CN205178261U - 一种半导体激光器冷却热沉装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及半导体激光列阵技术领域，公开了一种半导体激光器冷却热沉装置，包括：依序设置的进水侧盖、进水层、导引层、回水层以及回水侧盖；其中，进水侧盖的外表面设置有进水孔，回水侧盖的外表面设置有出水孔；在进水侧盖、进水层以及导引层之间形成有减缓导热介质流速的缓流区；导引层中靠近半导体激光器的一侧设置有供导热介质从缓流区流入回水层的若干个通孔；在导引层、回水层以及回水侧盖之间还形成有供导热介质流出的出水通道。本实用新型提供的半导体激光器冷却热沉装置是3D打印一体成型的装置，避免了现有技术中由于各层焊接引入的热应力及热阻，也避免了装置内壁镀金材料脱落导致热沉堵塞，提高换热效率。

Description

一种半导体激光器冷却热沉装置

技术领域

本实用新型涉及半导体激光列阵技术领域，尤其涉及一种半导体激光器冷却热沉装置。

背景技术

半导体激光器具有电光转换效率高、体积小重量轻、寿命长等特点，使得它具有广泛的应用，提高输出功率和光束质量一直是大功率半导体激光器的主要研究课题。随着半导体激光器功率的不断提高，功率密度不断地增大，激光器芯片的热量过高直接影响半导体激光器的寿命。针对上述问题，一般采用微通道冷却热沉来降低激光器芯片的热量。

现有技术的单片式微通道冷却热沉由五层形态各异的无氧铜薄片组合而成，激光芯片位于进水侧盖层的上表面。导热介质从入水口进入微通道层的微通道区，经过导水层的狭缝再次进入微通道区，再由出水口进入回水侧盖层，对芯片完成一次循环制冷。

然而现有的冷却热沉中，导热介质从入水口进入之后直接流入微通道区对芯片进行冷却，无法在微通道内充分均匀循环地，导致局部散热效果不好，容易将激光器芯片烧坏，换热效率低。此外，五片无氧铜薄片是不是一体成型的，而是相互焊接连接。在焊接处容易产生额外的热阻和热应力。且无氧铜材料的表现需要镀金，长期使用后表面金层容易脱落导致热沉堵塞。

