【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及芯片散热，具体涉及一种高功率vcsel芯片的微通道水冷散热结构。
技术介绍
1、垂直腔面放射激光器(vcsel)相对于发光二极管(led)、激光二极管(ld)、边发射半导体激光器等其他光源，vcsel光源具有体积小、阈值电流低、功耗低、易与光纤耦合、在片测试、降低测试成本、二维阵列排列、成本低、发光效率高等诸多优势，被广泛运用于激光器泵浦、材料加工、医疗美容等领域，成为发展工业及军事装备不可缺少的重要器件。
2、随着实际工程的发展，对大功率半导体激光器输出功率的要求也越来越高，半导体激光器的光学特性、输出功率以及可靠性等都与器件的工作温度密切相关。而在半导体激光器的封装过程中，由于热沉材料与管芯的热膨胀系数不匹配，会对器件引入额外的应力，这些应力会使有源区产生应变，改变有源区的禁带宽度，造成有源区中缺陷增殖速度加快，对激光器的阈值电流、偏振、波长、光谱等特性造成影响，从而降低激光器的寿命。因此，测量和研究激光器在封装过程产生的热应力对激光器的研制是必不可少的。
3、要保证激光器有较高的效率、较好的光谱和较高的输出功率，必须对大功率半导体激光器的封装散热工艺进行优化，改善器件的热特性，解决散热问题，提高光谱质量。因此，研究和优化vcsel的封装工艺，设计散热效果更佳的水冷散热模块对提高光电转换效率，改善器件的性能是至关重要的。
技术实现思路
1、针对现有技术中存在的不足之处，本专利技术提供一种高功率vcsel芯片的微通道水冷散热结构，其通过周期性
2、本专利技术公开了一种高功率vcsel芯片的微通道水冷散热结构，该微通道水冷散热结构置于高功率vcsel芯片的底部散热面上，包括：自上而下依次设置的湍流散热层、横向分流层和进出水层；
3、所述湍流散热层、横向分流层和进出水层上下键合而成，所述湍流散热层、横向分流层和进出水层的材料选择与高功率vcsel芯片材料晶格匹配、热膨胀系数处于相接近的范围内、高导热率的化合物半导体材料；
4、所述湍流散热层内刻蚀有沿左右方向平行排布多个微通道，构成微通道阵列，且所述高功率vcsel芯片位于所述微通道阵列的上方；每个所述微通道底部的前后方向刻蚀有与微通道相连通的第一进口和第一出口；
5、所述横向分流层上表面的前后方向上刻蚀有与所有所述第一进口相连通的进水通道以及与所有所述第一出口相连通的出水通道，所述横向分流层的下表面刻蚀有与所述进水通道相连通的第二进口以及与所述出水通道相连通的第二出口；
6、所述进出水层上刻蚀有与所述第二进口相连通的进水口以及与所述第二出口相连通的出水口。
7、作为本专利技术的进一步改进，所述湍流散热层包括自上而下依次键合的第一晶圆片、第二晶圆片和第三晶圆片，所述第一晶圆片的下表面刻蚀有第一条状微结构阵列且未刻蚀通孔，所述第二晶圆片上刻蚀有与第一条状微结构阵列相对应的第二条状微结构阵列且刻蚀通孔，所述第三晶圆片的上表面刻蚀有与第二条状微结构阵列相对应的第三条状微结构阵列且未刻蚀通孔，所述第三晶圆片的下表面刻蚀有与第三条状微结构阵列的两端相对应的第一进口和第一出口；
8、当所述第一晶圆片、第二晶圆片和第三晶圆片键合后，所述第一条状微结构阵列、第二条状微结构阵列和第三条状微结构阵列构成所述微通道，所述第一进口和第一出口与所述微通道相连通，以形成“u”形微通道结构；同时，也可选择刻蚀为s”形图案结构；进一步，第一条状微结构阵列、第二条状微结构阵列和第三条状微结构阵列的图案相同，第一进口和第一出口为方形通孔，其对应于条状微型通道的两端。
9、作为本专利技术的进一步改进，所述微通道的深度达到毫米级，所述微通道的宽度以及相邻微通道的间宽均小于400μm，所述微通道的数量为20～30，所述微通道可在通水后实现湍流效果；具体的：微通道之间相互独立，水流从横向分流层到湍流散热层入水端会实现分流效果，流经每一个“u”微通道结构，从湍流层出水端流出；由湍流re数的计算公式可得：微通道雷诺数大于1000时可实现湍流效果(ρ、μ为流体密度和动力粘性系数，为流场的特征速度，如管道内的平均流速，l为微通道入口的特征长度，如管道直径)。
10、作为本专利技术的进一步改进，所述横向分流层包括自上而下依次键合的第四晶圆片和第五晶圆片，所述第四晶圆片上刻蚀有进水通道和出水通道，所述第五晶圆片上刻蚀有第二进口和第二出口；进一步，进水通道和出水通道为刻蚀在第四晶圆片上的两个长方条状通孔结构，第二进口和第二出口为刻蚀在第五晶圆片上的半圆通孔结构，两半圆状结构图案与两长方条状通孔结构分别对准进行键合，形成相互独立进出水分流结构，该结构将底部进出水口与顶部微通道结构相连通，构成完整的水冷散热模块，可以实现纵向通水效果及进出水循环效果。
11、作为本专利技术的进一步改进，所述第二进口和第二出口沿对角线方向布设，即所述第二进口和第二出口前后左右分别相互错开。
12、作为本专利技术的进一步改进，所述进出水层包括自上而下依次键合的第六晶圆片和第七晶圆片，所述第六晶圆片和第七晶圆片均刻蚀有相对应的圆形通孔结构，以构成与所述第二进口相连通的进水口以及与所述第二出口相连通的出水口；进一步，相互独立的进水口与出水口的圆心与第二进口和第二出口的圆心相对应。
