CN210838440U - 一种针对面发射激光芯片的高功率模块 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种针对面发射激光芯片的高功率模块，包括多条冷板，每条冷板封装有若干个面发射激光芯片，多条冷板堆叠形成具有堆栈式散热结构的高功率半导体激光器模组。本实用新型的高功率模块是针对面发射激光芯片高热密度集成的一种新的尝试，相较传统的堆栈式激光器，同样能实现大功率高热密度的解热，因为面发射激光芯片在使用环境上的要求相对边发射激光芯片要低，让大功率激光器可以应用到一些严苛的使用环境中去。

Description

一种针对面发射激光芯片的高功率模块

技术领域

本实用新型涉及激光技术领域，尤其是一种针对面发射激光芯片的高功率模块。

背景技术

过去，高功率半导体激光器领域，基于GaAs材料的边发射半导体激光器一直占据统治地位，并广泛应用于工业，医疗，科研等领域，然而，边发射半导体激光器却存在其致命的缺陷，虽然预期寿命长达数万小时，但是在脉冲状态下，光学灾变性损坏几率极大，对寿命影响严重，其实际使用寿命远远达不到理想的预期，同时随着功率增加，边发射模块二维叠阵的增加，实际效果会持续下降。因此，需要开发新的可用于工业领域的半导体激光器。

1980年以来，科学界大量涌现出半导体物理研究的新成果，如晶体外延生长技术（例如金属有机化学气相淀积（MOCVD)，分子束外延（MBE)和化学束外延（CBE）等，使得半导体激光器成功应用了量子阱和应变量子阱新结构，同时半导体激光芯片封装工艺，光束整形技术都得到了长足发展，取得了重大突破，让半导体激光器的种类和波长有了大幅度的拓展，目前根据发光方向与激光芯片所在外延片平面的关系，激光器可划分为边发射半导体激光器（EEL-Edge Emitting Laser Diode），垂直腔面发射激光器（VCSEL-VerticalCacity Surface Emitting Laser）以及最新的水平腔面发射激光器（HCSEL-HorizontalCacity Surface Emitting Laser），其中VCSEL和HCSEL的发光方向垂直于外延片方向，从反应区顶面射出，而边发射半导体激光器的发光方向平行于外延片方向，从反应区的边缘射出。两种面发射激光芯片由于结构原因，具有表面高反射率，预期寿命较长，而且故障率低，能承受较高的工作温度以及本体发热均匀等优点。同时其封装简单，类似于LED封装工艺。随着技术的发展面发射型激光器单体功率也越来越趋近于巴条，所以在高功率领域也越来越抢眼。

而如今高功率半导体激光器以其广阔的应用前景加上巨大的潜在市场，已然成为各国竞相追逐的热点，但是，其可靠性和稳定性，一致性等问题，又很大程度上限制了这一块的实际应用，其中之一高功率半导体激光器所面临的问题就是激光器的性能。即激光器的输出光电转换效率（即输出光功率/输入电功率----比值）。

而这些问题除了跟激光器外延材料和封装有关外，很大程度上都受整体发热密度和散热效率影响---发热会影响芯片损耗增益比，影响芯片发光效率，同时还对输出波长存在一定影响。传统堆栈式激光器只适用于边发射激光芯片巴条的高热密度集成，边发射激光芯片狭小发光面积对使用环境的严苛要求，由于发光区狭小，容易因为环境干扰而损坏,边发射集成模块的光路整形是工装一些微透镜在模块上，需要较多的微加工，后续组装也需要大量的精密的工装操作，这将使得不良率较高。

目前市面激光器的散热器，内部设置微通道散热，然而，内部流道水压调试比较麻烦，部品工艺比较复杂，目前可以实现的厂家并不多。由于微通道内部是微流道，在流体不净的情况下，十分容易堵塞，而且只能更替堵塞板，相对维护成本也偏高。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是：提供一种针对面发射激光芯片的高功率模块，解决现有高功率模块缺乏可靠性、稳定性、一致性等问题，使用环境的严苛要求等问题。

