[实用新型]一种半导体激光器微通道冷却热沉

说明书

技术领域

本实用新型涉及半导体激光器用微通道热沉，属于半导体光电子技术领域。

背景技术

高（大）功率半导体激光器(LD)及其阵列是工业、医疗和基础研究等领域的理想激光源，应用广泛。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，由热功耗而引起有源区的温度升高会影响激光器性能参数，严重时会使激光器彻底毁坏，如何有效导出因耗散功率所转化的热量，解决冷却散热问题成为研制高功率半导体激光器必须攻克的关键技术之一。目前，高性能半导体激光器的电光效率为大约50%，其余能量基本转化成为热能。因此，获得一定能量的激光必然伴随产生1倍左右的热能，另外，高功率半导体激光器中热量产生的一个特点是非常集中，在单位面积或者体积之内，产生极高热流密度的热量(目前典型值1×107W/m2)，这样的热量和热流密度都是很惊人的，只有采用高效、低热阻的热沉/冷却器(用于激光器热源和冷却流体之间换热的散热器)，才能将集中的热量从发热部分中导出且只引起温度的合理升高。

微通道冷却热沉通过液体流过微通道时的强制对流将热量快速带走，具有很强的散热能力，是目前高功率半导体激光阵列芯片的主要散热方式。微通道冷却热沉内部通道结构复杂，通常采用多层刻槽无氧铜板经钎焊或热扩散焊接而成，成品率低，价格昂贵，且铜材料的通道易被水腐蚀，造成其寿命在2万小时左右；另外铜材料(CTE为17.5)与半导体激光芯片材料(CTE为6.5)的热膨胀系数相差很大，当芯片工作时，温度发生剧烈变化导致芯片局部产生强烈的热应力，这将大大降低半导体激光阵列芯片的寿命，另外还会造成半导体激光阵列各个发光单元输出光束指向性发生不规则变化，从而降低半导体激光阵列输出激光的光束质量。目前铜微通道冷却热沉是制约高功率半导体激光阵列芯片长时间稳定工作的关键要素。而用WCu电子封装材料直接制成微通道冷却热沉虽然能克服无氧铜微通道冷却热沉的问题但价格昂贵，成本居高不下。

发明内容

本实用新型针对现有技术的不足，提供了一种与芯片匹配率高，比铜微通道冷却热沉提高10倍以上，大大延长高功率半导体激光器的寿命，降低半导体激光阵列芯片与热沉的焊接难度的半导体激光器微通道冷却热沉。

为实现本实用新型目的，提供了以下技术方案：一种半导体激光器微通道冷却热沉，包括单片式基体，所述基体由上下堆叠的5层高导热矩形薄片组成，每层高导热矩形薄片表面刻槽，相互堆叠焊接封装后内部形成冷却微通道，其特征在于基体上下面的高导热矩形薄片为WCu电子封装材料，中间三层的高导热矩形薄片为AlSiC电子封装材料。

作为优选，冷却微通道为内壁为螺旋状渐进式结构。

作为优选，WCu电子封装材料与AlSiC电子封装材料的热膨胀系数设置为6.5～9.5×10^-6/K。

作为优选，冷却微通道内壁螺距为M1，螺纹倾斜角度42.9度。

作为优选，冷却微通道直径为0.2mm。

作为优选，焊接封装采用多层低温共烧，烧成温度为480℃±1℃,烧成时间5分钟,压力为100~200N。

具体阐述本实用新型的技术方案的技术诀窍：

产品选材及材料特点

WCu-AlSiC微通道冷却热沉采用WCu电子封装材料和AlSiC电子封装材料。

AlSiC电子封装材料的性能特点

AlSiC具有高导热率（170～200W/mK）和可调的热膨胀系数（6.5～9.5×10-6/K），能够防止疲劳失效的产生。AlSiC的热辐射性能好因此芯片产生的热量可以及时散发，这样整个元器件的可靠性和稳定性大大提高。AlSiC可以进行阳极氧化处理克服通道易被水腐蚀的问题。AlSiC的比刚度（刚度除以密度）是无氧铜的25倍。

虽然AlSiC具有以上优点但是由于目前加工工艺局限的性使它在尺寸的精度、平面度、表面光洁度以及表面还不能设计结构复杂的孔类结构在上面等原因造成该材料还不能单独制成高（大）功率半导体激光器芯片的微通道冷却热沉。

WCu电子封装材料的性能特点