一种改善半导体激光阵列光谱半宽的微通道热沉的制作方法

本发明涉及半导体光电子技术领域，特别涉及一种改善半导体激光阵列光谱半宽的微通道热沉。

背景技术：

微通道热沉属于模块化微通道致冷器(mcc)。mcc是半导体器件封装中常用的制冷单元，尤其是高功率半导体激光器叠阵的封装。

由于半导体激光阵列属于高功率芯片，多个发光单元阵列而成，工作时会产生大量的热，从而会有高达10⁶w/m²量级的热流密度，高热流密度下散热能力不同会导致较大的温差，由于中间发光单元会受到两侧发光单元的热串扰，因而导致中间温度高于两侧，出现半导体激光器光谱红移现象，进而导致不同发光单元光谱与光束叠加导致激光器光电特性变差，光谱半宽增加。

技术实现要素：

鉴于上述技术问题，本发明提出了一种改善半导体激光阵列光谱半宽的微通道热沉，以便解决或者部分解决上述问题。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

本发明公开一种改善半导体激光阵列光谱半宽的微通道热沉，该微通道热沉包括：自下而上依次设置的底层、进出液层、隔离层、换热层和顶层；

所述顶层表面用于安装半导体激光阵列，在所述半导体激光阵列安装区域的下方，所述换热层设置有横向分布的微通道阵列，所述微通道阵列从所述半导体激光阵列的后腔面向前腔面逐渐密集分布，所述微通道阵列的液体流向沿所述半导体激光阵列的慢轴方向，从所述微通道阵列的中间向两侧流动。

优选地，所述微通道热沉的各层通过光化学刻蚀成所需图形，所述微通道热沉的各层为无氧铜材质，通过扩散焊接或者预镀焊料焊接成一整体。

优选地，所述微通道热沉的各层厚度相同或不同，每层厚度为0.24-1mm，总厚度为1.2-5mm。

优选地，所述微通道阵列的通道宽度为0.3-0.5mm，所述微通道阵列的通道脊宽度为0.25-0.5mm。

优选地，所述微通道阵列的通道宽度为0.4mm。

优选地，所述微通道阵列呈弧形横向分布，所述微通道阵列的各条通道之间，通道脊的宽度沿所述半导体激光阵列的前腔面向后等差递增，差值为0.05mm，所述微通道阵列的散热区域宽度为2.5-5.5mm。

优选地，从所述半导体激光阵列的前腔面起始，所述微通道阵列从中间到两侧为轴对称图形，且在对称轴处距离所述微通道热沉的前端最近，为0.3-0.5mm，两端距离相比中间厚0.1mm。

优选地，所述进出液层设置纵向液槽，中间液槽为进液槽，与进液孔连接，两侧液槽为回液槽，与回液孔连接；

所述隔离层的中间设有缓流槽，两侧设有隔离层回液分压流道；所述缓流槽形状为s型，向上连通所述换热层的微通道阵列的中间位置，所述隔离层回液分压流道向上连通所述换热层的微通道阵列的横向两端。

优选地，所述换热层还设置有换热层回液分压流道，所述换热层回液分压流道在所述换热层内连通回液孔。

优选地，所述微通道阵列所构成的流体区域宽度小于半导体激光阵列的封装宽度。

综上所述，本发明的有益效果是：

本发明公开的改善半导体激光阵列光谱半宽的微通道热沉通过在换热层上设置逐渐密集横向分布的微通道阵列，实现冷却液可由微通道热沉中间向两侧流动，将热量从中间带向两侧传递，进而达到微通道散热均匀的效果，达到均匀散热的目的，降低了半导体激光器的光谱半宽；并且增加了芯片前端热集中区域固液交换面积，提高了微通道热沉的换热效率；本发明中的微通道热沉采用独特的流体分布结构，有效地减小了微通道热沉的水阻。

附图说明

图1为本发明一个实施例提供的改善半导体激光阵列光谱半宽的微通道热沉中顶层结构示意图；

图2为本发明一个实施例提供的改善半导体激光阵列光谱半宽的微通道热沉中换热层半侧结构示意图；

图3为本发明一个实施例提供的改善半导体激光阵列光谱半宽的微通道热沉中隔离层结构示意图；

图4为本发明一个实施例提供的改善半导体激光阵列光谱半宽的微通道热沉中进出液层结构示意图；

图5为本发明一个实施例提供的改善半导体激光阵列光谱半宽的微通道热沉中进出液层、隔离层和换热层半侧结构示意图。

图中附图标记含义如下：1、进液孔，2、回液孔，3、螺丝孔，4、限位孔，5、芯片封装区域，6、换热层回液分压流道，8、微流道，9、微流道弧度，10、通道脊，11、隔离层回液分压流道，12、缓流槽，13、进液槽，14、回液槽，15、隔水脊。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

本发明的技术构思是：通过横向等差分布式微通道使热沉结构更紧凑，进一步降低微通道热沉水阻，通过控制流体区域、缓流区域与通道分布，提高激光阵列边缘温度与中心温度的均匀性。

图1为本发明一个实施例提供的一种改善半导体激光阵列光谱半宽的微通道热沉中顶层结构示意图；图2为本发明一个实施例提供的一种改善半导体激光阵列光谱半宽的微通道热沉中换热层半侧结构示意图；图3为本发明一个实施例提供的一种改善半导体激光阵列光谱半宽的微通道热沉中隔离层结构示意图；图4为本发明一个实施例提供的一种改善半导体激光阵列光谱半宽的微通道热沉中进出液层结构示意图；图5为本发明一个实施例提供的一种改善半导体激光阵列光谱半宽的微通道热沉中进出液层、隔离层和换热层半侧结构示意图。

