CN114284857B - 次级热沉与液冷热沉集成方法、集成热沉及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种次级热沉与液冷热沉集成方法，包括如下步骤：加工次级热沉，所述次级热沉的材质为铜基金刚石复合材料、银基金刚石复合材料、铝基金刚石复合材料、Cu/MoCu/Cu复合材料以及Cu/Mo/Cu复合材料中的任意一种；加工用于制作具有多层结构的液冷热沉的各层板材，各层所述板材的材质为铜或覆铜陶瓷；将所述次级热沉通过第一热压焊接与所述液冷热沉的第一层的板材连接，形成预集成结构；将所述预集成结构背向所述次级热沉的一面与所述液冷热沉的其他层的板材依次堆叠，并通过第二热压焊接连接，形成集成热沉；所述第一热压焊接的温度和压力均高于所述第二热压焊接的温度和压力。本发明能够提高集成热沉的散热性能和产品稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及芯片散热领域，特别涉及一种次级热沉与液冷热沉集成方法、集成热沉及应用。
背景技术
在激光阵列封装过程中，由于激光芯片与热沉的热膨胀系数不匹配，会导致激光芯片发生形变，使芯片上各个发光单元不在同一水平线上，偏离线性分布，从而导致发光发生弯曲，产生“Smile效应”。Smile效应会使光束整合和耦合产生不利影响，从而降低激光芯片的输出功率、转换效率和可靠性。
传统技术中，多数采用外部光学矫正和封装技术改进两种方式来减小smile效应。常见的外部光学矫正方式例如利用快轴准直镜、平凸柱面镜来进行矫正等，但这类矫正方式可能会随着芯片的应力释放导致矫正失效，因此外部光学矫正方式并不可靠。相比之下，采用封装技术改进方式来减小Smile效应更加可靠。
常见的采用封装技术改进方式主要有两种，一是采用In(铟)软焊料将芯片焊接在热沉上用于减缓应力应变的产生。但是In软焊料的抗热疲劳和抗热电迁移性能差，接头处的金属间化合物生长速度快，容易失效，降低激光器的可靠性。二是采用AuSn(金锡共晶)硬焊料进行焊接，但是芯片和液冷热沉之间需增加次级热沉来缓解芯片的应力应变，次级热沉的材料通常为热膨胀系数与激光芯片较为匹配的WCu。采用AuSn回流焊焊接次级热沉与液冷热沉的封装工艺复杂，容易对热沉的散热性能造成不良影响，产品稳定性差，且目前采用的WCu次级热沉热导率较低(160-200W/m﹒K)，降低了热沉的散热效果，有研究提出可以采用导电金属浆料等烧结工艺进行焊接，但浆料用量难以控制，难以满足激光芯片微米级的封装精度的要求。
发明内容
基于此，有必要提供一种能够提高散热性能和产品稳定性的次级热沉与液冷热沉集成方法、集成热沉及应用。
本发明提供一种次级热沉与液冷热沉集成方法，包括如下步骤：
加工次级热沉至预设尺寸，所述次级热沉的材质为铜基金刚石复合材料、银基金刚石复合材料、铝基金刚石复合材料、Cu/MoCu/Cu复合材料以及Cu/Mo/Cu复合材料中的任意一种，所述Cu/MoCu/Cu复合材料、所述Cu/Mo/Cu复合材料为由铜、钼及其合金组成的层压材料；
加工用于制作具有多层结构的液冷热沉的各层板材，使各层所述板材达到预设尺寸并形成预设的流道结构，各层所述板材的材质为铜或覆铜陶瓷；
将所述次级热沉置于所述液冷热沉的第一层的板材之上且在所述流道结构之外，将所述次级热沉通过第一热压焊接与所述液冷热沉的第一层的板材连接，形成预集成结构；
将所述预集成结构背向所述次级热沉的一面与所述液冷热沉的其他层的板材依次堆叠，并通过第二热压焊接连接，形成集成热沉；
所述第一热压焊接的温度和压力均高于所述第二热压焊接的温度和压力。
在其中一个实施例中，所述第一热压焊接的压力为25MPa～50MPa，温度为700℃～1050℃；和/或
所述第二热压焊接的压力为3MPa～20MPa，温度为400℃～950℃。
在其中一个实施例中，所述次级热沉的材质的热导率为450w/m﹒K～1000w/m﹒K，热膨胀系数为6ppm/K～10ppm/K。
在其中一个实施例中，所述次级热沉的材质为铜基金刚石复合材料、银基金刚石复合材料以及铝基金刚石复合材料中的任意一种。
