一种半导体激光器封装结构的制作方法

本实用新型涉及半导体激光器技术领域，尤其涉及一种半导体激光器封装结构。

背景技术：

半导体激光器具有体积小、重量轻、转换效率高、寿命长等优点，使得它目前在工业、医疗、通讯、信息显示等领域中都有非常广泛的应用。

随着半导体激光器功率的增大，冷却设计对保证半导体激光器正常工作起着非常重要的作用，因而应用了各种先进冷却器技术，其中最典型的是纯铜材质微通道冷却器，所述冷却器在外部冷却系统辅助下工作，在大功率半导体激光器芯片正常工作时利用冷却剂对其进行冷却，保证其正常工作温度。

然而，半导体激光器是昂贵且易损的半导体器件，由于其热界面焊接材料熔点低，光学准直微透镜一般采用胶粘接，在外部冷却系统或者电源系统出现问题时，半导体激光器芯片、焊接材料、粘接胶都很容易被烧毁，其安全问题不能忽视。

当前大功率半导体激光器的冷却多采用无氧铜叠片微通道冷却器，大功率半导体激光器和一般电子器件相比较更容易被烧毁的原因有三点：一、半导体激光器产生的热量以及热流密度远大于一般电子器件；二、将半导体激光器和无氧铜叠片微通道冷却器进行封装，封装密度非常高，很小体积内发热量巨大；三、无氧铜叠片微通道冷却器结构十分紧凑，体积重量都比较小，因而热容也比较小，在遭遇额外大热量时，温度响应也是最剧烈的，温度升高特别急剧。

在遇到非正常工作状况时，譬如，冷却剂循环系统出现故障，或者，电流突增导致额外大量热量产生时，系统在检测到故障后会立刻停止为所述半导体激光器供电，但是一般也需要一定的反馈时间，在很短时间内所述芯片温度和冷却器温度会急剧异常升高，此时，大量的热量不能及时被带走，导致整个半导体激光器温度升高，甚至烧毁，而目前还没有相应技术措施来提供这种保护。

技术实现要素：

本实用新型实施例提供一种半导体激光器封装结构，利用相变材料的相变潜热吸收额外系统故障时产生的大量热量，起到保护半导体激光器芯片的目的。

本实用新型实施例提出一种半导体激光器封装结构，包括激光器芯片和冷却器，所述激光器芯片封装在所述冷却器的第一外表面；

其中，所述冷却器内封装有相变材料，在半导体激光器处于异常工作状态时，所述相变材料用于将所述激光器芯片的温度冷却至预设安全温度以下。

可选的，所述冷却器内还设置有微通道结构。

可选的，所述相变材料的熔化温度高于所述激光器芯片的正常工作温度，且低于所述预设安全温度。

可选的，所述相变材料封装在所述微通道结构通路之间，且与所述微通道结构相互隔离。

可选的，所述相变材料为如下材料之一：结晶水合盐、石蜡、脂肪酸、低熔点金属和低熔点合金。

可选的，所述冷却器还包括导热肋，所述相变材料封装在所述冷却器内所述导热肋形成的腔体中。

可选的，所述冷却器内封装的相变材料的体积根据所述激光器芯片的功率确定。

可选的，所述冷却器上开设有封装口，所述相变材料在熔化状态下通过所述封装口充入所述冷却器内。

本实用新型实施例通过在冷却器内封装有相变材料，利用相变材料的相变潜热吸收额外系统故障时产生的大量热量，起到保护半导体激光器芯片的目的，取得了积极的技术效果。

上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本实用新型的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本实用新型的具体实施方式。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本实用新型的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本实用新型实施例封装结构的一种可选的实施方式；

图2为本实用新型实施例封装结构的另一种可选的实施方式；

图3为本实用新型实施例封装结构的另一种可选的实施方式；

图4为本实用新型实施例封装结构的另一种可选的实施方式；

图5为本实用新型实施例封装结构的另一种可选的实施方式；

图6为本实用新型实施例导热肋结构的一种可选的实施方式；

图7为本实用新型实施例导热肋结构的另一种可选的实施方式。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

