利用碳纳米管的高功率激光封装制造技术

在一个实施例中，激光装置包括热粘合层，其中热粘合层包括碳纳米管阵列、设置在碳纳米管阵列和光束发射器之间的第一金属粘合材料、以及设置在碳纳米管阵列和第一电极支架之间的第二金属粘合材料。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】利用碳纳米管的高功率激光封装相关申请本申请要求于2016年8月30日提交的美国临时专利申请No.62/381,089的权益和优先权，其全部公开内容通过引用包含于此。
在各种实施例中，本专利技术涉及利用碳纳米管封装的高功率激光系统。
技术介绍
高功率激光系统用于许多不同的应用，诸如焊接、切割、钻孔和材料加工。这种激光系统通常包括激光发射器，来自其的激光耦合到光纤(或简称为“光纤”)；以及将来自光纤的激光聚焦到待加工的工件上的光学系统。波长光束组合(WBC)是一种用于缩放来自激光二极管、激光二极管线阵、二极管线阵的堆叠或以一维或二维阵列布置的其它激光器的输出功率和亮度的技术。已经开发了WBC方法以沿着发射器阵列的一个或两个维度组合光束。典型的WBC系统包括多个发射器，诸如一个或多个二极管线阵，其使用色散元件组合以形成多波长光束。WBC系统中的每个发射器单独地谐振，并且通过来自公共部分反射输出耦合器的波长特定反馈来稳定，所述系统在2000年2月4日提交的美国专利No.6,192,062、1998年9月8日提交的美国专利No.6,208,679、2011年8月25日提交的美国专利No.8,670,180，以及2011年3月7日提交的美国专利No.8,559,107中详细描述，每个专利的全部公开内容通过引用包含于此。虽然诸如WBC的技术成功地生产用于各种应用的基于激光的系统，但这样的系统的较广泛采用导致了对较高水平的激光输出功率的需求。通常，较高的激光功率涉及以越来越高的电流驱动激光二极管，这导致较高的操作温度和目的在于防止基于温度的可靠性问题的伴随的热管理问题。高功率激光器通常使用具有一个或多个散热器或用于散热的其它热管理结构的激光发射器，并且这些结构通常经由焊料或其它柔软的可延展化合物耦合到发射器，即使在由热循环引起的部件之间的相对运动的情况下，该化合物也保持发射器和散热器之间的热接触。虽然这种基于焊料的解决方案减轻了在高功率激光器操作期间由热循环引起的一些可靠性问题，但是焊料的使用还可能引入其它可靠性问题，诸如焊料蠕变。而且，许多传统的焊料可能缺乏使热量远离在高电流水平下操作的高功率激光装置充分传导所需的导热率。因此，需要用于高功率激光装置(例如，激光二极管和/或二极管线阵)的封装方案，其与现有的散热器和其它安装硬件兼容并且还提供来自激光装置的改进的热传导。
技术实现思路
根据本专利技术的实施例，激光束发射器经由热粘合材料附接到一个或多个散热器或其它热管理结构，所述热粘合材料包括一种或多种金属和碳纳米管阵列的复合物，基本上由其组成，或由其组成。复合物可以是层状的，例如，金属可以设置在一层、两层或其间排列有碳纳米管层的更多层中。在其它实施例中，复合物可以是其中一种或多种金属形成基质的混合物，在该基质中嵌入碳纳米管阵列。其它实施例仍然是层状结构，如上所述，其中一个或多个层是一种或多种金属和碳纳米管阵列的混合物。可以是单壁或多壁的碳纳米管具有2000-6000W·m-1·K-1的导热率，优于金刚石的导热率。在本专利技术的实施例中，例如在纳米管阵列的顶表面或底表面上，碳纳米管与金属组合，以促进发射器和高导热碳纳米管之间的热接触(以及在各种实施例中，电接触)。例如，金属可包括，基本上由如下组成，或由如下组成：铟(In)、锡(Sn)、金(Au)、AuSn和/或InSn，和或包括具有或不具有一种或多种其它金属的这些金属中的一种或多种金属的混合物或化合物。金属在室温下可以是可流动的和/或可变形的，以促进发射器与柔性较小且更脆的碳纳米管之间的接触。金属/纳米管复合物可用于补充或替代发射器和散热器或其它热管理结构之间的传统焊接材料。