在其中一个实施例中，所述次级热沉的一面还具有接触层，所述次级热沉背向所述接触层的一面与所述液冷热沉的第一层的板材连接，所述接触层、所述次级热沉以及所述液冷热沉的第一层的板材按照以下方式形成所述预集成结构：
将所述接触层与所述次级热沉的一面、以及所述次级热沉背向所述接触层的一面与所述液冷热沉的第一层的板材通过第一热压焊接同时连接，或
先将所述接触层与所述次级热沉的一面通过电镀、化学镀或PVD镀的方式连接，然后再将所述次级热沉背向所述接触层的一面与所述液冷热沉的第一层的板材通过第一热压焊接连接。
在其中一个实施例中，所述接触层的材质为铜、银以及铝中的一种或多种。
在其中一个实施例中，所述接触层的厚度与所述次级热沉的厚度之比为(0.01～0.1)mm：(0.2～0.4)mm。
在其中一个实施例中，
所述次级热沉的宽度为(1～3)mm，长度为(5～15)mm，厚度为(0.2～0.4)mm；和/或
所述液冷热沉的宽度为(5～15)mm，长度为(10～30)mm，总厚度为(1-1.5)mm。
本发明还提供一种集成热沉，包括次级热沉和液冷热沉，所述集成热沉通过上述任一实施例中所述的次级热沉与液冷热沉集成方法制作得到。
本发明还提供一种激光器，包括如上述任一实施例中所述的集成热沉，激光器的芯片设置于所述次级热沉背向所述液冷热沉的一面。
上述的次级热沉与液冷热沉集成方法选用特定的材质作为次级热沉和液冷热沉的材料，次级热沉与液冷热沉的材料相适配，能够形成稳固连接，有利于提高产品稳定性，且次级热沉的热导率和热膨胀系数可根据工艺需求在一定范围内自由调整，与液冷热沉以及与激光器芯片的适配性更好，能够明显提高集成热沉的散热性能。
且次级热沉通过将次级热沉与液冷热沉的第一层的板材先在较高的温度和压力下通过第一热压焊接连接，再与液冷热沉的其它层板材在较低的温度和压力下通过第二热压焊接连接的方式，形成的集成热沉可以直接与激光器芯片连接。上述方法改变了传统技术中将次级热沉和液冷热沉作为两个分开的部件，需要同时进行次级热沉和成型的液冷热沉连接、激光器芯片与次级热沉连接的多结构连接工艺，降低了芯片封装的难度。进一步地，该方法还能够有效避免热压焊接时施加的温度和压力过高对液冷热沉的流道结构造成破坏。
上述的次级热沉与液冷热沉集成方法选用特定的材质作为次级热沉和液冷热沉的材料，通过热压焊接的方式形成集成热沉，无需使用传统的AuSn回流焊技术来连接次级热沉与液冷热沉，无需预置焊料，克服了传统技术中使用AuSn回流焊后次级热沉产生的应变，上述方法形成的集成热沉的平面精度高于AuSn回流焊的形成的集成热沉的平面精度，更有利于减小芯片Smile效应。
附图说明
图1为一实施方式的集成热沉的结构示意图。
图2为图1的次级热沉的结构示意图。
图3为图1的液冷热沉的结构示意图。
图4为图1的预集成结构的结构示意图。
附图标记说明如下：
10：集成热沉；110：次级热沉；120：液冷热沉；121：板材；122：流道结构。
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，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。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。但是本发明能够以很多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改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
需要说明的是，当元件被称为“设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。
此外，术语“第一”、“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或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多层”的含义是至少两层，例如两层，三层等，除非另有明确具体的限定。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
