叠层阵列液体制冷半导体激光器及其制备方法

摘要

本发明公开了一种新型低成本叠层阵列液体制冷半导体激光器及其制备方法，该种激光器包括自下而上依次设置的下底板、正极块、带芯片微制冷模块、负极块、上压块和液体制冷块，带芯片微制冷模块有两个或两个以上，带芯片微制冷模块叠层组成多巴条串联模块组，所述下底板两侧设有侧板；正极块、多巴条串联模块组和负极块依次叠层安装后设于下底板上的两侧板之间，上压块设于负极块的上侧并与下底板的两侧板上端固定连接，上压块上侧面固定连接有液体制冷块。本发明不仅制造简单，生产成本低，而且本发明用散热翅片的形式代替传统微通道结构形式后，有效减小了冷却液流阻，使得冷却液压降明显降低，冷却液更容易密封，散热能力更强，有效延长了半导体激光器的寿命，提高可靠性。

权利要求

1.一种叠层阵列式液体制冷半导体激光器，包括自下而上依次叠置的下底板(16)、正极块(20)、多巴条串联模块组(31)、负极块(23)、上压块(25)和液体制冷块(28)，其特征在于，所述多巴条串联模块组(31)由多个带芯片微制冷模块(33)依次垂直叠层组成，所述多巴条串联模块组(31)内设有入液通道(35)和出液通道(36)，所述正极块(20)上设有正极块入液孔(17)和正极块出液孔(19)，所述负极块(23)对应设有负极块入液孔和负极块出液孔，所述上压块(25)上设有入液通孔(30)和出液通孔(26)，所述液体制冷块(28)上设有液体制冷块入液孔(14)和液体制冷块出液孔(15)，所述正极块入液孔(17)、入液通道(35)、负极块入液孔、入液通孔(30)和液体制冷块入液孔(14)依次连通；所述正极块出液孔(19)、出液通道(36)、负极块出液孔、出液通孔(26)和液体制冷块出液孔(15)依次连通；所述正极块入液孔(17)和正极块出液孔(19)的下端口分别与设于下底板(16)上的入液口和出液口相连通，所述下底板(16)两侧设有侧板(34)；所述正极块(20)、多巴条串联模块组(31)和负极块(23)依次叠层安装后设于下底板(16)上的两侧板(34)之间，所述上压块(25)设于负极块(23)的上侧并与下底板(16)的两侧板(34)上端固定连接，所述上压块(25)上侧面固定连接有液体制冷块(28)；所述带芯片微制冷模块(33)包括铜连接片(4)和液体制冷片(3)，液体制冷片(3)为矩形片状，液体制冷片(3)的中部垂直开设有连接通孔(7)，连接通孔(7)的两侧分别设有入液孔(5)和出液孔(9)，所述入液孔(5)内设有散热翅片(6)，所述液体制冷片(3)在靠近入液孔(5)的一端设有芯片安装区(37)，所述液体制冷片(3)的芯片安装区(37)设有热沉(2)和芯片(1)，热沉(2)与芯片(1)的正极面贴合，所述芯片(1)的负极面与铜连接片(4)贴合，所述铜连接片(4)与液体制冷片(3)之间还设有绝缘片(10)；所述下底板(16)的两侧板(34)远离发光面一侧固定连接有H型后板(22)；所述下底板(16)、正极块(20)、多巴条串联模块组(31)、负极块(23)和上压块(25)经贯通螺钉(27)以叠层阵列形式连接在一起。

2.根据权利要求1所述的叠层阵列式液体制冷半导体激光器，其特征在于，所述液体制冷块(28)内设有导通孔(12)，所述液体制冷块入液孔(14)和液体制冷块出液孔(15)的一端通过导通孔(12)连通，另一端分别与上压块(25)的入液通孔(30)和出液通孔(26)相连。

3.一种权利要求1所述激光器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)首先在矩形片状的液体制冷片(3)上加工出液孔(9)和入液孔(5)，然后在入液孔(5)内加工出散热翅片(6)；