发明内容

本实用新型要解决的技术问题是：如何提高半导体激光器冷却热沉装置换热效率。

为实现上述的发明目的，本实用新型提供了一种半导体激光器冷却热沉装置，包括：依序设置的进水侧盖、进水层、导引层、回水层以及回水侧盖；

其中，

所述进水侧盖的外表面设置有进水孔，所述回水侧盖的外表面设置有出水孔；所述出水孔位于所述进水孔远离所述半导体激光器耙条的一侧；

在所述进水侧盖、进水层以及导引层之间形成有减缓导热介质流速的缓流区；

所述导引层中靠近所述半导体激光器的一侧设置有供导热介质从所述缓流区流入所述回水层的若干个通孔；

在所述导引层、回水层以及回水侧盖之间还形成有供导热介质流出的出水通道；

所述进水孔连通所述缓流区，所述缓流区通过所述若干个通孔连通所述出水通道，所述出水通道与所述出水孔连通；

导热介质从所述进水孔进入，在所述进水层的缓流区中缓流，通过所述导引层的通孔流入所述回水层，再经过所述回水层的出水通道从所述出水孔流出。

其中较优地，所述缓流区是由：

所述进水层上的镂空区域形成的；或，

所述导引层靠近所述进水层的表面上的凹陷与所述进水层上的镂空区域结合形成的。

其中较优地，所述出水通道是由：

所述回水层上的镂空区域形成的；

所述回水侧盖内表面上的凹陷与所述回水层上的镂空区域结合形成的。

其中较优地，所述回水层还设置有用于为半导体激光器均匀散热的若干个微通道，所述通孔与所述若干个微通道对应连通，所述若干个微通道与所述出水通道连通；

导热介质进入到所述缓流区后，通过所述通孔流入对应的所述微通道中从而对半导体激光器进行散热，再经过所述出水通道从所述出水孔流出。

其中较优地，所述若干个微通道是由若干个等间距的分隔脊分隔而成，且所述若干个微通道向靠近所述出水孔方向延伸的长度相同，所述若干个微通道的宽度相同。

其中较优地，所述回水层还包括与所述微通道相连的汇流区，所述汇流区还与所述出水通道相连；

在所述汇流区内远离所述微通道的一端，还设有供导热介质向所述出水通道汇流的斜坡。

其中较优地，所述出水通道包括主出水通道以及分流通道；

所述分流通道设置在所述主出水通道靠近所述出水孔的延伸方向，且所述主出水通道与所述分流通道均与所述出水孔相连；

所述出水通道连通所述进水层、导引层以及回水层。

其中较优地，

所述主出水通道以及分流通道，在所述进水层以及导引层中是通过分隔条相互隔开的；

所述主出水通道以及分流通道，在所述回水层中连通的，所述主出水通道以及分流通道之间还设置有厚度小于所述回水层厚度的分流脊。

其中较优地，所述半导体激光器冷却热沉装置是一体成型的。

其中较优地，所述半导体激光器冷却热沉装置是通过3D打印一体成型的。

本实用新型提供了一种半导体激光器冷却热沉装置。导热介质从进水孔进入该装置后，在进水层的空腔中缓流，通过导引层的通孔流入回水层的微通道中，最终经过回水层的出水通道从出水孔流出，实现了导热介质在装置内的匀速循环流动。此外，本装置通过3D打印技术一体成型制备，避免了现有技术中各层之间由于焊接所引入的额外的热应力及热阻，提高了装置整体的散热能力。且采用镍基合金粉或钨铜合金粉作为材料进行3D打印，可以很好的实现热沉与耙条芯片的热膨胀系数相匹配，且装置内壁不需要镀金，也避免了现有技术中由于长期使用无氧铜表面金层脱落而导致热沉堵塞的问题，提高换热效率。

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，而并不认为是对本实用新型的限制。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是本实用新型第一实施例提供的冷却热沉装置整体结构示意图；

图2是本实用新型第一实施例提供的冷却热沉装置侧视纵向剖面示意图；

图3是本实用新型第一实施例提供的进水侧盖立体结构示意图；

图4是本实用新型第一实施例提供的回水侧盖立体结构示意图；

图5是本实用新型第一实施例提供的进水层立体结构示意图；

图6是本实用新型第一实施例提供的一种缓流区结构示意图；

图7是本实用新型第一实施例提供的导引层立体结构示意图；

图8是本实用新型第一实施例提供的回水层立体结构示意图；

图9是本实用新型第一实施例提供的一种出水通道结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。

如图1-7所示，本实用新型提供了一种半导体激光器冷却热沉装置。该装置包括：依序设置的进水侧盖19、进水层12、导引层13、回水层14以及回水侧盖20；其中，进水侧盖19的外表面设置有进水孔1，回水侧盖20的外表面设置有出水孔3；出水孔3位于进水孔1远离半导体激光器的一侧；在进水侧盖19、进水层12以及导引层13之间形成有减缓导热介质流速的缓流区4；导引层13中靠近半导体激光器的一侧设置有供导热介质从缓流区4流入回水层的若干个通孔5；在导引层13、回水层14以及回水侧盖20之间还形成有供导热介质流出的出水通道；进水孔1连通缓流区4，缓流区4通过若干个通孔5连通出水通道，出水通道与出水孔3连通；导热介质从进水孔1进入，在进水层12的缓流区4中缓流，通过导引层13的通孔5流入回水层14，再经过回水层14的出水通道从出水孔3流出。本实用新型提供的半导体激光器冷却热沉装置是通过3D打印技术一体成型的。下面将对本实用新型提供的半导体激光器冷却热沉装置展开详细说明。

实施例一

本实施例提供了一种半导体激光器冷却热沉装置。其中，如图1、2所示，该装置还包括定位孔2以及螺丝孔15。定位孔2设置在进水孔1以及出水孔2之间。进水孔1、定位孔2以及出水孔3均连通进水侧盖19、进水层12、导引层13、回水层14以及回水侧盖20。螺丝孔15优选的设置在装置出水孔一侧的两个角上，同样地连通进水侧盖19、进水层12、导引层13、回水层14以及回水侧盖20。定位孔2以及螺丝孔15均用于固定整个热沉装置。如图4、图5所示，装置的进水侧盖19以及回水侧盖20的结构基本相同，唯一不同的地方是进水侧盖19上的进水孔1以及出水孔3的半径大于回水侧盖20上进水孔1以及出水孔3的半径。

图5示出了进水层12的立体结构示意图。其中，在进水侧盖19、进水层12以及导引层13之间形成有与进水孔1相连通的缓流区4，用于对从进水孔1进入的导热介质进水缓流。缓流区4为一敞开空间。其中较优地，如图5所示，缓流区4是由进水层12上的镂空区域形成的；或如图6所示，是由导引层13靠近进水层12的表面上的凹陷21与进水层12上的镂空区域22结合形成的(其中，箭头的方向为导热介质流动的方向)。其开口尺寸由出水孔1至进水层12的边缘逐渐增大，并适应进水层12内壁的形状。