实施例一

本实用新型第一实施例提供一种半导体激光器封装结构，如图1所示，包括激光器芯片1和冷却器2，所述激光器芯片1封装在所述冷却器2的第一外表面；

其中，所述冷却器2包括冷却剂入口3、冷却剂出口4、微通道管路5，所述冷却器2内封装有相变材料6，在半导体激光器处于异常工作状态时，所述相变材料6用于将所述激光器芯片1的温度冷却至预设安全温度以下。

相变材料(phasechangematerial，pcm)通常是一些常压下在某些温度区段可进行相变的材料。由于固液相变潜热存储具有储热密度高，相变过程近似等温过程且体积变化不大，以及结构相对简单等优点，因此pcm多指固液相变材料。当pcm吸收热量后，其状态变为液态，当环境温度降低后，经过向环境的散热，又可以恢复为固态。利用相变材料的相变潜热吸收一定时段内运行的电子器件产生的热量，可以使得电子器件在一定的时间内保持相对平稳的温度，从而达到保护电子器件的目的。

本实施例中，冷却器2在外部冷却系统辅助下工作，在半导体激光器芯片1正常工作时利用冷却剂对其进行冷却，保证其正常工作温度。相变材料6封装在冷却器2内部，当异常工作状况下，即外部冷却系统或者电源系统出现故障时，系统在检测到故障后会立刻停止为半导体激光器供电，但由于存在一定的反馈时间，半导体激光器的功率会变大，由于封装紧凑，因而半导体激光器自身热容小，在很短时间内所述激光器芯片1温度和冷却器2温度会急剧异常升高，本实施例中相变材料6通过冷却器2传热吸收激光器芯片1产生的热量，通过发生相变维持一段时间内温度不剧烈上升，从而保障半导体激光器芯片1在断电前的安全温度，也即本实施例通过在冷却器2内封装相变材料6，利用相变材料的相变潜热吸收额外系统故障时产生的大量热量，起到保护半导体激光器芯片的目的。

可选的，所述冷却器2内还设置有微通道结构。

具体地说，本实施例中冷却器2其中设置有多条微通道结构，例如可以采用无氧铜叠片微通道冷却器。

可选的，所述相变材料6的熔化温度高于所述激光器芯片1的正常工作温度，且低于所述预设安全温度。

具体地说，选取相变材料6的主要依据为保证激光器芯片1正常运行状态下相变材料6不参与芯片的冷却，在故障后能迅速对芯片进行冷却，本实施例中，相变材料6的熔化点(熔化温度)高于工作时的正常工作温度，低于半导体激光器芯片的安全工作温度以及焊接材料的安全工作温度。

可选的，所述相变材料6为如下材料之一：结晶水合盐、石蜡、脂肪酸、低熔点金属和低熔点合金。

具体地说，可以依据前述相变材料6工作温度选取材料或材料组合，可以是结晶水合盐、石蜡、脂肪酸、低熔点金属和低熔点合金等材料。

可选的，所述冷却器2内封装的相变材料6的体积根据所述激光器芯片1的功率确定。

具体地说，可以依据激光器芯片1的功率，预估故障时间以及相变材料的相变潜热来确定相变材料6的体积，封装体积的确认规则为在预估故障时间内相变材料的吸热熔化量小于所封装的相变材料6的体积，也即覆盖完预估故障时间，保证半导体激光器的安全，不至于出现烧毁。

可选的，所述冷却器上开设有封装口，所述相变材料在熔化状态下通过所述封装口充入所述冷却器内。

具体地说，在设计冷却器2的时候在冷却器2预留一定的内部空间，该内部空间与冷却器2内部流体通道相互隔离，同时通过预留的封装口将熔化的相变材料6充入冷却器内部空间，采用的熔化温度略高于相变材料6的熔点而低于激光器芯片1以及焊接材料的安全工作温度，因而对于半导体激光器是安全的。

