專利名稱：應(yīng)用于半導(dǎo)體激光器的液體制冷器的制備方法及其制冷裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體激光器制造領(lǐng)域，涉及一種應(yīng)用于半導(dǎo)體激光器的液體制冷器的制備方法及其制冷裝置，尤其適用于大功率半導(dǎo)體激光器。
背景技術(shù)：
隨著半導(dǎo)體激光器的輸出功率、電光轉(zhuǎn)換效率、可靠性和性能穩(wěn)定性不斷提高，大功率半導(dǎo)體激光器在工業(yè)，醫(yī)療和軍事中的應(yīng)用更加廣泛，市場(chǎng)需求巨大，發(fā)展前景廣闊。激光器的性能除了與芯片有關(guān)外，還與激光器的散熱和封裝有關(guān)。為了提高激光器的可靠性和穩(wěn)定性，降低生產(chǎn)成本，必須設(shè)計(jì)高效的散熱結(jié)構(gòu)。此外，還要求封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造簡(jiǎn)單成本低、散熱效率高。目前，大功率半導(dǎo)體激光器已經(jīng)有商業(yè)化產(chǎn)品出現(xiàn)，這類激光器的散熱主要有傳導(dǎo)冷卻型、普通液體制冷型、微通道液體制冷型三種。傳導(dǎo)制冷器主要通過高導(dǎo)熱率金屬或者其他導(dǎo)熱性較好的材料進(jìn)行傳導(dǎo)散熱，這種制冷器的制備方法簡(jiǎn)單，但是散熱能力有限，制約了激光器的功率擴(kuò)展；普通液體制冷器制冷效果差，這種制冷器主要依靠中間或近熱源一側(cè)的貫通通道進(jìn)行散熱，散熱面積有限，且其內(nèi)部冷卻介質(zhì)不能有效形成湍流，對(duì)流換熱系數(shù)低；微通道液體制冷器加工難度大、制造成本高、使用壽命短。微通道液體制冷器由幾層很薄的銅片層疊加工成型，內(nèi)部的微通道大約為300微米。在制造過程中，需要對(duì)每一層銅片進(jìn)行精確的加工，以使層疊后的微通道在液體流過時(shí)形成散熱能力強(qiáng)的湍流。因此，微通道制冷器的精確加工是一個(gè)難點(diǎn)，由于微通道制冷器的精密加工難度相當(dāng)大，導(dǎo)致其制造成本非常高。而微通道制冷器中冷卻介質(zhì)的流動(dòng)空間非常狹小，容易產(chǎn)生多余的壓力降，密封條件惡劣，導(dǎo)致微通道制冷器使用壽命縮短。此外，激光器工作的過程中，若冷卻介質(zhì)(通常為去離子水)中存在雜質(zhì)時(shí)，這些雜質(zhì)很容易附著在微通道內(nèi)壁上，從而引起微通道管壁的電化學(xué)腐蝕，嚴(yán)重時(shí)可能將微通道制冷器的管壁蝕穿，既對(duì)激光器的安全性造成極大的影響，從而影響激光器的使用壽命。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種應(yīng)用于半導(dǎo)體激光器的液體制冷器的制備方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)存在的散熱效率低或加工難度大、生產(chǎn)成本較高等技術(shù)問題。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的—種應(yīng)用于半導(dǎo)體激光器的液體制冷器的制備方法，包括以下步驟(I)在制冷器基體的上方開孔口，經(jīng)由該孔口在制冷器基體內(nèi)開設(shè)空腔；在制冷器基體的一端側(cè)壁上開設(shè)進(jìn)液口，另一端側(cè)壁上開設(shè)出液口，并使進(jìn)水口和出水口與所述空腔連通；(2)將經(jīng)由所述孔將散熱組件固定安裝入所述空腔中，形成液冷通道；散熱組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)依據(jù)是盡可能增大散熱面積，并使得所述液冷通道具有多條路徑，加大冷卻介質(zhì)的湍流度(該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可基于公知的流體散熱理論并參考其他領(lǐng)域中常見的散熱結(jié)構(gòu))； (3)將制冷器基體上方開設(shè)的孔口封閉。