一种热沉、制备方法及其在半导体激光器中的应用与流程

本发明属于光电领域，具体涉及用于半导体激光器二维叠层散热的热沉、其制备方法及其在半导体激光器中的应用。

背景技术：

半导体激光器二维叠层阵列可输出高功率激光，在工业、医疗、通信、军事等领域中有广泛应用，及时消散其工作过程中产生的热量可以提高输出功率、增加波长稳定性、延长使用寿命，因此如何高效的散热一直是半导体激光器研究领域内的热点。

但是高效的散热常常意味着复杂的加工和昂贵的价格，散热成本几乎占据了高功率半导体激光器造价的一半，因此热沉设计不仅要能保证有效的散热，还要考虑尽可能的降低成本才能实现较高的市场占有率。因此如何简化热沉制作工艺、降低价格对于高功率半导体激光器的应用有重要意义。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的是提供一种热沉，以解决热沉制备成本高，热沉散热效率低的问题。

为实现上述目的，本发明提供一种热沉，包括独立制作的散热小通道层、回水通道层和底座，其中，

所述底座顶部部分区域向下开设有容纳所述散热小通道层的第一凹槽，所述第一凹槽的部分区域进一步向下开设有容纳所述回水通道层的第二凹槽，从所述底座的底部开设一贯穿至所述第一凹槽的第一通孔以及开设一贯穿至所述第二凹槽的第二通孔；

所述回水通道层上开设有一个由回水通道层底部贯穿至其顶部的连通所述第二通孔的第三通孔，所述回水通道层顶部向下开设有至少一个回水通道层凹槽，各回水通道层凹槽与所述第三通孔之间通过多个通道连通；

所述散热小通道层底部开设有一个连接第一通孔的第三凹槽和至少一个散热小通道层凹槽，各散热小通道层凹槽与第三凹槽之间通过多个通道连通。

根据本发明的一种具体实施方案，所述散热小通道层和回水通道层通过焊接方式固定于底座上。

根据本发明的一种具体实施方案，所述散热小通道层凹槽与回水通道层凹槽为矩形凹槽。

根据本发明的一种具体实施方案，所述散热小通道层、回水通道层和底座的材料均为金属铜。

根据本发明的一种具体实施方案，所述散热小通道层和回水通道层中开设的多个通道为矩形通道。

根据本发明的一种具体实施方案，所述矩形通道通过线切割方法加工。

另外，本发明还提供一种制备热沉的方法，所述方法包括如下步骤：

1)制备底座，在所述底座顶部部份区域向下开设有容纳所述散热小通道层的第一凹槽，所述第一凹槽的部分区域进一步向下开设容纳所述回水通道层的第二凹槽，从所述底座的底部开设一贯穿至所述第一凹槽的第一通孔以及开设一贯穿至所述第二凹槽的第二通孔；

2)制备回水通道层，在所述回水通道层开设一个由底部贯穿至顶部的连通第二通孔的第三通孔，在所述回水通道层顶部向下开设至少一个回水通道层凹槽，各回水通道层凹槽与所述第三通孔之间通过多个通道连通；

3)制备散热小通道层，所述散热小通道层底部开设有一个连接第一通孔的第三凹槽和至少一个散热小通道层凹槽，各散热小通道层凹槽与第三凹槽之间通过多个通道连通。

4)在底座内先后放入回水通道层和散热小通道层，在三层结构接触的空隙处放入钎料，高温加热后完成组装。

根据本发明的一种具体实施方案，在制备热沉的方法中，所述散热小通道层和回水通道层中开设的多个通道通过线切割方式加工制成。

进一步的，本发明还提供一种以上任意所述一种所述热沉在半导体激光器的应用。

根据本发明的一种具体实施方案，在上述应用中，首先将半导体激光器的二维层叠阵列烧结在所述热沉的顶部，然后将热沉底部与冷却装置固定和连接，使冷却介质在热沉内流动。

通过上述技术方案可知，本发明的热沉及其制备方法具有如下有益效果：

(1)通过三层结构的热沉，提高散热效果，为半导体器件尤其是半导体激光器二维叠层阵列提供有效散热；

(2)采用分部制作，统一安装的方式，解决了高功率半导体激光器热沉加工复杂昂贵的问题；

(3)通过采用线切割加工通道，相比化学腐蚀等复杂的图形制作方法，既满足精细度要求，又避免了复杂加工，降低了制作难度；

(4)通过采用钎焊焊接技术，整个组装过程一次性完成，制作方法简单，且成本较低；

(5)通过散热通道层和回水小通道层设置通道供冷却介质流动，充分进行了热传递，有利于提高散热效果。

附图说明

以下结合附图做详细描述，进一步说明本发明的结构、特点和工作方式，其中：

图1为本发明实施例1热沉的散热小通道层的结构示意图；

图2为本发明实施例1热沉的回水通道层的结构示意图；

图3为本发明实施例1热沉的底座的结构顶部示意图；

图4为本发明实施例1热沉的底座的结构底部示意图；

图5为本发明实施例1热沉组装后的整体顶部示意图；

图6为本发明实施例1热沉组装后的整体底部示意图。

具体实施方式

本发明提供一种热沉，包括独立制作的散热小通道层、回水通道层和底座，其中，

所述底座顶部部分区域向下开设有容纳所述散热小通道层的第一凹槽，所述第一凹槽的部分区域进一步向下开设有容纳所述回水通道层的第二凹槽，从所述底座的底部开设一贯穿至所述第一凹槽的第一通孔以及开设一贯穿至所述第二凹槽的第二通孔；