本实用新型封装结构适用于大功率半导体激光器，保障半导体激光器芯片等核心部分的安全，可以保护大功率半导体激光器芯片在异常工作状况下不易被烧毁，从而解决大功率半导体激光器在意外情况下易于烧毁，造成较大经济损失等问题；同时，由于避免了造成不可恢复的故障，提高了大功率半导体激光器以及相应设备的生命周期。

实施例二

在实施例一的基础上，本实施例中对相变材料6在冷却器2的封装位置进行举例说明，相变材料6可以封装在冷却器的尾端、两侧或者其它任何适合的内部空间，且满足封装相变材料6的内部空间与冷却器2内部流体通道相互隔离，作为一种可选的实施方式本实施例中相变材料6封装在冷却器2的尾端进行举例说明。

本实用新型实施例提供一种半导体激光器封装结构，如图1、图2、图3所示，包括激光器芯片1和冷却器2，所述激光器芯片1封装在所述冷却器2的第一外表面；

其中，所述冷却器2包括冷却剂入口3、冷却剂出口4、微通道管路5，所述冷却器2内封装有相变材料6，在半导体激光器处于异常工作状态时，所述相变材料6用于将所述激光器芯片1的温度冷却至预设安全温度以下。

相变材料6封装在冷却器2的尾端，根据预设封装体积对冷却器2的结构进行设计，例如如图1中与冷却器2第一外表面齐平的方式，也可以是如图2中突出于冷却器2第一外表面的方式，也可以是如图3中齐平冷却器2第一外表面，并且增加冷却器2的尾端宽度的方式，具体冷却器结构在此不做限定。

实施例三

在实施例一的基础上，本实施例中对相变材料6在冷却器2的封装位置进行举例说明，相变材料6可以封装在冷却器的尾端、两侧或者其它任何适合的内部空间，且满足封装相变材料6的内部空间与冷却器2内部流体通道相互隔离，作为一种可选的实施方式本实施例中相变材料6封装在冷却器2的四周进行举例说明。

本实用新型实施例提供一种半导体激光器封装结构，如图4所示，包括激光器芯片1和冷却器2，所述激光器芯片1封装在所述冷却器2的第一外表面；

其中，所述冷却器2内封装有相变材料6，在半导体激光器处于异常工作状态时，所述相变材料6用于将所述激光器芯片1的温度冷却至预设安全温度以下。

如图4所示，相变材料6封装在冷却器2内，与冷却器2的微通道结构呈包围状，由此在不改变冷却器结构参数的情况下增加相变材料6的封装体积，增加故障状态下的冷却效果。

实施例四

在实施例一的基础上，本实施例中对相变材料6在冷却器2的封装位置进行举例说明，相变材料6可以封装在冷却器的尾端、两侧或者其它任何适合的内部空间，且满足封装相变材料6的内部空间与冷却器2内部流体通道相互隔离，作为一种可选的实施方式本实施例中相变材料6封装在冷却器2的微通道结构之间进行举例说明。

本实用新型实施例提供一种半导体激光器封装结构，如图5所示，包括激光器芯片1和冷却器2，所述激光器芯片1封装在所述冷却器2的第一外表面；

其中，所述冷却器2内封装有相变材料6，在半导体激光器处于异常工作状态时，所述相变材料6用于将所述激光器芯片1的温度冷却至预设安全温度以下。

可选的，所述相变材料封装在所述微通道结构通路之间，且与所述微通道结构相互隔离。

如图5所示，相变材料6封装在冷却器2的微通道结构之间，相变材料6与冷却器2内部微通道结构相互隔离保证冷却流体相互之间不存在干涉，本实施例中通过将相变材料6封装在冷却器2的微通道结构之间，实现了相变材料6与微通道结构相互配合散热，提高故障状态下的冷却效果。

