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一種用于半導體激光器的液體制冷片及其制備方法

文檔序號:6927800閱讀:198來源:國知局
專利名稱:一種用于半導體激光器的液體制冷片及其制備方法
技術領域
本發(fā)明屬于激光器制造領域,涉及一種制冷片,尤其是一種用于半 導體激光器的液體制冷片及其制備方法。
背景技術
目前,功率電子器件在工業(yè)、國防等領域已經得到廣泛的應用,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外,還與其封裝和 散熱密切相關。為了提高功率電子器件的功率、可靠性和性能穩(wěn)定性, 降低生產成本,必須設計出高可靠性的封裝結構和高效的散熱結構。因 此,設計和制備低成本、高效率的制冷器是十分必要的。
現(xiàn)有技術中,功率電子器件的封裝形式有熱傳導冷卻型
("Two-dimensional high-power laser diode arrays cooled by Funryu heat sink". SPIE, vol.889, 66-70(2000))和微通道液體制冷型(大功率半導體激 光器迭陣的制備,中國發(fā)明專利,公開號為CN1402394A, 2003.3.12) 兩種。以大功率半導體激光器為例,說明這兩種封裝形式。對于大塊熱 沉而言,由于采用被動散熱方式,容易產生器件溫度上升,這將導致器 件的壽命和可靠性下降等問題的產生。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,要想進一步擴展功率電子器件的功 率就十分困難。
另一種現(xiàn)在已經商業(yè)化生產的微通道液體制冷器結構。雖然其采用主動散熱,散熱能力增強,使器件的功率得到很大的提高,但仍存在以 下缺點-
1. 使用和維護成本高由于該制冷器的冷卻液與電子器件正負極直 接接觸,因此在工作時必須使用高質量的去離子水作為冷卻介質,以防 止正負極導通。去離子水成本高,并且在使用時必須保持去離子水的低 電導率,因此使用和維護成本很高。
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,內部的微通道大約為300微米,在制造過程中,需要對每一層 銅片進行精確的加工,以使層疊后的微通道在液體流過時形成散熱能力 強的湍流。因此,微通道制冷器的精確加工是一個難點。
3. 制造成本高由于微通道制冷器的精密加工難度相當大,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,若冷卻介質中存在 雜質時,這些雜質很容易附著在微通道內壁上。這些雜質顆粒會引起微 通道管壁的電化學腐蝕,嚴重時可能將微通道制冷器的管壁蝕穿,對器 件的安全性造成極大地影響。這些都嚴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的流動空間非常狹小, 因此容易產生多余的壓力降,導致器件失效。
綜上所述,熱傳導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體激光器的要求。 發(fā)明內容本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術的缺點,提供一種能夠滿足半導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。本發(fā)明的目的是通過以下技術方案來解決的-
這種用于半導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有固定通孔,制冷片主體上垂直設有入液通孔和出液通孔,所述入液通孔內設有散熱翅片,所述制冷片主體在靠近入液通孔的一端設有芯片安裝區(qū)。
上述制冷片主體的材質為金屬、陶瓷、金剛石或者銅和金剛石的復合材料。
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的若干條金屬片。上述散熱翅片為設于入液通孔內的蜂窩狀制冷片。一種上述液體制冷片的制備方法,具體包括以下步驟
1) 首先加工矩形片狀的制冷片主體,并將其表面拋光,在其上制備固定通孔和出液通孔;
2) 在制冷片主體上加工入液通孔和散熱翅片,在制冷片主體距離入液通孔近的一端預留芯片安裝區(qū);
3) 在出液通孔和入液通孔上端加工沉孔,完成液體制冷片的制作。
上述入液通孔和散熱翅片成一體加工成型,所述散熱翅片為一片或一片片以上。
本發(fā)明具有以下有益效果-
(1) 使用和維護簡單該制冷片沒有微通道結構,而是采用散熱翅片結構,對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、制作成本低本發(fā)明的主要部件包括矩形片狀的散熱器主體和散熱翅片,結構非常簡單,易于機械加工,從而有效降低了制作成本。
(3) 散熱能力強本發(fā)明采用液體制冷,在液體通路中使用多片散熱翅片進行散熱,大大增加制冷片的散熱面積,并增大了冷卻介質的湍流度,從而強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構尺寸大大增加,因此制冷液通道被腐蝕的風險較低,可靠性大大提高。
(5) 密封要求低本發(fā)明用散熱翅片取代了現(xiàn)有技術中的微通道,大大增加了冷卻介質的流通空間,從而降低了流阻,減小了壓降,因此密封要求也隨之降低。


圖l為本發(fā)明的結構示意圖2為本發(fā)明具有蜂窩狀制冷片12的結構示意圖3為本發(fā)明的應用實例示意圖4為本發(fā)明的應用實例的測試結果圖。
其中l(wèi)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為負極接線孔;12為蜂窩狀制冷片。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發(fā)明做進一步詳細描述
參見圖1和圖2,這種用于半導體激光器的液體制冷片,其制冷片主體l為多邊形片狀(圖中為矩形片狀,具體形狀可以根據需要設計),
制冷片主體1的中部垂直開設有固定通孔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的一端設有芯片安裝區(qū)6。其中,制冷片主體l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內還設有散熱翅片2,散熱翅片2是徑向固定于入液通孔5內的若干條金屬片(如圖l),其數量可選取為三片。散熱翅片2可以是在加工入液通孔5時一體成型的,也可以是后來固定于入液通孔5內,并且散熱翅片2的結構也不局限于金屬片一種,它也可以是設于入液通孔5內的蜂窩狀制冷片12 (如圖2)。