2)将芯片(1)的正极焊接到热沉(2)上，并将芯片(1)、热沉(2)及绝缘片(10)焊接起来，组成一个带芯片微制冷模块(33)；

3)在上压块(25)加工出固定螺孔(29)，在液体制冷块(28)上加工出连接孔(11)；

4)将H型后板(22)用螺钉通过固定孔(21)紧固在下底板(16)的两个侧板(34)上；

5)在正极块(20)下端面、侧板(34)和后板(22)上涂覆绝缘层，将正极块(20)放置在下底板(16)的两个侧板(34)之间，绝缘层一面贴近下底板(16)的进出液口，正极块(20)的入液孔(17)和出液孔(19)上下两面采用密封圈密封；

6)将多个带芯片微制冷模块(33)在垂直方向堆叠起来形成多巴条串联模块组(31)，最下端的液体制冷片(3)底端放在有密封圈的正极块(20)上，整个多巴条串联模块组(31)紧靠在后板(22)上；

7)在负极块(23)上端面涂覆绝缘层，将该负极块(23)放置在多巴条串联模块组(31)最上端的铜连接片(4)上；

8)将上压块(25)置于负极块(23)上，用贯通螺钉(27)将上压块(25)、负极块(23)、多巴条串联模块组(31)、正极块(20)和下底板(16)紧固连接在一起；

9)用螺钉将上压块(25)通过连接螺孔(24)和侧板固定螺孔(32)与下底板(16)的两个侧板(34)紧固在一起；

10)将液体制冷块(28)通过连接孔(11)和固定螺孔(29)与上压块(25)紧固连接在一起，制得所述的激光器。

说明书

叠层阵列液体制冷半导体激光器及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于半导体光电子器件制造领域，涉及一种半导体激光器，尤其是一种新型低成本的叠层阵列式液体制冷半导体激光器及其制备方法。

[0002] 背景技术

[0003] 半导体激光器又称激光二极管(LD)。进入八十年代，人们吸收了半导体物理发展的最新成果，采用了量子阱(QW)和应变量子阱(SL-QW)等新颖性结构，引进了折射率调制Bragg发射器以及增强调制Bragg发射器最新技术，同时还发展了MBE、MOCVD及CBE等晶体生长技术新工艺，使得新的外延生长工艺能够精确地控制晶体生长，达到原子层厚度的精度，生长出优质量子阱以及应变量子阱材料。于是，制作出的LD，其阈值电流显著下降，转换效率大幅度提高，输出功率成倍增长，使用寿命也明显加长。随着半导体激光器性能稳定性、转换效率和输出功率的不断提高，大功率半导体激光器在工业，医疗和军事中的应用更加广泛，市场需求巨大，发展前景更加广阔。

[0004] 目前，大功率半导体激光器要解决的仍是输出功率和转换效率的进一步增大，可靠性和性能稳定性提高，成本继续降低等问题。半导体激光器的性能除了与芯片有关外，还跟激光器的封装和散热有关。为了提高激光器的可靠性和性能稳定性，降低生产成本，设计高可靠性的封装结构和高效的散热结构是必须的。

[0005] 现有技术中，大功率半导体激光器叠层阵列有传导冷却垂直叠阵GS 型(Rosenberg，Paull；Reichert，Patrickl et.Highly reliable hard solderedQCW laser diode stack packaging platform，Proceedings of SPIE，v 6456，2007)、液体制冷垂直叠阵GS型(武德勇，严地勇，唐淳，高松信，高平均功率面阵二极管激光器散热分析，强激光与粒子束，第V13(5)，2001.9)及微通道液体制冷型(David K.Wagneret al，Semiconductor laser array，USPatent 5311530)三种封装形式。

[0006] 对于传导冷却垂直叠阵GS型而言，如图10所示，由于其采用被动散热方式，容易造成热量累积，激光器温度上升，导致激光器的波长漂移，寿命和可靠性下降，功率扩展受到限制；而液体制冷垂直叠阵GS型，如图11所示，虽然采用了液体制冷散热方式，但是存在热源距离液体通道距离远、散热能力有限和散热效率不高的缺点。图10和图11中箭头所指方向为热流方向。