本发明一个实施例中公开了一种改善半导体激光阵列光谱半宽的微通道热沉，该微通道热沉包括：自下而上依次设置的底层、进出液层、隔离层、换热层和顶层。在五层结构中，底层和顶层对热沉每部微通道起到密封隔离作用。

如图1所示，顶层表面用于安装半导体激光阵列，顶层上用于安装半导体激光阵列的芯片封装区域5大小为4mmx10.8mm。如图2所示，在半导体激光阵列安装区域的下方，换热层设置有横向分布的微通道阵列，微通道阵列从半导体激光阵列的后腔面向前腔面逐渐密集分布，微通道阵列的液体流向沿半导体激光阵列的慢轴方向，从微通道阵列的中间向两侧流动。冷却液可由微通道热沉中间向两侧流动，实现热量从中间带向两侧传递，进而达到微通道散热均匀的效果，并且增加了芯片前端热集中区域固液交换面积，提高了微通道热沉的换热效率。外部液体通过进液孔1进入微通道热沉，通过回液孔2流出，通过固定螺丝孔3与限位孔4可以单个或者多个微通道热沉叠加使用。

在一个实施例中，微通道热沉的各层通过光化学刻蚀成所需图形，微通道热沉的各层为无氧铜材质，通过扩散焊接或者预镀焊料焊接成一整体。微通道热沉的各层总厚度最小可到达1.3mm，结构紧凑提高了能量密度。

在一个实施例中，微通道热沉的各层厚度相同或不同，每层厚度为0.24-1mm，总厚度为1.2-5mm。

在一个实施例中，微通道阵列的通道(即图2中微流道8)宽度为0.3-0.5mm，微通道阵列的通道脊10宽度为0.25-0.5mm。

在一个优选实施例中，微通道阵列的通道宽度为0.4mm。

在一个实施例中，微通道阵列呈弧形横向分布，微通道阵列的各条通道之间，通道脊10的宽度沿半导体激光阵列的前腔面向后等差递增，差值为0.05mm，微通道阵列的散热区域宽度为2.5-5.5mm，以提高激光芯片前后腔面温度的均匀性。横向阶梯式分布的微通道列阵设置进一步增加冷却水与热沉的热交换面积，同时减小了水阻。

在一个实施例中，从半导体激光阵列的前腔面起始，微通道阵列从中间到两侧为轴对称图形，且在对称轴处距离微通道热沉的前端最近，为0.3-0.5mm，两端距离相比中间厚0.1mm。这样在对称轴位置，使微流道8最接近芯片最热区域，有利于减少中间与两侧的温差。

在一个实施例中，如图4所示，进出液层设置纵向液槽，中间液槽为进液槽13，与进液孔1连接，两侧液槽为回液槽14，与回液孔2连接。进液槽13和回液槽14之间设有隔水脊15。

如图3所示，隔离层的中间设有缓流槽12，两侧设有隔离层回液分压流道11；缓流槽12形状为s型，由两个曲率半径1.25mm的弧形通道组合成，向上连通换热层的微通道阵列的中间位置，隔离层回液分压流道11向上连通换热层的微通道阵列的横向两端。缓流槽12形状为s型可以实现离散缓流区，更好地实现均热的效果，同样，也可为其他曲线型。

在一个实施例中，如图2所示，换热层还设置有换热层回液分压流道6，换热层回液分压流道6在换热层内连通回液孔2，从而可以增加微通道阵列的出水口的横截面积，进而减少水阻。

冷却液在热沉中的流动路线为：冷却液由顶层的进液孔1进入，然后经过进出液层的进液槽13和隔离层的缓流槽12流入换热层的微流道8中，再由换热层的微流道8流入隔离层回液分压流道11，最后通过换热层的换热层回液分压流道6和进出液层的回液槽14流入回液孔2。

在一个实施例中，微通道阵列所构成的流体区域宽度小于半导体激光阵列的封装宽度。微通道阵列所构成的流体区域宽度范围为9.6-10.5mm，宽度略小于芯片封装区域5宽度，可提高半导体激光阵列两侧温度，进而提高激光器整体温度均匀性。

综上，本发明公开一种改善半导体激光阵列光谱半宽的微通道热沉，该微通道热沉包括：自下而上依次设置的底层、进出液层、隔离层、换热层和顶层；顶层表面用于安装半导体激光阵列，在半导体激光阵列安装区域的下方，换热层设置有横向分布的微通道阵列，微通道阵列从半导体激光阵列的后腔面向前腔面逐渐密集分布，微通道阵列的液体流向沿半导体激光阵列的慢轴方向，从微通道阵列的中间向两侧流动。本发明中微通道热沉的结构设计，减少了微通道热沉的水阻，使得半导体激光阵列整体散热性能提高，并且使两侧与中间温度分布均匀，从而达到均匀散热的目的，进而降低半导体激光器的光谱半宽。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，在本发明的上述教导下，本领域技术人员可以在上述实施例的基础上进行其他的改进或变形。本领域技术人员应该明白，上述的具体描述只是更好的解释本发明的目的，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。