CN1564404A - 硅单片微通道冷却的大功率激光二极管列阵 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种硅单片微通道冷却的大功率激光二极管列阵，主要由LD条7、热沉15、微透镜4和透镜架16组成。热沉15又包括键合的硅基板散热片2、玻璃分水板9和硅分水板10。散热片2的正面刻蚀有V形槽3，背面刻蚀有与V形槽3交错布置的倒V形槽微通道1；玻璃分水板9上开有进水槽12和出水槽13；硅分水板10上开有冷却水入口11和冷却水出口14；微通道1，进水槽12，出水槽13，冷却水入口11和冷却水出口14构成热沉15的冷却回路。透镜架16安装在热沉15上，V形槽3中都安装有微透镜4；V形槽3的两侧面蒸镀有金属层5，底部开有绝缘槽8；LD条7一面焊接有铜片6，另一面焊接到金属层5一侧上，铜片6的尾部焊接到V形槽3另一侧金属层5上。

Description

硅单片微通道冷却的大功率激光二极管列阵

1.技术领域

本发明涉及一种激光二极管列阵的封装，尤其是采用V形槽作为激光二极管列阵的次安装来实现高密度的激光二极管列阵。

2.背景技术

1)激光二极管的冷却

与传统的激光器相比，二极管激光器(DL)有许多优点：体积小，发光效率高，可靠性高。但是如果DL的平均功率高，热功率密度大，温升将超过允许范围，从而产生DL波长漂移和寿命缩短等负面影响。因此，致冷效率是目前限制DL平均功率的主要因素。

对于任何DL，热量产生的主要来源包括DL的电阻以及电子和空穴的非发光性复合。为了保持最高的效率，DL的工作温度必须低于25℃；DL长期连续工作也要求温度在50℃以下。通常温度变化1℃会导致DL的波长漂移0.3nm。因此，如果DL的温度能够保持在最优工作温度或者附近，它将会具有最高的效率、最长的寿命和恒定的波长。另一方面，如果DL的温度不均匀，将加大DL的发射谱宽。因此，DL的工作温度应尽量保持一致，特别是用作泵浦源时。

在大功率条件下，为了将DL的温度降到可以接受的水平，DL通常以脉冲方式工作，典型情况下占空比为1％。但是如果有额外的致冷装置，就可以获得比较高的占空比，甚至实现连续波工作，从而提高输出功率。激光二极管(LD)列阵是大功率二极管激光器常用的结构。在LD列阵中，LD的密度相当高，因此致冷问题尤其重要。

综上所述，LD列阵的输出功率受到其散热能力的限制。致冷器的设计，不仅要求冷却效率高，还要求其表面温度均匀。如采用冷却液通道过长的热沉，则沿通道方向冷却液被加热，将无法保证其表面温度均匀。LD列阵要求热沉焊接尺寸小、表面光洁度高(芯片焊接安装面需达到镜面光洁)、热沉内部的液体通道结构精细、材料的热传导性优良且热膨胀系数一致。

2)微通道致冷器

微冷却器可应用于有重量限制以及极高热通量密度的领域，如航天工业、光电零件冷却、化工流程传热等。目前其主要目的是降低电子设备因过热而发生故障损毁的几率，并同时提高电子设备的性能和可靠性。一般最常见到的冷却器不外乎是散热片与风扇的组合，但各种电子产品无不朝着体积小、重量轻、耗电低的方向发展，因此对新一代的电子设备而言，传统的冷却器的设计极限与制作技术已无法满足要求，于是便产生了利用微机电系统技术来开发微冷却器的构想。

要改善微冷却器的散热能力，最直接的方式就是先将封装内的热源通过内部热传导传至封装表层，再选择最佳的散热与冷却方式将其传至外界，其中可分为自然对流空冷，强制对流气冷，强制液冷，液相变化，微通道强制液冷与低温压缩冷冻循环系统等。其中微通道强制对流冷却机制的传热量与对流效益最高，在实践中证明是传热性能最佳且最具应用潜力的。

