一种高功率半导体激光器单管双面微通道液体冷却封装结构制造技术

一种高功率半导体激光器单管双面微通道液体冷却封装结构，涉及半导体激光器封装技术领域，包括上下叠加的第一热沉与第二热沉，第一热沉与第二热沉之间设有半导体激光器单管，第一热沉与第二热沉上设有对半导体激光器单管进行散热的水冷通道，对激光器单管的P面和N面同时进行高效快速散热，降低P面和N面的温度差，改善温度分布的均匀性。本发明专利技术解决了传统技术中的装置存在散热传递效率较低，不利于快速散热的问题；以及由于装置体积较大，使工艺过程更加繁琐的问题，从而对半导体激光器的高性能输出造成严重的限制，减小了半导体激光器适用范围的问题。适用范围的问题。适用范围的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种高功率半导体激光器单管双面微通道液体冷却封装结构


[0001]本专利技术涉及半导体激光器封装
，具体涉及一种高功率半导体激光器单管双面微通道液体冷却封装结构。

技术介绍

[0002]近年来高功率半导体激光器凭借其体积小、效率高、重量轻、易于调制、长寿命等优点，成为光电行业中最具有发展前途的产品，被广泛应用于工业、通讯、军事、医疗和直接的材料处理等领域。
[0003]相比于半导体激光器巴条或叠阵，单管易于获得高光束质量输出、散热性能好、不存在热串扰的问题、可替换性强等优势。但随着半导体激光器应用领域的扩大，对半导体激光器的性能提出了更高的要求。高功率半导体激光器研制过程可分为两个重要环节，一是半导体芯片的生产，二是激光器的封装，而封装技术的好坏直接影响器件的总体性能。在封装过程中，半导体激光器向高平均功率发展存在的一个最大问题是散热，随着注入电流的增加，产生的热功耗随之增加，由热功耗引起有源区的温度升高会使激光器的阈值电流升高，效率降低，激光波长发生严重温漂，更致命的是使激光器的寿命下降甚至失效。因此如何及时消除因耗散功率所转化的热量，解决散热冷却问题就成为研制大功率半导体激光器必须攻克的技术之一。
[0004]目前大部分商业化的高功率单管半导体激光器产品是COS的封装形式，如图1所示，这种封装结构体积小，集成度高，且允许进行二级封装以满足不同的应用场合，例如进一步烧结到铜热沉上，也可烧结到管壳内并进行光纤耦合输出。但是由于单个单管芯片的功率不断地增大，这种散热方式已无法满足散热需求。
>[0005]现有装置随着使用，也逐渐的暴露出了该装置的不足，主要表现在以下方面：
[0006]第一，现有的单管半导体激光器封装结构，存在散热传递效率较低，不利于快速散热的问题。
[0007]第二，由于装置体积较大，使工艺过程更加繁琐的问题，从而对半导体激光器的高性能输出造成严重的限制，减小了半导体激光器的适用范围，难以获得单管高功率。
[0008]综上可知，现有技术在实际使用上显然存在不便与缺陷，所以有必要加以改进。