上述散熱組件可以采用翅片、肋條或柱體的形式，步驟(I)開設(shè)空腔的過程中在制冷器基體的內(nèi)壁加工出與散熱組件固定配合的凹槽或卡座。旨在實(shí)現(xiàn)盡可能增大散熱面積，并使得所述液冷通道具有多條路徑，加大冷卻介質(zhì)的湍流度?；蛘呱鲜錾峤M件也可以是具有基底的一體件，采用壓鑄或者一次成型工藝生產(chǎn)；基底上布設(shè)有多個(gè)散熱翅片、散熱肋條或散熱柱，步驟(2)直接將基底固定于制冷器基體的內(nèi)壁。旨在實(shí)現(xiàn)盡可能增大散熱面積，并使得所述液冷通道具有多條路徑，加大冷卻介質(zhì)的瑞流度。上述步驟(3)中將孔口封閉是在孔口位置安裝蓋板，或者采用堵片與孔口平齊焊接或粘接以使制冷器基體外殼平整。在步驟(2)安裝散熱組件后，最好對(duì)整個(gè)液冷通道加防腐蝕鍍層。這樣，即使使用的冷卻劑存在一些雜質(zhì)，也仍能夠保證長(zhǎng)時(shí)間地正常散熱工作。上述的制冷器基體選材自銅、金、銀、陶瓷、金剛石或金剛石銅復(fù)合材料。上述制冷器基體最好采用矩形塊狀、圓柱狀或橢圓柱狀。經(jīng)過如上述液體制冷器的制備方法生產(chǎn)得到的半導(dǎo)體激光器制冷裝置，其特殊之處在于在半導(dǎo)體激光器制冷裝置的制冷器基體的平整表面鍍有焊接層，半導(dǎo)體激光器芯片封裝于焊接層上；制冷器基體的內(nèi)部設(shè)置有散熱組件；所述散熱組件采用翅片、肋條或柱體的形式，在制冷器基體的內(nèi)壁加工有與散熱組件固定配合的凹槽或卡座；或者所述散熱組件為具有基底的一體件，基底固定于制冷器基體的內(nèi)壁，基底上布設(shè)有多個(gè)散熱翅片、散熱肋條或散熱柱。在散熱組件的表面和制冷器基體的內(nèi)壁設(shè)置有防腐蝕鍍層。制冷器基體以矩形塊狀、圓柱狀或橢圓柱狀為佳。本發(fā)明具有以下有益效果(I)散熱能力強(qiáng)。本發(fā)明使用散熱片結(jié)構(gòu)形成的液流通道，大大增加了液體制冷器的散熱面積，在制冷器基體空腔內(nèi)部將水路分成多路水流，加大了冷卻介質(zhì)的湍流度，從而加強(qiáng)制冷器的制冷效果。(2)成本低。本發(fā)明制冷器基體結(jié)構(gòu)易于機(jī)械加工，制作成本低。制冷器基體可直接用普通機(jī)械加工方法制備，散熱片也可根據(jù)其形狀可用擠型或者壓鑄或者一次成型工藝生產(chǎn)，比一般使用線切割工藝的制冷器成本更低，適宜于批量化生產(chǎn)。(3)具有可調(diào)整性。本發(fā)明中可根據(jù)散熱要求，選擇散熱片的形狀安裝在制冷器基體中的液體通道上，例如，如散熱要求低時(shí)可選擇只有少量翅片的結(jié)構(gòu)；散熱要求較高時(shí)，可選擇具有多片翅片的結(jié)構(gòu)，方便對(duì)結(jié)構(gòu)的合理運(yùn)用和對(duì)成本的管控。(4)便于設(shè)置防腐蝕層以提高可靠性。與一般微通道相比，本制冷器的水路尺寸大，且可加防腐蝕鍍層，因此極大地降低了水路被堵塞或嚴(yán)重腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)，可靠性大大提聞。



圖I為本發(fā)明制冷器的制備方法示意圖。圖2為開設(shè)液體通道后制冷器的剖面圖。圖3，圖4，圖5，圖6為本發(fā)明采用的不同結(jié)構(gòu)形式的散熱組件。其中，I為制冷器基體；2為孔口 ；3為液體通道；4為進(jìn)水口 ；5為散熱組件；6為蓋板；7為液體制冷器成品。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述如圖I所示，本發(fā)明的制冷器基體I采用經(jīng)過對(duì)主平面進(jìn)行磨削的塊狀坯體，首先在制冷器上方開設(shè)孔口 2，從孔口 2將制冷器基體掏空并在內(nèi)部設(shè)置液體通道3，在制冷器基體的一端側(cè)壁上開設(shè)進(jìn)液口，另一端側(cè)壁上開設(shè)出液口，并使進(jìn)水口和出水口與液體通道連通。最后將制冷器基體I上方開設(shè)孔口 2部位進(jìn)行封閉，封閉的方式是安裝蓋板6或者將蓋板6焊接在孔口 2部位上，使安裝蓋板6的制冷器基體3從外面看是一個(gè)完整的整體，便于設(shè)置焊接層從而安裝半導(dǎo)體激光器芯片。