本发明一实施方式提供一种次级热沉110与液冷热沉120集成方法，包括如下步骤S11～步骤S14。
步骤S11：加工次级热沉110至预设尺寸，次级热沉110的材质为铜基金刚石复合材料、银基金刚石复合材料、铝基金刚石复合材料、Cu/MoCu/Cu复合材料以及Cu/Mo/Cu复合材料中的任意一种。
可以理解地，Cu/MoCu/Cu复合材料、Cu/Mo/Cu复合材料是由铜、钼及其合金组成的层压材料。进一步地，层压材料的层数至少为三层，例如可以是三层、四层、五层，甚至更多。
在一个具体的示例中，次级热沉110的(1～3)mm，长度为(5～15)mm，厚度为(0.2～0.4)mm。
可选地，次级热沉110可以但不限于通过激光切割形成。进一步地，还可以对次级热沉110进行减薄、抛光。
上述次级热沉110的材质的热导率高且热膨胀系数低，进一步地，次级热沉110的材质的热导率为450w/m﹒K～1000w/m﹒K，热膨胀系数为6ppm/K～10ppm/K。热导率高的次级热沉110具有良好的散热性能，热膨胀系数低的次级热沉110具有良好的热稳定性，有利于克服Smile效应。
再进一步地，次级热沉110的材质可以但不限于是铜基金刚石复合材料、银基金刚石复合材料以及铝基金刚石复合材料中的任意一种。金刚石材料的导热率高达2000w/m﹒K，热膨胀系数小于2ppm/K，铜、银、铝等金属具有优良的导电能力和高热导率，二者形成的复合材料具有低电阻、低热膨胀系数、超高热导率以及热膨胀系数可调等优点。
再进一步地，次级热沉110的材质为铜基金刚石复合材料。铜基金刚石复合材料与主流的激光器芯片的材质具有良好的适配性，可以有效减小芯片Smlie效应。
步骤S12：加工用于制作具有多层结构的液冷热沉120的各层板材121，使各层板材121达到预设尺寸并形成预设的流道结构122，各层板材121的材质为铜或覆铜陶瓷。
可以理解地，液冷热沉120可以是水冷热沉，也可以是通过其他液体进行散热的热沉。
液冷热沉120的板材121上的流道结构122可以但不限于通过刻蚀、切割等方式加工形成。
在一个具体的示例中，液冷热沉120的宽度为(5～15)mm，长度为(10～30)mm，总厚度为(1～1.5)mm。
可以理解地，当液冷热沉120由多层板材121组成时，各层板材121的厚度可以是相同的，也可以是不相同的，各层板材121的厚度之和构成液冷热沉120的总厚度，各层板材121的厚度之和为(1～1.5)mm。
可以理解地，步骤S110和步骤S120可以先后调换，只要能够实现对次级热沉110以及液冷热沉120的各层板材121分别加工至预设形状和尺寸即可。
步骤S13：将次级热沉110置于液冷热沉120的第一层的板材121之上且在流道结构122之外，将次级热沉110通过第一热压焊接与液冷热沉120的第一层的板材121连接，形成预集成结构；
将次级热沉110设于液冷热沉120的流道结构122之外，避免对液冷热沉120的散热效果产生不良影响。同时，采用热压焊接，无需采用传统的AuSn焊接工艺，避免了AuSn焊接带来的不利影响。
在一个具体的示例中，第一热压焊接的压力为25MPa～50MPa，温度为700℃～1050℃。在此条件下，次级热沉110和液冷热沉120的第一层的板材121能够形成稳固连接。进一步地，第一热压焊接的压力为35MPa～45MPa，温度为800℃～900℃。
在一个具体的示例中，当次级热沉110的材质为铜基金刚石复合材料、银基金刚石复合材料以及铝基金刚石复合材料中的任意一种时，次级热沉110的一面还具有接触层，次级热沉110背向接触层的一面与液冷热沉120的第一层的板材121连接，接触层、次级热沉110以及液冷热沉120的第一层的板材121按照以下方式形成预集成结构：
将接触层与次级热沉110的一面、以及次级热沉110背向接触层的一面与液冷热沉120的第一层的板材121通过第一热压焊接同时连接，或