实施例五

在实施例一的基础上，本实施例中对相变材料6在冷却器2的封装位置进行举例说明，相变材料6可以封装在冷却器的尾端、两侧或者其它任何适合的内部空间，且满足封装相变材料6的内部空间与冷却器2内部流体通道相互隔离，作为一种可选的实施方式本实施例中冷却器2设计有导热肋7，相变材料6封装在冷却器2与导热肋7形成的腔体中进行举例说明。

本实用新型实施例提供一种半导体激光器封装结构，如图6、7所示，包括激光器芯片1和冷却器2，所述激光器芯片1封装在所述冷却器2的第一外表面；

其中，所述冷却器2内封装有相变材料6，在半导体激光器处于异常工作状态时，所述相变材料6用于将所述激光器芯片1的温度冷却至预设安全温度以下。

可选的，所述冷却器2还包括导热肋7，所述相变材料6封装在所述冷却器2内所述导热肋7形成的腔体中。

具体地说，如图6、7所示，在设计冷却器2的时候进一步设计导热肋7结构，其中导热肋7可以包括多根导热肋条的凸起结构，由此在冷却器2内形成的腔体为不规则结构，将相变材料6封装至冷却器2之后，相变材料6将腔体填充完整，由此可以增大冷却器2与相变材料6的接触面积，从而提高散热效果，更有利于对激光器芯片1的温度进行控制，当然具体的导热肋结构设计只要用于增大冷却器2与相变材料6的接触面积均在本实用新型的保护范围内，在此不一一列举。

本实用新型封装结构适用于大功率半导体激光器，保障半导体激光器芯片等核心部分的安全，可以保护大功率半导体激光器芯片在异常工作状况下不易被烧毁，从而解决大功率半导体激光器在意外情况下易于烧毁，造成较大经济损失等问题；同时，由于避免了造成不可恢复的故障，提高了大功率半导体激光器以及相应设备的生命周期。

实施例六

本实用新型第六实施例提出一种半导体激光器封装结构的实施案例，本实施例中所采取的封装结构为在无氧铜叠片微通道冷却器内部封装相变材料，具体可以采取如下方式获得半导体激光器封装结构：

1、分别制造半导体激光器芯片和无氧铜叠片微通道冷却器，冷却器内设计和预留一定的内部空间，且内部空间与冷却器内部流体通道相互隔离。

2、封装激光器芯片和冷却器，包括电极连接、光学透镜粘接等。

3、封装固液相变材料，即通过预留的封装口将熔化的固液相变材料充入冷却器内部空间，采用的熔化温度略高于固液相变材料的熔点而低于激光器芯片以及焊接材料的安全工作温度。

本实施例的封装结构包括有半导体激光器芯片1、冷却器2、相变材料6和导热肋7等。冷却器2在外部冷却系统辅助下工作，在半导体激光器芯片1正常工作时利用冷却剂对其进行冷却，保证其正常工作温度，相变材料6封装在冷却器2内部。当异常工作状况下，即外部冷却系统或者电源系统出现故障时，系统在检测到故障后会立刻停止为所述半导体激光器供电，但一般也需要一定反馈时间，然而由于半导体激光器的功率大，同时封装紧凑，因而自身热容小，在很短时间内所述芯片温度和冷却器温度会急剧异常升高，所述相变材料通过冷却器传热吸收芯片产生的热量，通过发生相变维持一段时间内温度不剧烈上升，从而保障大功率半导体激光器芯片在断电前的安全温度。

本实施例的封装结构可以保护半导体激光器芯片在异常工作状况下不被烧毁，适用于大功率半导体激光器，从而解决大功率半导体激光器在意外情况下易于烧毁，造成较大经济损失等问题。

