一種疊層陣列液體制冷型高功率半導體激光器的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于激光器制造領域，涉及一種液體制冷型高功率半導體激光器，具體涉及一種疊層陣列宏通道液體制冷方式的高功率半導體激光器。
【背景技術】
[0002]目前，功率電子器件在工業、國防等領域已經得到廣泛的應用，市場需求巨大，發展前景廣闊。隨著電子器件功率的提高，基質材料熱擴散將引起應力的變化，由于熱量的沉積，會導致半導體激光器芯片溫度升高、輸出波長變化，使半導體激光器不能正常工作。為了提高功率電子器件的功率、可靠性和性能穩定性，降低生產成本，必須設計出高效散熱結構。因此，設計和制備低成本、高效率的制冷器是十分必要的。
[0003]現有技術中，疊層陣列半導體激光器的封裝形式主要有傳導冷卻型和微通道液體制冷型。對于高功率半導體激光器而言，采用傳導冷卻的方式，散熱效率較低，會導致器件壽命和可靠性下降，輸出功率的提高收到了限制；若采用微通道液體制冷的方式，由于制冷通道直徑很小，制冷液體需采用高質量的去離子水，成本較高，并且長時間使用會導致微通道管壁腐蝕或者堵塞，嚴重影響了半導體激光器的可靠性。
[0004]中國專利200910023748.2提出了一種宏通道液體制冷的半導體激光器疊陣結構，雖然解決了微通道液體制冷的管壁堵塞問題，但是此種結構的制冷片采用散熱翅片的結構，液體湍流度小，散熱效果有待提高，制約了半導體激光器的功率的進一步提高和應用領域。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在于克服上述現有技術的缺點，提供一種疊層陣列液體制冷型高功率半導體激光器，采用宏通道液體制冷的方式，不但可以實現較高的散熱效率，并且降低了對制冷液體的要求，降低了成本。
[0006]本發明的目的是通過以下技術方案解決的:
一種疊層陣列液體制冷型高功率半導體激光器包括自下而上依次設置的下通水塊，絕緣片a，正電極片，半導體激光器模塊，負電極片，絕緣片b以及上通水塊。所述的半導體激光器模塊為多個半導體激光器單元堆疊而成，半導體激光器模塊內設有液體制冷通道；所述的半導體激光器單元包括激光芯片，液體制冷片，絕緣層和負極連接片。所述的液體制冷片為片狀結構，其上設有通水區和芯片安裝區，芯片安裝區位于液體制冷片的一端，通水區位于液體制冷片上靠近芯片安裝區的位置；所述的液體制冷片的通水區分為相互對應的A面和B面兩個面，A面和B面分別位于液體制冷片的上表面和下表面，所述的通水區A面設有多個出水柱孔C，通水區B面設有多個進水柱孔D，通水區A面的出水柱孔C和B面的進水柱孔D相互連通。所述的激光芯片的正極焊接或者金屬鍵合在液體制冷片的芯片安裝區，所述的絕緣層設置在液體制冷片上，絕緣層為覆于液體制冷片上表面的片狀結構，所述的負極連接片一端焊接或者金屬鍵合在激光芯片的負極上，另一端焊接或者金屬鍵合在絕緣層上，負極連接片與絕緣層均開有與液體制冷片通水區匹配的通水孔，絕緣層用于將負極連接片和液體制冷片絕緣。
[0007]所述的下通水塊內設有進水通道，所述的上通水塊內設有出水通道，所述的下通水塊的進水通道與半導體激光器模塊的液體制冷通道以及上通水塊的出水通道依次連通。所述的絕緣片a，正電極片，負電極片和絕緣片b均設有與半導體激光器模塊制冷通道相匹配的通水孔。
[0008]所述的多個半導體激光器單元之間為串聯連接。
[0009]所述的半導體激光器模塊的兩側分別各設有一塊側板，兩塊側板用于固定半導體激光器模塊；所述的下通水塊和半導體激光器模塊之間還設有正電極片，正電極片與下通水塊之間設有絕緣片a，保證下通水塊與正電極片之間絕緣；所述的上通水塊和半導體激光器模塊之間設有負電極片，負電極片與上通水塊之間設有絕緣片b，保證上通水塊與負電極片之間絕緣。所述的半導體激光器模塊的背部安裝有絕緣塊，絕緣塊上覆有正電極的引出電極和負電極的引出電極。
[0010]所述的半導體激光器單元的液體制冷片通水區A面上設置密封區，環繞于出水柱孔C的周圍，或者所述的B面上設置密封區，密封區環繞于進水柱孔D的周圍，密封區為環形的凹槽，用于放置密封裝置。