为解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：

一种针对面发射激光芯片的高功率模块，包括多条冷板，每条冷板封装有若干个面发射激光芯片，多条冷板堆叠形成具有堆栈式散热结构的高功率半导体激光器模组。

作为一些实施例，每条冷板各自封装成单独模块；每条冷板设置有电极模块；每条冷板上封装多个面发射激光芯片，依次排列、相互串联，且与电极模块串联；每条冷板上封装的多个面发射激光芯片排列成一排；多条冷板的面发射激光芯片排列成芯片阵列。

作为一些实施例，面发射激光芯片为COS模块，包括面发射激光器及热沉，通过热沉一体焊接于冷板；面发射激光芯片产生的热量通过热沉传到冷板散热；所述冷板为高导热金属板；冷板表面形成限位阶梯槽，面发射激光芯片对齐地焊接于阶梯槽内；冷板上设置的电极模块与面发射激光芯片表面存在阶梯落差距离，避免连接电线直接接触冷板发生短路。

作为一些实施例，面发射激光芯片的发光面设置有准直透镜，调整面发射激光芯片光束的均匀性；一排面发射激光芯片的发光面设置一条准直透镜，调整一排面发射激光芯片光束的均匀性；面发射激光芯片阵列发光面设置多排平行的准直透镜，调整面发射激光芯片阵列光束的均匀性；所述准直透镜由准直透镜支架固定在冷板封装有面发射激光芯片的一侧；准直透镜的设置原则：面发射激光芯片的发射光达到准直透镜时，光束宽度在准直透镜镜片宽度作用面范围以内，以保证合光效率，以及整体模块出光光斑的均匀性。

作为一些实施例，准直透镜的设置原则：发射激光芯片的发射光达到准直透镜刚好在镜片宽度作用面临界以内，保证合光效率；相邻冷板之间合光时，上下两排光束合束互不干扰；在准直透镜宽度方向的两侧只有用于点胶固定透镜的余量位置；面发射激光芯片的发射光为发散光束；所述面发射激光芯片为HCSEL或VCSEL芯片。

作为一些实施例，每条冷板内加工有冷却液流道以及与流道连通的进水口和出水口，用于供冷却液由进水口分别导入流道且由出水口排出，从而给面发射激光芯片散热；冷板内的流道由密封垫来密封；多条冷板层层压合，压紧密封垫。

作为一些实施例，所述每条冷板内的流道为独立设置，多条冷板内的流道之间相互并联；每条冷板的进水口之间连通、出水口之间连通；由至少一个进水口外接进水管以接入冷却液、至少一个出水口外接出水管以排出冷却液带走热量。

作为一些实施例，冷板内的流道为宏通道流道；流道是由冷板顶面或底面形成的一条开槽，槽口由密封垫密封，由密封垫隔离各条流道；密封垫对应冷板内的流道的进水口和出水口设置开孔，从而使各层冷板的流道的进水口之间连通、出水口之间连通；所述流道内设计有弯道，以加长流道来加大换热效率；流道内设置有若干条突出鳍片形成类似散热片的结构；所述流道内在靠近面发射激光芯片处设置凹槽回流结构。

作为一些实施例，每条冷板内的流道沿面发射激光芯片排列的长度方向延伸；面发射激光芯片设置于冷板长度方向的外壁表面；突出鳍片上在冷却液流向的背侧进一步形成凹槽结构，从而形成凹槽回流结构；若干条突出鳍片也为平行排列，沿冷板宽度方向自封装芯片的一侧向另一侧方向延伸，突出地设置在流道中与流向方向垂直或成一定角度地抵挡冷却液流动；流道的与芯片安装侧相对的另一内侧壁，与突出鳍片相对应地形成弯道。