微通道热沉的加工可以使用体型微细加工法，其中包含光刻、薄膜沉积、湿法刻蚀及封装等技术，在硅基板或金属基板上加工许多平行的微沟槽，再通过封装形成封闭的通道，两端再用歧管接合，作为冷却液体的出入口。硅基板的另一面与芯片接合，直接将芯片产生的热传给热沉，并由冷却液带走，可以实现很小的热阻。此外，硅材料的热传导系数比一般基板材料高很多，而且其热膨胀系数与GaAs接近，可抑制热胀系数不匹配导致的失效。

3)激光二极管列阵的封装

LD列阵的封装主要有三种方式：

●每个热沉安装一个LD条

在这种方式下，LD条直接安装到热沉上，冷却效率高，而且可扩展性好。其缺点是很难保证温度的一致性，而且成本较高。

●直接在每个热沉上安装多个LD条

这种方式的优点是分摊到每个LD条上的热沉制造和封装成本比较低。其缺点是灵活性差，适用于LD条比较多的情况。

●每个次安装上安装一个LD条，每个热沉有多个次安装

这种方式兼有以上两种方式的优点，但是封装比较麻烦。

4)相关专利

在相关领域，中国科学院上海光学精密机械研究所申请了专利“微通道热沉冷却”(申请号为96116264.3)，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所申请了专利“密封装单片式微通道热沉冷却激光二极管阵列的制备”(申请号为02109136.6)，这两项专利采用在金属片上用激光加工微通道的方法，加工成本比较高。重庆师范学院申请了专利“高功率激光二极管列阵的微通道冷却封装组件”(申请号为98102464.5)，该专利采用了堆叠式的结构，每个LD条都安装在一个单独的平板式热沉上。这些专利采用的都是等截面的矩形微通道，相应地，贴装功率器件的表面是平的，因此不便于在一个热沉上安装多个LD条。

3.发明内容

本发明的目的是提供一种高密度、光学校正、微通道冷却的并且安装在V形槽上的硅单片微通道冷却的大功率激光二极管列阵。

硅单片微通道冷却的大功率激光二极管列阵(即整个封装系统)由LD条、热沉、微透镜和透镜架四大部分组成。热沉又包括硅基板散热片、玻璃分水板和硅分水板三部分。

硅基板散热片的正面刻蚀有V形槽，用于安装LD条。硅基板散热片的背面刻蚀有与正面V形槽交错布置的倒V形或称近似梯形微通道，用于LD条的冷却。由于微通道和被冷却的LD条之间靠得非常近，该热沉的热阻非常小，可以迅速带走LD条产生的热量，从而将LD条的温度控制在合理的水平。如此正面刻蚀有V形槽和背面刻蚀有与正面V形槽交错布置的梯形微通道的硅基板散热片形成波浪形基板，且该波浪形基板每一点的厚度基本一致，可实现均匀散热冷却。

玻璃分水板上开有进水槽和出水槽。

硅分水板上开有冷却水入口和冷却水出口。

硅基板散热片背面的倒V形微通道，玻璃分水板上的进水槽和出水槽，硅分水板上的冷却水入口和冷却水出口构成热沉的冷却回路。

透镜架安装在热沉上，上面加工有一系列的V形槽，这些V形槽的形状和间距都和散热板上的V形槽相同，以保证LD条和透镜的相对位置关系。每个V形槽中都安装有微透镜，用于将LD发出的光校正为平行光。

散热板的V形槽的两侧面需要蒸镀金属层，最好是从硅基板散热片绝缘层表面开始分别为1μm Ti、1μm Pt、9μm Au、1μm Pt和3μm Au五层金属化层。V形槽的底部开有一个绝缘槽，用于切断散热板表面金属层的连接，将其分割成一系列相互绝缘的金属片，其深度只需保证蒸镀的金属层不在槽中互相重叠即可。

