CN114300931A - 激光芯片的散热装置 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供了一种激光芯片的散热装置，其中，该装置包括：散热结构和冷却液管道，其中，冷却液管道的外表面与散热结构的表面接触；散热结构用于通过热沉对散热装置中部署的激光芯片进行散热；冷却液管道用于通过冷却液对散热结构进行散热。通过本发明，解决了激光芯片的散热率较低的问题，进而达到了提高激光芯片的散热率的效果。
Description
技术领域
本发明实施例涉及散热领域，具体而言，涉及一种激光芯片的散热装置。
背景技术
近年来，随着激光器的功率不断提高，单模块封装激光芯片数量以及激光芯片功率也是水涨船高。在当前主流的空间合束的激光器耦合条件下，激光芯片的数量提升，代表着结构件的厚度越来越厚，后层激光芯片距离散热面也越来越远，增大了结构件散热热阻，热阻越多激光芯片产生的热量传递到散热面的效率越低，对于产生的热量不能很好的传递出去会对激光芯片产生不利影响，并且激光芯片功率越高，激光芯片产生的热量也就更高，为了保证激光芯片正常安全的工作，对激光芯片的散热能力要求越来越高。
针对相关技术中存在的激光芯片的散热率低的问题，目前尚未提出有效的方案。
发明内容
本发明实施例提供了一种激光芯片的散热装置，以至少解决相关技术中激光芯片的散热率低的问题。
根据本发明的一个实施例，提供了一种激光芯片的散热装置，包括：散热结构和冷却液管道，其中，所述冷却液管道的外表面与所述散热结构的表面接触；所述散热结构用于通过热沉对所述散热装置中部署的激光芯片进行散热；所述冷却液管道用于通过冷却液对所述散热结构进行散热。
在一个示例性实施例中，所述散热结构上与所述激光芯片连接的部分的膨胀系数与所述激光芯片的膨胀系数匹配。
在一个示例性实施例中，所述散热结构包括：第一热沉和第二热沉，其中，所述第一热沉与所述第二热沉连接，所述冷却液管道的外表面与所述第二热沉的表面接触，所述第一热沉用于对所述激光芯片进行散热；所述第二热沉用于将所述第一热沉传输的热量传递给所述冷却液管道。
在一个示例性实施例中，所述第二热沉为导热性高于目标导热性的热沉，其中，所述目标导热性是根据所述激光芯片产生的热量确定的。
在一个示例性实施例中，所述第一热沉与所述第二热沉通过界面材料连接。
在一个示例性实施例中，所述装置还包括：装置外壳，其中，所述散热结构和所述冷却液管道位于所述装置外壳的内部；在所述装置外壳上设置有所述冷却液管道的冷却液入口和冷却液出口。
在一个示例性实施例中，所述装置外壳的底部与所述散热结构采用焊接的方式连接；所述装置外壳的底部采用密度低于目标密度的材料，其中，所述目标密度是根据所述散热装置的质量确定的。
在一个示例性实施例中，所述装置外壳的内部还设置了镜片底座，其中，所述镜片底座用于安装激光镜片。
在一个示例性实施例中，所述激光镜片通过目标材料焊接在所述镜片底座上。
在一个示例性实施例中，所述镜片底座包括多个镜片槽，其中，所述多个镜片槽用于安装多个激光镜片。
通过本发明，散热结构和冷却液管道，其中，冷却液管道的外表面与散热结构的表面接触；散热结构用于通过热沉对散热装置中部署的激光芯片进行散热；冷却液管道用于通过冷却液对散热结构进行散热。由于激光芯片直接部署在散热装置中，通过散热结构中的热沉对激光芯片进行散热，冷却液管道的外表面与散热结构的表面接触，也就是冷却液管道表面与热沉表面接触，而散热结构主要就是用热沉对激光芯片进行散热，直接将散热结构中的热量传递到冷却液管道中，再通过冷却液管道中的冷却液带走热量，也就是用热沉对激光芯片进行散热，冷却液通过冷却液管道与散热结构外表面接触，从而带走激光芯片产生的热量，提高了激光芯片的散热率。因此，可以解决激光芯片的散热率低问题，达到提高激光芯片的散热率效果。
