CN113067249A - 一种半导体激光器封装结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半导体激光器封装结构，该封装结构包括至少一个半导体激光器芯片和液冷底板，各半导体激光器芯片设置在液冷底板上，液冷底板的侧面上设置有冷却液的进液口和出液口，液冷底板的内部分别设置有进液通道和出液通道与进液口和出液口连接，进液通道或出液通道设置在半导体激光器芯片的底部区域，并且分成多个子通道，用于提高对各半导体激光器芯片的冷却能力。上述封装结构具有更强的冷却能力，可以承载较大功率的数量较多的半导体激光器芯片，可靠耐用。

Description

一种半导体激光器封装结构

技术领域

本发明属于半导体激光器技术领域，特别涉及一种半导体激光器封装结构。

背景技术

大功率半导体激光器在材料加工、固体激光器泵浦等方面有大量的应用。提高半导体激光器功率水平时，散热是一个重要的问题。芯片温度过高会降低半导体激光器的性能，甚至完全损坏半导体激光器。

如图1、图2所示，液冷底板上设置有多个半导体激光器芯片，液冷底板内设置有单个的U形水道从半导体激光器芯片的下方通过，能够带去一些热量，但散热能力有限。热沉上摆放的半导体激光器的功率或个数会有所限制。

发明内容

针对上述问题，本发明公开了一种半导体激光器封装结构，以克服上述问题或者至少部分地解决上述问题。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种半导体激光器封装结构，所述封装结构包括至少一个半导体激光器芯片和液冷底板，各所述半导体激光器芯片设置在所述液冷底板上，所述液冷底板的侧面上设置有冷却液的进液口和出液口，所述液冷底板的内部设置有液体通道与所述进液口和所述出液口连接，所述液体通道的至少一部分设置在所述半导体激光器芯片的底部区域，且该至少一部分的液体通道分成多个子通道，用于提高对各所述半导体激光器芯片的冷却能力。

可选的，所述液体通道分为进液通道和出液通道，所述多个子通道设置在所述出液通道上，且所述多个子通道的入液端设置有分配槽,所述多个子通道的出液端设置有汇聚槽，所述分配槽与所述进液通道连接，所述汇聚槽与所述出液口连接。

可选的，所述多个子通道由多孔结构和/或多叶片结构形成。

可选的，所述多孔结构中的各孔相互平行；和/或，所述多叶片结构中的各叶片相互平行。

可选的，各所述半导体激光器芯片设置在辅助热沉上，所述辅助热沉烧结在所述液冷底板上，所述辅助热沉选用热导率不低于200W/m·K的材料，包括如下的任一种材料：氮化铝、碳化硅、石墨烯或金刚石。

可选的，所述液冷底板由单一种金属的部分制成，或者由两个以上部分拼接组成，且各部分的金属材料不同，其中，靠近所述半导体激光器芯片的部分采用的金属的导热率大于远离所述半导体激光器芯片部分的金属的导热率。

可选的，所述靠近所述半导体激光器芯片的部分采用的金属为铜，所述远离所述半导体激光器芯片的部分采用的金属为铝。

可选的，所述靠近所述半导体激光器芯片的部分通过拉模、锻造或3D打印方式加工形成。

可选的，所述液冷底板中的冷却介质为纯净水或相变介质。

可选的，各所述半导体激光器芯片的出光功率不低于30W。

本发明的优点及有益效果是：

上述封装结构具有更强的冷却能力，可以承载较大功率的数量较多的半导体激光器芯片，同时又兼顾可靠性，比较耐用。

由于单个水道的散热能力不能达到要求, 现有技术中也存在通过微通道增强散热能力的方案，但容易被水流侵蚀或堵塞，造成损坏,本发明采用的多孔或多叶片结构不易被水流侵蚀或堵塞，可靠性高，更加耐用。

并且，现有技术中液冷底板往往由铜制成，以便利用铜的高热导率。但与铝相比，铜的密度较大，难以实现轻量化结构，上述结构中由铜和铝复合制成的液冷底板即可利用铜的高热导率又能具有铝的轻量化优点。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为半导体激光器封装现有技术的示意图；

图2为图1的透视图；

图3为本发明实施例1中半导体激光器封装结构的示意图；

图4为图3的透视图；

图5为图3的透视侧视图；

图6为图3的透视上视图；

图7为图3的剖面图1；

图8为图3的剖面图2；

图9为本发明实施例2中半导体激光器封装结构的示意图；

图10为图9的透视图；

图11为图9的透视侧视图；

图12为图9的透视上视图；

图13为图9的剖面图1；

图14为图9的剖面图2；

图中：1为半导体激光器芯片，2为辅助热沉，3为液冷底板，4为液体通道，4.1为进液通道或出液通道，4.2为多孔结构或圆孔，4.3为多叶片结构或叶片，5为分配槽，6为汇聚槽。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例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。