制冷器基體I的材質(zhì)為高導(dǎo)熱率材料，可以是金屬，如銅、金、銀，也可以是金剛石或者金剛石銅復(fù)合材料，也可以是陶瓷。制冷器基體I可以為便于開設(shè)空腔以及配合容置散熱組件的任意形狀，可以是矩形塊狀，可以是圓柱體狀等。散熱組件5可以是任意能夠增加散熱面積的結(jié)構(gòu)形式，可以是多個(gè)相互平行的條形片狀翅片組成，也可以是多個(gè)垂直柱體陣列，所述柱體陣列的橫截面積可以是圓形也可以是多邊形。液體通道與散熱組件相適配，即若散熱組件5采用翅片的形式，則液體通道3是與每個(gè)翅片所配合的凹槽，每個(gè)翅片可安裝在于之配合凹槽上；若散熱組件5采用柱體狀的形式，則液體通道3是與主體狀所配合的凹槽；同時(shí)散熱組件5也可是個(gè)整體，只是在散熱組件5的基底上設(shè)置了翅片或者其他散熱結(jié)構(gòu)，那么液體通道3和散熱組件5的基底配
八
口 ο制冷器基體I側(cè)壁上連通液體通道的進(jìn)出水口的位置可以根據(jù)工藝要求來設(shè)定。本發(fā)明的散熱組件5可以根據(jù)散熱需要設(shè)計(jì)成多種結(jié)構(gòu)形式，如3所示，散熱組件采用翅片形式，是由多個(gè)相互平行的條形片狀翅片組成；圖4，散熱組件為多個(gè)柱狀體；圖5散熱器有基座，在基座上設(shè)置增加散熱的翅片；圖6散熱組件有基座，在基座上設(shè)置增加散熱的柱狀結(jié)構(gòu)。在實(shí)際應(yīng)用中，本發(fā)明的翅片也可以稍作改進(jìn)，如將翅片制作成環(huán)狀等有利于散熱的結(jié)構(gòu)。為了防止水流通道的腐蝕，液體通道3的內(nèi)壁均設(shè)有防腐蝕鍍層，這種在水路鍍抗腐蝕材料的方式，大大提高了散熱系統(tǒng)的抗腐蝕能力?；诒景l(fā)明液體制冷器的制備方法，在制備得到的液體制冷器7上鍍焊接層，再在焊接層層上封裝半導(dǎo)體激光器芯片，半導(dǎo)體激光器芯片工作時(shí)熱源產(chǎn)生的熱量通過熱傳導(dǎo)的方式垂直向下傳導(dǎo)到制冷器散熱片上，通過散熱組件進(jìn)行散熱。具體工作方式為冷卻介質(zhì)由制冷器基體I壁面上的入水口進(jìn)入液體通道3，在液體通道內(nèi)形成湍流并被散熱組件分流，激光器芯片產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)到散熱組件上，并由散熱組件內(nèi)水流將熱量及時(shí)帶走，水流經(jīng)出水口流出。這樣，半導(dǎo)體激光器芯片傳導(dǎo)到液體制冷器上的熱量被冷卻介質(zhì)帶走。由于散熱組件的存在，散熱面積大大增加，從而產(chǎn)生良好的制冷效果。
本發(fā)明可根據(jù)半導(dǎo)體激光器的散熱需求進(jìn)行設(shè)計(jì)制備液體制冷器?？蓾M足為能夠封裝任意個(gè)巴條的液體制冷器。綜上所述，本發(fā)明的制備方法簡(jiǎn)單、易于機(jī)械加工，制作成本低。譬如制冷器基體可直接用普通機(jī)械加工方法制備，并可實(shí)現(xiàn)在制冷器基體上加工螺紋孔等輔助工藝；若散熱翅片組件與卡座根據(jù)其形狀可用壓鑄或者一次成型工藝生產(chǎn)，比一般使用線切割工藝的制冷器成本更低，適宜于批量化生產(chǎn)，當(dāng)然，樣品同樣可使用線切割工藝制備，其主表面可直接加工到應(yīng)用所需要的平面度和粗糙度；制冷器基體組裝可根據(jù)具體應(yīng)用情況使用焊接工藝，粘接工藝等一次完成。如果對(duì)制冷器表面要求極高，亦可直接于制冷器基體組裝后二次對(duì)主平面進(jìn)行磨削等二次加工，亦可于整體架構(gòu)外加防腐蝕鍍層。
權(quán)利要求