為了便于放置密封圈,入液通孔5和出液通孔4的上端可以設置大于其直徑的沉孔7,在沉孔7中設置密封圈,以保證組成半導體激光器時液體制冷片與其他部件之間的密封性能。本發(fā)明的入液通孔5和出液通孔4可以為圓形(如圖1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l的材質可選擇導熱能力強的金屬,如銅、鋁,也可選擇陶瓷、金剛石或者其他復合材料(如銅和金剛石的復合材料)。另外制冷片主體l的形狀局限于矩形片,也可以根據需要設置為其他形狀,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,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
的位置應該距離制冷片主體1的端頭一段距離,這段即為預留的芯片安
裝區(qū)6。散熱翅片的數量可以加工為一片或一片以上,并且在加工入液 通孔5時可以同時將散熱翅片2加工出來。這樣散熱翅片2與入液通孔 5是成一體結構。也可以將散熱翅片與制冷片主體結構分開加工,然后 固定在一起,形成一體結構。
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。
本發(fā)明的液體制冷片工作過程如下
工作時,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,經過散熱翅片2后在入液通道內形成湍流。半導體激光器的芯片 產生的熱量通過連接界面(即芯片安裝區(qū)6和熱沉等相關配件)傳導到 本發(fā)明的液體制冷片上,進而傳導給入液通孔5內的冷卻液,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湍流 度和增大散熱面積的作用,從而增強散熱效果。
以下介紹本發(fā)明的應用實例
應用實例基于本發(fā)明的液體制冷片,制備出了 808nm, 250W大功率半導體 激光器。其裝配完全后的結構如圖3所示。由上液體制冷塊8和下液體 制冷塊9將本發(fā)明的制冷片主體1夾緊安裝,在上液體制冷塊8的下端 相對制冷片主體1上的入液通孔5和出液通孔4也設有相互導通的入液 孔和出液孔,下液體制冷塊9上同樣相對于入液通孔5和出液通孔4設 有進液通孔和排出通孔,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9一端設置正極連接片10,正極連接片IO 將芯片的正極引出,芯片的負極連接到上液體制冷塊8上,上液體制冷 塊8的一端設置有負極接線孔11 。
工作時,在正極接線片IO和負極接線孔11上加電壓。激光器芯片 正常工作,工作時發(fā)出的熱量利用冷卻液的循環(huán)流動帶走。冷卻液由下 液體制冷塊9的進液通孔進入,沖到本發(fā)明的制冷片主體1的入液通孔 5中,穿過散熱翅片2。芯片產生的熱量會通過制冷片主體1傳導到散熱 翅片2上,冷卻液穿過散熱翅片2時,將散熱翅片2上的熱量帶走,冷 卻液之后到達上液體制冷塊8的入液孔內,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,最后經下液體制冷塊9的排出通孔排出。經外部冷 卻后由泵從新送回下液體制冷塊9的進液通孔,進行下一輪循環(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半導體 激光器造成損壞。
以下給出這種808nm單陣列液體制冷半導體激光器的各項測試結
果(1) 如圖4所示,當測試水溫為25。C時,808nm單陣列半導體激光 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,典型的電光轉換效率為59.07%。
(3) 如圖4所示,使用本發(fā)明專利制作的808nm單陣列半導體激光 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, FW卯。/。E為3.85nm。
綜上所述,本發(fā)明設計了一種新型高效低成本液體冷卻片,在輸出 相同光功率的前提下,成本更低。本發(fā)明可主要應用于單陣列、水平陣 列和疊層陣列液體制冷半導體激光器。
權利要求
1.一種用于半導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)的中部垂直開設有固定通孔(3),制冷片主體(1)上垂直設有入液通孔(5)和出液通孔(4),所述入液通孔(5)內設有散熱翅片(2),所述制冷片主體(1)在靠近入液通孔(5)的一端設有芯片安裝區(qū)(6)。
2. 根據權利要求l所述的用于半導體激光器的液體制冷片,其特征在于: 所述制冷片主體(1)的材質為金屬、陶瓷、金剛石或者銅和金剛石的 復合材料。
3. 根據權利要求l所述的用于半導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. 根據權利要求l所述的用于半導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. 根據權利要求l所述的用于半導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)內的若干條金屬片。
6. 根據權利要求l所述的用于半導體激光器的液體制冷片,其特征在于 所述散熱翅片(2)為設于入液通孔(5)內的蜂窩狀制冷片。
7. —種權利要求1所述液體制冷片的制備方法,其特征在于,包括以下步1) 首先加工矩形片狀的制冷片主體(1),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)上加工入液通孔(5)和散熱翅片(2),在 制冷片主體(1)距離入液通孔(5)近的一端預留芯片安裝區(qū)(6);3)在出液通孔(4)和入液通孔(5)上端加工沉孔(7),完成液 體制冷片的制作。
8.根據權利要求7所述的液體制冷片的制備方法,其特征在于,步驟2) 中所述入液通孔(5)和散熱翅片(2)成一體加工成型,所述散熱翅片 (2)是一片或一片以上。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于半導體激光器的液體制冷片及其制備方法,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有固定通孔,固定通孔的兩側分別設有入液通孔和出液通孔,所述入液通孔內設有散熱翅片,所述制冷主體在靠近入液通孔的一端設有芯片安裝區(qū)。該液體制冷片不僅制作簡單、制作成本低、使用和維護簡單,而且散熱能力強、可靠性高,并且對密封的要求低。
文檔編號H01S5/024GK101635432SQ20091002375
公開日2010年1月27日 申請日期2009年8月31日 優(yōu)先權日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
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