[0007] 微通道液体制冷型的大功率半导体激光器叠层阵列已经有商业化产品出现。虽然微通道的引入使其散热能力得到进一步增强，从而大大提高了半导体激光器的输出功率，但仍然存在以下缺点：

[0008] 1)使用和维护成本高。由于该制冷器的冷却液与电子器件正负极直接接触，因此在工作时必须使用高质量的去离子水作为冷却介质，以防止正负极导通。去离子水成本高，并且在使用时必须保持去离子水的低电导率，因此使用和维护成本很高。 [0009] 2)加工难度大。微通道液体制冷器由几层很薄的铜片层叠加工成型，内部的微通道大约为300微米。在制造过程中，需要对每一层铜片进行精确的加工，以使层叠后的微通道在液体流过时形成散热能力强的湍流。因此，微通道制冷器的精确加工是一个难点。 [0010] 3)制造成本高。由于微通道制冷器的精密加工难度相当大，其制造成本也是非常高的。

[0011] 4)使用寿命短。在激光器工作的过程中，若冷却介质(通常为去离子水)中存在杂质时，这些杂质很容易附着在微通道内壁上，从而引起微通道管壁的电化学腐蚀，严重时可能将微通道制冷器的管壁蚀穿，对激光器的安全性造成极大地影响。这些都严重影响到激光器的使用寿命。

[0012] 5)密封要求高。由于微通道制冷器中冷却介质的流动空间非常狭小，因此容易产生多余的压力降，密封条件恶劣。

发明内容

[0013] 本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种新型低成本叠层阵列式液体制冷半导体激光器及其制备方法，这种半导体激光器将多块带芯片微制冷模块叠置，并设置连通入水孔和出水孔的水流通道，形成整体液体循环冷却系统。这种液体循环冷却系统散热能力强，有效解决了各带芯片微制冷模块在工作时芯片发热导致的温度过高问题，使得半导体激光器输出功率更大，且本发明结构简单，冷却介质在循环冷却过程中流阻小、压降低，容易密封。

[0014] 本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

[0015] 这种新型低成本叠层阵列式液体制冷半导体激光器，包括自下而上依次叠置的下底板、正极块、带芯片微制冷模块、负极块、上压块和液体制冷块，其中该液体制冷半导体激光器包含多个带芯片微制冷模块，所述多个带芯片微制冷模块叠层组成多巴条串联模块组，多巴条串联模块组设有入液通道和出液通道，正极块上设有正极块入液孔和正极块出 液孔，负极块对应设有负极块入液孔和负极块出液孔，上压块上设有入液通孔和出液通孔；下底板两侧设有侧板；所述正极块、多巴条串联模块组和负极块依次叠层安装后设于下底板上的两侧板之间，所述上压块设于负极块的上侧并与下底板的两侧板上端固定连接，所述上压块上侧面固定连接有液体制冷块。

[0016] 上述带芯片微制冷模块包括铜连接片和液体制冷片，液体制冷片为矩形片状，液体制冷片的中部垂直开设有连接通孔，连接通孔的两侧分别设有入液孔和出液孔，所述入液孔内设有散热翅片，所述液体制冷片在靠近入液孔的一端设有芯片安装区，所述液体制冷片的芯片安装区设有热沉和芯片，热沉与芯片的正极面贴合，所述芯片的负极面与铜连接片贴合，所述铜连接片与液体制冷片之间还设有绝缘片。

[0017] 上述下底板的两侧板远离发光面一侧固定连接有H型后板。

[0018] 上述下底板、正极块、多巴条串联模块组、负极块和上压块经贯通螺钉以叠层阵列形式连接在一起。

[0019] 上述液体制冷块内设有液体制冷块入液孔和液体制冷块出液孔，所述液体制冷块入液孔和液体制冷块出液孔的一端与导通孔连通，另一端分别与上压块的入液通孔和出液通孔相连。

[0020] 一种上述激光器的制备方法，具体包括以下步骤：

[0021] 1)首先在矩形片状的液体制冷片上加工出液孔、入液孔和散热翅片； [0022] 2)将芯片的正极焊接到热沉上，并将芯片、热沉及绝缘片焊接起来，组成一个带芯片微制冷模块；