根据本专利技术实施例的激光装置可用于WBC系统中以形成高亮度、低光束参数乘积(BPP)激光系统。BPP是激光束的发散角(半角)和光束在其最窄点处的半径(即光束腰，最小光斑尺寸)的乘积。BPP量化激光束的质量和它可多么好地聚焦到小光斑，且通常以毫米-毫弧度(mm-mrad)的单位表示。高斯光束具有由激光的波长除以π给出的最低可能的BPP。实际光束的BPP与在同一波长处的理想高斯光束的BPP之比被表示为M2或“光束质量因子”，其为光束质量的波长无关的度量，“最佳”质量对应于1的“最低”光束质量因子。根据本专利技术实施例的热粘合材料可以在激光封装结构中“密封”到位，以便防止热粘合材料的蠕变或其它移动，如在2016年1月26日提交的美国专利申请序列No.15/006,733中所述，其全部公开内容通过引用包含于此。例如，激光装置的多种部件之间的热粘合层和材料(例如，光束发射器本身和/或诸如电极支架和壳体的散热部件)可以用不受热粘合材料通过其的传播影响的材料(例如，一种或多种金属)密封；因此，基本上防止了热粘合材料从部件之间的蠕变。密封可以通过例如诸如覆镀或无电沉积的沉积技术来完成。在热粘合材料设置在光束发射器和一个或多个电极支架之间的本专利技术实施例中，可以在光束发射器经由热粘合材料固定到电极支架之前或之后执行密封。不需要密封材料的激光装置的部分(例如，发射光束的光束发射器的部分)可以经由例如掩蔽或选择性地施加防止其上的沉积的抑制剂材料来防止密封材料的沉积。在其它实施例中，激光装置的这些部分最初可以用密封材料涂覆，并且密封材料可以稍后经由例如蚀刻和/或机械加工来移除。本专利技术的实施例利用基于碳纳米管的热粘合材料，其具有嵌入在其它更柔软更可流动的热粘合层内的相对刚性的结构(例如，基于一种或多种金属，诸如In、Sn、Au或其合金或混合物或与一种或多种其它金属的合金或混合物的热粘合层)。例如，以如本文详述的碳纳米管阵列为特征的复合热粘合材料的部分可以被分散(例如，以随机图案或以规则图案，诸如互锁线的“网格”或隔离柱的图案)在不包括碳纳米管的较软热粘合材料的基质内。在这种实施例中，包括碳纳米管的分散相可以用于抑制或基本上防止另一相(即，不包括碳纳米管的部分)的蠕变或其它移动。本专利技术的实施例可替代地或另外地利用于2016年1月26日提交的美国专利申请序列No.15/006,693中公开的结构和技术，其全部公开内容通过引用包含于此。根据本专利技术的实施例，激光装置也可以经由包含用于驱动光束发射器的高导热和导电电极以及与电极电隔离的导热支架(其可以被液体冷却)的封装进行热管理。具体地，电极可以包括铜，基本上由铜组成，或由铜组成，并且电连接到光束发射器的阳极和阴极。支架可以包括例如铝，基本上由其组成，或者由其组成，并且可以在支架和面向支架的电极之间包含电绝缘层。例如，电绝缘层可以包括氧化铝和/或氮化铝层，基本上由其组成，或者由其组成，所述氧化铝和/或氮化铝层提供通过其的导热率但延迟或基本上防止通过其的电传导。氮化铝有利地具有高导热率但是低导电率。如在本文所利用的，具有高导热率的材料或“导热材料”具有至少100瓦每米每开尔文(W·m-1·K-1)、至少170W·m-1·K-1或甚至至少300W·m-1·K-1的导热率。如在本文所利用的，具有高导电率的材料或“导电材料”具有例如在20℃下的至少1×105西门子每米(S/m)、至少1×106S/m或甚至至少1×107S/m的导电率。如在本文所利用的，具有高电阻率的材料或“电绝缘材料”具有至少1×10本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种激光设备，包括：光束发射器，其具有第一和第二相对表面；第一电极支架，其设置在所述光束发射器的所述第一表面下方；以及热粘合层，其设置在所述光束发射器和第一电极支架之间，所述热粘合层改善所述光束发射器和所述第一电极支架之间的热传导，其中，所述热粘合层包括(i)碳纳米管阵列，(ii)设置在所述碳纳米管阵列和所述光束发射器之间的第一金属粘合材料，以及(iii)设置在所述碳纳米管阵列和所述第一电极支架之间的第二金属粘合材料。