一種新型低成本單巴條液體製冷雷射器的製作方法

2023-06-07 06:00:46 2

專利名稱：一種新型低成本單巴條液體製冷雷射器的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於雷射器製造領域，涉及一種半導體雷射器，尤其是一種新型低成
本單巴條液體製冷雷射器。
背景技術：
隨著大功率半導體雷射器的進一步發展，所面臨的主要問題仍然是轉換效率低、 可靠性、性能穩定性差以及成本較高等問題，這些不足嚴重製約了它的應用空間。雷射器的 性能除了與晶片有關外，還跟雷射器的散熱和封裝有關。為了提高雷射器的可靠性和性能 穩定性，降低生產成本，設計高可靠性封裝結構和高效散熱結構的半導體雷射器是必須的。 目前，大功率單陣列半導體雷射器有熱傳導冷卻型(Michael Leers， Konstantin Boucke， Manfred Gotz， et al. ， Thermal resistance in d印endenceof diode laser packages, In :Mark S. Zediker eds. Proceedings of 56 SPIE， 2008. 6876 (687609))禾口微 通道液體製冷型(Rushikesh M. Patel，David K. Wagner， Allen D. Da騰r，Kam Fallahpour， Richard S.Stinnett,"Use ofmicro-channel cooling for high-power two-dimensional laser diode arrays", SPIE， vol. 634 :466-474(1992))兩種封裝形式。 對於熱傳導冷卻型，在連續波模式下工作的大塊熱沉而言，由於採用被動散熱方 式，容易產生雷射器溫度上升，這將導致雷射器的波長漂移，壽命和可靠性下降，因此，其輸 出功率一般只有幾十瓦，由於是被動散熱方式，因此使得半導體雷射器的功率從數十瓦擴 展到上百瓦就十分困難。 微通道液體製冷型現在已經商業化生產，雖然其採用主動散熱，散熱能力增強，使 雷射器的功率得到很大的提高，但還是存在以下缺點 1.使用和維護成本高。微通道液體製冷器需要使用去離子水作為冷卻液，以防止 正負極導通。並且在使用時必須保持去離子水的低電導率，因此使用和維護成本很高。 2.加工難度大。微通道液體製冷器通常是由幾層很薄的銅片層疊加工成型，內部 的微通道大約為300微米，在製造過程中，需要對每一層銅片進行精確的加工，以使層疊後 的微通道在液體流過時形成散熱能力強的湍流。因此，微通道製冷器的精確加工是一個難 點。 3.製造成本高。由於微通道製冷器的精密加工難度相當大，其製造成本也是非常 高的。 4.使用壽命短。在雷射器工作的過程中，若冷卻介質(通常為去離子水)中存在 雜質時，這些雜質很容易附著在微通道內壁上。 一方面，這些雜質顆粒可能會將微通道製冷 器的液體通道堵塞，使其製冷效果降低，從而產生比較嚴重的熱集中，導致雷射器輸出波長 發生漂移、光譜展寬、性能可靠性和壽命縮短，嚴重時甚至會將雷射器燒毀。另一方面，這些 雜質顆粒會引起微通道管壁的電化學腐蝕，嚴重時可能將微通道製冷器的管壁蝕穿，對激 光器的安全性造成極大地影響。這些都嚴重影響到雷射器的使用壽命。 5.密封要求高。由於微通道製冷器中冷卻介質的流動空間非常狹小，因此容易產生多餘的壓力降，冷卻介質流阻很大，密封困難。
