一種宏通道液體制冷器及其組合的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及一種宏通道液體制冷器。
【背景技術(shù)】
[0002]高功率半導(dǎo)體激光器的散熱設(shè)計(jì)是封裝的核心內(nèi)容之一。目前的高功率半導(dǎo)體激光器通常由以下幾種方式封裝:
[0003]a)如圖1、圖2所示，激光器巴條直接鍵合到液體制冷器上，液體制冷器采用一種基于微通道的結(jié)構(gòu)熱沉。這種封裝結(jié)構(gòu)通過熱沉的疊加可以實(shí)現(xiàn)較大功率的輸出，但該方式封裝的有如下缺點(diǎn):首先，微通道容易因?yàn)樗ǖ廓M窄，容易造成堵塞;第二，熱沉本身帶電，所以必須采用去離子水進(jìn)行冷卻，且對(duì)于離子濃度有很高的要求;第三，微通道內(nèi)的高速水流，會(huì)造成通道的侵蝕，導(dǎo)致產(chǎn)品失效;第四，微通道熱沉的整體強(qiáng)度與剛度缺乏，容易在組裝和制造過程中發(fā)生折彎、變形，從而影響封裝的質(zhì)量。
[0004]這種封裝因?yàn)榘蜅l與熱沉材料的CTE不匹配，通常只能選擇軟焊料封裝以降低因?yàn)闊釕?yīng)力造成的巴條內(nèi)部微損傷甚至撕裂，制約了激光器可靠性的提升。這種封裝形式的激光器巴條也可以先鍵合在CTE匹配的導(dǎo)電襯底(通常是銅鎢)上，再封裝到熱沉上。這樣的優(yōu)點(diǎn)是可以使用硬焊料進(jìn)行封裝，但是卻增加了散熱路徑，降低了散熱能力。
[0005]另外，還存在一種宏通道的熱沉用于巴條的封裝，類似圖1所示結(jié)構(gòu)，通過貫通的入水口、出水口起到散熱的作用。其優(yōu)點(diǎn)是通道較大，不易產(chǎn)生通道堵塞，液體的流速也會(huì)相對(duì)較低，可以減少通道的侵蝕。但是，這也造成了宏通道封裝器件的散熱能力較差、且存在通道內(nèi)溫度不均勻的問題，熱沉也是帶電的。所以這種封裝只適用于在功率較低的應(yīng)用場(chǎng)合。
[0006]13)相關(guān)專利文獻(xiàn)例如:1^5105429、1^5311530、1]56480514、1]56865200、1]57016383，US7944955B2、US7660335B2等。常見的一種封裝形式是:激光器巴條鍵合到CTE匹配的襯底形成一個(gè)發(fā)光單元，多個(gè)發(fā)光單元并列組合，封裝到絕緣塊上，再封裝到通常為宏通道的熱沉上。這樣的封裝形式，因?yàn)闊岢僚c激光器發(fā)光組件整體絕緣，為后續(xù)的應(yīng)用提供了方便，同時(shí)可以使用硬焊料封裝，實(shí)現(xiàn)非去離子水(DIW)制冷。因?yàn)橐r底與絕緣塊的存在，該封裝的主要缺點(diǎn)是巴條的散熱路徑比較長(zhǎng)，難以適應(yīng)高功率高占空比的場(chǎng)合。配合使用的宏通道液體制冷器可以通過水制冷或者其他方式制冷。基于這種熱沉結(jié)構(gòu)的每個(gè)產(chǎn)品，很難進(jìn)行組裝拼接以實(shí)現(xiàn)巴條數(shù)目的擴(kuò)展。當(dāng)需要更多bar條時(shí)，只能做不同尺寸的底部熱沉進(jìn)行匹配適應(yīng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明提出一種宏通道液體制冷器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，散熱效率高，結(jié)構(gòu)性好。
[0008]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0009]—種宏通道液體制冷器，在液體制冷器的側(cè)面貫通開設(shè)有相互平行的入水口和出水口，液體制冷器內(nèi)部設(shè)置有宏通道的液冷回路，所述液體制冷器內(nèi)部具有多層分隔的循環(huán)水路;循環(huán)水路分別自所述入水口起，繞經(jīng)液體制冷器在制冷工作面與入水口之間的區(qū)域再回流到出水口(即各層循環(huán)水路之間相互并聯(lián))。
[0010]實(shí)現(xiàn)上述多層分隔的循環(huán)水路，優(yōu)選以下兩種具體結(jié)構(gòu):
[0011]1、液體制冷器由多個(gè)獨(dú)立的通水板沿入水口、出水口貫通方向?qū)盈B組成，在每個(gè)通水板的內(nèi)部均設(shè)置有與所述入水口、出水口連通的循環(huán)水路；
[0012]2、液體制冷器為一體件，在內(nèi)部開設(shè)多層相互隔離的循環(huán)水路，循環(huán)水路所在平面與入水口、出水口貫通方向垂直。