所述V形槽槽包括近似V形，如锯齿形、形、 形、

形、

形、

形等多种类似形状。

LD条一面焊接有铜片，另一面焊接到V形槽一侧的金属层上，铜片的尾部焊接到V形槽另一侧未安装LD条那个面的金属层上。LD条的焊接可分为三步：第一步是将LD条焊到铜片上，铜片的厚度远小于LD条的厚度，具体工艺如下：先在铜片上沉积一层铟，然后在氢气的保护下将铜片加热到铟的熔点，并对LD条和铜片适当加压，冷却到室温即可；第二步与第一步类似，是将铜片和LD条焊接到热沉上，在焊接过程中需要严格控制LD条不出光的一端与铜片边缘的距离，以便于第三步焊接中铜片与V形槽未安装LD条那个面的良好接触；第三步是将铜片焊接到V形槽未安装LD条那个面上，也采用铟焊。

在本发明中，由于各向异性湿法刻蚀已经广泛用于V形槽和微通道的刻蚀。硅的各向异性刻蚀原理就是某些刻蚀剂(例如KOH和EPW)对不同晶向的晶面的刻蚀速度不同。(110)晶面与(111)晶面的刻蚀速度之比最高可达600∶1，在实践中通常也可以达到200∶1。对于<110>晶向的硅片，由于(110)晶面与(111)和(111)晶面之间的夹角均为35.3°，因此可以刻蚀出109.5°的V形槽。另一方面，由于(110)晶面与(111)晶面互相垂直，因此可以刻蚀出与表面垂直的微通道。由于晶面方向的限制，硅片上下表面掩模的方向都需要严格控制，而且正面V形槽的轴向与背面微通道的夹角为35.3°。KOH各向异性刻蚀可以达到很高的表面粗糙度。本发明中散热板上的V形槽和微通道以及透镜架上的V形槽均采用KOH各向异性刻蚀。若采用精密机械加工，可加工出任意夹角的微通道，但是成本较高。

本发明解决了<110>硅片的各向异性刻蚀的自停止问题。由于散热板正面V形槽和透镜架上的V形槽中的两个(111)型端面之间的夹角为109.5°，相交于一个钝角三角形的顶点，由于(111)型晶面的刻蚀速度远小于其它类型晶面，因此可以实现刻蚀的自停止，从而保证LD条和透镜的间距相等。

本发明中严格控制微通道的刻蚀时间，在其形成完整的三角形前停止刻蚀，使其形状近似为梯形，截面积达到包络三角形面积的85％。

玻璃分水板上的通孔即进水槽和出水槽采用激光加工，这样可以保证通孔之间精确的相对位置关系，从而使其与散热板上的微通道的精确对准成为可能。采用硅—玻璃—硅三层键合的方式封装，可以避免在玻璃上加工不通的槽，也不需进行硅—硅键合。

在本发明中，所述的透镜架的材料可为硅。

在本发明中，所述的透镜的材料为可为二氧化硅，形状最好为圆柱形。

本发明的优点在于，硅的导热系数(1.57W/cm℃)较高，与铜(3.93W/cm℃)相差不是特别大，但是硅片上可以刻蚀很窄的微通道，因此硅微通道热沉能够得到比铜微通道热沉更小的热阻。与平面式结构相比，屋脊式散热片结构使LD列阵的安装更为方便，同时LD条与微通道之间的距离更小，从而降低热阻。与一个LD条单独封装一个热沉相比，单片式热沉与LD列阵的焊接更容易，分摊到各LD条的制冷成本更低。与精密机械加工方法相比，湿法刻蚀方法成本低，从而可以降低整个热沉的成本。和金属线连接相比，铜片连接强度高，焊接工艺简单，而且可以减小热阻。梯形微通道与三角形微通道相比，更符合流线形状，滞流区更小，微通道和硅散热片的有效接触面积更大，因此热阻更小。综上所述，本发明涉及的LD列阵的封装系统具有热阻小、安装方便和成本低等优点。