實用新型內容本實用新型的目的在於克服上述現有技術的缺點，提供一種新型低成本單巴條液 體製冷雷射器，這種半導體雷射器在滿足使用功率要求的條件下，可降低成本，減小熱阻， 同時克服冷卻介質壓降過大的難點，在滿足光束質量的前提下保證雷射的高輸出功率。 本實用新型的目的是通過以下技術方案來解決的 這種新型低成本單巴條液體製冷雷射器，包括上液體製冷塊、負極連接片、絕緣 片、正極連接片、連接片固定片、密封圈和下液體製冷塊，還包括有微正極塊；所述下液體制 冷塊、微正極塊、絕緣片、負極連接片和上液體製冷塊依次自下而上層疊連接在一起；所述 下液體製冷塊的上端面一側設有臺階，臺階上設有正極連接片和連接片固定片；所述下液 體製冷塊、微正極塊、絕緣片和負極連接片上分別對應設有垂直於平面的入液通孔和出液 通孔，所述正極連接片和連接片固定片上分別對應設有垂直於平面的出液通孔，所述上液 體製冷塊的下端面上垂直設有入液孔和出液孔，入液孔和出液孔通過設置在上液體製冷塊 內的連接孔連通，所述下液體製冷塊、微正極塊、絕緣片和負極連接片上的各入液通孔和上 液體製冷塊的入液孔依次層疊後組成入液通道，所述下液體製冷塊、正極連接片、連接片固 定片、微正極塊、絕緣片和負極連接片上的各出液通孔和上液體製冷塊的出液孔依次層疊 後組成出液通道；所述微正極塊的一端設有晶片，所述晶片的正極面與微正極塊貼合，晶片 的負極面與負極連接片貼合。 上述微正極塊為金屬塊，所述微正極塊的入液通孔內設有散熱翅片。 上述晶片與微正極塊之間還設有熱沉，熱沉一面與微正極塊貼合，另一面與晶片
的正極面貼合。 上述下液體製冷塊、微正極塊、絕緣片和負極連接片的中部設有垂直於平面的固 定通孔，所述上液體製冷塊的下端面中部設有螺紋孔，所述下液體製冷塊上設有螺栓，所 述螺栓分別穿過下液體製冷塊、微正極塊、絕緣片和負極連接片上的固定通孔，旋於螺紋孔 中。 上述下液體製冷塊的入液通孔上端設有密封圈。 本實用新型具有以下有益效果 1)製造簡單，生產成本低。本實用新型採用在冷卻介質的流通路徑上增加翅片的
方式替代現有技術中的微通道，有效降低了加工難度，從而大大降低了製造成本。 2)可實現雷射大功率輸出。本實用新型的液體製冷能力完全滿足低佔空比準連續
波的工作要求，能夠實現大功率的雷射輸出。 3)冷卻介質流阻小、壓降低，容易密封。本實用新型用散熱翅片取代了現有技術中
的微通道，增大了冷卻介質的流通空間，從而起到降低流阻，減小壓降的作用。 4)冷卻介質進出口位置可選。本實用新型製備的大功率半導體雷射器的冷卻介質
的進出口可選，可在設計在同一端面，也可在正負極塊兩端。 5)散熱能力強。本實用新型在冷卻介質流通路徑上設置的散熱翅片能夠大大增加 散熱面積，達到減小器件熱阻，提高散熱能力的目的。 6)壽命長、可靠性高。按照本實用新型所提供的大功率半導體雷射器具有壽命長、可靠性高、穩定性高和體型小的特點。
圖1為本實用新型的結構拆解圖； 圖2為本實用新型的裝配外形圖； 圖3為本實用新型的微正極塊4的結構示意圖； 圖4為本實用新型的上液體製冷塊1的剖面圖； 圖5為本實用新型的下液體製冷塊7的剖面圖； 圖6為本實用新型的網格狀翅片的微正極塊4 ; 圖7為本實用新型製備的808nm半導體雷射器樣品的P-I曲線圖。
其中1為上液體製冷塊；2為負極連接片；3為絕緣片；4為微正極塊；5為連接片