[0013]為進(jìn)一步提高芯片組安裝面的散熱均勻性，相鄰兩層循環(huán)水路在入水口、出水口處的通水接口對(duì)稱設(shè)置，使相鄰兩層循環(huán)水路的流向相反。
[0014]入水口和出水口的貫通方向與制冷工作面平行。尤其對(duì)于堆疊式的制冷對(duì)象，所述入水口和出水口的貫通方向與安裝在制冷工作面的制冷對(duì)象的堆疊方向?yàn)橥环较蚧蛘呦嗷ゴ怪?。這樣可以使得液體制冷器具有擴(kuò)展性。最好使入水口位于制冷工作面的近端，出水口位于制冷工作面的遠(yuǎn)端。
[0015]本發(fā)明還由此提出一種宏通道液體制冷器組合，采用若干個(gè)上述宏通道液體制冷器沿入水口、出水口貫通方向依次對(duì)準(zhǔn)組裝，使得所有宏通道液體制冷器形成統(tǒng)一的入水口、出水口；相鄰宏通道液體制冷器的入水口、出水口位置安裝有密封圈。例如，對(duì)于以堆疊方式形成的半導(dǎo)體激光器芯片組，在每個(gè)液體制冷器上安裝芯片組構(gòu)成一個(gè)激光器模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)多個(gè)激光器模塊之間的電和水路的串聯(lián)聯(lián)接。
[0016]本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0017]液體制冷器的結(jié)構(gòu)性好，剛性大，不易變形，適合后續(xù)組裝;獨(dú)特的多層并聯(lián)循環(huán)水路結(jié)構(gòu)，顯著提高了散熱效果。
[0018]對(duì)循環(huán)水路的具體結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使得散熱均衡性更好，一定程度上也加強(qiáng)了安裝芯片組的應(yīng)力平衡。
[0019]多個(gè)液體制冷器能夠很方便地機(jī)械組裝、維護(hù)，從而支持半導(dǎo)體激光器芯片組的擴(kuò)展。
【附圖說明】
[0020]圖1、圖2為傳統(tǒng)的芯片組-液體制冷器的安裝結(jié)構(gòu)示意圖；其中，圖1(a)為主視圖，圖1 (b)為側(cè)視圖；圖中標(biāo)號(hào):1-散熱器(金屬片)；2-激光器芯片；3-負(fù)極連接片;4-絕緣層；5-入水口 ； 6-出水口。
[0021]圖3、圖4為應(yīng)用本發(fā)明的芯片組-液體制冷器的安裝結(jié)構(gòu)示意圖，其中圖3為主視圖；圖4為側(cè)視圖。
[0022]圖5為本發(fā)明多個(gè)模塊組裝擴(kuò)展的示意圖。
[0023]圖6為本發(fā)明液體制冷器的一種層疊結(jié)構(gòu)(多層通水板)示意圖。
[0024]圖7為本發(fā)明液體制冷器的另一種層疊結(jié)構(gòu)(一體件)示意圖。
[0025]圖8為相鄰兩層通水板的循環(huán)水路示意圖。
[0026]圖9為貫通的入水口和出水口的安裝位置示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027]以下結(jié)合具體的芯片組-液體制冷器的安裝結(jié)構(gòu)，對(duì)本發(fā)明的液體制冷器結(jié)構(gòu)作詳細(xì)介紹。
[0028]如圖3、4所示，激光器芯片12組裝在高熱導(dǎo)率、CTE匹配的導(dǎo)電材料的襯底11上。安裝有激光器芯片的襯底通過高熱導(dǎo)率的絕緣塊13，組裝到液體制冷器14上，組成一個(gè)激光器模塊。液體制冷器側(cè)面貫通開設(shè)有相互平行的入水口和出水口，液體制冷器內(nèi)部設(shè)置有宏通道的液冷回路。使得多個(gè)激光器模塊可以通過密封圈“無縫”聯(lián)接，共享入水口 15和出水口 16，實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展，如圖5所示。
[0029]液體制冷器具體由多層通水板層疊組成，相鄰兩層之間流向相反，以實(shí)現(xiàn)激光器安裝面的散熱均勻性。液體制冷器的液體制冷器對(duì)冷卻水的冷卻路徑進(jìn)行了規(guī)劃，保證了散熱的有效性、均勻性。液體制冷器從側(cè)邊進(jìn)水，入口交叉，相互均衡。需要說明的是，除了圖8所示的循環(huán)水路結(jié)構(gòu)，還可以調(diào)整通道的進(jìn)出水口位置，水流的方向也可以是其他的組入口 ο
[0030]與傳統(tǒng)的基于微通道液體制冷器冷卻的產(chǎn)品所區(qū)別的是:如圖9，傳統(tǒng)的微通道封裝是將激光器芯片安裝到31面上，而本方案是將激光器芯片安裝到30面上。這是區(qū)別于傳統(tǒng)微通道封裝產(chǎn)品的主要標(biāo)志之一。
[0031]每個(gè)激光器模塊的巴條個(gè)數(shù)可以是1、2、3個(gè)等。建議的最大個(gè)數(shù)不大于10個(gè)，以提高產(chǎn)品的可配置性、可靠性。