13、作为本专利技术的进一步改进，还包括：外部水箱；
14、所述外部水箱通过进水管与所述进水口相连，所述外部水箱通过回水管与所述出水口相连，所述外部水箱内设有温度传感器以及制冷器，所述温度传感器与所述制冷器相连，当所述温度传感器检测到水箱内的水温高于阈值时，控制芯片驱动制冷器工作，对水箱内的水进行制冷。
15、作为本专利技术的进一步改进，所述湍流散热层、横向分流层和进出水层的材料包括sic、aln和铜钨合金中的一种；具体的：对于晶格常数为5.63的gaas的vcsel，所选用的材料为sic；对于晶格常数为4.52的gan的vcsel，所选用的材料为aln；对于晶格常数为5.869的inp以及晶格常数为6.096的gasb的vcsel，所选用的材料为铜钨合金。
16、作为本专利技术的进一步改进，所述湍流散热层的上表面制备有电极图案，用于同面电极和异面电极结构的vcsel芯片直接实现电极连接。
17、作为本专利技术的进一步改进，键合方法为湿法化学活化键合或等离子体活化键合，键合后保证能够承受1.5mpa及以上水压强度，并且水流通道相互独立，键合后可保证各层薄片的镂空部分在热沉内部构成完整的冷却液通道；各晶圆片表面刻蚀图案的对准方式是晶圆在经过表面活化后采用光刻机进行图案对准，在室温下进行预键合，在放置于热退火炉中，进行退火成型。
18、与现有技术相比本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种高功率VCSEL芯片的微通道水冷散热结构，该微通道水冷散热结构置于高功率VCSEL芯片的底部散热面上，其特征在于，包括：自上而下依次设置的湍流散热层、横向分流层和进出水层；
2.如权利要求1所述的微通道水冷散热结构，其特征在于，所述湍流散热层包括自上而下依次键合的第一晶圆片、第二晶圆片和第三晶圆片，所述第一晶圆片的下表面刻蚀有第一条状微结构阵列且未刻蚀通孔，所述第二晶圆片上刻蚀有与第一条状微结构阵列相对应的第二条状微结构阵列且刻蚀通孔，所述第三晶圆片的上表面刻蚀有与第二条状微结构阵列相对应的第三条状微结构阵列且未刻蚀通孔，所述第三晶圆片的下表面刻蚀有与第三条状微结构阵列的两端相对应的第一进口和第一出口；
3.如权利要求2所述的微通道水冷散热结构，其特征在于，所述微通道的深度达到毫米级，所述微通道的宽度以及相邻微通道的间宽均小于400μm，所述微通道的数量为20～30，所述微通道可在通水后实现湍流效果。
4.如权利要求1所述的微通道水冷散热结构，其特征在于，所述横向分流层包括自上而下依次键合的第四晶圆片和第五晶圆片，所述第四晶圆片上刻蚀有
5.如权利要求1或4所述的微通道水冷散热结构，其特征在于，所述第二进口和第二出口沿对角线方向布设。
6.如权利要求1所述的微通道水冷散热结构，其特征在于，所述进出水层包括自上而下依次键合的第六晶圆片和第七晶圆片，所述第六晶圆片和第七晶圆片均刻蚀有相对应的圆形通孔结构，以构成与所述第二进口相连通的进水口以及与所述第二出口相连通的出水口。
7.如权利要求1所述的微通道水冷散热结构，其特征在于，还包括：外部水箱；
8.如权利要求1所述的微通道水冷散热结构，其特征在于，所述湍流散热层、横向分流层和进出水层的材料包括SiC、AlN和铜钨合金中的一种。
9.如权利要求1所述的微通道水冷散热结构，其特征在于，所述湍流散热层的上表面制备有电极图案，用于同面电极和异面电极结构的VCSEL芯片直接实现电极连接。
10.如权利要求2、4或6所述的微通道水冷散热结构，其特征在于，键合方法为湿法化学活化键合或等离子体活化键合；各晶圆片表面刻蚀图案的对准方式是晶圆在经过表面活化后采用光刻机进行图案对准，在室温下进行预键合，在放置于热退火炉中，进行退火成型。
...【技术特征摘要】
1.一种高功率vcsel芯片的微通道水冷散热结构，该微通道水冷散热结构置于高功率vcsel芯片的底部散热面上，其特征在于，包括：自上而下依次设置的湍流散热层、横向分流层和进出水层；
2.如权利要求1所述的微通道水冷散热结构，其特征在于，所述湍流散热层包括自上而下依次键合的第一晶圆片、第二晶圆片和第三晶圆片，所述第一晶圆片的下表面刻蚀有第一条状微结构阵列且未刻蚀通孔，所述第二晶圆片上刻蚀有与第一条状微结构阵列相对应的第二条状微结构阵列且刻蚀通孔，所述第三晶圆片的上表面刻蚀有与第二条状微结构阵列相对应的第三条状微结构阵列且未刻蚀通孔，所述第三晶圆片的下表面刻蚀有与第三条状微结构阵列的两端相对应的第一进口和第一出口；
3.如权利要求2所述的微通道水冷散热结构，其特征在于，所述微通道的深度达到毫米级，所述微通道的宽度以及相邻微通道的间宽均小于400μm，所述微通道的数量为20～30，所述微通道可在通水后实现湍流效果。
4.如权利要求1所述的微通道水冷散热结构，其特征在于，所述横向分流层包括自上而下依次键合的第四晶圆片和第五晶圆片，所述第四晶圆片上刻蚀有进水通道和出水通道，所述第五晶圆片上刻蚀有...
【专利技术属性】
技术研发人员：代京京，汪洁，王智勇，李尉，罗建军，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：
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