附图说明
图1是根据本发明实施例的激光芯片的散热装置的结构框图；
图2是根据本发明实施例的激光芯片的散热装置的热沉的结构示意图；
图3是根据本发明实施例的激光芯片的散热装置的镜片底座的示意图；
图4是根据本发明实施例的激光芯片的散热装置的结构图；
图5是根据本发明实施例的冷却液管道与热沉表面接触的示意图；
图6是根据本发明实施例的冷却液管道结构图；
图7是根据本发明实施例的激光芯片的散热装置的热传递示意图；
图8是根据本发明实施例的激光芯片的散热装置的热传递的结构图。
具体实施方式
下文中将参考附图并结合实施例来详细说明本发明的实施例。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
本实施例中提供了一种激光芯片的散热装置，该装置用于实现上述实施例及优选实施方式，已经进行过说明的不再赘述。如以下所使用的，术语“模块”可以实现预定功能的软件和/或硬件的组合。尽管以下实施例所描述的装置较佳地以软件来实现，但是硬件，或者软件和硬件的组合的实现也是可能并被构想的。
图1是根据本发明实施例的激光芯片的散热装置的结构框图，如图1所示，该装置包括散热结构和冷却液管道，其中，所述冷却液管道(18)的外表面与所述散热结构(14)的表面接触；所述散热结构用于通过热沉对所述散热装置中部署的激光芯片(12)进行散热；所述冷却液管道用于通过冷却液(16)对所述散热结构进行散热。
可选地，在本实施例中，上述冷却液管道表面可以但不限于与散热结构的热沉表面接触，通过热沉对激光芯片进行散热，再通过散热管道中的冷却液直接给热沉进行散热，减少激光芯片中的热量传递到冷却液中经过的导热热阻层级。
通过本装置，由于激光芯片直接部署在散热装置中，通过散热结构中的热沉对激光芯片进行散热，冷却液管道的外表面与散热结构的表面接触，也就是冷却液管道表面与热沉表面接触，而散热结构主要就是用热沉对激光芯片进行散热，直接将散热结构中的热量传递到冷却液管道中，再通过冷却液管道中的冷却液带走热量，也就是用热沉对激光芯片进行散热，冷却液通过冷却液管道与散热结构外表面接触，从而带走激光芯片产生的热量，提高了激光芯片的散热率。因此，可以解决激光芯片的散热率低问题，达到提高激光芯片的散热率效果。
可选地，在本实施例中，上述热沉的形状可以但不限于是锯齿状，图2是根据本发明实施例的激光芯片的散热装置的热沉的结构示意图，如图2所示，热沉的下面接触冷却液的部分为锯齿状，冷却液通过与锯齿状部分接触，增大了热沉与冷却液的接触面积，从而可以提高热沉的散热率，散热率越高也就代表散热的能力越强。
在一个示例性实施例中，散热结构上与激光芯片连接的部分的膨胀系数与激光芯片的膨胀系数匹配。
可选地，在本实施例中，上述散热结构上与激光芯片连接的部分可以但不限于是热沉，由于世界上的每一种材料都会随着温度的变化而膨胀或者收缩，大多数的材料都是受热后有一个幅度的膨胀，每种材料的热膨胀系数也不一致，如果热膨胀系数相差较大的两种材料制成的两个部件连接在一起，当遇到温度变化的时候，两种材料由于热膨胀系数相差太大，可能会让两个部件分离，或者损坏部件等等，所以如果与激光芯片连接的部分的膨胀系数与激光芯片的膨胀系数不匹配就会造成激光芯片的损坏，或者激光芯片与连接部分分离。
可选地，在本实施例中，散热结构上与激光芯片连接的部分的膨胀系数与激光芯片的膨胀系数匹配，当激光芯片产生热量的时候，激光芯片不会因为连接部分的膨胀而损坏，有利于防止激光芯片不会被损坏，提高了激光芯片的使用寿命，同时也提高激光器的出光稳定性和可靠性。
在一个示例性实施例中，散热结构可以但不限于包括：第一热沉和第二热沉，其中，所述第一热沉与所述第二热沉连接，所述冷却液管道的外表面与所述第二热沉的表面接触，所述第一热沉用于对所述激光芯片进行散热；所述第二热沉用于将所述第一热沉传输的热量传递给所述冷却液管道。
