本发明专利技术提出一种宏通道液冷高功率半导体激光器模块及其多模块组合形成的装置，采用独特的热沉设计与芯片组结合，结构性好，散热效率高。该宏通道液冷高功率半导体激光器模块包括热沉和芯片组，芯片组的各个激光器芯片键合在相应的导热导电的衬底上，各个激光器芯片及其衬底依次堆叠并形成电连接，衬底经绝缘层安装在同一热沉上；沿激光器芯片及其衬底的堆叠方向，在垂直于芯片组安装面的热沉侧面贯通开设有相互平行的入水口和出水口，热沉内部设置有宏通道的液冷回路。多个模块能够很方便地机械组装、维护，实现功率的弹性扩展。且每个模块自成功能单元，可以真正在工作状态下单独进行测试、老化、筛选，以实现最终产品的优化性能。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种高功率半导体激光器封装结构。
技术介绍
高功率半导体激光器的散热设计是封装的核心内容之一。目前的高功率半导体激光器通常由以下几种方式封装:a)如图1、图2所示，激光器巴条直接键合到热沉上，热沉采用一种基于微通道的结构热沉。这种封装结构通过热沉的叠加可以实现较大功率的输出，但该方式封装的有如下缺点:首先，微通道容易因为水通道狭窄，容易造成堵塞;第二，热沉本身带电，所以必须采用去离子水进行冷却，且对于离子浓度有很高的要求;第三，微通道内的高速水流，会造成通道的侵蚀，导致产品失效;第四，微通道热沉的整体强度与刚度缺乏，容易在组装和制造过程中发生折弯、变形，从而影响封装的质量。这种封装因为巴条与热沉材料的CTE不匹配，通常只能选择软焊料封装以降低因为热应力造成的巴条内部微损伤甚至撕裂，制约了激光器可靠性的提升。这种封装形式的激光器巴条也可以先键合在CTE匹配的导电衬底(通常是铜钨)上，再封装到热沉上。这样的优点是可以使用硬焊料进行封装，但是却增加了散热路径，降低了散热能力。另外，还存在一种宏通道的热沉用于巴条的封装，类似图1所示结构，通过贯通的入水口、出水口起到散热的作用。其优点是通道较大，不易产生通道堵塞，液体的流速也会相对较低，可以减少通道的侵蚀。但是，这也造成了宏通道封装器件的散热能力较差、且存在通道内温度不均匀的问题，热沉也是带电的。所以这种封装只适用于在功率较低的应用场合。13)相关专利文献例如:1^5105429、1^5311530、1]56480514、1]56865200、1]57016383，US7944955B2、US7660335B2等。常见的一种封装形式是:激光器巴条键合到CTE匹配的衬底形成一个发光单元，多个发光单元并列组合，封装到绝缘块上，再封装到通常为宏通道的热沉上。这样的封装形式，因为热沉与激光器发光组件整体绝缘，为后续的应用提供了方便，同时可以使用硬焊料封装，实现非去离子水(DIW)制冷。因为衬底与绝缘块的存在，该封装的主要缺点是巴条的散热路径比较长，难以适应高功率高占空比的场合。配合使用的宏通道热沉可以通过水制冷或者其他方式制冷。基于这种热沉结构的每个产品，很难进行组装拼接以实现巴条数目的扩展。当需要更多bar条时，只能做不同尺寸的底部热沉进行匹配适应。
技术实现思路
本专利技术提出一种宏通道液冷高功率半导体激光器模块，采用独特的热沉设计与芯片组结合，结构性好，散热效率高。本专利技术的技术方案如下:—种宏通道液冷高功率半导体激光器模块，包括热沉和芯片组;芯片组的各个激光器芯片键合在相应的导热导电的衬底上，各个激光器芯片及其衬底依次堆叠并形成电连接，衬底经绝缘层安装在同一热沉上;沿激光器芯片及其衬底的堆叠方向，在垂直于芯片组安装面的热沉侧面贯通开设有相互平行的入水口和出水口，热沉内部设置有宏通道的液冷回路。在以上方案的基础上，本专利技术还进一步作了如下优化:上述绝缘层有以下三种具体的结构形式:1、绝缘层分为多个导热绝缘块，分别与各个激光器芯片及其衬底一一对应；2、绝缘层为一个整体导热绝缘块，所有衬底均键合于该绝缘块上；3、绝缘层是在热沉的芯片组安装面(可以是仅在芯片组的安装位置上镀，也可以是在热沉的芯片组安装面的整个表面)上镀的绝缘膜，衬底键合于绝缘膜上。