技术实现思路

[0009]针对现有技术中的缺陷，本专利技术提供一种高功率半导体激光器单管双面微通道液体冷却封装结构，用以解决传统技术中的装置存在散热传递效率较低，不利于快速散热的问题；以及由于装置体积较大，使工艺过程更加繁琐的问题，从而对半导体激光器的高性能输出造成严重的限制，减小了半导体激光器适用范围的问题。
[0010]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0011]一种高功率半导体激光器单管双面微通道液体冷却封装结构，包括上下叠加的第一热沉与第二热沉，所述第一热沉与第二热沉之间设有半导体激光器单管，所述第一热沉
与第二热沉上设有对所述半导体激光器单管进行散热的水冷通道。
[0012]作为一种优化的方案，所述第一热沉与第二热沉均包括盖板层、散热层、隔液层、进液层以及密封层。
[0013]作为一种优化的方案，所述水冷通道包括开设于所述隔液层上的第一连通微通道，所述第一连通微通道靠近所述半导体激光器单管。
[0014]作为一种优化的方案，所述散热层上开设有散热微通道，所述散热微通道的两侧分别设有与其相连通的第二连通微通道。
[0015]作为一种优化的方案，所述进液层靠近所述半导体激光器单管的一端开设有排液微通道。
[0016]作为一种优化的方案，所述隔液层与所述进液层的两侧分别开设有相连通的进液微通道。
[0017]作为一种优化的方案，所述进液微通道与所述第二连通微通道相连通。
[0018]作为一种优化的方案，所述散热层、隔液层、进液层以及密封层依次焊接在盖板层远离半导体激光器单管的一侧。
[0019]作为一种优化的方案，所述排液微通道、第一连通微通道以及散热微通道之间相连通。
[0020]作为一种优化的方案，所述散热层、隔液层、进液层以及密封层靠近两端的位置分别开设有排液孔与进液孔，若干个所述排液孔以及若干个所述进液孔之间相连通。
[0021]作为一种优化的方案，所述排液孔位于靠近所述排液微通道的一侧，并与所述排液微通道相连通。
[0022]作为一种优化的方案，所述进液孔与所述进液微通道相连通。
[0023]作为一种优化的方案，所述半导体激光器单管的顶部和底部分别与第二热沉和第一热沉之间安装有焊料层，所述第一热沉和第二热沉之间安装有绝缘膜。
[0024]作为一种优化的方案，所述焊料层为金属铟层或金锡层。
[0025]作为一种优化的方案，所述绝缘膜为聚酰亚胺膜。
[0026]作为一种优化的方案，所述盖板层、散热层、隔液层、进液层以及密封层之间开设有相对齐的固定孔。
[0027]作为一种优化的方案，所述盖板层、散热层、隔液层、进液层以及密封层之间远离所述半导体激光器单管的一端并列开设有相对齐的定位孔。
[0028]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0029]微通道液体冷却MCC通过液体流过微通道时的强制对流将热量快速带走，具有较低的热阻，散热能力更好，是目前高功率半导体激光芯片的主要散热方式。通过热模拟分析得出，相同单管在热耗率相同的情况下，MCC封装比COS封装造成有源区的温升更小如图2和图3，温度降低27％左右。进而通过实验数据对比得出，同一批次两只相邻单管在测试条件相同的情况下，随着电流的增大，MCC封装比COS封装具有更高的输出光功率如图4，当测试电流同为30A时，COS封装的激光器单管输出光功率为24.9W且明显出现热饱和现象，MCC封装的激光器单管输出光功率为28.5W，提高了13％左右。相比于COS封装形式，单管最高输出光功率从24.9W提升到41.3W，提升了40％左右；MCC封装具有更高的电光转换效率如图5，COS的最高电光转换效率为56.1％，MCC的最高电光转换效率为62.8％，提高了11％左右；
MCC封装波长红移更小如图6，水平发散角更小如图7，减小7％左右。热模拟和实验结果均表明，MCC封装形式更有利于提高输出功率和效率，改善模式特性，提高光束质量，提高器件的整体性能；
[0030]通过开设在热沉内的微通道对单管半导体激光器进行被动液体冷却散热，液体流过微通道时的强制对流能将激光器单管工作时产生的热量快速带走，提高了装置的散热效果；同时装置中的第一热沉和第二热沉都采用微通道液体冷却的方式对激光器单管的P面和N面同时进行高效快速散热，降低P面和N面的温度差，改善温度分布的均匀性。较传导冷却散热方式，可有效降低器件的热阻，提高热通量，降低激光器结温，提高热饱和工作电流，提高激光器输出功率和效率，降低发散角，改善模式特性和光束质量，提高可靠性；
[0031]通过进液层、隔液层和散热层，能够引导冷却液在热沉内流动，同时能够保证热沉内部的散热均匀，从而通过冷却液的流动快速将热沉的热量带走，避免了热沉散热不均匀而导致单管半导体激光器出现温差，从而影响半导体激光器单管的效率和输本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高功率半导体激光器单管(8)双面微通道液体冷却封装结构，其特征在于：包括上下叠加的第一热沉(1)与第二热沉(2)，所述第一热沉(1)与第二热沉(2)之间设有半导体激光器单管(8)，所述第一热沉(1)与第二热沉(2)上设有对所述半导体激光器单管(8)进行散热的水冷通道。2.根据权利要求1所述的一种高功率半导体激光器单管(8)双面微通道液体冷却封装结构，其特征在于：所述第一热沉(1)与第二热沉(2)均包括盖板层(10)、散热层(11)、隔液层(12)、进液层(13)以及密封层(14)。3.根据权利要求2所述的一种高功率半导体激光器单管(8)双面微通道液体冷却封装结构，其特征在于：所述水冷通道包括开设于所述隔液层(12)上的第一连通微通道(17)，所述第一连通微通道(17)靠近所述半导体激光器单管(8)。4.根据权利要求3所述的一种高功率半导体激光器单管(8)双面微通道液体冷却封装结构，其特征在于：所述散热层(11)上开设有散热微通道(18)，所述散热微通道(18)的两侧分别设有与其相连通的第二连通微通道(19)。5.根据权利要求4所述的一种高功率半导体激光器单管(8)双面微通道液体冷却封装结构，其特征在于：所述进液层(13)靠近所述半导体激光器单管(...

【专利技术属性】
技术研发人员：渠红伟，张宇，周旭彦，张建心，郑美好，隋佳桐，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：