先将接触层与次级热沉110的一面通过电镀、化学镀或PVD镀的方式连接，然后再将次级热沉110背向接触层的一面与液冷热沉120的第一层的板材121通过第一热压焊接连接。
通过在次级热沉110背离液冷热沉120的第一层的板材121的一面形成一层接触层，降低了次级热沉110与芯片连接的一面的表面粗糙性，次级热沉110与芯片焊接时更容易被焊料润湿，提高了次级热沉110的可加工性，可保证次级热沉110与芯片进行可靠性连接，提高芯片长期工作的稳定性。
进一步地，接触层的材质为铜、银以及铝中的一种或多种。
进一步地，接触层的厚度与次级热沉110的厚度之比为(0.01～0.1)mm：(0.2～0.4)mm。
步骤14：将预集成结构背向次级热沉110的一面与液冷热沉120的其他层的板材121依次堆叠，并通过第二热压焊接连接，形成集成热沉10。
步骤S13～步骤S14中，第一热压焊接的温度和压力均高于第二热压焊接的温度和压力。
在一个具体的示例中，第二热压焊接的压力为3MPa～20MPa，温度为400℃～950℃。进一步地，第二热压焊接的压力为8MPa～15MPa，温度为600℃～800℃。
采用分两步进行热压焊接的方式，能够避免为了将次级热沉110与液冷热沉120形成稳固连接，对液冷热沉120的各层板材121施加过大的压力和温度，使液冷热沉120的流道结构122发生变形，从而影响散热效果和产品稳定性。
可以理解地，在上述步骤S11～S14之后还可以对制备得到的集成热沉10的表面进行进一步精密加工，根据工艺需求形成具有一定精度和形状的集成热沉10成品。进一步地，还可以在集成热沉10的表面形成镀层，例如镀镍金层等。
本发明一实施例还提供一种集成热沉10，包括次级热沉110和液冷热沉120，集成热沉10通过上述任一示例中的次级热沉110与液冷热沉120集成方法制作得到。
本发明一实施例还提供一种激光器，包括上述的集成热沉10，激光器的芯片设置于次级热沉110背向液冷热沉120的一面。
上述的次级热沉110与液冷热沉120集成方法选用特定的材质作为次级热沉110和液冷热沉120的材质，次级热沉110与液冷热沉120的材质相适配，能够形成稳固连接，有利于提高产品稳定性，且次级热沉110的热导率和热膨胀系数可根据工艺需求在一定范围内自由调整，与液冷热沉120以及与激光器芯片的适配性更好，能够明显提高集成热沉10的散热性能。
上述的次级热沉110与液冷热沉120集成方法通过将次级热沉110与液冷热沉120的第一层的板材121先在较高的温度和压力下通过热压焊接连接，再与液冷热沉120的其它层的板材121在较低的温度和压力下通过热压焊接连接的方式，将次级热沉110和液冷热沉120集合成一个集成热沉10可以直接与激光器芯片连接，改变了传统技术中将次级热沉110和液冷热沉120作为两个分开的部件，需要同时进行次级热沉110和成型的液冷热沉120连接、激光器芯片与次级热沉连接的多结构连接工艺，降低了芯片封装的难度。
进一步地，上述的次级热沉110与液冷热沉120集成方法是在液冷热沉120未成型时就先将次级热沉110与液冷热沉120的第一层的板材121焊接在一起，能够有效避免次级热沉110与成型的液冷热沉120热压焊接时由于施加的温度和压力过高对液冷热沉120的各层板材121内部的流道结构122造成破坏。
进一步地，传统的液冷热沉120焊接成型后需对形状尺寸进行进一步精密加工，若将次级热沉110与成型的液冷热沉120焊接，可能会发生定位不准的情况，此时需要再进行进一步精密加工修正，制作成本高，且两次精密加工二次定位困难，难以准确找到基准位置。上述的次级热沉110与液冷热沉120集成方法，先将次级热沉110与液冷热沉120的第一层的板材121焊接，由于只有液冷热沉120的第一层的板材121，较容易定位，且若需要修正，加工制作成本也远低于传统方法。
上述的次级热沉110与液冷热沉120集成方法通过热压焊接的方式形成集成热沉10，无需使用传统的AuSn回流焊技术来连接次级热沉和液冷热沉，无需预置焊料，克服了传统技术中使用AuSn回流焊后次级热沉110产生的应变，上述方法形成的集成热沉10平面精度高于AuSn回流焊的形成的集成热沉10的平面精度，更有利于减小芯片Smile效应。