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.08.30 US 62/3810891.一种激光设备，包括：光束发射器，其具有第一和第二相对表面；第一电极支架，其设置在所述光束发射器的所述第一表面下方；以及热粘合层，其设置在所述光束发射器和第一电极支架之间，所述热粘合层改善所述光束发射器和所述第一电极支架之间的热传导，其中，所述热粘合层包括(i)碳纳米管阵列，(ii)设置在所述碳纳米管阵列和所述光束发射器之间的第一金属粘合材料，以及(iii)设置在所述碳纳米管阵列和所述第一电极支架之间的第二金属粘合材料。2.根据权利要求1所述的激光设备，其中，所述第一金属粘合材料或所述第二金属粘合材料中的至少一种金属粘合材料包括In、Sn、AuSn或InSn中的至少一种。3.根据权利要求1所述的激光设备，其中，所述碳纳米管阵列内的至少一些碳纳米管基本上垂直于所述光束发射器的所述第一表面排列。4.根据权利要求1所述的激光设备，其中，所述光束发射器包括发射多个离散光束的二极管线阵。5.根据权利要求1所述的激光设备，进一步包括：第二电极支架，其(i)设置在所述光束发射器的所述第二表面上并与所述第二表面热接触，并且(ii)除了通过所述光束发射器的任何导电路径之外，与所述第一电极支架电绝缘；以及第二热粘合层，其设置在所述光束发射器和所述第二电极支架之间，所述第二热粘合层改善所述光束发射器和所述第二电极支架之间的热传导，其中，所述第二热粘合层包括(i)第二碳纳米管阵列，(ii)设置在所述碳纳米管阵列和所述光束发射器之间的第三金属粘合材料，以及(iii)设置在所述碳纳米管阵列和所述第二电极支架之间的第四金属粘合材料。6.根据权利要求5所述的激光设备，其中，所述第三金属粘合材料或所述第四金属粘合材料中的至少一种金属粘合材料包括In、Sn、AuSn或InSn中的至少一种。7.根据权利要求5所述的激光设备，其中，所述第二碳纳米管阵列内的至少一些所述碳纳米管基本上垂直于所述光束发射器的所述第二表面排列。8.根据权利要求5所述的激光设备，其中，所述第三金属粘合材料和所述第四金属粘合材料包括不同的材料。9.根据权利要求1所述的激光设备，其中，所述第一金属粘合材料和所述第二金属粘合材料包括不同的材料。10.根据权利要求1所述的激光设备，进一步包括沿着所述热粘合层的侧表面设置的密封材料，用于防止或阻止所述热粘合层从所述光束发射器和所述第一电极支架之间移动。11.根据权利要求10所述的激光设备，其中，所述密封材料包括铜、铝、镍或铬中的至少一种。12.根据权利要求1所述的激光设备，其中，所述热粘合层的顶表面接触所述光束发射器，并且所述热粘合层的底表面接触所述第一电极支架，进一步包括设置在横跨所述顶表面和所述底表面的所述热粘合层的侧表面的至少一部分上的第三金属粘合材料。13.根据权利要求12所述的激光设备，其中，所述第三金属粘合材料包括In、Sn、AuSn或InSn中的至少一种。14.根据权利要求1所述的激光设备，进一步包括设置在所述碳纳米管阵列内的第三金属粘合材料，所述第三金属粘合材料围绕所述阵列内的至少一些所述碳纳米管。15.根据权利要求14所述的激光设备，其中，所述第三金属粘合材料包括In、Sn、AuSn或InSn中的至少一种。16.一种激光设备，包括：光束发射器，其具有第一和第二相对表面；第一电极支架，其设置在所述光束发射器的所述第一表面下方；以及热粘合层，其设置在所述光束发射器和所述第一电极支架之间，所述热粘合层改善所述光束发射器和所述第一电极支架之间的热传导，其中，所述热粘合层包括(i)碳纳米管阵列，以及(ii)设置在碳纳米管阵列内的第一金属粘合材料，以便围绕所述阵列内的至少一些所述碳纳米管。17.根据权利要求16所述的激光设备，其中，所述第一金属粘合材料包括In、Sn、AuSn或InSn中的至少一种。18.