[0023] 3)在上压块和液体制冷块上加工出连接孔；

[0024] 4)将H型后板用螺钉通过固定孔紧固在底板的两个侧板上；

[0025] 5)在正极块下端面、侧板和后板上涂覆绝缘层，将正极块放置在底板的两个侧板之间，绝缘层一面贴近下底板的进出液口，正极块的入液孔和出液孔上下两面采用密封圈密封；

[0026] 6)将多个带芯片微制冷模块在垂直方向堆叠起来形成多巴条串联模块组，最下端的液体制冷片底端放在有密封圈的正极块上，整个多巴条串联模块组紧靠在后板上； [0027] 7)在负极块上端面涂覆绝缘层，将该负极块放置在多巴条串联模块组最上端的铜连接片上；

[0028] 8)将上压块置于负极块上，用贯通螺钉将上压块、多巴条串联模块组、正极块和下底板紧固连接在一起；

[0029] 9)用螺钉将上压块通过连接螺孔和侧板固定螺孔与下底板的两个侧板紧固在一起；

[0030] 10)将液体制冷块通过连接孔和固定螺孔紧固连接在一起，制得所述的激光器。 [0031] 本发明具有以下有益效果：

[0032] 1.制造简单，生产成本低：本发明采用带翅片的带芯片微制冷模块替代传统的微通道，从而大大降低了制造成本。

[0033] 2.可实现激光大功率输出：由于发明采用多个带芯片微制冷模块层叠结构，其制冷能力完全满足低占空比准连续波的工作要求，可实现大功率的激光输出。 [0034] 3.寿命长、可靠性高：按照本发明所提供的大功率半导体激光器，其避免了微通道被腐蚀的可能性，从而寿命长、可靠性高、稳定性高，并具有体型小的特点。 [0035] 4.冷却液流阻小、压降低且容易密封：本发明的带芯片微制冷模块用翅片取代了微通道，增大了冷却介质的流通空间，从而起到降 低流阻，减小压降的作用。 附图说明

[0036] 图1是本发明的各部件拆解示意图；

[0037] 图2是本发明的带芯片微制冷模块33的结构示意图；

[0038] 图3是本发明的液体制冷片3结构示意图；

[0039] 图4是本发明的液体制冷块28；

[0040] 图5是本发明的液体制冷块28剖面图；

[0041] 图6是本发明装配完整图；

[0042] 图7是本发明的冷却液通道走向剖解示意图；

[0043] 图8是本发明的冷却液通道替换方案剖解示意图；

[0044] 图9是本发明的带芯片微制冷模块33的替换方案结构示意图；

[0045] 图10是现有技术中传导冷却垂直叠阵GS型散热结构示意图；

[0046] 图11是现有技术中液体制冷垂直叠阵GS型散热结构示意图。

[0047] 其中：1为芯片；2为热沉；3为液体制冷片；4为铜连接片；5为入液孔；6为散热翅片；7为连接通孔；8为密封圈；9为出液孔；10为绝缘片；11为液体制冷块连接孔；12为导通孔；13为堵头；14为液体制冷块入液孔；15为液体制冷块出液孔；16为下底板；17为正极块入液孔；18为正极块连接通孔；19为正极块出液孔；20为正极块；21为后板固定孔；22为后板；23为负极块；24为连接螺孔；25为上压块；26为出液通孔；27为贯通螺钉；28为液体制冷块；29为固定螺孔；30为入液通孔；31为多巴条串联模块组；32为侧板固定螺孔；33为带芯片微制冷模块；34为侧板；35为入液通道；36为出液通道；37为芯片安装区。 具体实施方式