4.附图及说明

图1是硅基板散热片的仰视图。

图2是微通道热沉的A-A剖面图。

图3为玻璃分水板的俯视图。

图4是硅分水板的俯视图

图5是硅单片微通道冷却的大功率激光二极管列阵的立体示意图。

图中：1是纵截面近似为梯形的微通道，2是硅基板散热片，3是V形槽，4是微透镜，5为金属层，6为铜箔，7为激光二极管LD条，8为绝缘槽，9为玻璃分水板，10为硅分水板，11为冷却水入口，12为进水槽，13为出水槽，14为冷却水出口，15为微通道热沉，16为透镜架。

5.实现方式

硅单片微通道冷却的大功率激光二极管列阵的一个具体实施方式如图1-图5所示。该实施方式中的硅单片微通道热沉15包括一个硅基板散热片2，一个玻璃分水板9以及一个硅分水板10。硅基板散热片2正面开有一系列安装LD条7的V形槽3，V形槽3底部刻有绝缘槽8，用于切断V形槽表面的金属层5之间的联系。铜箔6用于将激光二极管LD条7的n面与V形槽3表面的金属层5相连。激光二极管LD条7发出的激光经微透镜4校正为平行光。如图1和图2所示，硅基板散热片2的背面有一系列平行的宽度为30μm距离为50μm的与正面V形槽3交错布置的近似梯形微通道1。如图2所示，冷却水从入口11经进水槽12进入一系列平行的微通道1，并经这些微通道1流到出水槽13，最后经冷却水出口14(图2中未画出)流出。

Claims (5)

1、一种硅单片微通道冷却的大功率激光二极管列阵，其特征是该列阵由激光二极管LD条(7)、热沉(15)、微透镜(4)和透镜架(16)四大部分组成，热沉(15)又包括键合的硅基板散热片(2)、玻璃分水板(9)和硅分水板(10)三部分，其中：

硅基板散热片(2)的正面刻蚀有用于安装LD条(7)的V形槽(3)，背面刻蚀有与正面V形槽(3)交错布置的倒V形微通道(1)；

玻璃分水板(9)上开有进水槽(12)和出水槽(13)；

硅分水板(10)上开有冷却水入口(11)和冷却水出口(14)；

硅基板散热片(2)背面的倒V形槽微通道(1)，玻璃分水板(9)上的进水槽(12)和出水槽(13)，硅分水板(10)上的冷却水入口(11)和冷却水出口(14)构成热沉(15)的冷却回路；

透镜架(16)安装在热沉(15)上，透镜架(16)上面也加工有一系列的V形槽，这些V形槽的形状和间距都和硅基板散热片(2)的V形槽(3)相同，每个V形槽(3)中都安装有微透镜(4)；

硅基板散热片(2)的V形槽(3)的两侧面均蒸镀有金属层(5)，V形槽(3)的底部开有绝缘槽(8)；

LD条(7)一面焊接有铜片(6)，另一面焊接到V形槽(3)一侧的金属层(5)上，铜片(6)的尾部焊接到V形槽(3)另一侧未安装LD条(7)那个面的金属层(5)上。

2、根据权利要求1所述的硅单片微通道冷却的大功率激光二极管列阵，其特征是V型槽(3)的夹角均为109.5°。

3、根据权利要求1所述的硅单片微通道冷却的大功率激光二极管列阵，其特征是所述的透镜架(16)的材料为硅。

4、根据权利要求1所述的硅单片微通道冷却的大功率激光二极管列阵，其特征是所述的微透镜(4)的材料为二氧化硅，形状为圆柱形。

5、根据权利要求1所述的硅单片微通道冷却的大功率激光二极管列阵，其特征是硅基板散热片(2)的V形槽(3)的两侧面蒸镀的金属层(5)，是从硅基板散热片(2)绝缘层表面开始分别为1μm Ti、1μm Pt、9μm Au、1μmPt和3μmAu五层金属化层。

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