根据权利要求16所述的激光设备，其中，所述碳纳米管阵列内的至少一些所述碳纳米管基本上垂直于所述光束发射器的所述第一表面排列。19.根据权利要求16所述的激光设备，其中，所述光束发射器包括发射多个离散光束的二极管线阵。20.根据权利要求16所述的激光设备，进一步包括设置在所述热粘合层和所述光束发射器之间的第二金属粘合材料。21.根据权利要求20所述的激光设备，其中，所述第二金属粘合材料包括In、Sn、AuSn或InSn中的至少一种。22.根据权利要求20所述的激光设备，其中，所述第一金属粘合材料和所述第二金属粘合材料包括不同的材料。23.根据权利要求16所述的激光设备，进一步包括设置在所述热粘合层和所述第一电极支架之间的第二金属粘合材料。24.根据权利要求23所述的激光设备，其中，所述第二金属粘合材料包括In、Sn、AuSn或InSn中的至少一种。25.根据权利要求23所述的激光设备，其中，所述第一金属粘合材料和所述第二金属粘合材料包括不同的材料。26.根据权利要求16所述的激光设备，进一步包括：第二电极支架，其(i)设置在所述光束发射器的所述第二表面上并与所述第二表面热接触，并且(ii)除了通过所述光束发射器的任何导电路径之外，与所述第一电极支架电绝缘；以及第二热粘合层，其设置在所述光束发射器和所述第二电极支架之间，所述第二热粘合层改善所述光束发射器和所述第二电极支架之间的热传导，其中，所述第二热粘合层包括(i)碳纳米管阵列，以及(ii)设置在所述碳纳米管阵列内的第二金属粘合材料，以便围绕所述阵列内的至少一些所述碳纳米管。27.根据权利要求26所述的激光设备，其中，所述第二金属粘合材料包括In、Sn、AuSn或InSn中的至少一种。28.根据权利要求26所述的激光设备，其中，所述第二碳纳米管阵列内的至少一些所述碳纳米管基本垂直于所述光束发射器的所述第二表面排列。29.根据权利要求26所述的激光设备，其中，所述第一金属粘合材料和所述第二金属粘合材料包括不同的材料。30.根据权利要求26所述的激光设备，进一步包括设置在所述第二热粘合层和所述光束发射器之间的第三金属粘合材料。31.根据权利要求30所述的激光设备，其中，所述第三金属粘合材料包括In、Sn、AuSn或InSn中的至少一种。32.根据权利要求30所述的激光设备，其中，所述第二金属粘合材料和所述第三金属粘合材料包括不同的材料。33.根据权利要求26所述的激光设备，进一步包括设置在所述第二热粘合层和所述第二电极支架之间的第三金属粘合材料。34.根据权利要求33所述的激光设备，其中，所述第三金属粘合材料包括In、Sn、AuSn或InSn中的至少一种。35.根据权利要求33所述的激光设备，其中，所述第二金属粘合材料和所述第三金属粘合材料包括不同的材料。36.根据权利要求16所述的激光设备，进一步包括沿着所述热粘合层的侧表面设置的密封材料，用于防止或阻止所述热粘合层从所述光束发射器和所述第一电极支架之间移动。37.根据权利要求36所述的激光设备，其中，所述密封材料包括铜、铝、镍或铬中的至少一种。38.根据权利要求16所述的激光设备，其中，所述热粘合层的顶表面接触所述光束发射器，并且所述热粘合层的底表面接触所述第一电极支架，进一步包括设置在横跨所述顶表面和所述底表面的所述热粘合层的侧表面的至少一部分上的第二金属粘合材料。39.根据权利要求38所述的激光设备，其中，所述第二金属粘合材料包括In、Sn、AuSn或InSn中的至少一种。40.一种激光设备，包括：光束发射器，其具有第一和第二相对表面；第一电极支架，其设置在所述光束发射器的所述第一表面下方；以及热粘合层，其设置在所述光束发射器和所述第一电极支架之间，所述热粘合层改善所述光束发射器和所述第一电极支架之间的热传导，其中：所述热粘合层包括(i)热粘合剂的多个离散的间隔开的区域，以及(ii)第一热粘合材料，其在所述热粘合剂的所述区域周围设置，以便围绕所述热粘合剂的至少一些所述区域，所述热粘合剂的每个区域包括碳纳米管阵列，以及所述第一热粘合材料不含碳纳米管。41.