以下结合具体的实施例对本发明的次级热沉110与液冷热沉120集成方法、集成热沉10及应用做进一步详细的说明。具体实施例以次级热沉110与五层折返式液冷热沉120集成为例，可理解地，本发明的次级热沉110与液冷热沉120集成方法不限于制造下述集成热沉10。
实施例1：
次级热沉110与五层折返式液冷热沉120集成方法包括如下步骤：
(1)加工次级热沉110：选用Cu/MoCu/Cu复合材料作为次级热沉110的材质，通过激光切割将Cu/MoCu/Cu复合材料切割为宽度为2mm，长度为10mm的薄片，并进一步减薄、抛光至厚度为0.3mm的薄片，形成次级热沉110。
(2)加工液冷热沉120的各层板材121：选用铜作为液冷热沉120的各层板材121的材质，通过激光切割将铜切割成每层的宽度为10mm，长度为20mm，厚度为0.3mm的板材121，共5层，通过刻蚀的方法在每层的板材121上加工出流道结构122。
(3)形成预集成结构：将步骤(1)形成的次级热沉110置于步骤(2)形成的液冷热沉120的第一层的板材121之上且在该板材121的流道结构122之外，对次级热沉110和液冷热沉120的第一层的板材121进行热压焊接，热压焊接的压力为35MPa，温度为800℃，保温时间为30min，形成预集成结构。
(4)形成集成热沉10：将预集成结构背向次级热沉110的一面与液冷热沉120的其他四层的板材121依次堆叠，并通过热压焊接连接，热压焊接的压力为15MPa，温度为700℃，保温时间为30min，形成集成热沉10，并对集成热沉10进一步精密加工。
(5)芯片封装：在集成热沉10中的次级热沉110背向液冷热沉120的一面预置Au80Sn20焊料，将10mm×2mm×0.1mm包含25个发光单元的LDA芯片装配到预置了Au80Sn20焊料的次级热沉110上，将装配好的芯片和集成热沉10放置于真空回流焊炉中加热焊接，升温速率为10℃/s，升温至320℃，保温10s，采用N2保护和风冷冷却，然后在芯片的N面电极上键合数百根金带。
实施例2：
次级热沉110与五层折返式液冷热沉120集成方法包括如下步骤：
(1)加工次级热沉110：选用铜基金刚石复合材料作为次级热沉110的材质，通过激光切割将铜基金刚石复合材料切割为宽度为2mm，长度为10mm的薄片，并进一步减薄、抛光至厚度为0.3mm的薄片，形成次级热沉110。
(2)加工液冷热沉120的各层板材121：选用铜作为液冷热沉120的各层板材121的材质，通过激光切割将铜切割成每层的宽度为10mm，长度为20mm，厚度为0.3mm的板材121，共5层，通过刻蚀的方法在每层的板材121上加工出流道结构122。
(3)形成预集成结构：选用宽度为2mm，长度为10mm，厚度为0.05mm的铜片作为接触层，将接触层与步骤(1)形成的次级热沉110的一面、以及步骤(1)形成的次级热沉110背向接触层的一面与步骤(2)形成的液冷热沉120的第一层的板材121通过热压焊接同时连接，其中，次级热沉110在液冷热沉120的第一层的板材121的流道结构122之外，热压焊接的压力为35MPa，温度为800℃，保温时间为30min，形成预集成结构。
(4)形成集成热沉10：将预集成结构背向次级热沉110的一面与液冷热沉120的其他四层的板材121依次堆叠，并通过热压焊接连接，热压焊接的压力为15MPa，温度为700℃，保温时间为30min，形成集成热沉10，并对集成热沉10进一步精密加工。
(5)芯片封装：在集成热沉10中的次级热沉110背向液冷热沉120的一面预置Au80Sn20焊料，将10mm×2mm×0.1mm包含25个发光单元的LDA芯片装配到预置了Au80Sn20焊料的次级热沉110上，将装配好的芯片和集成热沉10放置于真空回流焊炉中加热焊接，升温速率为10℃/s，升温至320℃，保温10s，采用N2保护和风冷冷却，然后在芯片的N面电极上键合数百根金带。
实施例3：
次级热沉110与五层折返式液冷热沉120集成方法包括如下步骤：