上述入水口位于芯片组的近端，出水口位于芯片组的远端。上述热沉内部具有多层分隔的循环水路;循环水路分别自所述入水口起，绕经热沉在芯片组与入水口之间的区域再回流到出水口(即各层循环水路之间相互并联)。实现上述多层分隔的循环水路，优选以下两种具体结构:1、热沉由多个独立的通水板沿入水口、出水口贯通方向层叠组成，在每个通水板的内部均设置有与所述入水口、出水口连通的循环水路；2、热沉为一体件，在内部开设多层相互隔离的循环水路，循环水路所在平面与入水口、出水口贯通方向垂直。为进一步提高芯片组安装面的散热均匀性，相邻两层循环水路在入水口、出水口处的通水接口对称设置，使相邻两层循环水路的流向相反。对于激光器芯片-衬底的组装形式，一种是每个激光器芯片对应一个衬底;还有一种优化的结构设计:每个激光器芯片夹于一对衬底之间，相邻激光器芯片对应的两个衬底直接接触或再间隔一个单独的衬底。上述衬底的材质优选金刚石-铜合金，激光器芯片与衬底通过硬焊料键合，所述硬焊料为金锡或金锗，导热绝缘块的材质优选金刚石或陶瓷，绝缘膜的材料优选氮化铝或金刚石。本专利技术还提出一种宏通道液冷高功率半导体激光器装置，采用若干个上述宏通道液冷高功率半导体激光器模块沿入水口、出水口贯通方向依次对准组装，使得所有宏通道液冷高功率半导体激光器模块的热沉形成统一的入水口、出水口；相邻宏通道液冷高功率半导体激光器模块的入水口、出水口位置安装有密封圈。这样，多个激光器模块在组装的同时，实现t吴块之间的电和水路的串联联接。考虑到产品的可配置性、可靠性，建议每个宏通道液冷高功率半导体激光器模块的激光器芯片数量为1?10个。本专利技术具有以下优点:宏通道的热沉，水通道相对较大，降低了通道被侵蚀、堵塞的风险;采用独特的多层并联循环水路结构，显著提高了散热效果，并能够保证较好的结构性，刚性大，不易变形，适合后续组装。热沉与巴条组之间绝缘，可不使用去离子水冷却，水质要求降低。巴条组的结构，实现巴条P-N两个面的散热，提高了散热效率。使用硬焊料封装，适应于更苛刻的环境使用，提高了可靠性。多个模块能够很方便地机械组装、维护，实现功率的弹性扩展。且每个模块自成功能单元，可以真正在工作状态下单独进行测试、老化、筛选，以实现最终产品的优化性能。使用高导热率的材料作为衬底与绝缘块，衬底为铜金刚石，绝缘块为金刚石，实现与微通道产品同样的连续高功率输出。【附图说明】图1、图2为传统方案的结构示意图；其中，图1(a)为主视图，图1(b)为侧视图；图中标号:1-散热器(金属片);2-激光器芯片;3-负极连接片;4-绝缘层;5-入水口； 6-出水口。图3、图4为本专利技术的宏通道液冷高功率半导体激光器模块的结构示意图，其中图3为主视图；图4为侧视图。图5为本专利技术多个模块组装扩展的示意图。当前第1页1 2 本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种宏通道液冷高功率半导体激光器模块，包括热沉和芯片组；其特征在于：芯片组的各个激光器芯片键合在相应的导热导电的衬底上，各个激光器芯片及其衬底依次堆叠并形成电连接，衬底经绝缘层安装在同一热沉上；沿激光器芯片及其衬底的堆叠方向，在垂直于芯片组安装面的热沉侧面贯通开设有相互平行的入水口和出水口，热沉内部设置有宏通道的液冷回路。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：刘兴胜，蔡万绍，陶春华，邢卓，梁雪杰，
申请(专利权)人：西安炬光科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：陕西;61
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。