根据权利要求40所述的激光设备，其中，所述热粘合剂的每个区域包括(i)所述碳纳米管阵列，(ii)设置在所述碳纳米管阵列和所述光束发射器之间的第二金属粘合材料，以及(iii)设置在所述碳纳米管阵列和所述第一电极支架之间的第三金属粘合材料。42.根据权利要求41所述的激光设备，其中，所述第二金属粘合材料或所述第三金属粘合材料中的至少一种金属粘合材料包括In、Sn、AuSn或InSn中的至少一种。43.根据权利要求41所述的激光设备，其中，所述第二金属粘合材料和所述第三金属粘合材料包括不同的材料。44.根据权利要求41所述的激光设备，其中，所述第一金属粘合材料、所述第二金属粘合材料和所述第三金属粘合材料包括不同的材料。45.根据权利要求40所述的激光设备，其中，所述热粘合剂的每个区域包括(i)所述碳纳米管阵列，以及(ii)设置在所述碳纳米管阵列内的第二金属粘合材料，以便围绕所述阵列内的至少一些所述碳纳米管。46.根据权利要求45所述的激光设备，其中，所述第二金属粘合材料包括In、Sn、AuSn或InSn中的至少一种。47.根据权利要求45所述的激光设备，其中，所述第一金属粘合材料和所述第二金属粘合材料包括不同的材料。48.根据权利要求40所述的激光设备，其中，所述光束发射器包括发射多个离散光束的二极管线阵。49.根据权利要求40所述的激光设备，进一步包括沿着所述热粘合层的侧表面设置的密封材料，用于防止或阻止所述热粘合层从所述光束发射器和所述第一电极支架之间移动。50.根据权利要求49所述的激光设备，其中，所述密封材料包括铜、铝、镍或铬中的至少一种。51.根据权利要求40所述的激光设备，进一步包括：第二电极支架，其(i)设置在所述光束发射器的所述第二表面上并与所述第二表面热接触，并且(ii)除了通过所述光束发射器的任何导电路径之外，与所述第一电极支架电绝缘；以及第二热粘合层，其设置在所述光束发射器和所述第二电极支架之间，所述第二热粘合层改善所述光束发射器和所述第二电极支架之间的热传导，其中：所述第二热粘合层包括(i)第二热粘合剂的多个离散的间隔开的区域，以及(ii)第二热粘合材料，其在所述第二热粘合剂的所述区域周围设置，以便围绕所述第二热粘合剂的至少一些所述区域，所述第二热粘合剂的每个区域包括碳纳米管阵列，以及所述第二热粘合材料不含碳纳米管。52.根据权利要求51所述的激光设备，其中，所述第二热粘合剂的每个区域包括(i)所述碳纳米管阵列，(ii)设置在所述碳纳米管阵列和所述光束发射器之间的第三金属粘合材料，以及(iii)设置在所述碳纳米管阵列和所述第二电极支架之间的第四金属粘合材料。53.根据权利要求52所述的激光设备，其中，所述第三金属粘合材料或所述第四金属粘合材料中的至少一种金属粘合材料包括In、Sn、AuSn或InSn中的至少一种。54.根据权利要求52所述的激光设备，其中，所述第三金属粘合材料和所述第四金属粘合材料包括不同的材料。55.根据权利要求52所述的激光设备，其中，所述第二金属粘合材料、所述第三金属粘合材料和所述第四金属粘合材料包括不同的材料。56.根据权利要求51所述的激光设备，其中，所述第二热粘合剂的每个区域包括(i)所述碳纳米管阵列，以及(ii)设置在所述碳纳米管阵列内的第三金属粘合材料，以便围绕所述阵列内的至少一些所述碳纳米管。57.根据权利要求56所述的激光设备，其中，所述第三金属粘合材料包括In、Sn、AuSn或InSn中的至少一种。58.根据权利要求56所述的激光设备，其中，所述第二金属粘合材料和所述第三金属粘合材料包括不同的材料。59.一种形成热粘合层的方法，所述方法包括：在基板上形成多个催化剂颗粒；在所述基板上生长碳纳米管阵列，所述碳纳米管阵列从所述多个颗粒成核；在所述碳纳米管阵列的顶表面上沉积第一热粘合材料；以及在所述碳纳米管阵列的底表面上沉积第二热粘合材料，其中...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·多伊奇，Z·刘，W·T·李，
申请(专利权)人：特拉迪欧德公司，
类型：发明
国别省市：美国,US