可选地，在本实施例中，散热结构中可以但不限于用第一热沉和第二热沉对激光芯片进行散热，第一热沉用来对激光芯片进行导热，由于第一热沉与激光芯片连接，所以第一热沉的材料的要求也较高，第一热沉可以但不限于是陶瓷热沉、氮化铝热沉、碳化硅热沉、金刚石热沉等等。
可选地，在本实施例中，上述第二热沉可以但不限于是将第一热沉传输的热量传递给冷却液管道，也就是说冷却液管道中的冷却液直接对第二热沉进行散热，将第二热沉中的热量带走，第二热沉的材料可以但不限于是热导率比较高的材料，比如：铜、铝、氧化铝、金刚石等等，第二热沉的结构可以但不限于是锯齿状，通过增大与冷却液的接触面积，提高散热效果。
可选地，在本实施例中，由于与激光芯片连接的热沉的要求较高，可以但不限于是成本上考虑，通过再加一个第二热沉，让冷却液直接给第二热沉制冷，将热量传递给冷却液。
在一个示例性实施例中，第二热沉为导热性高于目标导热性的热沉，其中，所述目标导热性是根据所述激光芯片产生的热量确定的。
可选地，在本实施例中，上述目标导热性是根据激光芯片产生的热量确定的，为了使激光芯片正常安全的工作，要控制激光芯片的温度，当激光芯片产生的热量越高，散热装置的散热率也要越高，也就是热沉的导热性也要越高，从而能更好的将激光芯片产生的热量传递到冷却液中。
可选地，在本实施例中，上述目标导热性可以但不限于通过激光芯片产生的热量计算得到。比如：通过计算得到满足激光芯片正常安全的工作最低的要求，根据得到的最低要求计算满足该要求的第二热沉的导热率，再根据第二热沉的体积等参数计算满足导热率的情况下，第二热沉的材料的导热性，作为目标导热性，第二热沉的材料的导热性高于目标导热性，就能满足第二热沉的导热率高于最低要求计算得到导热率，最终也能高于满足激光芯片正常安全的工作最低的要求，激光芯片就可以正常安全的工作。
在一个示例性实施例中，第一热沉与第二热沉通过界面材料连接。
可选地，在本实施例中，上述第一热沉与第二热沉可以但不限于通过界面材料连接，上述界面材料可以但不限于是胶水，焊接材料等等，上述第一热沉与第二热沉的连接方式可以但不限于通过以下方式连接，胶水粘接、钎焊、锡焊、铜铝复合焊接等等方式连接，如果采用铜铝复合焊接技术将第一热沉与第二热沉进行焊接，由于可以同时具备良好的导热性能以及较小的密度的新型结构，不仅可以提高散热装置的散热率，还能降低散热装置的质量。
在一个示例性实施例中，散热装置还包括：装置外壳，其中，所述散热结构和所述冷却液管道位于所述装置外壳的内部；在所述装置外壳上设置有所述冷却液管道的冷却液入口和冷却液出口。
可选地，在本实施例中，散热结构和冷却液管道在装置外壳的内部，装置外壳上设置了冷却液入口和冷却液出口，激光芯片产生的热量直接通过散热结构传递给冷却液，冷却液从装置外壳上的冷却液入口流入，从装置外壳上的冷却液出口流出，将热量传递出散热装置，由于热量直接通过冷却液传递出散热装置，装置外壳不作为散热装置的导热层，热量传递的热阻层级也就减少了，提高了散热装置的散热率。
可选地，在本实施例中，装置外壳可以但不限于是使用镁合金或镁合金制作的均温板(VC技术)，以达到降低密度和提高散热能力的目的。
可选地，在本实施例中，可将第二热沉和装置外壳结合采用高导热高密度的材料，如无氧铜，做成冷却液管道的装置外壳，进一步的，也可以将散热装置内部挖空填充毛细结构，利用VC技术将整个装置外壳制作成均温板，以提高散热装置的散热能力。
在一个示例性实施例中，装置外壳的底部与散热结构采用焊接的方式连接；所述装置外壳的底部采用密度低于目标密度的材料，其中，所述目标密度是根据所述散热装置的质量确定的。
