列在金属基底121的第一面，成基本等间距布局；第二微流道结构123沿第二方向排列在金属基底121的第一面；微流道分流结构124与第一微流道结构122相连，起到增加提升散热器换热面积的作用。在本发明的一个实施例中，第一方向与第二方向垂直，在金属底座120和盖板110键合后，第一微流道结构122通过第二微流道结构123与工质出口112、工质入口113连接，从而形成流体通路。在本发明的又一实施例中，金属基底121材料为铜。在本发明的又一实施例中，金属基底121材料为银、铁、镍等其他热导率优良的金属，金属基底121的与第一面相对的第二面通过研磨获得平整表面，以保证高效的散热。在本发明的另一实施例中，微流道分流结构124优为平滑的矩形槽通道，也可以为肋板、扰流柱等其他可以进一步提升散热器换热面积的微通道结构，微流道分流结构124设置在散热器靠近被散热热源附近。在本发明的又一实施例中，第一微流道结构122、第二微流道结构123以及微流道分流结构124的截面为矩形和/或圆弧形。

如图4所示，在盖板110、金属底座120组装后，沿图3AA’方向的截面显示盖板110、金属底座120之间形成的微流道分流结构124成基本均匀排列。盖板110与金属底座120的组装方法通过键合、焊接等工艺实现，在本发明的一个实施例中，金属底座120为Cu材料时，在盖板110上溅射Cr/Cu种子层然后镀锡，二者贴合后，在甘油中加热至260℃后自然冷却，进行铜锡等温凝固键合。

下面结合图5来详细介绍一种基于上述微通道散热器的端面泵浦激光器结构。图5示出根据本发明的一个实施例的一种基于微通道散热器的端面泵浦激光器结构500的装配示意图。如图5所示，该基于微通道散热器的端面泵浦激光器结构500进一步包括第一微通道散热器510、第二微通道散热器520、激光晶体530以及导热条540。其中第一微通道散热器510的第一金属底座512的背面、第二微通道散热器520的第二金属底座522的背面与激光晶体530的上下散热面相连；导热条540设置在激光晶体530的泵浦线上下，并与第一微通道散热器510和/或第二微通道散热器520相连。在本发明的一个实施例中，所述的导热条540通过电镀设置在激光晶体530的泵浦线上下，然后通过真空钎焊将激光晶体530的散热面、导热条540与两个微通道散热器510、520的金属底座512、522的背面结合。两个微通道散热器510、520在激光晶体530上下两个散热面同时工作，以保证对激光晶体530的高效均匀散热。

在本发明的一个实施例中，散热工质通过水泵，经过导流管进入微通道散热器盖板上的工质入口，从而进入散热器，流经散热器中的微流道结构，再从工质出口排除；经过冷却、过滤，重新进入散热器。在本发明的一个具体实施例中，散热工质为去离子水，但也可以包括含纳米金属颗粒的水溶液或其他热导率较好的溶液。激光晶体工作时，由于其热导率低，产生的热量仅有部分可以传导到上下两侧的散热面，然后进一步传导到金属底座，同时，部分热量从晶体的泵浦面直接传导至导热条并传导至金属底座，热量进一步进入微流道结构，并经流过的散热工质带出，循环往复。

在本发明的一个具体实施例中，形成的微通道散热器的端面泵浦激光器结构的各组成部分采用以下尺寸：

盖板511/521的长宽高尺寸分别为23.5毫米、19毫米和0.15毫米；工质出口的直径为1毫米；工质入口的直径为1毫米；金属底座512/522的长宽高尺寸分别为23.5毫米、19毫米和0.85毫米；微流道结构的流道高度为0.7毫米，出入口横向通道宽度为1毫米，微流道分流结构宽度为0.4毫米，间距0.8毫米，其他结构宽度为1.2毫米，间距2.4毫米；导热条的尺寸为22毫米、0.02毫米和0.3毫米；激光晶体尺寸为22毫米、12毫米和1毫米，其中泵浦线位于22毫米*1毫米端面的中间，宽0.4毫米。

经过仿真，在散热工质为去离子水，工质入口流量为100毫升每分钟、在激光泵浦功率为400瓦，发热效率为0.2406，晶体吸收系数为10cm^-1的情况下，激光晶体的体最高温度为121℃，符合实际需求。

下面结合图6来详细介绍制作一种基于微通道散热器的端面泵浦激光器结构500的方法。图6示出根据本发明的一个实施例制作一种基于微通道散热器的端面泵浦激光器结构500的流程图示意图。

首先，在步骤1，如图6(a)所示，提供衬底610，并对衬底610进行清洗和烘干等准备工作。在本发明的一个实施例中，衬底610为厚度为1毫米左右的硅片。在本发明的又一实施例中，衬底610也可以为玻璃等其他材料。

接下来，在步骤2，如图6(b)所示，在衬底610上形成与微通道散热器510/520中金属底座512/522的微流道结构及微流道分流结构互补的形状。在本发明的一个实施例中，通过在硅片的表面旋涂掩膜，并通过光刻图形化形成与微通道散热器510/520中金属底座512/522的微流道结构及微流道分流结构互补的刻蚀掩膜，再用NMC反应离子式深硅刻蚀工艺进行刻蚀，刻蚀出与微通道散热器510/520中金属底座512/522的微流道结构及微流道分流结构互补的形状。

然后，在步骤3，如图6(c)所示，去除衬底610上的光刻胶掩膜后，在刻蚀有与微通道散热器510/520中金属底座512/522的微流道结构及微流道分流结构互补的形状所在的面形成电镀种子层，然后电镀金属形成微通道散热器的金属底座620。在本发明的一个具体实施例中，洗去表面残留的光刻胶后，在硅片上溅射Cr/Cu种子层，然后电镀金属Cu作为散热器的金属底座620，并磨平金属底座620的背面。