[0011]所述的半導體激光器單元，下通水塊，上通水塊，側板及絕緣板上均設置有定位孔，用于疊層陣列液體制冷型高功率半導體激光器各部分的安裝。
[0012]所述的半導體激光器單元的液體制冷片通水區的出水柱孔C與進水柱孔D的個數的對應關系可以為一一對應，兩者穿通形成從A面至B面的通孔，出水柱孔C的截面積可以等于進水柱孔D的截面積，也可以小于進水柱孔D的截面積。
[0013]所述的半導體激光器單元的液體制冷片的通水區A面的出水柱孔C與通水區B面的進水柱孔D的個數對應關系可以為I個進水柱孔D對應N個出水柱孔C，N大于1，或者出水柱孔C與進水柱孔D的對應方式為M個進水柱孔D對應I個出水柱孔C，M大于LMf進水柱孔D的橫截面積之和大于M個進水柱孔D在所對應的I個出水柱孔C橫截面上的投影面積之和，保證制冷液體在流過通水區時有較大的壓強差，增強散熱效率。
[0014]所述的半導體激光器單元的液體制冷片A面的出水柱孔C和B面的進水柱孔D的深度均不小于制冷片主體厚度的一半，出水柱孔C與對應的進水柱孔D存在通水重合區域，用于平衡液體在通水區的壓強差，保證液體最優的制冷效果。
[0015]所述的半導體激光器模塊的多個半導體激光器單元的液體制冷片的通水區的進水柱孔D與出水柱孔C之間依次連通，構成了本發明的疊層陣列液體制冷型半導體激光器的液體制冷通道。
[0016]所述的半導體激光器單元的液體制冷片通水區的出水柱孔C和進水柱孔D直徑在0.3毫米到3.0毫米之間，若柱孔的直徑過大，柱孔的數量會少，總的散熱面積會小。相鄰兩個進水柱孔D或者出水柱孔C之間的壁厚不小于0.2毫米。
[0017]所述的半導體激光器單元的液體制冷片通水區的進水柱孔D和出水柱孔C可以是圓柱型孔，也可以是矩形方柱孔、菱形方柱孔或者多邊形柱孔。
[0018]所述的半導體激光單元的激光芯片和芯片安裝區之間可以加應力緩釋層，激光芯片的正極焊接或者金屬鍵合在應力緩釋層上，應力緩釋層焊接或者金屬鍵合在芯片安裝區上應力緩釋層的材料的熱膨脹系數與激光芯片匹配，比如銅鎢，陶瓷，陶瓷材料為氮化鋁或者氧化坡。
[0019]所述半導體激光器單元的液體制冷片的材質為高導熱率材料，比如銅、金剛石、陶瓷；所述的液體制冷片的厚度為1.0毫米到10.0毫米；長度為15毫米到30毫米；寬度為
8.0毫米到30毫米。
[0020]本發明具有以下有益效果:
(O使用和維護簡單:本發明所述的疊層陣列的半導體激光器的液體制冷片采用了較大孔徑，可以采用自來水作為制冷液體。
[0021](2)制作簡單、制作成本低:本發明的疊層陣列半導體激光器僅設有一條制冷通道，結構簡單，易于機械加工，從而有效降低制作成本。
[0022](3)散熱能力強:本發明采用多通孔的液體制冷方式，散熱面積大，從大孔分流入多個小孔中再流出，增加了湍流度，散熱能力強。
[0023](4)可靠性高:由于水路尺寸相比微通道結構尺寸大大增加，因此制冷液通道被腐蝕的風險較低；此外，增加了應力緩釋層結構，可以采用硬焊料無銦化工藝，具有耐高溫、抗熱疲勞、不易氧化、儲存壽命長、性能穩定、降低電遷移和電熱遷移等優點，極大地提高了器件的可靠性。
【附圖說明】
[0024]圖1為本發明的疊層陣列液體制冷型高功率半導體激光器結構圖。
[0025]圖2為半導體激光器單元結構圖。
[0026]圖3為半導體激光器單元的液體制冷片通水區B面結構圖。
[0027]圖4為本發明的疊層陣列液體制冷型高功率半導體激光器的制冷液水路示意圖。
[0028]圖5為本發明的疊層陣列液體制冷型高功率半導體激光器的實施例。
[0029]附圖標號說明:1為下通水塊，2為半導體激光器模塊，3為上通水塊，4為絕緣片a，5為正電極片，6為負電極片，7為絕緣片b，8為液體制冷片，9為激光芯片，10為絕緣層，11為負極連接片，12為芯片安裝區，13為通水區，14為應力緩釋層，15為出水柱孔C，16為進水柱孔D, 17為密封區，18為側板，19為絕緣塊,20為定位孔,21為液體制冷通道,22為下通水塊內的進水通道，23為上通水塊的出水通道。
【具體實施方式】
[0030]下面結合附圖和具體實施實例詳細敘述本發明:
圖1為本發明的疊層陣列液體制冷型高功率半導體激光器結構圖，疊層陣列液體制冷型高功率半導體激光器包括自下而