可选地，在本实施例中，上述装置外壳的底部与散热结构可以但不限于通过焊接的方式进行连接，可以但不限于将散热结构焊接在装置外壳的底部，上述焊接的方式可以但不限于是钎焊的方式、铜铝复合焊接的方式等等。
可选地，在本实施例中，由于装置外壳不需要传递热量，也就是说装置外壳不会影响散热装置的散热，装置外壳的材料也就不需要使用高密度导热性好的材料，材料选择的空间更大，可选用低密度材料来作为装置外壳材料，此举可极大地降低散热装置的质量。例如，当前作为装置外壳的主要材料为无氧铜和铝合金，无氧铜的导热性能好但材料密度大，铝合金材料密度较小但是散热能力稍差，其余材料，例如：金属化陶瓷，金刚石，石墨烯等加工难度极高或价格高昂，不适合批量生产使用。
可选地，在本实施例中，上述目标密度可以但不限于是由散热装置的质量来确定的，可以根据散热装置的质量需求，可以但不限于选择需求内最大的质量，可以但不限于通过计算的方式确定需求的质量下装置外壳的质量，再根据装置外壳的体积得到装置外壳材料的密度大小，作为目标密度，只要装置外壳的底部采用密度低于目标密度的材料，就能满足散热装置的质量需求。
在一个示例性实施例中，装置外壳的内部还设置了镜片底座，其中，镜片底座用于安装激光镜片。
可选地，在本实施例中，上述装置外壳的内部可以但不限于还部署有激光镜片，激光镜片通过安装在镜片底座上，再将镜片底座安装在装置外壳的内部。镜片直接粘贴到在装置外壳的铜等高膨胀系数金属表面，由于镜片的膨胀系数与这些金属的膨胀系数差距较大，容易导致镜片脱落，在每部耦合的激光镜片下端采用镜片底座，这样就可以平衡镜片与装置外壳的热涨冷缩值，镜片不易脱落。
在一个示例性实施例中，激光镜片通过目标材料焊接在镜片底座上。
可选地，在本实施例中，上述目标材料可以但不限于是低热涨材料、或者，与激光镜片热胀系数适配的一种材料，比如：因瓦、可伐、碳钢、不锈铁等等材料。用目标材料将激光镜片安装在镜片底座上，可以降低激光镜片脱落的风险，增加了激光镜片的光学透镜系统的可靠性，同时增加使用激光镜片的激光器出光的可靠性，比如：目前在半导体激光器制造领域，广泛存在由于热胀冷缩问题导致粘贴激光镜片用的胶水失效问题，其原因主要在于：当前如铜、铝等导热材料本身的热膨胀系数较大，远超过使用石英玻璃为主要材料的激光镜片的热膨胀系数，因此在制程过程中极易由于冷热交替导致激光镜片脱落。因此为保证激光器光学系统的可靠性，需要一种与激光镜片热胀系数适配的一种材料。
在一个示例性实施例中，所述镜片底座包括多个镜片槽，其中，所述多个镜片槽用于安装多个激光镜片。
可选地，在本实施例中，上述镜片底座可以但不限于包括多个镜片槽，这些多个镜片槽用来安装激光镜片，这样镜片底座上就可以但不限于安装多个激光镜片，就可以将多个激光镜片安装在镜片底座上，然后将镜片底座采用整体的方式安装在装置外壳的内部，就可以将多个激光镜片安装到散热装置中，镜片底座采用整体的方式降低了激光镜片安装在装置外壳的复杂程度，提高了将激光镜片安装到散热装中的效率，并且这种模块化结构更适合大批量生产。
图3是根据本发明实施例的激光芯片的散热装置的镜片底座的示意图，如图3所示，镜片底座上有多个激光镜片卡槽，可以将多个激光镜片安装到镜片底座上面。
图4是根据本发明实施例的激光芯片的散热装置的结构图，如图4所示，散热装置内部署有冷却液入口(1)，冷却液出口(2)，散热结构(14)和镜片底座(4)安装在装置外壳(3)上，激光芯片(12)安装在热沉上。以图中的结构为例，用该散热装置制作的激光器，完成制作后激光器单瓦质量由1.3g/W降低至0.65g/W，降幅超过50％。
图5是根据本发明实施例的冷却液管道与热沉表面接触的示意图，如图5所示，冷却液管道(7)表面与锯齿状热沉的锯齿表面接触，这样可以增加与冷却液的接触面积，冷却液(16)从冷却液入口(1)流入通过冷却液管道从冷却液出口(2)流出，从而带走热沉中的热量。