1.一種應(yīng)用于半導(dǎo)體激光器的液體制冷器的制備方法，包括以下步驟 (1)在制冷器基體的上方開孔口，經(jīng)由該孔口在制冷器基體內(nèi)開設(shè)空腔；在制冷器基體的一端側(cè)壁上開設(shè)進(jìn)液口，另一端側(cè)壁上開設(shè)出液口，并使進(jìn)水口和出水口與所述空腔連通； (2)將經(jīng)由所述孔將散熱組件固定安裝入所述空腔中，形成液冷通道；散熱組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)依據(jù)是盡可能增大散熱面積，并使得所述液冷通道具有多條路徑，加大冷卻介質(zhì)的湍流度； (3)將制冷器基體上方開設(shè)的孔口封閉。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的液體制冷器的制備方法，其特征在于所述散熱組件采用翅片、肋條或柱體的形式，步驟(I)開設(shè)空腔的過程中在制冷器基體的內(nèi)壁加工出與散熱組件固定配合的凹槽或卡座。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的液體制冷器的制備方法，其特征在于所述散熱組件為具有基底的一體件，采用壓鑄或者一次成型工藝生產(chǎn)；基底上布設(shè)有多個(gè)散熱翅片、散熱肋條或散熱柱，步驟(2)直接將基底固定于制冷器基體的內(nèi)壁。
4.根據(jù)權(quán)利要求I至3任一所述的液體制冷器的制備方法，其特征在于步驟(3)中將孔口封閉是在孔口位置安裝蓋板，或者采用堵片與孔口平齊焊接或粘接以使制冷器基體外殼平整。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的液體制冷器的制備方法，其特征在于在步驟(2)安裝散熱組件后，對(duì)整個(gè)液冷通道加防腐蝕鍍層。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的液體制冷器的制備方法，其特征在于制冷器基體選材自銅、金、銀、陶瓷、金剛石或金剛石銅復(fù)合材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的液體制冷器的制備方法，其特征在于制冷器基體為矩形塊狀、圓柱狀或橢圓柱狀。
8.經(jīng)過如權(quán)利要求I所述液體制冷器的制備方法生產(chǎn)得到的半導(dǎo)體激光器制冷裝置，其特征在于在半導(dǎo)體激光器制冷裝置的制冷器基體的平整表面鍍有焊接層，半導(dǎo)體激光器芯片封裝于焊接層上；制冷器基體的內(nèi)部設(shè)置有散熱組件； 所述散熱組件采用翅片、肋條或柱體的形式，在制冷器基體的內(nèi)壁加工有與散熱組件固定配合的凹槽或卡座； 或者所述散熱組件為具有基底的一體件，基底固定于制冷器基體的內(nèi)壁，基底上布設(shè)有多個(gè)散熱翅片、散熱肋條或散熱柱。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的半導(dǎo)體激光器制冷裝置，其特征在于在散熱組件的表面和制冷器基體的內(nèi)壁設(shè)置有防腐蝕鍍層。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的半導(dǎo)體激光器制冷裝置，其特征在于制冷器基體為矩形塊狀、圓柱狀或橢圓柱狀。
全文摘要
本發(fā)明提供一種應(yīng)用于半導(dǎo)體激光器的液體制冷器的制備方法及其制冷裝置，以解決現(xiàn)有技術(shù)存在的散熱效率低或加工難度大、生產(chǎn)成本較高等技術(shù)問題。該液體制冷器的制備方法，包括以下步驟(1)在制冷器基體的上方開孔口，經(jīng)由該孔口在制冷器基體內(nèi)開設(shè)空腔；(2)將經(jīng)由所述孔將散熱組件固定安裝入所述空腔中，形成液冷通道；散熱組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)依據(jù)是盡可能增大散熱面積，并使得所述液冷通道具有多條路徑，加大冷卻介質(zhì)的湍流度；(3)將制冷器基體上方開設(shè)的孔口封閉。本發(fā)明具有散熱能力強(qiáng)、成本低的優(yōu)點(diǎn)，具有可調(diào)整性，便于設(shè)置防腐蝕層以提高可靠性。
文檔編號(hào)H01S5/024GK102623889SQ20121010437
公開日2012年8月1日 申請(qǐng)日期2012年4月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月11日
發(fā)明者劉興勝, 宗恒軍 申請(qǐng)人:西安炬光科技有限公司