应当理解，术语“包括/包含”、“由……组成”或者任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的产品、设备、过程或方法不仅包括那些要素，而且需要时还可以包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种产品、设备、过程或方法所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括/包含……”、“由……组成”限定的要素，并不排除在包括所述要素的产品、设备、过程或方法中还存在另外的相同要素。

还需要理解，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示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、部件或结构必须具有特定的方位、以特定的方位构造或操作，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“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，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。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。

结合图3-14所示，本发明的实施例公开了一种半导体激光器封装结构，该半导体激光器封装结构包括至少一个半导体激光器芯片（或称为单管）1和液冷底板3，各半导体激光器芯片1设置在所述液冷底板3上，优选的，各半导体激光器芯片1呈单行平行侧边地设置在液冷底板3的上表面上。

液冷底板3的侧面上设置有冷却液的进液口和出液口，该进液口和出液口优选在同一侧，所述液冷底板3的内部设置有液体通道4与所述进液口和所述出液口连接。

该液体通道4优选为U形结构，当然也可以是直线型或者其他的弯折结构。液体通道4的至少一部分设置在所述半导体激光器芯片1的底部（下方）区域，且该至少一部分的液体通道分成多个子通道，该多个子通道的位置位于半导体激光器芯片的下方，用于通过增大液体与液冷底板的接触面积提高对各所述半导体激光器芯片的冷却效果。

在一个实施方式中，结合图4-6所示，所述液体通道4分为进液通道和出液通道4.1，所述多个子通道设置在所述出液通道上，且所述多个子通道的入液端设置有分配槽5,所述多个子通道的出液端设置有汇聚槽6，所述分配槽5与所述进液通道4.1连接，所述汇聚槽6与所述出液口连接。

在一个具体实施方式中，所述多个子通道占整个液冷底板3的大部分区域，具体可以由多孔结构4.2形成，具体参见图3-8；或者，参见图9-14，所述多个子通道由多叶片结构4.3形成，其能够增大冷却液体的工作区域，从而利于半导体激光器芯片1保持正常的工作状态。

根据图3-14可知，所述多孔结构4.2中的各孔相互平行，孔的截面可以是圆形或者多边形；所述多叶片结构4.3中的各叶片相互平行，当然，各圆孔4.2或者叶片4.3也可以设计成弯折的迷宫型，进一步提高冷却的效率。

在一个具体实施方式中，各所述半导体激光器芯片1设置在辅助热沉2上，所述辅助热沉2烧结在所述液冷底板3上，所述辅助热沉可选用热导率不低于200W/m·K的材料，具体为如下的任一种的材料：氮化铝、碳化硅、石墨烯或金刚石,当然,该实施例中的辅助热沉也不局限于上述的材料,能够实现上述功能的材料均在保护范围之内。

在一个具体实施例中，所述液冷底板由单一种金属制成；更为优选的是，液冷底板由两个或两个以上部分拼接组成，且各部分的金属材料相同或者不同，优选为不同；其中，靠近所述半导体激光器芯片的部分采用的金属的导热率大于远离所述半导体激光器芯片部分的金属的导热率。

比如，所述靠近所述半导体激光器芯片的部分采用的金属为铜，当然,也包括与铜具有相似散热能力的其他金属;所述远离所述半导体激光器芯片部分的金属为铝,当然也可以是其他与铝相似的金属。

在一个具体的实施方式中，所述靠近所述半导体激光器芯片的部分通过拉模、锻造或3D打印方式加工形成在底部的部分上，比如将铜通过3D打印的方式形成多个子通道部分，并且该多个子通道部分设置在铝金属制成的基座上。

需要指出的是，材料的选择、孔或叶片的数量、大小、占空比等参数可由热学仿真得到数值优化，从而实现水阻小、散热面积大的结构。

在一个具体的实施方式中，所述液冷底板中的冷却介质可以是纯净水或相变介质，相变介质包括液氨或液氮等能够通过相变提高散热或吸热能力的液体。

在一个具体的实施方式中，各半导体激光器芯片的出光功率不低于30W，从而保证上述封装结构能够满足较大功率的输出需求。

以下给出了两个具体的实施例对上述技术方案作出进一步的说明。

实施例1

参见图3至图8。本发明的实施例1公开一种轻量化、高效散热的半导体激光器封装结构。

在该实施例1中，包括9个光功率为30W的半导体激光器芯片（单管）1，各半导体激光器芯片1配有一个长4.5mm宽4mm的氮化铝辅助热沉2。辅助热沉2烧结在液冷底板3上。液冷底板3中半导体激光器芯片1的辅助热沉2下面的区域以3mm的周期分布着6个直径为1mm，长度为44mm的圆孔4.2。来自进液通道4.1的液体分流到6个圆孔4.2中，对半导体激光器芯片1进行冷却，然后再流向出液通道4.1。