所述回水通道层上开设有一个由底部贯穿至顶部的连通所述第二通孔的第三通孔，所述回水通道层顶部向下开设有至少一个回水通道层凹槽，各回水通道层凹槽与所述第三通孔之间通过多个通道连通；

所述散热小通道层底部开设有一个连接第一通孔的第三凹槽和至少一个散热小通道层凹槽，各散热小通道层凹槽与第三凹槽之间通过多个通道连通。

对于各层之间固定方式的选择，优选的采用物理或化学加工方法，更优选的采用物理方法，最优选的采用线切割加工方法制备。

对于凹槽的选择，优选的回水通道层凹槽和散热小通道层凹槽的数量为1-5个，更优选的是3个。

对于小通道的选择，优选的散热小通道层和回水通道层内的通道均为截面是长方形的方形通道；更加优选的通过线切割方式记性加工。

对于三层结构材料的选择，包括不限于现有技术中常用的散热材料，优选各层的材料均为金属铜，更优选的均为金属紫铜。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合实施例1，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

实施例1：

请参阅图5和图6所示，本发明提供一种三层小通道热沉，其中包括：

一散热小通道层1，该结构的材料为金属紫铜，该结构的外形为长方体，其尺寸为39mm×19mm×5mm。在距左侧边沿2mm、距上边沿2mm处，开散热小通道层第一矩形槽1-1，槽深2mm，槽底矩形尺寸为15mm×2mm。在距右侧边沿3mm、距上边沿2mm处，继续开散热小通道层第二矩形槽1-2，槽深2mm，槽底矩形尺寸为15mm×7mm。在散热小通道层第一矩形槽1-1和散热小通道层第二矩形槽1-2之间切割15条矩 形小槽1-3，每条小槽尺寸为25mm×0.5mm×2mm，间距为1mm，所制备的结构如图1所示。

一回水通道层2，该结构的材料为金属紫铜，该结构外形为长方体，其尺寸为22mm×19mm×5mm。在距结构左侧边沿2mm、距上边沿2mm处，开一矩形通孔2-1，其横截面尺寸为15mm×2mm。在距结构右侧边沿3mm、距上边沿2mm处，开设回水通道层矩形槽2-2，槽深2mm，槽底矩形尺寸为15mm×7mm。在矩形通孔2-1和回水通道层矩形槽2-2之间切割15条矩形小槽2-3，每条矩形小槽尺寸为8mm×0.5mm×2mm，周期为1mm，所制备的结构如图2所示。

一底座3，该底座3的材料为金属紫铜，该底座3为长方体结构，其尺寸为47mm×27mm×20mm，在顶面47mm×27mm中间开一个尺寸为39mm×19mm的底座第一矩形槽3-1，槽深5mm。在底座第一矩形槽3-1底面上，以距右侧边沿7mm、距上边沿9.5mm处为圆心，开一直径6mm的第一圆柱孔3-2，孔深15mm。在底座第一矩形槽3-1底面沿左侧，开一个与其宽度相同的底座第二矩形槽3-3，底面尺寸为22mm×19mm，槽深5mm。在底座第二矩形槽3-3底面上，以距右侧边沿7mm、距上边沿9.5mm处为圆心。开一直径为6mm的第二圆柱孔3-4，孔深10mm。在底座3底面的四个角上分别开四个螺纹孔3-5，孔直径3.4mm，孔深10mm，孔圆心到临近底座3底面边线的距离分别为2.5mm，所制备的结构如图3和图4所示。

本发明的组装过程为，首先将加工好的回水通道层2对准放入底座左侧的底座第二矩形槽3-3中，令回水通道层2右侧的回水通道层矩形槽2-2正对底座的第二圆柱孔3-4。然后将散热小通道层1对准放入底座3的底座第一矩形槽3-1中，令散热小通道层1右侧的散热小通道层第二矩形槽1-2正对底座的第一圆柱孔3-2。然后采用钎焊方法焊接，即把钎料放在三层结构接触的空隙附近，放入高温炉中加热到稍高于钎料熔点温度后，钎料借助毛细管作用被吸入和充满热沉的三层结构空隙之间，冷凝后即可完成三层小通道热沉的组装。

在半导体激光器二维叠层阵列中的应用：

实施例1所制备的热沉工作过程为，首先将排列在过渡热沉(如aln，beo等)上的半导体激光器二维叠层阵列烧结在图5中热沉顶部的中心位置，然后用螺钉将热沉固定在通水底座上并与水冷机连接，在确保热沉密封性良好的前提下，将热沉底部的第二圆柱孔3-4与第一圆柱孔3-2同水冷机的水管连接构成一个回路，使冷却水在热沉内流动，就可以及时带走顶部激光器产生的热量，从而实现有效的散热。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。