(1)加工次级热沉110：选用铜基金刚石复合材料作为次级热沉110的材质，通过激光切割将铜基金刚石复合材料切割为宽度为2mm，长度为10mm的薄片，并进一步减薄、抛光至厚度为0.3mm的薄片，形成次级热沉110。
(2)加工水冷热沉120的各层板材：选用铜作为液冷热沉120的各层板材121的材质，通过激光切割将铜切割成每层的宽度为10mm，长度为20mm，厚度为0.3mm的板材121，共5层，通过刻蚀的方法在每层的板材121上加工出流道结构122。
(3)形成预集成结构：通过化学镀铜的方式在步骤(1)形成的次级热沉110的一面形成一层宽度为2mm，长度为10mm，厚度为0.05mm的接触层，然后再将次级热沉110背向接触层的一面与步骤(2)形成的液冷热沉120的第一层的板材121通过热压焊接连接，其中，次级热沉110在液冷热沉120的第一层的板材121的流道结构122之外，热压焊接的压力为35MPa，温度为800℃，保温时间为30min，形成预集成结构。
(4)形成集成热沉10：将预集成结构背向次级热沉110的一面与液冷热沉120的其他四层的板材121依次堆叠，并通过热压焊接连接，热压焊接的压力为15MPa，温度为700℃，保温时间为30min，形成集成热沉10，并对集成热沉10进一步精密加工。
(5)芯片封装：在集成热沉10中的次级热沉110背向液冷热沉120的一面预置Au80Sn20焊料，将10mm×2mm×0.1mm包含25个发光单元的LDA芯片装配到预置了Au80Sn20焊料的次级热沉110上，将装配好的芯片和集成热沉10放置于真空回流焊炉中加热焊接，升温速率为10℃/s，升温至320℃，保温10s，采用N2保护和风冷冷却，然后在芯片的N面电极上键合数百根金带。
对比例1：
次级热沉110与五层折返式液冷热沉120集成方法包括如下步骤：
(1)加工次级热沉110：选用WCu材料作为次级热沉110的材质，通过激光切割将WCu材料切割为宽度为2mm，长度为10mm的薄片，并进一步减薄、抛光至厚度为0.3mm的薄片，形成次级热沉110。
(2)加工水冷热沉120的各层板材：选用铜作为液冷热沉120的各层板材121的材质，通过激光切割将铜切割成每层的宽度为10mm，长度为20mm，厚度为0.3mm的板材121，共5层，通过刻蚀的方法在每层的板材121上加工出流道结构122。
(3)形成预集成结构：通过化学镀铜的方式在步骤(1)形成的次级热沉110的一面形成一层宽度为2mm，长度为10mm，厚度为0.05mm的接触层，然后再将次级热沉110背向接触层的一面与步骤(2)形成的液冷热沉120的第一层的板材121通过热压焊接连接，其中，次级热沉110在液冷热沉120的第一层的板材121的流道结构122之外，热压焊接的压力为35MPa，温度为800℃，保温时间为30min，形成预集成结构。
(4)形成集成热沉10：将预集成结构背向次级热沉110的一面与液冷热沉120的其他四层的板材121依次堆叠，并通过热压焊接连接，热压焊接的压力为15MPa，温度为700℃，保温时间为30min，形成集成热沉10，并对集成热沉10进一步精密加工。
(5)芯片封装：在集成热沉10中的次级热沉110背向液冷热沉120的一面预置Au80Sn20焊料，将10mm×2mm×0.1mm包含25个发光单元的LDA芯片装配到预置了Au80Sn20焊料的次级热沉110上，将装配好的芯片和集成热沉10放置于真空回流焊炉中加热焊接，升温速率为10℃/s，升温至320℃，保温10s，采用N2保护和风冷冷却，然后在芯片的N面电极上键合数百根金带。
对比例2：
次级热沉110与五层折返式液冷热沉120集成方法包括如下步骤：
(1)加工次级热沉110：选用铜基金刚石复合材料作为次级热沉110的材质，通过激光切割将铜基金刚石复合材料切割为宽度为2mm，长度为10mm的薄片，并进一步减薄、抛光至厚度为0.3mm的薄片，形成次级热沉110。
(2)加工水冷热沉120的各层板材：选用铜作为液冷热沉120的各层板材121的材质，通过激光切割将铜切割成每层的宽度为10mm，长度为20mm，厚度为0.3mm的板材121，共5层，通过刻蚀的方法在每层的板材121上加工出流道结构122。