图6是根据本发明实施例的冷却液管道结构图，如图6所示，冷却液从冷却液入口(1)流入散热装置中，在冷却液管道中流经热沉，装置外壳内置的冷却液管道呈现斜面，带走热沉的热量，从而使每个热沉都有散热能力，最后冷却液从冷却液出口(2)流出散热装置，从而带走散热装置中的热量。
图7是根据本发明实施例的激光芯片的散热装置的热传递示意图，如图7所示，激光芯片通过界面材料1与氮化铝热沉(即上述第一热沉)连接，氮化铝热沉通过界面材料2(即上述界面材料)与二级热沉连接(即上述第二热沉)、二级热沉与半导体激光器底座(即上述装置外壳)连接，热量的传递方向是从激光芯片产生，传递到氮化铝热沉再传递到二级热沉，通过冷却液直接给二级热沉制冷散热，半导体激光器底座的散热需求被极大的弱化了，所以不需要在半导体激光器底座安装散热板等可以进行散热的装置，也就可以不再对散热装置进行散热处理，使用该散热装置的泵浦源中就可以减少水冷板的使用，也就可以减少激光器整机的成本和质量。
可选地，在本实施例中，采用二级热沉形式，减小高密度导热材料的用量，减少导热层级，在提高了结构导热能力的同时，还降低了整体结构的密度，极大地降低了半导体激光器单瓦质量。
图8是根据本发明实施例的激光芯片的散热装置的热传递的结构图，如图8所示，激光芯片(12)连接到第一热沉(6)，第一热沉再与第二热沉(5)连接，这样就能将激光芯片中的热量从激光芯片中传递到第一热沉，再传递给第二热沉。
显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，并且在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种激光芯片的散热装置，其特征在于，包括：散热结构和冷却液管道，其中，
所述冷却液管道的外表面与所述散热结构的表面接触；
所述散热结构用于通过热沉对所述散热装置中部署的激光芯片进行散热；
所述冷却液管道用于通过冷却液对所述散热结构进行散热。
2.根据权利要求1所述的散热装置，其特征在于，所述散热结构上与所述激光芯片连接的部分的膨胀系数与所述激光芯片的膨胀系数匹配。
3.根据权利要求1所述的散热装置，其特征在于，所述散热结构包括：第一热沉和第二热沉，其中，所述第一热沉与所述第二热沉连接，所述冷却液管道的外表面与所述第二热沉的表面接触，
所述第一热沉用于对所述激光芯片进行散热；
所述第二热沉用于将所述第一热沉传输的热量传递给所述冷却液管道。
4.根据权利要求3所述的散热装置，其特征在于，所述第二热沉为导热性高于目标导热性的热沉，其中，所述目标导热性是根据所述激光芯片产生的热量确定的。
5.根据权利要求4所述的散热装置，其特征在于，所述第一热沉与所述第二热沉通过界面材料连接。
6.根据权利要求1所述的散热装置，其特征在于，所述装置还包括：装置外壳，其中，
所述散热结构和所述冷却液管道位于所述装置外壳的内部；
在所述装置外壳上设置有所述冷却液管道的冷却液入口和冷却液出口。
7.根据权利要求6所述的散热装置，其特征在于，所述装置外壳的底部与所述散热结构采用焊接的方式连接；
所述装置外壳的底部采用密度低于目标密度的材料，其中，所述目标密度是根据所述散热装置的质量确定的。
8.根据权利要求6所述的散热装置，其特征在于，所述装置外壳的内部还设置了镜片底座，其中，所述镜片底座用于安装激光镜片。
9.根据权利要求8所述的散热装置，其特征在于，所述激光镜片通过目标材料焊接在所述镜片底座上。
10.根据权利要求8所述的散热装置，其特征在于，所述镜片底座包括多个镜片槽，其中，所述多个镜片槽用于安装多个激光镜片。
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