CN113948959A - 一种自冷却半导体激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种自冷却半导体激光器，克服采用现有散热结构形式的激光半导体存在的传热路径长，热阻大，体积大等问题。包括半导体激光器工作区与衬底，半导体激光器工作区生长在衬底上，衬底划分为上下叠层的第一衬底与第二衬底；第一衬底的上表面与半导体激光器工作区接触，为电流扩散流经区域；第二衬底上开设冷却流道，用于冷却半导体激光器工作区；半导体激光器工作区产生的热量经第一衬底传导至第二衬底，在第二衬底内，与冷却流道内部流动的冷媒产生热交换，缩短了热点至冷媒之间的路径，降低了热阻，达到提升整体换热效果的目的；同时无需借助外部冷却热沉，减小器件整体尺寸，便于集成化设计。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体激光器，尤其是一种自冷却半导体激光器。
背景技术
半导体激光器因其具有高电光转换效率，高可靠性，使用寿命长等优点，被广泛应用于激光通讯、激光加工等领域。但是半导体激光器在使用时，其内部会产生一定的热量，而随着时间的累积，较高的温度会影响半导体激光器的工作性能，甚至完全损坏半导体激光器。因此，散热对半导体激光器是极其重要的。
目前，一般采用外部的微通道热沉，实现半导体激光器的散热，如图1所示，芯片01通过焊料02固定在热沉03上，这种结构形式导致半导体激光器整体结构体积较大。另外，在这种结构形式中，散热路径较长，芯片热量首先经衬底热传导至焊料，再经焊料传导至热沉，热量被热沉引导至内部冷却剂，在固液交界面产生热交换，由冷却剂带走热量。较长的散热路径导致其具有较大的热阻，主要热阻＝衬底热组+衬底与焊料界面热阻+焊料热阻+焊料与热沉界面热阻+热沉热阻。
综上，可以看出，采用现有散热结构形式的激光半导体存在以下问题：
1、传热路径长，热阻大，冷却能力受限；
2、温升高，半导体芯片进一步提升功率受限；
3、冷却流量较大；
4、传热路径长，热阻大，冷却能力受限；
发明内容
为了克服采用现有散热结构形式的激光半导体存在的上述问题，本发明提供一种自冷却半导体激光器。
本发明的构思是：
本发明从减少散热路径、降低热阻，提升整体换热效果，缩小器件整体尺寸目的出发，通过在激光器衬底开设冷却流道，冷却功能完全在激光器内部实现，从而缩短了热点至冷媒之间的路径，降低了热阻，达到提升整体换热效果的目的；同时无需借助外部冷却热沉，减小器件整体尺寸，便于集成化设计。
进一步，本发明通过优化冷却流道结构，如采用底部流体流入，侧面流出的设计方式，减小流体因流动方向多次改变而引起的压力损失，避免出水口附近因流体流速突然改变，而引起出水口附近工作区温度上升的问题。
本发明的技术方案是提供一种自冷却半导体激光器，包括半导体激光器工作区与衬底，半导体激光器工作区生长在衬底上，其特殊之处在于：衬底划分为上下叠层的第一衬底与第二衬底；
第一衬底的上表面与半导体激光器工作区接触，为电流扩散流经区域；
第二衬底上开设冷却流道，用于冷却半导体激光器工作区；
半导体激光器工作区产生的热量经第一衬底传导至第二衬底，在第二衬底内，与冷却流道内部流动的冷媒产生热交换，实现冷却。
进一步地，定义，第二衬底的长度方向为x方向，宽度方向为y方向，高度方向为z方向；所述冷却流道为多个，各个冷却流道沿y方向贯穿第二衬底，多个冷却流道沿x方向排布，且各个冷却流道的冷媒入口相互连通。
进一步地，为了减小流体因流动方向多次改变而引起的压力损失，各个冷却流道的底部作为冷媒入口，各个冷却流道位于xz平面的端口作为冷媒出口。
进一步地，各个冷却流道的顶部贯穿第二衬底的顶部；第二衬底的底部开设缺口，使得各个冷却流道的冷媒入口相互连通，冷媒从冷媒入口流入各个冷却流道。
进一步地，为了对半导体激光器工作区的各个部位实现均匀冷却，各个冷却流道沿x方向的尺寸相等，相邻两个冷却流道之间的间距相等。
进一步地，各个冷却流道体积相等。
进一步地，各个冷却流道在xyz三个方向的截面均为矩形。
进一步地，第二衬底(22)的z向尺寸大于第一衬底(21)的z向尺寸。
进一步地，冷媒为水、水与有机物的混合体、有机混合体、液态气态混合体或液态金属。