(3)形成集成热沉10：通过化学镀铜的方式在步骤(1)形成的次级热沉110的一面形成一层宽度为2mm，长度为10mm，厚度为0.05mm的接触层，然后再将次级热沉110背向接触层的一面与步骤(2)形成的液冷热沉120的各层板材121依次堆叠，通过热压焊接连接，其中，次级热沉110在液冷热沉120的第一层的板材121的流道结构122之外，热压焊接的压力为35MPa，温度为800℃，保温时间为30min，形成集成热沉10，并对集成热沉10进一步精密加工。
(4)芯片封装：在集成热沉10中的次级热沉110背向液冷热沉120的一面预置Au80Sn20焊料，将10mm×2mm×0.1mm包含25个发光单元的LDA芯片装配到预置了Au80Sn20焊料的次级热沉110上，将装配好的芯片和集成热沉10放置于真空回流焊炉中加热焊接，升温速率为10℃/s，升温至320℃，保温10s，采用N2保护和风冷冷却，然后在芯片的N面电极上键合数百根金带。
对比例3：
次级热沉110与五层折返式液冷热沉120集成方法包括如下步骤：
(1)加工次级热沉110：选用Cu/MoCu/Cu复合材料作为次级热沉110的材质，通过激光切割将Cu/MoCu/Cu复合材料切割为宽度为2mm，长度为10mm的薄片，并进一步减薄、抛光至厚度为0.3mm的薄片，形成次级热沉110，并对次级热沉进一步精密加工。
(2)加工液冷热沉120：选用铜作为液冷热沉120的各层板材121的材质，通过激光切割将铜切割成每层的宽度为10mm，长度为20mm，厚度为0.3mm的板材121，共5层，通过刻蚀的方法在每层的板材121上加工出流道结构122，将5层板材121依次堆叠，通过热压焊接连接，热压焊接的压力为15MPa，温度为700℃，保温时间为30min，形成液冷热沉120，并对液冷热沉120进一步精密加工。
(3)芯片封装：将次级热沉110装配于液冷热沉120之上，且位于液冷热沉120的流道结构之外，将10mm×2mm×0.1mm包含25个发光单元的LDA芯片装配于次级热沉110之上，且背向液冷热沉120一侧，分别在次级热沉110与液冷热沉120、LDA芯片的接触面预置Au80Sn20焊料，将装配好的芯片、次级热沉110和液冷热沉120放置于真空回流焊炉中加热焊接，升温速率为10℃/s，升温至320℃，保温10s，采用N2保护和风冷冷却，然后在芯片的N面电极上键合数百根金带。
将实施例1～实施例3、对比例1～对比例3进行芯片贴装区平面度、激光芯片Smile值、激光芯片发光波长的温度漂移性能测试，测试结果如下表1。
其中，芯片贴装区平面度的测试方法为：利用具有三维扫描功能的显微镜，例如激光共聚焦显微镜，对集成热沉进行3D形貌扫描，测量集成热沉中次级热沉背向液冷热沉的一面，即芯片贴装区的平面度。
激光芯片smile值的测试方法为：激光器发射的光束首先通过准直系统进行快慢轴准直,通过分光镜，部分光束通过半透半反镜和衰减镜传输到CCD相机,通过计算机相关软件进行数字化并成像。激光芯片的Smile的计算公式为Smile值＝(B/A-1)μm，其中A为激光器阵列的发光单元在快轴方向的宽度,B为激光器巴条的最高发光点的上端和最低发光点的下端间的距离,A和B的值可以直接从CCD成像测量得到。
激光芯片发光波长温度漂移的测试方法为：测量激光发出的中心波长，与标准波长的差值即为波长的温度漂移。
表1
| 平面度(μm) | smile值(μm) | 温度漂移(nm) | |
| 实施例1 | <2 | 0.89 | 5.6 |
| 实施例2 | <2 | 0.45 | 4.3 |
| 实施例3 | <2 | 0.53 | 2.7 |
| 对比例1 | N/A | N/A | N/A |
| 对比例2 | 4.3 | 3.4 | 芯片烧毁 |
| 对比例3 | <2 | 1.23 | 6.7 |
由表1可见，对实施例1～实施例3制作得到的集成热沉的芯片贴装区平面度精度高，集成热沉进一步与激光芯片封装后，激光芯片的Smile值低，温度漂移少。