液冷底板3的主体结构由铝制成。辅助热沉2下面的区域中的多孔结构4.2及其上方的部分采用铜进行3D打印制成。

实施例2

参见图9至图14所示，该实施例2与实施例1的区别在于，采用多叶片结构4.3。

液冷底板3中半导体激光器芯片1的辅助热沉2下面的区域以3mm的周期分布着6个叶片4.3，长度为44mm，厚度1mm，高度3mm，来自进液通道4.1的液体分流到6个叶片4.3之间的空隙中，对半导体激光器芯片1进行冷却，然后再流向出液通道4.1。

液冷底板3的主体结构由铝制成。辅助热沉2下面的区域中的多叶片结构4.3及其上方的部分采用铜进行3D打印制成。

综上，上述实施例1和实施例2采用了多孔结构4.2或多叶片结构4.3对半导体激光器芯片1进行冷却，与单个液体通道相比冷却能力更强，可对更多数量的或更大功率的半导体激光器芯片1进行冷却。

现有技术也存在通过微通道增强散热能力的方案，但该方案容易被水流侵蚀或堵塞，造成损坏。本发明采用的多孔或多叶片结构不易被水流侵蚀或堵塞，可靠性高，更加耐用。

液冷底板3的主体结构由铝制成，而在辅助热沉2下面需要通过的热流较多的区域采用铜3D打印、拉模等方式制造形成易于散热的区域，上述的结构即能利用铜的高热导率，又可具有铝的轻量化优点。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非用于限定本发明的保护范围。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、扩展等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种半导体激光器封装结构，其特征在于，所述封装结构包括至少一个半导体激光器芯片和液冷底板，各所述半导体激光器芯片设置在所述液冷底板上，所述液冷底板的侧面上设置有冷却液的进液口和出液口，所述液冷底板的内部设置有液体通道与所述进液口和所述出液口连接，所述液体通道的至少一部分设置在所述半导体激光器芯片的底部区域，且该至少一部分的通道分成多个子通道，用于提高对各所述半导体激光器芯片的冷却能力。

2.根据权利要求1所述的封装结构，其特征在于，所述液体通道分为进液通道和出液通道，所述多个子通道设置在所述出液通道上，且所述多个子通道的入液端设置有分配槽,所述多个子通道的出液端设置有汇聚槽，所述分配槽与所述进液通道连接，所述汇聚槽与所述出液口连接。

3.根据权利要求1或2所述的封装结构，其特征在于，所述多个子通道由多孔结构和/或多叶片结构形成。

4.根据权利要求3所述的封装结构，其特征在于，所述多孔结构中的各孔相互平行；和/或，所述多叶片结构中的各叶片相互平行。

5.根据权利要求1所述的封装结构，其特征在于，各所述半导体激光器芯片设置在辅助热沉上，所述辅助热沉烧结在所述液冷底板上，所述辅助热沉选用热导率不低于200W/m·K的材料，包括如下的任一种材料：氮化铝、碳化硅、石墨烯或金刚石。

6.根据权利要求1、2、4或5所述的封装结构，其特征在于，所述液冷底板由单一种金属的部分制成，或者由两个以上部分拼接组成，且各部分的金属材料不同，其中，靠近所述半导体激光器芯片的部分采用的金属的导热率大于远离所述半导体激光器芯片部分的金属的导热率。

7.根据权利要求6所述的封装结构，其特征在于，所述靠近所述半导体激光器芯片的部分采用的金属为铜，所述远离所述半导体激光器芯片的部分采用的金属为铝。

8.根据权利要求6所述的封装结构，其特征在于，所述靠近所述半导体激光器芯片的部分通过拉模、锻造或3D打印方式加工形成。

9.根据权利要求1所述的封装结构，其特征在于，所述液冷底板中的冷却介质为纯净水或相变介质。

10.根据权利要求1、2、4或5所述的封装结构，其特征在于，各所述半导体激光器芯片的出光功率不低于30W。

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