[0048] 下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

[0049] 图1是本发明的新型低成本叠层阵列式液体制冷半导体激光器的各部件拆解示意图，这种叠层阵列式液体制冷半导体激光器，包括自下而上依次设置的下底板16、正极块20、多巴条串联模块组31、负极块23、上压块25和液体制冷块28，其中多巴条串联模块组
31包括两个或两个以上带芯片微制冷模块33。多巴条串联模块组31上设有入液通道35和出液通道36，入液通道35和出液通道36与带芯片微制冷模块33的水平面垂直。 [0050] 如图2，带芯片微制冷模块33包括铜连接片4和液体制冷片3，其中液体制冷片3的结构如图3所示，液体制冷片3为矩形片状，其中部垂直开设有连接通孔7，连接通孔7的两侧分别设有入液孔5和出液孔9，入液孔5内设有散热翅片6，液体制冷片3在靠近入液孔5的一端设有芯片安装区37，芯片安装区37设有热沉2和芯片1。热沉2与芯片1的正极面贴合，芯片1的负极面与铜连接片4贴合，铜连接片4与微液体制冷片3之间还设有绝缘片10，贴于液体制冷片3上表面的各层，如铜连接片4、绝缘片10，在连接通孔7以及入液孔5和出液孔9的相应位置均开设有孔，以便于冷却液的流通。为保证水路连接的密封性，入液孔5和出液孔9处均设有密封圈8，为增大散热面积，液体制冷片3在入液孔5上还设有散热翅片6。

[0051] 以上当多个带芯片微制冷模块33叠层阵列时，各带芯片微制冷模块33的入液孔5、正极块入液孔17、入液通孔30及液体制冷块入液孔14相互叠加就形成入液通道35，各带芯片微制冷模块33的出液孔9、正极 块出液孔19、出液通孔26及液体制冷块出液孔15相互叠加形成出液通道36，并且通过密封圈8将入液通道35和出液通道36密封形成冷却液可以通过的密闭管路，其中在入液通道35中形成间隔设于通道上的散热翅片6。 [0052] 图1中，正极块20上设有正极块入液孔17和正极块出液孔19，负极块23对应设有负极块入液孔和负极块出液孔；上压块25上设有入液通孔30和出液通孔26；下底板16两侧设有侧板34；正极块20、多巴条串联模块组31和负极块23依次叠层安装后设于下底板16上的两侧板34之间(如图6)，其中多巴条串联模块组31最下端的微制冷块33与正极块20紧密贴合，入液通道35和出液通道36的下端口分别通过密封圈8与正极块20上的正极块入液孔17和正极块出液孔19的上端口相接。正极块入液孔17和正极块出液孔
19的下端口分别与设于下底板16上的入液口和出液口相连通。上压块25设于负极块23的上侧并与下底板16的两侧板34上端固定连接，上压块25上的入液通孔30和出液通孔
26下端口与负极块23上的负极块入液孔和负极块出液孔上端口通过密封圈相接。负极块
23形状与正极块17相同，负极块23的下端面与多巴条串联模块组31最上端带芯片微制冷模块33的铜连接片4贴合。负极块入液孔和负极块出液孔也分别与入液通道35和出液通道36通过密封圈相接。

[0053] 所述上压块25上侧面固定连接有液体制冷块28。液体制冷块28的具体结构如图4和图5所示，液体制冷块28的下端面上设有液体制冷块入液孔14和液体制冷块出液孔15，液体制冷块入液孔14和液体制冷块出液孔15通过导通孔12连通，并与分别与入液通道35和出液通道36相连，导通孔12是一个盲孔，其开口上设有堵头13，这样，入液通道35、导通孔12和出液通道36就形成冷却介质流通回路。

[0054] 液体制冷块28和上压块25通过螺孔11和螺孔29用螺栓紧密连接。下底板16的两侧板34远离发光面一侧还固定连接有H型后板22，通过其上的后板固定孔21用螺钉固定于侧板34上。上述下底板16、正极块20、多巴条串联模块组31、负极块23和上压块25经贯通螺钉27连接，与液体制冷块28一起，形成了一个完整的液体冷却闭合回路，如图
7所示。

[0055] 下面详细描述本发明的具体实现方法，具体按照以下步骤进行： [0056] 1)首先在矩形片状液体制冷片3上加工出液孔9和入液孔5，然后在入液孔5内加工出散热翅片6；