图7示出了导引层13的立体结构示意图。其中，在导引层13内设置有与进水层12的缓流区4相连通的若干个通孔5，用于将进水层12中的导热介质引流至回水层。若干个通孔5优选地设置在导引层13的边缘。图8示出了回水层14的立体结构示意图。其中，在回水层14内设置有与导引层13中若干个通孔5相对应的若干个微通道6。若干个微通道6由若干个等间隔的分隔脊7分隔而成。每个微通道6以及每个分隔脊7的宽度均为300微米，微通道6向靠近出水孔3方向延伸的长度相同。若干个微通道6以及若干个分隔脊7组成了尺片散热结构，用于对设置在整个装置靠近微通道6一端的半导体激光器进行尺片散热。在回水层14内还设置有与微通道6相连通的用于将导热介质汇流的汇流区8。汇流区8在远离微通道6的一端还设有斜坡，用于进一步将导热介质从微通道6中引出。

此外，如图5、7、8所示，在导引层13、回水层14以及回水侧盖20之间还形成供导热介质流出的出水通道，用于将导热介质引流至出水孔3从而排出。其中较优地，如图8所示，出水通道是由回水层14上的镂空区域21形成的；或如图9所示，是由回水侧盖20内表面上的凹陷23与回水层14上的镂空区域24结合形成的(其中，箭头的方向为导热介质流动的方向)。

其中，出水通道包括主出水通道9和分流通道10。其中，在进水层12中，主出水通道9与缓流区4相邻但不相通，主出水通道9从与缓流区4相邻的位置一直延伸至出水孔3的两侧；分流通道10设置在主水流通道9在出水孔3的两侧的延伸端，且与主水流通道9通过分隔条16分隔开。主出水通道9和分流通道10均与出水孔3相连通。在导引层13中，主出水通道9和分流通道10设置在与进水层12中的主出水通道9和分流通道10相应的位置；同样地，主水流通道9与分流通道10通过分隔条17相互分隔开。在回水层14中，主出水通道9和分流通道10设置在与导引层13中的主出水通道9和分流通道10相应的位置；主出水通道9的一端与汇流区8通过汇流区8中的斜坡相连通，另一端与分流通道10通过分流脊18相连通；在回水层14中，出水孔3的边缘有一层加厚区，主出水通道9和分流通道10在该加厚区的下方与出水孔3连通。

导热介质从进水侧盖19的进水孔1进入到进水层12中，在缓流区4中缓流；之后，由导引层13上的若干个通孔5将导热介质从缓流区4引流至回水层14对应的若干个微通道6中；导热介质在微通道6中匀速流动，对半导体激光器进行充分换热；吸收了热量的导热介质沿着若干个微通道6流入汇流区8；汇流区8末端的斜坡将导热介质引流至主出水通道9；由于出水孔3的边缘设有一层加厚区，导致主出水通道9的流向末端出现一个阶梯，大大阻碍了导热介质的流出，因此一部分导热介质通过分流脊18被分流至分流通道10，最终主出水通道9以及分流通道10中的导热介质一同从出水孔3中流出。

实施例二

本实施例提供了一种半导体激光器冷却热沉装置。该热沉装置是一体成型的。其中较优地，是基于3D打印从装置设有激光器耙条的一端至另一端在竖直方向上一体成型的。且为了便于一体成型，如图5所示，在进水层中进水孔1开口处的缓流区4的斜边，与装置靠近激光器耙条一侧边沿的夹角优选地大于45度。本实施例提供的热沉装置的其他特征与实施例一相同，在此不再赘述。

本实用新型提供的3D打印一体成型冷却热沉装置避免了现有技术中因各层焊接而增加的额外的热应力与热阻。此外，装置的材料为不同配比的镍基合金粉末或钨铜合金粉，具有很好的抗腐蚀性具有很长的寿命，且其热匹配系数要好于无氧铜材料，可以减小因热沉与激光芯片的热膨胀系数不匹配而产生smile效应(大功率半导体激光器列阵在工作时，从激光器到热沉温度梯度很大，由于半导体激光器列阵衬底材料(砷化镓)与热沉材料(无氧铜)线性热膨胀系数不匹配，从而导致热应力的产生热应力引起半导体激光器列阵中各个发光单元在垂直于P-N结方向发生位移。再加上垂直于P-N结方向发光尺寸只有约1微米，所以较小的位移对发光产生较大影响，使列阵中各个发光单元不在一条直线上，从而导致半导体激光器整体发光弯曲，这种现象被称为smile效应)。