接下来，在步骤4，如图6(d)所示，释放获得金属底座620。在本发明的一个实施例中，通过氢氧化钾溶液水浴的方式使金属底座620与衬底610剥离。

然后，在步骤5，如图6(e)所示，提供微通道散热器的盖板630。在本发明的一个实施例中，取厚度为0.15mm的AlN陶瓷作为盖板630。

接下来，在步骤6，如图6(f)所示，在盖板630上形成工质入口和工质出口。在本发明的一个实施例中，通过激光通孔工艺在AlN陶瓷盖板上打孔形成对应的工质入口和工质出口。

然后，在步骤7，如图6(g)所示，提供激光晶体640。

接下来，在步骤8，如图6(h)所示，在激光晶体640的侧面形成导热条650。在本发明的一个实施例中，通过光刻、种子层沉积、电镀等工艺形成导热条650。

最后，在步骤9，如图6(i)所示，将金属底座620与盖板630键合，形成微通道散热器，再在添加了导热条650的激光晶体640的上下散热面各组装一个微通道散热器，形成基于微通道散热器的端面泵浦激光器结构。在本发明的一个实施例中，通过铜锡等温凝固键合工艺将盖板630与金属底座620键合，然后通过真空钎焊与添加了导热条650的激光晶体640连接。

下面再结合图7来介绍根据本发明的另一实施方案，图7示出根据本发明的另一实施例的一种微通道散热器结构的盖板700的底视图。如图7所示，该微通道散热器结构的盖板700上除了设置有工质入口760和工质出口770之外，还设置有前述实施例中设置在金属底座上的第一微流道结构720、第二微流道结构740以及微流道分流结构730。这样，金属底座只需要是平整的金属薄片就可以。

基于本发明提供的该种微通道散热器及其制作方法。采用了微通道散热器对激光晶体进行散热，并对传统的矩形槽式微通道散热器做出针对板条激光器的改进，在传统的微通道散热器中添加了额外的分流式结构，进一步增加了高热功率处微通道与散热工质的换热面积，从而达到局部散热强化的目的，另一方面添加了泵浦线上下的导热条，在不影响光束质量的前提下，部分未能传导到晶体散热面的热量可以通过泵浦面的导热条传导到散热器体，大幅度减轻了由于激光晶体工作时热源分布不均和晶体热导率过低而产生的热量聚集。与现有技术相比，基于本发明的该种微通道散热器及其制作方法具有以下有益效果：与现有的针对板条激光器的散热器相比较，本发明对泵浦面的强化散热与导热条的添加可以大幅度提高散热器的换热效率，降低激光晶体的温度，并提高晶体的温度均匀性，同时还具有工作压降低、体积小、工艺简单等优点。

尽管上文描述了本发明的各实施例，但是，应该理解，它们只是作为示例来呈现的，而不作为限制。对于相关领域的技术人员显而易见的是，可以对其做出各种组合、变型和改变而不背离本发明的精神和范围。因此，此处所公开的本发明的宽度和范围不应被上述所公开的示例性实施例所限制，而应当仅根据所附权利要求书及其等同替换来定义。

Claims (4)

1.一种制作基于微通道散热器的端面泵浦激光器结构的方法，包括：

提供衬底，并对衬底进行清洗和烘干；

在衬底上形成微流道结构及微流道分流结构互补形状；

在衬底上具有微流道结构及微流道分流结构互补形状面电镀金属形成微通道散热器的金属底座；

释放获得金属底座；

提供微通道散热器的盖板；

在盖板上形成工质入口和工质出口；

提供激光晶体；

在激光晶体泵浦端面上的泵浦线以外位置形成导热条；

将金属底座与盖板键合形成微通道散热器；以及

在形成了导热条的激光晶体的上下散热面各组装一个微通道散热器。

2.如权利要求1所述的制作基于微通道散热器的端面泵浦激光器结构的方法，其特征在于：

所述在衬底上形成微流道结构及微流道分流结构互补形状是通过图形化刻蚀工艺形成；

所述释放获得金属底座是通过对衬底材料的牺牲腐蚀获得；

所述在盖板上形成工质入口和工质出口是通过激光通孔或刻蚀形成；以及

所述将金属底座与盖板键合形成微通道散热器是通过铜锡等温凝固键合形成。

3.一种通过权利要求1或2所述的方法形成的基于微通道散热器的端面泵浦激光器结构，包括：

第一微通道散热器；

第二微通道散热器；

激光晶体，所述第一微通道散热器设置在所述激光晶体的第一面，所述第二微通道散热器设置在所述激光晶体与所述第一面相对的第二面；以及

导热条，所述导热条覆盖在所述激光晶体泵浦端面上的泵浦线以外位置，且与所述第一微通道散热器和/或所述第二微通道散热器相连。

4.如权利要求3所述的基于微通道散热器的端面泵浦激光器结构，其特征在于，所述第一微通道散热器和/或所述第二微通道散热器进一步包括：

盖板，所述盖板设置有工质入口和工质出口；

金属底座，所述金属底座密封设置在所述盖板下方；

第一微流道结构，所述第一微流道结构沿第一方向设置在所述盖板和所述金属底座密封体的内部；

第二微流道结构，所述第二微流道结构沿第二方向设置在所述盖板和所述金属底座密封体的内部，且与所述第一微流道结构、所述工质入口、所述工质出口连通；以及

微流道分流结构，所述微流道分流结构设置在所述盖板和所述金属底座密封体的内部，且与所述第一微流道结构连通。

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