本发明的有益效果是：
1、本发明实现激光器内部自冷却，散热路径短、热阻低、换热效率高；
本发明在激光器原有结构中，通过在原衬底上开设冷却通道，在不影响激光器性能的前提下，实现内部自冷却；半导体激光芯片产生的热量经第一衬底传导至第二衬底，在第二衬底内，与冷却流道内部流动的冷媒产生热交换，实现冷却。散热路径从芯片到衬底，热阻也仅仅为衬底自身热阻，相对于现有采用外部热沉进行散热的激光器，大大缩短了散热路径，减小热阻，提高了换热效率。
2、本发明降低了芯片的温升速率；
本发明通过对结构的改进，使得激光器散热热阻仅仅为衬底自身热阻，大大降低了激光器芯片的温升速率。
3、本发明减少了冷却剂流量；
本发明在激光器内部实现自冷却，冷却能力提升，达到相同温升所需冷却剂流量减少。
4、本发明体积小，便于集成化设计；
本发明通过对自身结构进行改进，实现内部自冷却，取消外部热沉，体积较小，便于集成化设计。
5、本发明通过优化冷却流道结构，采用底部流体流入，侧面流出的设计方式，减小流体因流动方向多次改变而引起的压力损失，避免出水口附近因流体流速突然改变，而引起出水口附近工作区温度上升的问题。
附图说明
图1为传统激光芯片微通道热沉冷却方式；
图中附图标记为：01-芯片，02-焊料，03-热沉；
图2为本发明实施例中自冷却半导体激光器整体示意图；
图3为图2中虚线框中结构的放大图；a、b为不同视角的视图；
图4为本实施例自冷却半导体激光器采用水为冷却介质，冷却流量为0.35L/min时温度场分布；
图5为本实施例自冷却半导体激光器冷却流量-温度曲线与现有技术中采用微通道热沉方式实现激光器冷却的冷却流量-温度曲线对比图；
图中附图标记为：1-半导体激光器芯片，2-衬底，21-第一衬底，22-第二衬底，3-冷媒入口，4-冷媒出口。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通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，都应当属于本发明的保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
再其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“顶部、底部、上、下、内和外”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。此外，术语“第一或第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
如图2所示，本实施例半导体激光器自上而下分为半导体激光器工作区1与衬底2。半导体激光器工作区1生长在衬底2上，半导体激光器工作区1即激光芯片有源区，为主功能区，材料一般为砷化镓及其复合材料，衬底2的材料与激光器芯片的材料属于同类型，为砷化镓。本实施例衬底2的厚度与现有半导体激光器衬底厚度保持一致。如图3所示，根据不同作用，可以将衬底2自上而下划分为第一衬底21和第二衬底22，其中第一衬底21为电流扩散流经区域，同时起到结构力学增强作用；第二衬底22为冷却区，主要起散热作用。半导体激光器工作区1产生的热量经第一衬底21传导至第二衬底22，在第二衬底22内，与冷却区内部流动的冷媒产生热交换，达到冷却目的。其中冷媒可以为水、水与有机物(其中有机物可以为乙醇、乙二醇等等)的混合体、有机混合体(具体可以是R410A，R502、R500等制冷剂)、液态或液态气态混合体，或液态金属(具体可以是镓、铟、锡等副族金属或其化合物)等。本实施例激光器的所有冷却过程均在激光器内部完成，无需借助外部冷却热沉，实现激光器的自冷却，减少了热点至冷媒之间的路径，降低了热阻，提升了整体换热效果；同时也降低了芯片温升速率与冷却流量，并缩小了器件整体尺寸，便于集成化设计。