作为一些实施例，各层冷板在流道周边和/或流道内设置有安装孔，冷板之间以及密封垫与冷板之间通过紧固件与安装孔配合而紧固压合；所述冷板堆栈式结构的最上层冷板作为顶部密封板；顶部密封板的底部设置流道，顶部设置安装槽，安装槽底壁设置有另一层密封垫以覆盖和密封流道内的安装孔位置，安装槽内置适配的隔离板，隔离板压合密封所述另一层密封垫且与顶部密封板紧固在一起，从而形成整体的防漏结构。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型的高功率半导体激光器模块具有高质量激光阵列条和高效的散热结构，具有高稳定性，高可靠性。同时，封装结构简单，高效，低成本，便于广泛应用。本实用新型是一种针对面发射激光芯片阵列的高功率模块的新型封装结构，增加面发射激光芯片大功率集成的灵活性，可根据兼容芯片做调整内部散热结构以及堆栈冷板的条数。

进一步地，本实用新型一种针对面发射激光芯片的高功率模块是针对面发射激光芯片高热密度集成的一种新的尝试，相较传统的堆栈式激光器，同样能实现大功率高热密度的解热，但是传统堆栈式激光器只适用于边发射激光芯片巴条的高热密度集成，而此结构则是适合各种面发射激光芯片的高密度集成，相较于边发射激光芯片狭小发光面积对使用环境的严苛要求，高功率面发射激光芯片由于发光面大，在应对使用环境上的成本将会降低不少。本实用新型解决了面发射激光芯片的大功率集成的问题，让大功率激光器可以应用到一些严苛的使用环境中去。

本实用新型的激光器在面发射集成模块上，可以直接用中型尺寸光学镜片，常规加工和工装即可满足调试需求，规避微加工和微型工装的工序。

进一步地，本实用新型的冷板内的流道为宏通道，因此：（1）相对于微通道，加工属于常规加工，工艺上相对实现度高很多；（2）宏通道流道中，冷却介质在满足流体要求的情况下，没有严苛要求，适应性好很多；（3）温度分部调整容易实现，根据宏通道流道特性可以直接定位到需要调整的点，而微通道多层微观结构，无法精确的去调控某点温度特性。

下面结合附图对本实用新型作进一步的详细描述。

附图说明

图1是本实用新型实施例针对面发射激光芯片的高功率模块的立体图。

图2是本实用新型实施例针对面发射激光芯片的高功率模块的爆炸图。

图3是本实用新型实施例冷板间单元的组合结构示意图。

图4是本实用新型实施例单个冷板单元的立体图。

图5是本实用新型实施例单冷板平流层流道以及温度梯度示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的各实施例及实施例中的特征可以相互结合，下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步详细说明。

请参照图1-5所示，本实用新型的实施例涉及一种针对面发射激光芯片的高功率模块100，可用作高功率直接半导体激光器，例如作为高速熔覆模块可用于高速激光熔覆系统。本实用新型的高功率模块100是一种高稳定性、高可靠性、高功率半导体激光模块，具有高质量激光阵列条和高效的散热结构；且封装结构简单、高效、低成本，适于广泛应用。

本实用新型的高功率模块100整体为冷板堆栈式封装结构，包括若干条冷板堆叠形成，每条冷板封装集成多个面发射激光芯片14形成单独模块。

其中，最上层的冷板作为顶部密封板2，最下层的冷板作为底部密封板3，中间的若干条分离的冷板7上下堆叠。堆栈式封装结构的各条冷板标示为中间各层冷板7以及顶、底密封板2、3，外壁表面集成多个面发射激光芯片14。各条冷板的同一侧外壁表面，封装多个面发射激光芯片14，较佳地各层集成的多个芯片分别排列为一排面发射激光芯片，每层多个面发射激光芯片14可首尾依次串联且与各层冷板上设置的电极模块8串联。对应地，堆栈式封装结构各层集成的芯片排列成面发射激光芯片阵列4，每条冷板7集成的面发射激光芯片14发光面上设置准直透镜5，用于调整面发射激光芯片光束的均匀性。高功率模块100（冷板堆栈式封装结构）还连接有进水管1和出水管6。进水管1，顶部密封板2、每条冷板7以及底部密封板3的内部流道12以及出水管6之间贯通，形成的冷却通道。较佳地，各条冷板7内部的流道12以及顶底部密封板内部的流道12之间在进出水口处相互并联地与进水管1和出水管6连通。顶部密封板2、底部密封板3、分离的冷板7均为高导热性能材料，例如但不限于铜材。密封板2、3以及若干条分离的冷板7上下堆叠形成的堆栈式散热器，密封板2、3以及每条冷板作为散热块，用于封装多个面发射激光芯片14且为多个面发射激光芯片14散热。

面发射激光芯片可以是HCSEL、VCSEL中的一种，本实用新型的高功率模块100较佳地应用在HCSEL芯片模组。

在具体实施例中，参照图3-4，针对面发射激光芯片的高功率模块100中，包括由多个面发射激光芯片例如HCSEL芯片封装集成的单独模块，先以单独芯片14对齐单独的散热块（冷板7/密封板2、3）的定位基准即限位侧，贴合好以后，然后依次首尾紧挨的排列若干个（如图所示有15个）芯片集成到散热块（冷板7/密封板2、3）上，然后通过焊料焊接到散热块上，再将整体模块置于打金线设备上，首尾相连打上金线，且与两端的电极模块8由金线11相连，从而将依次首尾紧挨的排列若干芯片14形成串联的电连接。

作为一种实施例，每条单独冷板7的形状一致，相邻两条冷板7上下表面之间可贴合密封形成合层，冷板7沿长度方向的外侧表面用于集成一排面发射激光芯片14，芯片14首尾紧挨排列，一对电极模块8分别设置于冷板7或一排面发射激光芯片14的两末端，封装面发射激光芯片14的各条冷板表面形成限位台阶16，以利于面发射激光芯片14的安装定位以及金线11的电连接。限位台阶16在各条冷板表面形成阶梯槽，面发射激光芯片阵列4的每排芯片中，各个芯片14首尾相连，根据模块的定位基准对齐封装焊接到阶梯槽内。每条冷板都是多芯片封装集成，在功率上可以自由搭配。

各条冷板（密封板2、3和分离冷快7）上都加工了一个芯片阵列组装的限位台阶16作为安装芯片的定位基准，同时电极模块8也根据限位台阶16进行定位胶合固定，因此在电极模块8与芯片打线表面存在一定阶梯落差距离，可避免金线11直接接触到铜材或他高导热金属材质的密封板2、3或冷板7而短路。

每一条冷板集成多个芯片，同时多个冷板堆栈式结构集成高功率激光器模组，其功率搭配方案多样化，且可只调整冷板数量，在成本和功率搭配灵活性上都有很高的优势。

面发射激光芯片14的出光面上还设置有准直透镜5，芯片发射光为发散光束15（如图3），准直透镜5用于调整光束均匀性。分离冷板7以及密封板2、3上的准直透镜5可根据实际需求，调整距离和实际尺寸，来调整光束均匀性，保证所在距离点，光通宽度在准直透镜工作范围临界点以内。

各单独冷板7以及密封板2、3上集成的芯片分别排成一排，对应每层设置一条准直透镜5来调整一排芯片发射光的光束均匀性，准直透镜5所在距离点，光通宽度在准直透镜工作范围临界点以内，保证合光效率。

多条分离冷板7以及密封板2、3堆栈后，每排芯片发光面上设置的一条准直透镜5平行排列为多层。相应地，本实用新型的高功率模块100其面发射激光芯片阵列的出光面上的准直透镜形成多条平行排列的准直透镜组。

较佳地，设置在面发射激光芯片阵列出光面的准直透镜组，其所在位置，如图3~4芯片发光范围可以看出，芯片发出的发散光束15达到准直透镜时候，刚好在镜片宽度作用面临界以内，保证合光效率，又不会造成镜片余量太大而因此在相邻冷板激光合光时，就会影响上下两排光束合束质量。

准直透镜5由准直透镜支架9固定在中间冷板7及顶底部密封板2、3的芯片出光面。中间多条冷板7及顶底部密封板2、3的多条平行排列的准直透镜固定于准直透镜支架9上。准直透镜支架9为面板状，中间开设安装窗，用于安装准直透镜。准直透镜支架9由螺钉或紧固件固定于多条冷板的堆栈式封装结构的一侧，从而使固定的每条准直透镜5分别位于各层集成芯片的发光面。

面发射激光芯片阵列4都是COS模块（芯片与热沉的一体模块）焊接到冷板7和顶底部密封盖2、3上，既方便了打线，也可以将面发射激光芯片产生的热量直接通过热沉快速传到冷板（如铜板）上，以进行均匀散热。

每条冷板内部形成有水冷流道12，水冷流道12是在冷板上直接加工而成，是沿冷板厚度方向自顶面或底面凹陷一定深度且沿冷板长度方向或集成芯片的排列方向延伸的一条通道。流道12在沿冷板厚度方向层流时候，各层之间互相隔离。每排芯片对应有一条水道（冷却水或其他冷却液）流过。

作为一种实施例，冷却液流道12沿冷板7的整个厚度方向加工出一条流道槽，顶部槽口为敞口，流道槽底壁具有一定厚度，用于每一层芯片间的流道隔离，只有前后进出水口是上下各层贯通。流道整体沿冷板长度方向延伸，流道内形成若干弯道以增加流道长度。

进一步地，中间冷板7及顶底部密封板2、3的流道内增加了局部加强散热的鳍片结构，来增加芯片封装侧的液冷接触面积，特别地，在流向背侧构建凹槽回流结构，能增加局部的换热效率，从而增加冷却液在中间冷板7及顶底部密封板2、3内的流程。具体地，中间冷板7及顶底部密封板2、3的流道12内，对应芯片封装的一侧，在流道12内侧壁形成若干条突出鳍片，突出鳍片18一侧对着进水口即对着水流方向，另一侧朝向出水口，即流向背侧，在流向背侧进一步形成小的凹槽结构，以增加芯片封装侧的冷却液接触面积，同时在流向背侧即对应封装芯片处构建凹槽回流结构，能增加局部的换热效率。

本实施例中设置一排凹槽19自靠近芯片的一侧向另一侧平行排列。若干条突出鳍片也为平行排列，沿冷板宽度方向自封装芯片的一侧向另一侧方向延伸，突出地设置在流道12中与流向方向垂直或成一定角度地抵挡冷却液流动，流道12的与芯片安装侧相对的另一内侧壁，与突出鳍片18相对应地形成后凹弯道，从而形成波浪形或弯曲的壁面，相邻的后凹弯道之间的连接处形成突齿20，流道边沿（包括突齿20上）设置若干螺钉孔17或安装孔，由螺钉23或其他紧固件与螺钉孔17锁紧，从而将各层之间固定在一起。在各流道的顶部安装密封垫10以封盖流道12顶部，从而使冷板7上的流道12形成独立流道，上下及四周密封，仅进出水口与其他层时出水口贯通。弯曲的流道内突出鳍片18与突齿20错位相对地排布，增加流道长度。弯曲延伸的流道12和/或突出鳍片18和/或流向背侧的凹槽19和/或突齿20形成流道缓冲结构，使冷却液的流程加长，形成回流结构，强化散热效果，提高散热效率。

流道12两端对应为进水口120和出水口121，各层冷板流道12的进出水口120、121相互连通且分别与顶底部密封板2、3的进水口120、出水口121连通，由进水管1导入冷却液，最后由出水管6流出。较佳地，各层冷板以及顶底部密封板的进水口上下对齐排列，出水口为上下对齐排列，内部流道12之间平行。本实施例中，中间各层冷板7进水口120、出水口121分别为贯穿厚度的通孔，分别靠近长度方向的两末端设置。

各层冷板7以及顶底部密封板2、3整体组成堆栈式散热结构，流道12为宏通道，各层冷板内的流道并联，避开串联冷却液流道的进出水口冷却效果差距大的问题，可以更好的控制散热均匀性以及进出水口的温差，保证芯片阵列4整体温度均衡性，避免产生局部衰减影响光束质量等问题。并联流道缓冲结构，相对传统串联的流道，不会出现水在流道前端大量吸热，导致后端解热时候水温过高，流体解热能力下降（水温升高，温差减少，交换热量减少），从而引起流道前端温度比较均衡，而后端水温升高后解热能力下降导致芯片温度陡升的问题。

本实用新型的冷板内的流道12设计为宏通道模式：（1）相对微通道，加工属于常规加工中的精密加工范围，工艺上相对实现度高很多；（2）宏通道流道，冷却介质在满足流体要求的情况下，没有严苛要求，适应性好很多；（3）温度分部调整容易实现，根据宏通道流道特性可以直接定位到需要调整的点，微通道多层微观结构，无法精确的去调控某点温度特性。

顶部密封板2和底部密封板3分别作为最顶层冷板和最底层冷板，密封堆栈结构的上下两端以及底部承重，厚度可较中间层冷板7更厚，其他轮廓尺寸可与中间层冷板7一致，其内部的流道12的形状可设置与中间各层冷板7内的流道相同，均以标号12表示。顶部密封板2和底部密封板3长度方向相对的各一端分别设置一个进水口120或一个出水口121，进水口120连接进水管1，出水口121连接出水管6。本实施例中，进水口120和一个出水口121分别设置于顶部密封板2和底部密封板3相对的两端，且贯通厚度方向与各自内部的流道12连通，分别与中间各层冷板7的进水口120和出水口121连通、上下对齐（但不限于这种上下对齐的排列）。作为一种实施例，由进水管1通过设置于顶部密封板2或底部密封板3的进水口120向各层（密封板2、3以及多条冷板7）流道12的进水口内导入冷却液，经各层并联流道12导流后，由各出水口121的通道流出最后由底部密封板3或顶部密封板2的出水口121上连接的出水管导出模块100外。进水管1和出水管6也可连接于其他层冷板的进水口和出水口，各层冷板的进水口连通，出水口连通；各层冷板中至少一个进水口外接进水管1，至少一个出水口连接出水管6，从而自进水管1分别向各层冷板的流道12引入冷却液，并由出水管6排出以带走热量。

各条冷板（中间冷板7、密封板2、3）内部流道的开槽顶部分别设置一个密封垫10，由螺钉23或其他紧固件直接紧固在流道顶部，除进水口和出水口之外，完全密封流道的流道槽口，各层冷板之间由螺钉23进一步锁紧压合密封。

密封垫10的形状及尺寸与流道槽口相适配，可略大于流道边沿，冷板设置有边沿卡槽，密封垫10封盖住流道槽口且由卡槽限位，进一步通过螺钉23与流道边沿或内部设置的螺钉孔17锁紧而将密封垫10锁紧在冷板流道上密封流道。密封垫10上对应设置有与流道进出水口对应的通孔，以利于各层流道的进出水口之间的连通。

密封垫10分别位于各层冷板之间，冷板流道边沿外侧或流道内设置有螺钉孔17，通过螺钉23锁紧压合两层冷板间的密封垫10达到密封固定的效果。

其中冷板堆栈结构以底部密封板3为承力结构，逐层往上组装，层层压合，并通过每层预留的螺钉孔17和螺钉23避位结构往下承力结构上打螺钉，压合中间密封垫10，来做密封固定。当到最上面顶部密封板2，流道12的敞口朝下，密封垫10与下层冷板的密封垫10相互压合。其他各层之间是由下层密封垫10与上层底壁之间压合。顶部密封板2流道中间的的螺钉孔17与水路相通，避免漏水，则在堆栈结构顶部密封板2的顶部，增加了隔离板13和另一层密封垫10′，确保顶层螺钉孔结构不向外漏水。其局部组装示意图可参考图2，隔离板13由螺钉固定轨迹21与顶部密封板2固定，螺钉固定轨迹21与流道内的螺钉孔17错位，整体装配起来后，模块只有首尾互通，中间流道都是相互隔离，并且对外通过密封垫10′做了整体的防水结构，此处参照图2-3。

本实施例中，为避免合层间隙出现，在内部都使用单层密封垫配合结构，密封和隔离各冷板的流道12。且通过预留的螺钉孔位逐层往下压合固定。

位于最上层冷板7的上表面封盖密封垫10，由顶部密封板2压合，在顶部密封板2中间开设有密封垫安装槽22，隔离板13卡入安装槽内压合密封垫10′在顶部密封板2上密封。隔离板13的形状与安装槽的形状尺寸相适配，刚好压入安装槽22内，周边由螺钉或紧固件与顶部密封板流道顶壁的密封垫10′之间紧固。本实用新型分层式密封垫密封结构，底壁做单独隔离密封，额外的隔离板13降低层与层之间的漏水风险。

各层冷板（冷板7/密封板2、3）的层与层之间通过螺钉或其他紧固件相互固定在一起形成整体散热结构，各冷板同侧外壁表面各自集成一排面发射激光芯片14，排列成面发射激光芯片阵列4。

本实用新型的高功率模块100冷板堆叠方案，各层冷板整体组成的堆栈式散热结构，内部可形成多层并联宏通道流道，流道内形成缓冲结构；每一层的导热效率都能根据芯片功率，芯片大小做灵活调整，例如调整流道长度和回流结构等，大大提高单冷板的导热效率且降低成本。

参照图5所示的流道结构分析图，在一种非限定性实例中，本实用新型的高功率模块100可解决120W/cm²高功率热密度的散热需求。

参照图5，本实用新型的高功率模块100，具有良好的散热效果，图5为单独冷板内部流道示意图，作为一种举例，在常温常压下，单冷板7需要解热600W热功率，从图5可以看到，单条内部流道整体温度分布均匀，无局部过热等现象。

在图示例子中，可采用八条中间层分离冷板7，二个顶底板2、3，封装10条*15个=150个芯片，此结构可以随时减条，减条温度会更佳。作为一种实施例，加条方面，在拟定的芯片工作温度65摄氏度需求内，此流道模拟极限还可以增条到12条冷板，集成180个芯片的结构模型。

本实用新型的高功率模块100冷板分条封装，减小大功率集成模块整体加工的工装治具体积，也在后续维修保养上能够节省很大的成本空间，只需要针对故障冷板做排查或者更换处理。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。

在实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或可传输数据的连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原则和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，均应属于本实用新型的范围；本实用新型的保护范围由所附权利要求及其等同范围限定。

Claims (10)

1.一种针对面发射激光芯片的高功率模块，包括多条冷板，其特征在于：每条冷板封装有若干个面发射激光芯片，多条冷板堆叠形成具有堆栈式散热结构的高功率半导体激光器模组。

2.如权利要求1所述的高功率模块，其特征在于：

每条冷板各自封装成单独模块；

每条冷板设置有电极模块；

每条冷板上封装多个面发射激光芯片，依次排列、相互串联，且与电极模块串联；

每条冷板上封装的多个面发射激光芯片排列成一排；多条冷板的面发射激光芯片排列成芯片阵列。

3.如权利要求2所述的高功率模块，其特征在于：

面发射激光芯片为COS模块，包括面发射激光器及热沉，通过热沉一体焊接于冷板；面发射激光芯片产生的热量通过热沉传到冷板散热；

所述冷板为高导热金属板；

冷板表面形成限位阶梯槽，面发射激光芯片对齐地焊接于阶梯槽内；冷板上设置的电极模块与面发射激光芯片表面存在阶梯落差距离，避免连接电线直接接触冷板发生短路。

4.如权利要求2所述的高功率模块，其特征在于：

面发射激光芯片的发光面设置有准直透镜，调整面发射激光芯片光束的均匀性；

一排面发射激光芯片的发光面设置一条准直透镜，调整一排面发射激光芯片光束的均匀性；

面发射激光芯片阵列发光面设置多排平行的准直透镜，调整面发射激光芯片阵列光束的均匀性；

所述准直透镜由准直透镜支架固定在冷板封装有面发射激光芯片的一侧；

准直透镜的设置原则：面发射激光芯片的发射光达到准直透镜时，光束宽度在准直透镜镜片宽度作用面范围以内，以保证合光效率，以及整体模块出光光斑的均匀性。

5.如权利要求4所述的高功率模块，其特征在于：准直透镜的设置原则：发射激光芯片的发射光达到准直透镜刚好在镜片宽度作用面临界以内，保证合光效率；相邻冷板之间合光时，上下两排光束合束互不干扰；

在准直透镜宽度方向的两侧只有用于点胶固定透镜的余量位置；

面发射激光芯片的发射光为发散光束；

所述面发射激光芯片为HCSEL或VCSEL芯片。

6.如权利要求1~5任一项所述的高功率模块，其特征在于：

每条冷板内加工有冷却液流道以及与流道连通的进水口和出水口，用于供冷却液由进水口分别导入流道且由出水口排出，从而给面发射激光芯片散热；

冷板内的流道由密封垫来密封；多条冷板层层压合，压紧密封垫。

7.如权利要求6所述的高功率模块，其特征在于：

所述每条冷板内的流道为独立设置，多条冷板内的流道之间相互并联；每条冷板的进水口之间连通、出水口之间连通；由至少一个进水口外接进水管以接入冷却液、至少一个出水口外接出水管以排出冷却液带走热量。

8.如权利要求7所述的高功率模块，其特征在于：

冷板内的流道为宏通道流道；

流道是由冷板顶面或底面形成的一条开槽，槽口由密封垫密封，由密封垫隔离各条流道；密封垫对应冷板内的流道的进水口和出水口设置开孔，从而使各层冷板的流道的进水口之间连通、出水口之间连通；

所述流道内设计有弯道，以加长流道来加大换热效率；

流道内设置有若干条突出鳍片形成类似散热片的结构；

所述流道内在靠近面发射激光芯片处设置凹槽回流结构。

9.如权利要求8所述的高功率模块，其特征在于：

每条冷板内的流道沿面发射激光芯片排列的长度方向延伸；

面发射激光芯片设置于冷板长度方向的外壁表面；

突出鳍片上在冷却液流向的背侧进一步形成凹槽结构，从而形成凹槽回流结构；

若干条突出鳍片也为平行排列，沿冷板宽度方向自封装芯片的一侧向另一侧方向延伸，突出地设置在流道中与流向方向垂直或成一定角度地抵挡冷却液流动；流道的与芯片安装侧相对的另一内侧壁，与突出鳍片相对应地形成弯道。

10.如权利要求8所述的高功率模块，其特征在于：

各层冷板在流道周边和/或流道内设置有安装孔，冷板之间以及密封垫与冷板之间通过紧固件与安装孔配合而紧固压合；

所述多条冷板堆叠的最上层冷板作为顶部密封板；顶部密封板的底部设置流道，顶部设置安装槽，安装槽底壁设置有另一层密封垫以覆盖和密封流道内的安装孔位置，安装槽内置适配的隔离板，隔离板压合密封所述另一层密封垫且与顶部密封板紧固在一起，从而形成整体的防漏结构。

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