对比例1由WCu作为次级热沉的材质与液冷热沉热压焊接，焊接过程中出现分层开裂，无法对集成热沉进行进一步加工。
对比例2中的次级热沉与液冷热沉的各层板材同时热压焊接形成集成热沉，液冷热沉的流道结构变形严重，芯片贴装区平面度精度较差，集成热沉的散热性能差，芯片结温高导致芯片烧毁，Smile值较高。
对比例3中采用AuSn回流焊的方法，同时将已成型的液冷热沉、次级热沉和激光芯片进行焊接，液冷热沉、次级热沉以及激光芯片之间难以对准，对比例3的smile值比实施例1～实施例3更大，芯片的散热效果降低，温度漂移更大。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准，说明书及附图可以用于解释权利要求的内容。
Claims (10)
1.一种次级热沉与液冷热沉集成方法，其特征在于，包括如下步骤：
加工次级热沉至预设尺寸，所述次级热沉的材质为铜基金刚石复合材料、银基金刚石复合材料、铝基金刚石复合材料、Cu/MoCu/Cu复合材料以及Cu/Mo/Cu复合材料中的任意一种，所述Cu/MoCu/Cu复合材料、所述Cu/Mo/Cu复合材料为由铜、钼及其合金组成的层压材料；
加工用于制作具有多层结构的液冷热沉的各层板材，使各层所述板材达到预设尺寸并形成预设的流道结构，各层所述板材的材质为铜或覆铜陶瓷；
将所述次级热沉置于所述液冷热沉的第一层的板材之上且在所述流道结构之外，将所述次级热沉通过第一热压焊接与所述液冷热沉的第一层的板材连接，形成预集成结构；
将所述预集成结构背向所述次级热沉的一面与所述液冷热沉的其他层的板材依次堆叠，并通过第二热压焊接连接，形成集成热沉；
所述第一热压焊接的温度和压力均高于所述第二热压焊接的温度和压力。
2.根据权利要求1所述的次级热沉与液冷热沉集成方法，其特征在于，所述第一热压焊接的压力为25MPa～50MPa，温度为700℃～1050℃；和/或
所述第二热压焊接的压力为3MPa～20MPa，温度为400℃～950℃。
3.根据权利要求1所述的次级热沉与液冷热沉集成方法，其特征在于，所述次级热沉的材质的热导率为450w/m﹒K～1000w/m﹒K，热膨胀系数为6ppm/K～10ppm/K。
4.根据权利要求1所述的次级热沉与液冷热沉集成方法，其特征在于，所述次级热沉的材质为铜基金刚石复合材料、银基金刚石复合材料以及铝基金刚石复合材料中的任意一种。
5.根据权利要求4所述的次级热沉与液冷热沉集成方法，其特征在于，所述次级热沉的一面还具有接触层，所述次级热沉背向所述接触层的一面与所述液冷热沉的第一层的板材连接，所述接触层、所述次级热沉以及所述液冷热沉的第一层的板材按照以下方式形成所述预集成结构：
将所述接触层与所述次级热沉的一面、以及所述次级热沉背向所述接触层的一面与所述液冷热沉的第一层的板材通过第一热压焊接同时连接，或
先将所述接触层与所述次级热沉的一面通过电镀、化学镀或PVD镀的方式连接，然后再将所述次级热沉背向所述接触层的一面与所述液冷热沉的第一层的板材通过第一热压焊接连接。
6.根据权利要求5所述的次级热沉与液冷热沉集成方法，其特征在于，所述接触层的材质为铜、银以及铝中的一种或多种。
7.根据权利要求5所述的次级热沉与液冷热沉集成方法，其特征在于，所述接触层的厚度与所述次级热沉的厚度之比为(0.01～0.1)mm：(0.2～0.4)mm。
8.根据权利要求1～7任一项所述的次级热沉与液冷热沉集成方法，其特征在于，所述次级热沉的宽度为(1～3)mm，长度为(5～15)mm，厚度为(0.2～0.4)mm；和/或
所述液冷热沉的宽度为(5～15)mm，长度为(10～30)mm，总厚度为(1-1.5)mm。
9.一种集成热沉，其特征在于，包括次级热沉和液冷热沉，所述集成热沉通过权利要求1～8任一项所述的次级热沉与液冷热沉集成方法制作得到。
10.一种激光器，其特征在于，包括如权利要求9所述的集成热沉，激光器的芯片设置于所述次级热沉背向所述液冷热沉的一面。
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