[0057] 2)将芯片1的正极(p面)焊接到热沉2上，并将芯片1、热沉2及绝缘片10焊接起来，组成一个带芯片微制冷模块33；

[0058] 3)在上压块25和液体制冷块28上加工出连接孔11和29；

[0059] 4)将H型后板22用螺钉通过固定孔21紧固在底板16的两个侧板34上。 [0060] 5)在正极块20下端面、侧板34和后板22上涂覆绝缘层。将正极块20放置在底板16的两个侧板34之间，绝缘层一面贴近下底板16的进出液口，正极块20的入液孔17和出液孔19上下两面采用密封圈密封；

[0061] 6)将多个带芯片微制冷模块33在垂直方向堆叠起来形成多巴条串联模块组31，最下端的液体制冷片3底端放在有密封圈的正极块20上，整个多巴条串联模块组31紧靠在后板22上；

[0062] 7)在负极块23上端面涂覆绝缘层，将该负极块23放置在多巴条串联模块组31最上端的铜连接片4上；

[0063] 8)将上压块25置于负极块23上，用贯通螺钉27将上压块25、多巴条串联模块组31、正极块20和下底板16紧固连接在一起；

[0064] 9)用螺钉将上压块25通过连接螺孔24和侧板固定螺孔32与下底板16的两个侧板34紧固在一起；

[0065] 10)将液体制冷块28通过连接孔11和固定螺孔29紧固连接在一起。 [0066] 最后如图6所示，整个叠层阵列从下到上组装，成为完整的一个叠层阵列式液体制冷半导体激光器。

[0067] 下面详细介绍本发明的新型低成本叠层阵列式液体制冷半导体激光器的工作过程：

[0068] 如图7，工作时，在每个带芯片微制冷模块33的液体制冷片3和铜连接片4上加电压，由于芯片1的p区接液体制冷片3，n区接铜连接片4，因此芯片1的p-n结半导体材料被加上正向偏压，正向电压的电场与p-n结的自建电场方向相反，它削弱了自建电场对晶体中电子扩散运动的阻碍作用，使n区中的自由电子在正向电压的作用下不间断地通过p-n结向p区扩散，同时在结区内存在大量导带中的电子和价带中的空穴时，它们将在注入区产生复合，当导带中的电子跃迁到价带时，多余的能量就以光的形式发射出来，每个带芯片微制冷模块33发出的光是从芯片1侧边方向射出。

[0069] 芯片1在工作过程中会产生大量的热量，需要以下冷却液的循环流动来实现对芯片1的冷却降温：

[0070] 冷却液从下底板16的入液口进入，经正极块20的正极块入液孔17到多巴条串联模块组31的入液通道35内，将入液通道35内散热翅片6上的热量带走，冷却液出了入液通道35后经负极块23的负极块入液孔和上压块25上的入液通孔30，进入液体制冷块28的液体制冷块入液孔 14内，经导通孔12引导进入液体制冷块出液孔15，之后离开液体制冷块28，经过出液通孔26和负极块出液孔进入多巴条串联模块组31的出液通道36，再进入正极块20上的正极块入液孔19从下底板16下端的出液口流出，冷却液经冷水机后重新进入下底板16下端的入液口，实现了冷却液循环制冷的作用。

[0071] 替换方案

[0072] 图1、图6或图7中所示的激光器冷却内循环管路冷却液由下底板16下端的入液孔流入，由下底板16的出液孔流出。本发明不局限于这一种方式，也可以将冷却液的入液口设置于下底板上，而将出液口设置于液体制冷块28上，如图8所示。另外，冷却液循环流动的方向也可以从上方进入，从下部流出。

[0073] 液体制冷片3的散热翅片6可以形状各异(包括网状、圆型)，位置可以与图示翅片方向呈不同的角度。

[0074] 本发明的带芯片微制冷模块33结构可以更换成如图9所示的结构，芯片1直接焊接在液体制冷片3上，这样在液体制冷片3上的芯片安装区37不需要设置安装热沉2的台阶，其他都与图2中相同。

[0075] 综上所述，本发明不仅制造简单，生产成本低，而且本发明用散热翅片的形式代替传统微通道结构形式后，有效减小了冷却液流阻，使得冷却液压降明显降低，且冷却液更容易密封，散热能力更强，有效延长了半导体激光器的寿命，提高了半导体激光器的输出功率和可靠性。