[0032]本發(fā)明組裝宏通道液冷高功率半導(dǎo)體激光器裝置的步驟如下:
[0033]1)將一個(gè)或者多個(gè)激光器芯片與襯底以及絕緣塊依次組裝到一起組成芯片組，各個(gè)芯片與襯底之間形成電聯(lián)結(jié)。巴條使用硬焊料與金剛石銅襯底、金剛石絕緣塊進(jìn)行鍵合，形成多巴條組。
[0034]2)多巴條組與液體制冷器進(jìn)行組裝，組成一個(gè)獨(dú)立的激光器模塊。
[0035]3)重復(fù)以上兩個(gè)步驟，制成多個(gè)激光器模塊。
[0036]4)對(duì)每個(gè)激光器模塊的性能參數(shù):波長(zhǎng)、功率等，進(jìn)行單獨(dú)進(jìn)行測(cè)試、老化、篩選。
[0037]5)滿足要求的一個(gè)或多個(gè)模塊可以按照一定的性能順序或要求，通過密封圈和機(jī)械夾具組裝成所需的產(chǎn)品應(yīng)用。
[0038]需要說明的是，以上實(shí)施例僅作為本發(fā)明在半導(dǎo)體激光器疊陣制冷技術(shù)方面的一個(gè)較佳實(shí)施例。本發(fā)明當(dāng)然可以適用于其他制冷對(duì)象。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種宏通道液體制冷器，在液體制冷器的側(cè)面貫通開設(shè)有相互平行的入水口和出水口，液體制冷器內(nèi)部設(shè)置有宏通道的液冷回路，其特征在于:所述液體制冷器內(nèi)部具有多層分隔的循環(huán)水路;循環(huán)水路分別自所述入水口起，繞經(jīng)液體制冷器在制冷工作面與入水口之間的區(qū)域再回流到出水口。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的宏通道液體制冷器，其特征在于:所述液體制冷器由多個(gè)獨(dú)立的通水板沿入水口、出水口貫通方向?qū)盈B組成，在每個(gè)通水板的內(nèi)部均設(shè)置有與所述入水口、出水口連通的循環(huán)水路。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的宏通道液體制冷器，其特征在于:所述液體制冷器為一體件，在內(nèi)部開設(shè)多層相互隔離的循環(huán)水路，循環(huán)水路所在平面與入水口、出水口貫通方向垂直。4.根據(jù)權(quán)利要求1至3任一所述的宏通道液體制冷器，其特征在于:相鄰兩層循環(huán)水路在入水口、出水口處的通水接口對(duì)稱設(shè)置，使相鄰兩層循環(huán)水路的流向相反。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的宏通道液體制冷器，其特征在于:入水口和出水口的貫通方向與制冷工作面平行。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的宏通道液體制冷器，其特征在于:對(duì)于堆疊式的制冷對(duì)象，所述入水口和出水口的貫通方向與安裝在制冷工作面的制冷對(duì)象的堆疊方向?yàn)橥环较蚧蛘呦嗷ゴ怪薄?.根據(jù)權(quán)利要求5所述的宏通道液體制冷器，其特征在于:所述入水口位于制冷工作面的近端，出水口位于制冷工作面的遠(yuǎn)端。8.一種宏通道液體制冷器組合，其特征在于:采用若干個(gè)權(quán)利要求5所述的宏通道液體制冷器沿入水口、出水口貫通方向依次對(duì)準(zhǔn)組裝，使得所有宏通道液體制冷器形成統(tǒng)一的入水口、出水口；相鄰宏通道液體制冷器的入水口、出水口位置安裝有密封圈。
【專利摘要】本發(fā)明提出一種宏通道液體制冷器及其組合。該宏通道液體制冷器，在液體制冷器的側(cè)面貫通開設(shè)有相互平行的入水口和出水口，液體制冷器內(nèi)部設(shè)置有宏通道的液冷回路，所述液體制冷器內(nèi)部具有多層分隔的循環(huán)水路；循環(huán)水路分別自所述入水口起，繞經(jīng)液體制冷器在制冷工作面與入水口之間的區(qū)域再回流到出水口。本發(fā)明的結(jié)構(gòu)性好，剛性大，不易變形，適合后續(xù)組裝；獨(dú)特的多層并聯(lián)循環(huán)水路結(jié)構(gòu)，顯著提高了散熱效果。
【IPC分類】H01S5/024
【公開號(hào)】CN105470809
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510941093
【發(fā)明人】劉興勝, 蔡萬紹, 陶春華, 邢卓, 梁雪杰
【申請(qǐng)人】西安炬光科技股份有限公司
【公開日】2016年4月6日
【申請(qǐng)日】2015年12月15日