固定片；6為正極連接片；7為下液體製冷塊；8為堵頭；9、26U7和18均為入液通孔；10、 14、27和19為固定通孔；11、12、13、22、21和20均為出液通孔;15為散熱翅片;16為晶片; 23、24、25為正極連接片固定孔；28為密封圈；29為螺栓頭沉孔；30為進液通道過渡段；31 為臺階；32為連接孔；33為入液孔；34為螺紋孔；35為出液孔；36為負極接線孔；37為入液□。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型做進一步詳細描述 參見圖1、圖2、圖4和圖5，本實用新型的新型低成本單巴條液體製冷雷射器，包括 上液體製冷塊l(負極塊)、負極連接片2、絕緣片3、正極連接片6、連接片固定片5、微正極 塊4和下液體製冷塊7。下液體製冷塊7、微正極塊4、絕緣片3、負極連接片2和上液體制 冷塊1依次自下而上層疊連接在一起。下液體製冷塊7的上端面一側設有臺階31，臺階31 上設有正極連接片6和連接片固定片5 ;下液體製冷塊7、微正極塊4、絕緣片3和負極連接 片2上分別對應設有垂直於平面的入液通孔9、26、17、18和出液通孔11、22、21、20。正極連 接片6和正極固定片5上分別對應設有垂直於平面的出液通孔12、 13 ;上液體製冷塊1的下 端面上垂直設有入液孔33和出液孔35，入液孔33和出液孔35通過設置在上液體製冷塊1 內的連接孔32連通，連接孔32的出口端設有堵頭8。各部件上的入液通孔9、26、17、18以 及入液孔33依次層疊後組成入液通道，各部件上的出液通孔11、12、13、22、21、20以及出液 孔35依次層疊後組成出液通道。在下液體製冷塊7的入液通孔9上開口處設有密封圈28， 保證入液通道的密封良好。為了達到良好的密封效果，也可以分別在各入液通孔9、26、17、 18和各出液通孔11 、22、21 、20之間設置橡密封28，達到整個入液通道和出液通道的良好密 封效果。下液體製冷塊7、微正極塊4、絕緣片3和負極連接片2的中部設有垂直於平面的 固定通孔10、14、27、19。上液體製冷塊1的下端面中部設有螺紋孔34，所述下液體製冷塊 7上設有螺栓，所述螺栓分別穿過下液體製冷塊7、微正極塊4、絕緣片3和負極連接片2上 的固定通孔10、14、27、19，旋於螺紋孔34中，這樣各部件被連接成一體，如圖2所示。 上述微正極塊4的一端設有晶片16，晶片16的正極面與微正極塊4貼合，晶片16 的負極面與負極連接片2貼合。本實用新型的晶片16的正極面可以直接焊接在微正極塊 4的一端，也可以在微正極塊4的上表面與晶片16的正極面之間加一熱沉，熱沉的上表面與晶片16的正極面貼合，晶片16的負極面與連接片貼合。熱沉採用導熱性能好的材料制 作，這樣雖然會增加晶片16的散熱路徑，但也很大程度上消除了在微正極塊4上直接焊芯 片16導致熱膨脹係數不匹配引起的熱應力集中現象。 微正極塊4的材料可以使用金屬(例如銅)或陶瓷(例如A1N)等散熱效果好的 材料。微正極塊4的入液通孔26內設有散熱翅片15(如圖3)。圖中的散熱翅片15為金屬 片狀，其平行設置於入液孔26內。本實用新型的散熱翅片15除了採用圖3中所示的形式 外，還可以採用任何一種可以減小熱阻，達到最大散熱效果的形狀結構，如採用圓柱形散熱 片、網狀、星形發射狀等散熱結構。圖6為採用網狀散熱翅片的微正極塊。 正極連接片6由連接片固定片5通過設於下液體製冷塊7側面的正極連接片固定 孔25、23、24和螺釘固定在下液體製冷塊7上。上液體製冷塊1的側面設有負極接線孔36， 負極接線孔36為螺紋孔，使用螺釘將負極引出。 本實用新型的新型低成本單巴條液體製冷雷射器是這樣製備的 (1)如圖3在微正極塊4上製備出入液通孔26、出液通孔22和固定孔14，並在入