结合图3中a和b，可以看出，本实施例第二衬底22上开设多个冷却流道，各个冷却流道的冷媒入口3位于其底部，相互连通，冷媒从冷媒入口3进入各冷却流道，与半导体激光芯片1产生的热量热交换后，从各冷却流道的冷媒出口4流出，冷媒出口4即为各冷却流道的侧面。本实施例冷却流道采用底部流体流入，侧面流出的设计方式，减小流体因流动方向多次改变而引起的压力损失，避免出水口附近因流体流速突然改变，而引起出水口附近工作区温度上升的问题。为了描述冷却流道的结构，定义，第二衬底22的长度方向为x方向，宽度方向为y方向，高度方向为z方向，本实施例中，各个冷却流道沿y方向贯穿第二衬底22，并且多个冷却流道沿x方向均布，各个冷却流道在xyz三个方向的截面均为矩形。第二衬底22的底部部分区域开设缺口，使得各冷却流道底部相互连通，作为冷媒入口3，冷媒从该区域流入各个冷却流道。为了实现更高效的冷却，从图3中b可以看出，各个冷却流道的顶部也是贯穿第二衬底22的顶部。为了便于理解，可以将第二衬底22的结构描述为：在第二衬底22的顶部开设向其底部延伸的多个凹槽，多个凹槽沿x方向排布，且各凹槽沿y方向贯穿第二衬底22。第二衬底22底部开设缺口，使得多个凹槽的底部相互连通，作为冷媒入口3。从图中可以看出，各个凹槽沿x方向的尺寸是一致的，当然最好可以保证各个凹槽的体积是相等的，保证对半导体激光器工作区1的各个部位的冷却效果一致。
本实施例针对某一型号激光器，第一衬底21沿z方向的尺寸为20.00μm，开设在第二衬底22上的各个凹槽即冷却流道在x方向的尺寸为30.00μm，沿z方向的尺寸为230.00μm。在其他实施例中，冷却流道的尺寸及形状可以进行适应性调整。
图4为本实施例自冷却半导体激光器采用水为冷却介质，冷却流量为0.35L/min时温度场分布，图5为本实施例自冷却半导体激光器冷却流量-温度曲线与现有技术中采用微通道热沉方式实现激光器冷却的冷却流量-温度曲线对比图；
从图中可以看出，针对2mm*10mm芯片，100W/cm2热流密度，0.35L/min流量，最高温升8.08℃，平均温升为6.88℃，最高温升比传统微通道热沉降低24.3％，平均温升比传统微通道热沉降低27％。自冷却激光器体积减小了原来50％以上。达到相同温升所需流量减小。
Claims (9)
1.一种自冷却半导体激光器，包括半导体激光器工作区(1)与衬底(2)，半导体激光器工作区(1)生长在衬底(2)上，其特征在于：衬底(2)划分为上下叠层的第一衬底(21)与第二衬底(22)；
第一衬底(21)的上表面与半导体激光器工作区(1)接触，为电流扩散流经区域；
第二衬底(22)上开设冷却流道，用于冷却半导体激光器工作区(1)；
半导体激光器工作区(1)产生的热量经第一衬底(21)传导至第二衬底(22)，在第二衬底(22)内，与冷却流道内部流动的冷媒产生热交换，实现冷却。
2.根据权利要求1所述的自冷却半导体激光器，其特征在于：定义，第二衬底(22)的长度方向为x方向，宽度方向为y方向，高度方向为z方向；所述冷却流道为多个，各个冷却流道沿y方向贯穿第二衬底(22)，多个冷却流道沿x方向排布，且各个冷却流道的冷媒入口(3)相互连通。
3.根据权利要求2所述的自冷却半导体激光器，其特征在于：各个冷却流道的底部作为冷媒入口(3)，各个冷却流道位于xz平面的端口作为冷媒出口(4)。
4.根据权利要求3所述的自冷却半导体激光器，其特征在于：各个冷却流道的顶部贯穿第二衬底(22)的顶部；第二衬底(22)的底部开设缺口，使得各个冷却流道的冷媒入口(3)相互连通，冷媒从冷媒入口流入各个冷却流道。
5.根据权利要求4所述的自冷却半导体激光器，其特征在于：各个冷却流道沿x方向的尺寸相等，相邻两个冷却流道之间的间距相等。
6.根据权利要求5所述的自冷却半导体激光器，其特征在于：各个冷却流道体积相等。
7.根据权利要求6所述的自冷却半导体激光器，其特征在于：各个冷却流道在xyz三个方向的截面均为矩形。
8.根据权利要求1-7任一所述的自冷却半导体激光器，其特征在于：第二衬底(22)的z向尺寸大于第一衬底(21)的z向尺寸。
9.根据权利要求8所述的自冷却半导体激光器，其特征在于：冷媒为水、水与有机物的混合体、有机混合体、液态气态混合体或液态金属。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20220118 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |