專利名稱：一種用于半導(dǎo)體激光器的液體制冷片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于激光器制造領(lǐng)域，涉及一種制冷片，尤其是一種用于半導(dǎo)體激光
器的液體制冷片。
背景技術(shù)：
目前，功率電子器件在工業(yè)、國防等領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，市場需求巨大，發(fā) 展前景極為廣闊。隨著電子器件功率的提高，其冷卻器也在不斷發(fā)展。功率電子器件的性 能除了與芯片有關(guān)外，還與其封裝和散熱密切相關(guān)。為了提高功率電子器件的功率、可靠性 和性能穩(wěn)定性，降低生產(chǎn)成本，必須設(shè)計(jì)出高可靠性的封裝結(jié)構(gòu)和高效的散熱結(jié)構(gòu)。因此， 設(shè)計(jì)和制備低成本、高效率的制冷器是十分必要的。 現(xiàn)有技術(shù)中，功率電子器件的封裝形式有熱傳導(dǎo)冷卻型("Two-dimensional high-power laser diode arrays cooled by Funryu heatsink，，. SPIE， vol. 889， 66-70(2000))和微通道液體制冷型(大功率半導(dǎo)體激光器迭陣的制備，中國發(fā)明專利，公 開號(hào)為CN1402394A，2003. 3. 12)兩種。以大功率半導(dǎo)體激光器為例，說明這兩種封裝形式。 對(duì)于大塊熱沉而言，由于采用被動(dòng)散熱方式，容易產(chǎn)生器件溫度上升，這將導(dǎo)致器件的壽命 和可靠性下降等問題的產(chǎn)生。因此，用這種封裝形式的器件，其輸出功率一般只有幾瓦到幾 十瓦，要想進(jìn)一步擴(kuò)展功率電子器件的功率就十分困難。 另一種現(xiàn)在已經(jīng)商業(yè)化生產(chǎn)的微通道液體制冷器結(jié)構(gòu)。雖然其采用主動(dòng)散熱，散 熱能力增強(qiáng)，使器件的功率得到很大的提高，但仍存在以下缺點(diǎn) 1.使用和維護(hù)成本高由于該制冷器的冷卻液與電子器件正負(fù)極直接接觸，因此 在工作時(shí)必須使用高質(zhì)量的去離子水作為冷卻介質(zhì)，以防止正負(fù)極導(dǎo)通。去離子水成本高， 并且在使用時(shí)必須保持去離子水的低電導(dǎo)率，因此使用和維護(hù)成本很高。 2.加工難度大微通道液體制冷器通常是由幾層很薄的銅片層疊加工成型，內(nèi)部 的微通道大約為300微米，在制造過程中，需要對(duì)每一層銅片進(jìn)行精確的加工，以使層疊后 的微通道在液體流過時(shí)形成散熱能力強(qiáng)的湍流。因此，微通道制冷器的精確加工是一個(gè)難 點(diǎn)。 3.制造成本高由于微通道制冷器的精密加工難度相當(dāng)大，其制造成本也是非常 高的。 4.使用壽命短在功率電子器件的工作過程中，若冷卻介質(zhì)中存在雜質(zhì)時(shí)，這些 雜質(zhì)很容易附著在微通道內(nèi)壁上。這些雜質(zhì)顆粒會(huì)引起微通道管壁的電化學(xué)腐蝕，嚴(yán)重時(shí) 可能將微通道制冷器的管壁蝕穿，對(duì)器件的安全性造成極大地影響。這些都嚴(yán)重影響到功 率電子器件的使用壽命。 5.密封要求高由于微通道制冷器中冷卻介質(zhì)的流動(dòng)空間非常狹小，因此容易產(chǎn) 生多余的壓力降，導(dǎo)致器件失效。 綜上所述，熱傳導(dǎo)冷卻型和微通道液體制冷型這兩種封裝形式都不能夠完全滿足 大功率半導(dǎo)體激光器的要求。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供一種能夠滿足半導(dǎo)體激光 器使用要求的高效液體制冷片，并有效降低其制造和使用成本。 本實(shí)用新型的目的是通過以下技術(shù)方案來解決的 這種用于半導(dǎo)體激光器的液體制冷片，包括制冷片主體，所述制冷片主體為多邊 形片狀，制冷片主體的中部垂直開設(shè)有固定通孔，制冷片主體上垂直設(shè)有入液通孔和出液 通孔，所述入液通孔內(nèi)設(shè)有散熱翅片，所述制冷片主體在靠近入液通孔的一端設(shè)有芯片安 裝區(qū)。 上述制冷片主體的材質(zhì)為金屬、陶瓷、金剛石或者銅和金剛石的復(fù)合材料。 上述矩形片狀的制冷片主體的厚度為1. 6mm。 上述固定通孔的直徑為3. 5mm ;所述入液通孔的直徑為5. 5mm ;所述出液通孔的直 徑為5. 5mm。 上述散熱翅片為固定于入液通孔內(nèi)的若干條金屬片。 上述散熱翅片為設(shè)于入液通孔內(nèi)的蜂窩狀制冷片。 本實(shí)用新型具有以下有益效果 (1)使用和維護(hù)簡單該制冷片沒有微通道結(jié)構(gòu)，而是采用散熱翅片結(jié)構(gòu)，對(duì)制冷 液顆粒度要求不高，僅使用工業(yè)用水即可正常工作。 (2)制作簡單、制作成本低本實(shí)用新型的主要部件包括矩形片狀的散熱器主體 和散熱翅片，結(jié)構(gòu)非常簡單，易于機(jī)械加工，從而有效降低了制作成本。 (3)散熱能力強(qiáng)本實(shí)用新型采用液體制冷，在液體通路中使用多片散熱翅片進(jìn) 行散熱，大大增加制冷片的散熱面積，并增大了冷卻介質(zhì)的湍流度，從而強(qiáng)化制冷片的制冷 效果。 (4)可靠性高由于水路尺寸相比微通道結(jié)構(gòu)尺寸大大增加，因此制冷液通道被 腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)較低，可靠性大大提高。 (5)密封要求低本實(shí)用新型用散熱翅片取代了現(xiàn)有技術(shù)中的微通道，大大增加 了冷卻介質(zhì)的流通空間，從而降低了流阻，減小了壓降，因此密封要求也隨之降低。

圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為本實(shí)用新型具有蜂窩狀制冷片12的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3為本實(shí)用新型的應(yīng)用實(shí)例示意圖； 圖4為本實(shí)用新型的應(yīng)用實(shí)例的測試結(jié)果圖。 其中1為制冷片主體；2為散熱翅片；3為固定通孔；4為出液通孔；5為入液通 孔；6為芯片安裝區(qū)；7為沉孔；8為上液體制冷塊；9為下液體制冷塊；10為正極連接片；11
為負(fù)極接線孔；12為蜂窩狀制冷片。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步詳細(xì)描述[0031] 參見圖1和圖2，這種用于半導(dǎo)體激光器的液體制冷片，其制冷片主體1為多邊形 片狀(圖中為矩形片狀，具體形狀可以根據(jù)需要設(shè)計(jì))，制冷片主體1的中部垂直開設(shè)有固 定通孔3，固定通孔3的直徑為3. 5mm，制冷片主體1上分別垂直設(shè)有入液通孔5和出液通 孔4，制冷片主體1在靠近入液通孔5的一端設(shè)有芯片安裝區(qū)6。其中，制冷片主體1厚度 控制在1. 6mm，入液通孔5的直徑為5. 5mm，出液通孔4的直徑為5. 5mm，所述入液通孔5內(nèi) 還設(shè)有散熱翅片2，散熱翅片2是徑向固定于入液通孔5內(nèi)的若干條金屬片(如圖1)，其數(shù) 量可選取為三片。散熱翅片2可以是在加工入液通孔5時(shí)一體成型的，也可以是后來固定 于入液通孔5內(nèi)，并且散熱翅片2的結(jié)構(gòu)也不局限于金屬片一種，它也可以是設(shè)于入液通孔 5內(nèi)的蜂窩狀制冷片12(如圖2)。 為了便于放置密封圈，入液通孔5和出液通孔4的上端可以設(shè)置大于其直徑的沉 孔7，在沉孔7中設(shè)置密封圈，以保證組成半導(dǎo)體激光器時(shí)液體制冷片與其他部件之間的密 封性能。本實(shí)用新型的入液通孔5和出液通孔4可以為圓形(如圖l所示)，也可以為多邊 形、橢圓形等其他利于冷卻液流通的形狀。 制冷片主體1的材質(zhì)可選擇導(dǎo)熱能力強(qiáng)的金屬，如銅、鋁，也可選擇陶瓷、金剛石 或者其他復(fù)合材料(如銅和金剛石的復(fù)合材料)。另外制冷片主體1的形狀局限于矩形片， 也可以根據(jù)需要設(shè)置為其他形狀，其表面可以涂覆防腐鍍層。 這種液體制冷片的制備過程如下 1)如圖l，選擇合適的材質(zhì)，加工成矩形片狀的制冷片主體l，并將其表面拋光，在 其上制備固定通孔3和出液通孔4 ; 2)在制冷片主體1上制備出入液通孔5和散熱翅片2。入液通孔5的位置應(yīng)該距 離制冷片主體1的端頭一段距離，這段即為預(yù)留的芯片安裝區(qū)6。散熱翅片的數(shù)量可以加工 為一片或一片以上，并且在加工入液通孔5時(shí)可以同時(shí)將散熱翅片2加工出來。這樣散熱 翅片2與入液通孔5是成一體結(jié)構(gòu)。也可以將散熱翅片與制冷片主體結(jié)構(gòu)分開加工，然后 固定在一起，形成一體結(jié)構(gòu)。 3)在出液通孔4和入液通孔5上端加工沉孔，完成液體制冷片的制作。 本實(shí)用新型的液體制冷片工作過程如下 工作時(shí)，冷卻液由入液通孔5流入與液體制冷片配套的液體循環(huán)通道內(nèi)，經(jīng)過散 熱翅片2后在入液通道內(nèi)形成湍流。半導(dǎo)體激光器的芯片產(chǎn)生的熱量通過連接界面(即芯 片安裝區(qū)6和熱沉等相關(guān)配件)傳導(dǎo)到本實(shí)用新型的液體制冷片上，進(jìn)而傳導(dǎo)給入液通孔 5內(nèi)的冷卻液，冷卻液循環(huán)后由出液通孔4流出，將熱量帶走。散熱翅片起到增大冷卻介質(zhì) 湍流度和增大散熱面積的作用，從而增強(qiáng)散熱效果。 以下介紹本實(shí)用新型的應(yīng)用實(shí)例 應(yīng)用實(shí)例 基于本實(shí)用新型的液體制冷片，制備出了 808nm，250W大功率半導(dǎo)體激光器。其裝 配完全后的結(jié)構(gòu)如圖3所示。由上液體制冷塊8和下液體制冷塊9將本實(shí)用新型的制冷片 主體1夾緊安裝，在上液體制冷塊8的下端相對(duì)制冷片主體1上的入液通孔5和出液通孔4 也設(shè)有相互導(dǎo)通的入液孔和出液孔，下液體制冷塊9上同樣相對(duì)于入液通孔5和出液通孔 4設(shè)有進(jìn)液通孔和排出通孔，將芯片以及涉及芯片的其他必要部件安裝在芯片安裝區(qū)6 ;在 下液體制冷塊9 一端設(shè)置正極連接片IO，正極連接片IO將芯片的正極引出，芯片的負(fù)極連接到上液體制冷塊8上，上液體制冷塊8的一端設(shè)置有負(fù)極接線孔11。 工作時(shí)，在正極接線片IO和負(fù)極接線孔11上加電壓。激光器芯片正常工作，工作 時(shí)發(fā)出的熱量利用冷卻液的循環(huán)流動(dòng)帶走。冷卻液由下液體制冷塊9的進(jìn)液通孔進(jìn)入，沖 到本實(shí)用新型的制冷片主體1的入液通孔5中，穿過散熱翅片2。芯片產(chǎn)生的熱量會(huì)通過制 冷片主體1傳導(dǎo)到散熱翅片2上，冷卻液穿過散熱翅片2時(shí)，將散熱翅片2上的熱量帶走， 冷卻液之后到達(dá)上液體制冷塊8的入液孔內(nèi)，由于上液體制冷塊8的入液孔與出液孔連通， 冷卻液由上液體制冷塊8的出液孔流出，到制冷片主體1的出液通孔4，最后經(jīng)下液體制冷 塊9的排出通孔排出。經(jīng)外部冷卻后由泵從新送回下液體制冷塊9的進(jìn)液通孔，進(jìn)行下一 輪循環(huán)。冷卻液在入液通道和出液通道里完全密封，以防止因冷卻劑泄露而對(duì)半導(dǎo)體激光 器造成損壞。 以下給出這種808nm單陣列液體制冷半導(dǎo)體激光器的各項(xiàng)測試結(jié)果 (1)如圖4所示，當(dāng)測試水溫為25t:時(shí)，808nm單陣列半導(dǎo)體激光器樣品在脈沖
(400Hz，200us)250A的工作條件下，其輸出光功率為289. 45W。 (2)在250A電流輸入條件下，激光器的閾值電流為21. 35A，斜坡效率為1. 31W/A， 典型的電光轉(zhuǎn)換效率為59. 07%。 (3)如圖4所示，使用本實(shí)用新型專利制作的808nm單陣列半導(dǎo)體激光器樣品， 在250A電流輸入條件下，其峰值波長為808. 53nm，中心波長為808. 53nm， FWHM為2. 73nm， FW90% E為3. 85nm。 綜上所述，本實(shí)用新型設(shè)計(jì)了一種新型高效低成本液體制冷片，在輸出相同光功 率的前提下，成本更低。本實(shí)用新型可主要應(yīng)用于單陣列、水平陣列和疊層陣列液體制冷半 導(dǎo)體激光器。
權(quán)利要求一種用于半導(dǎo)體激光器的液體制冷片，包括制冷片主體(1)，其特征在于所述制冷片主體(1)為多邊形片狀，制冷片主體(1)的中部垂直開設(shè)有固定通孔(3)，制冷片主體(1)上垂直設(shè)有入液通孔(5)和出液通孔(4)，所述入液通孔(5)內(nèi)設(shè)有散熱翅片(2)，所述制冷片主體(1)在靠近入液通孔(5)的一端設(shè)有芯片安裝區(qū)(6)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于半導(dǎo)體激光器的液體制冷片，其特征在于所述制冷片 主體(1)的材質(zhì)為金屬、陶瓷、金剛石或者銅和金剛石的復(fù)合材料。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于半導(dǎo)體激光器的液體制冷片，其特征在于所述多邊形 片狀的制冷片主體(1)的厚度為1. 6mm。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于半導(dǎo)體激光器的液體制冷片，其特征在于所述固定通 孔(3)的直徑為3. 5mm ;所述入液通孔(5)的直徑為5. 5mm ;所述出液通孔(4)的直徑為 5. 5mm。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于半導(dǎo)體激光器的液體制冷片，其特征在于所述散熱翅片(2)為固定于入液通孔(5)內(nèi)的若干條金屬片。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于半導(dǎo)體激光器的液體制冷片，其特征在于所述散熱翅片(2)為設(shè)于入液通孔(5)內(nèi)的蜂窩狀制冷片。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種用于半導(dǎo)體激光器的液體制冷片，該液體制冷片包括制冷片主體，其中制冷片主體為多邊形片狀，制冷片主體的中部垂直開設(shè)有固定通孔，固定通孔的兩側(cè)分別設(shè)有入液通孔和出液通孔，所述入液通孔內(nèi)設(shè)有散熱翅片，所述制冷主體在靠近入液通孔的一端設(shè)有芯片安裝區(qū)。該液體制冷片不僅制作簡單、制作成本低、使用和維護(hù)簡單，而且散熱能力強(qiáng)、可靠性高，并且對(duì)密封的要求低。
文檔編號(hào)H01S5/024GK201450225SQ200920034400
公開日2010年5月5日 申請日期2009年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月31日
發(fā)明者劉興勝 申請人:西安炬光科技有限公司