液孔26上加工出散熱翅片15，將晶片16焊接到微正極塊4的上表面(如圖1); (2)將微正極塊4、晶片16、絕緣片3及負極連接片2焊接起來； (3)如圖4和圖5，在銅塊上鑽孔作為上液體製冷塊1和下液體製冷塊7 ; (4)將密封圈28分別放在下液體製冷塊18的入液孔9和出液孔11上埠外圈，
微正極塊4上的入液孔26和出液孔22，上液體製冷塊1的入液半孔33和出液半孔35下端
口外圈； (5)用連接螺釘依次穿過下液體製冷塊7、微正極塊4、絕緣片3、連接片2、上液體 製冷塊1中部的固定通孔，螺釘最後旋在上液體製冷塊1上的螺紋孔34內，將各部件緊密 連接起來，這樣就組成了本實用新型的基於液體製冷的大功率半導體雷射器。 本實用新型的工作原理如下 工作時，在正極連接片6和負極接線孔36上加電壓。雷射器晶片16正常工作，工 作時發出的熱量利用冷卻液的循環流動帶走。冷卻液由下液體製冷塊7的入液口 37進入， 經過進液通道過渡段30到入液通孔9，再到微正極塊4的入液通孔26中。冷卻液在下液 體製冷塊7的入液通孔9內形成湍流。冷卻液充滿入液孔9，直接從與晶片16貼合的微正 極塊4下端，帶走晶片16產生大部分的熱量；晶片16產生的剩餘熱量會通過微正極塊4， 傳導到散熱翅片15上，冷卻液衝到微正極塊4散熱翅片15，將散熱翅片15上的熱量帶走， 之後依次經過絕緣片3、連接片2到上液體製冷塊1的入液孔33，由連接孔32進入出液孔 35，再依次經過連接片3、絕緣片2和微正極塊4的出液通孔20、21、22，最後經下液體製冷 塊7的出液通孔11排出，經冷水機將熱量散去後又重新進入液口 37，冷卻液在入液通道和 出液通道裡完全密封，以防止因冷卻劑洩露而對半導體雷射器造成損壞。 本實用新型的冷卻介質進出口位置除採用上述的結構外，也可以採用上液體製冷 塊入液和出液的方式。還可以將冷卻介質進出口位置設計在上、下液體製冷塊兩端，這樣冷 卻液在雷射器內是單向流動的。具體冷卻液的循環形式要根據雷射器的安裝方式以及外部 配件的設置而靈活確定。本實用新型的上液體製冷塊、負極塊可以採用一體的結構，也可以 採用獨立的結構。 本實用新型的固定孔可以採用如圖l所示結構，也可使用其他結構，只要保證組裝後器件結構穩定即可。 根據本實用新型的雷射器結構，製作出了 808nm，250W單陣列液體製冷半導體激 光器，其結構也如圖2所示。以下給出這種808nm單陣列液體製冷半導體雷射器的各項測 試結果 (1)如圖7所示為808nm單陣列半導體雷射器樣品的L-I-V曲線，其最高輸出光功 率為289. 45W。 (2)在脈衝(400Hz，200us)250A的工作條件下，808nm單陣列半導體雷射器樣品的 測試結果如圖7所示。此時，雷射器的閾值電流為21. 35A，斜坡效率為1. 31W/A，典型的電 光轉換效率為59. 07%。 (3)圖7所示為，使用本實用新型專利製作的半導體雷射器樣品，波長808nm，功 率250W的光譜測試結果，其峰值波長為808. 53nm，中心波長為808. 53nm， FWHM為2. 73nm， FW90% E為3. 85nm。 本實用新型在滿足使用功率要求的條件下改變了傳統半導體雷射器採用的微通 道液體製冷形式，有效避免了加工微通道結構帶來的加工難度和成本高的缺點，本實用新 型採用翅片的散熱形式不但減小了冷卻液的循環流阻避免了冷卻液壓降過大的缺點，而且 由於翅片加工難度低，所以極大地降低了生產成本，並且這種翅片散熱形式可以達到微通 道結構散熱的同等散熱效果，配合本實用新型的上液體製冷塊和下液體製冷塊，本實用新 型可以達到較好的散熱效果。本實用新型主要應用於單陣列液體製冷半導體雷射器。