同时，采用镍基合金粉末或钨铜合金粉作为打印材料，装置内部表层不再需要镀金，避免出现现有技术中因长期使用内部金层脱落而导致热沉堵塞的问题，镍及合金材料制备的热沉结构性要好于传统的铜材料，因而冷却水流可以比传统制备的热沉流量更大，散热效果更好。

综上所述，本实用新型提供了一种半导体激光器冷却热沉装置。导热介质从进水孔进入该装置后，在进水层的空腔中缓流，通过导引层的通孔流入回水层的微通道中，最终经过回水层的出水通道从出水孔流出，实现了导热介质在装置内的匀速循环流动。此外，本装置通过3D打印技术一体成型制备，避免了现有技术中各层之间由于焊接所引入的额外的热应力及热阻，提高了装置整体的散热能力。且采用镍基合金粉或钨铜合金粉作为材料进行3D打印，可以很好的实现热沉与耙条芯片的，且装置内壁不需要镀金，也避免了现有技术中由于长期使用无氧铜表面金层脱落而导致热沉堵塞的问题，提高换热效率。

以上实施方式仅用于说明本实用新型，而并非对本实用新型的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本实用新型的范畴，本实用新型的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (10)

1.一种半导体激光器冷却热沉装置，其特征在于，包括：依序设置的进水侧盖、进水层、导引层、回水层以及回水侧盖；

其中，

所述进水侧盖的外表面设置有进水孔，所述回水侧盖的外表面设置有出水孔；所述出水孔位于所述进水孔远离所述半导体激光器耙条的一侧；

在所述进水侧盖、进水层以及导引层之间形成有减缓导热介质流速的缓流区；

所述导引层中靠近所述半导体激光器的一侧设置有供导热介质从所述缓流区流入所述回水层的若干个通孔；

在所述导引层、回水层以及回水侧盖之间还形成有供导热介质流出的出水通道；

所述进水孔连通所述缓流区，所述缓流区通过所述若干个通孔连通所述出水通道，所述出水通道与所述出水孔连通；

导热介质从所述进水孔进入，在所述进水层的缓流区中缓流，通过所述导引层的通孔流入所述回水层，再经过所述回水层的出水通道从所述出水孔流出。

2.如权利要求1所述的热沉装置，其特征在于，所述缓流区是由：

所述进水层上的镂空区域形成的；或，

所述导引层靠近所述进水层的表面上的凹陷与所述进水层上的镂空区域结合形成的。

3.如权利要求1所述的热沉装置，其特征在于，所述出水通道是由：

所述回水层上的镂空区域形成的；或,

所述回水侧盖内表面上的凹陷与所述回水层上的镂空区域结合形成的。

4.如权利要求1所述的热沉装置，其特征在于，所述回水层还设置有用于为半导体激光器均匀散热的若干个微通道，所述通孔与所述若干个微通道对应连通，所述若干个微通道与所述出水通道连通；

导热介质进入到所述缓流区后，通过所述通孔流入对应的所述微通道中从而对半导体激光器耙条进行散热，再经过所述出水通道从所述出水孔流出。

5.如权利要求4所述的热沉装置，其特征在于，所述若干个微通道是由若干个等间距的分隔脊分隔而成，且所述若干个微通道向靠近所述出水孔方向延伸的长度相同，所述若干个微通道的宽度相同。

6.如权利要求4所述的热沉装置，其特征在于，所述回水层还包括与所述微通道相连的汇流区，所述汇流区还与所述出水通道相连；

在所述汇流区内远离所述微通道的一端，还设有供导热介质向所述出水通道汇流的斜坡。

7.如权利要求1所述的热沉装置，其特征在于，所述出水通道包括主出水通道以及分流通道；

所述分流通道设置在所述主出水通道靠近所述出水孔的延伸方向，且所述主出水通道与所述分流通道均与所述出水孔相连；

所述出水通道连通所述进水层、导引层以及回水层。

8.如权利要求7所述的热沉装置，其特征在于，

所述主出水通道以及分流通道，在所述进水层以及导引层中是通过分隔条相互隔开的；

所述主出水通道以及分流通道，在所述回水层中是连通的，所述主出水通道以及分流通道之间还设置有厚度小于所述回水层厚度的分流脊。

9.如权利要求1所述的热沉装置，其特征在于，所述半导体激光器冷却热沉装置是一体成型的。

10.如权利要求9所述的热沉装置，其特征在于，所述半导体激光器冷却热沉装置是通过3D打印一体成型的。