專利名稱：一種用于半導(dǎo)體激光器的液體制冷片及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于激光器制造領(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及其制備方法。
背景技術(shù)：
目前，功率電子器件在工業(yè)、國(guó)防等領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，市 場(chǎng)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 heat sink". 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(guó)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(shuō)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(wèn)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(guò)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(guò)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(guò)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。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明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。本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)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。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(yù)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(hù)簡(jiǎn)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(jiǎn)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(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)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)本發(fā)明采用液體制冷，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) 密封要求低本發(fā)明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l為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖2為本發(fā)明具有蜂窩狀制冷片12的結(jié)構(gòu)示意圖3為本發(fā)明的應(yīng)用實(shí)例示意圖4為本發(fā)明的應(yīng)用實(shí)例的測(cè)試結(jié)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(fù)極接線孔；12為蜂窩狀制冷片。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述
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l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(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l)，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(lái)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(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l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(guò)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(lái)。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。
本發(fā)明的液體制冷片工作過(guò)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(guò)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(guò)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 本發(fā)明的液體制冷片上，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。
以下介紹本發(fā)明的應(yīng)用實(shí)例
應(yīng)用實(shí)例基于本發(fā)明的液體制冷片，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(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10，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，沖到本發(fā)明的制冷片主體1的入液通孔 5中，穿過(guò)散熱翅片2。芯片產(chǎn)生的熱量會(huì)通過(guò)制冷片主體1傳導(dǎo)到散熱 翅片2上，冷卻液穿過(guò)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(cè)試結(jié)
果(1) 如圖4所示，當(dāng)測(cè)試水溫為25。C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，使用本發(fā)明專利制作的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(zhǎng)為808.53nm，中心波長(zhǎng) 為808.53nm， FWHM為2.73nm， FW卯。/。E為3.85nm。
綜上所述，本發(fā)明設(shè)計(jì)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(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
1.一種用于半導(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l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l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l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l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l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。
7. —種權(quán)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(yù)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(jù)權(quán)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(dǎo)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(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(jiǎn)單、制作成本低、使用和維護(hù)簡(jiǎn)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)H01S5/024GK101635432SQ20091002375
公開日2010年1月27日 申請(qǐng)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(qǐng)人:西安炬光科技有限公司