權利要求一種新型低成本單巴條液體製冷雷射器，包括上液體製冷塊(1)、負極連接片(2)、絕緣片(3)、正極連接片(6)、連接片固定片(5)和下液體製冷塊(7)，其特徵在於，還包括有微正極塊(4)；所述下液體製冷塊(7)、微正極塊(4)、絕緣片(3)、負極連接片(2)和上液體製冷塊(1)依次自下而上層疊連接在一起；所述下液體製冷塊(7)的上端面一側設有臺階(31)，臺階(31)上設有正極連接片(6)和連接片固定片(5)；所述下液體製冷塊(7)、微正極塊(4)、絕緣片(3)和負極連接片(2)上分別對應設有垂直於平面的入液通孔(9、26、17、18)和出液通孔(11、22、21、20)，所述正極連接片(6)和連接片固定片(5)上分別對應設有垂直於平面的出液通孔(12、13)，所述上液體製冷塊(1)的下端面上垂直設有入液孔(33)和出液孔(35)，入液孔(33)和出液孔(35)通過設置在上液體製冷塊(1)內的連接孔(32)連通，所述下液體製冷塊(7)、微正極塊(4)、絕緣片(3)和負極連接片(2)上的各入液通孔(9、26、17、18)和上液體製冷塊(1)的入液孔(33)依次層疊後組成入液通道，所述下液體製冷塊(7)、正極連接片(6)、連接片固定片(5)、微正極塊(4)、絕緣片(3)和負極連接片(2)上的各出液通孔(11、12、13、22、21、20)和上液體製冷塊(1)的出液孔(35)依次層疊後組成出液通道；所述微正極塊(4)的一端設有晶片(16)，晶片(16)的正極面與微正極塊(4)貼合，晶片(16)的負極面與負極連接片(2)貼合。
2. 根據權利要求1所述的新型低成本單巴條液體製冷雷射器，其特徵在於所述微正 極塊(4)為金屬塊，所述微正極塊(4)的入液通孔(26)內設有散熱翅片(15)。
3. 根據權利要求1所述的新型低成本單巴條液體製冷雷射器，其特徵在於所述晶片 (16)與微正極塊(4)之間還設有熱沉，熱沉一面與微正極塊(4)貼合，另一面與晶片(16) 的正極面貼合。
4. 根據權利要求1所述的新型低成本單巴條液體製冷雷射器，其特徵在於所述下液 體製冷塊(7)、微正極塊(4)、絕緣片(3)和負極連接片(2)的中部設有垂直於平面的固定 通孔(10、14、27、19)，所述上液體製冷塊(1)的下端面中部設有螺紋孔(34)，所述下液體制 冷塊(7)上設有螺栓，所述螺栓分別穿過下液體製冷塊(7)、微正極塊(4)、絕緣片(3)和負 極連接片(2)上的固定通孔(10、14、27、19)，旋於螺紋孔(34)中。
5. 根據權利要求1所述的新型低成本單巴條液體製冷雷射器，其特徵在於所述下液 體製冷塊(7)的入液通孔(9)上端設有密封圈(28)。
專利摘要本實用新型公開了一種新型低成本單巴條液體製冷雷射器，這種雷射器包括上液體製冷塊、連接片、絕緣片、正極連接片、連接片固定片和下液體製冷塊，還包括有微正極塊，所述下液體製冷塊、微正極塊、絕緣片、負極連接片和上液體製冷塊依次自下而上層疊連接在一起，下液體製冷塊、微正極塊、絕緣片和負極連接片上分別對應設有入液通孔和出液通孔，上液體製冷塊設有入液孔和出液孔，入液孔和出液孔通過連接孔連通，入液通孔依次層疊後組成入液通道，出液通孔依次層疊後組成出液通道。本實用新型不但製造簡單，生產成本低，而且冷卻介質流阻小、壓降低，容易密封、散熱能力強、壽命長、可靠性高，完全可滿足雷射的大功率輸出散熱要求。
文檔編號H01S5/00GK201450224SQ200920034398
公開日2010年5月5日 申請日期2009年8月31日 優先權日2009年8月31日
發明者劉興勝 申請人:西安炬光科技有限公司