本实施例中进一步通过计算来描述异常工作状况下(外部冷却系统或者电源系统出现故障)时，半导体激光器可能发生的严重问题以及采用本实施例的封装结构可带来的改善效果：

例如，对于发热量50瓦的半导体激光器芯片，半导体激光器芯片及其冷却器结构十分紧凑，总重量估算为3克，其平均比热容估算为0.38焦耳/(克·摄氏度)，当电源系统出现故障，比如输入电流异常增大一倍，因而发热量增加一倍，由于电源系统接接受到异常报警后需要一定反馈时间恢复正常值，假定该故障持续时间大约1秒；或者，外部冷却系统出现故障，半导体激光器发出热量无法被带走，而电源系统被紧急切断至完全关闭需要大约1秒左右的时间，那么，在此1秒时间内，芯片产生而不能被移除的热量为50焦耳，此50焦耳能量使得整个半导体激光器的整体平均温升为大约44摄氏度(由于芯片部分为热源，其温度升高远大于整体平均温升)，芯片工作温度假定为40摄氏度，那么出现故障后的芯片工作温度会很快超出正常工作安全温度70摄氏度，甚至于超过焊接层的熔点(譬如对于铟，为157摄氏度)，造成焊接层彻底失效，进而甚至于芯片烧毁。

当采用了本实用新型提供的封装结构之后，以常用的某种石蜡材料为相变材料为例，其熔化温度设计为约50摄氏度，相变潜热为200焦耳/克左右，封装体积达到0.4cm3不难实现，其密度为大约0.8克/cm3，其质量大约为0.32克，如前面所述的故障发生时，半导体激光器温度升高，50焦耳能量会使0.25克相变材料发生相变熔化而温度几乎不发生升高，待故障被系统检测到后，电源被紧急切断，不再有额外热量产生，此时相变材料也不再继续相变熔化，因而故障检测装置和相变材料封装结构共同作用保护了半导体激光器芯片。

在另一个实施案例中激光器组成包括有半导体激光器芯片(100瓦)、微通道叠片冷却器、某种石蜡相变材料和导热肋。石蜡相变材料封装在微通道叠片冷却器的尾端、两侧或者其它任何适合的内部空间，石蜡相变材料所含碳原子数为22个，熔点44摄氏度，相变潜热为252焦耳/克，密度0.79克/立方厘米，封装体积为0.4立方厘米(质量为0.316克)。所述冷却器质量为4克，材质为无氧铜，比热容为0.38焦耳/(克·摄氏度)，芯片正常工作温度为40摄氏度。

当外部冷却系统出现故障时，譬如泵停转或者供液冷却管路泄露，由于电源系统切断需要一定的时间，电源还未关闭之前，芯片温度异常升高。如果电源完全关闭至无电流输出需要1秒时间，在此1秒时间内，假定发热量是成比例线性降低的，则产生的总能量为(100瓦+0瓦)÷2×1秒＝50焦耳。

如果没有封装相变材料，50焦耳的热量可使冷却器和半导体激光器芯片整体产生33摄氏度的温度升高，芯片自身的温升会更高，很快就会超出安全工作温度。

如果采取本实施例的封装结构，封装石蜡相变材料后，当微通道冷却器整体温度达到44摄氏度时，石蜡相变材料开始熔化成为液态，芯片产生的热量被相变材料所吸收。1秒内50焦耳热量可熔化0.198克(<0.316克)石蜡相变材料，不会将全部石蜡相变材料熔化完毕，因此半导体激光器仍很安全，不会出现烧毁。

在另一个实施案例中激光器组成包括有大功率半导体激光器芯片(100瓦)、微通道叠片冷却器、金属镓(ga)相变材料和导热肋。金属镓相变材料封装在微通道叠片冷却器的尾端、两侧或者其它任何适合的内部空间，所述金属镓相变材料，熔点30摄氏度，相变潜热为80焦耳/克，密度5.9克/立方厘米，封装体积为0.3立方厘米(质量为1.77克)。所述冷却器质量为4克，材质为无氧铜，比热容为0.38焦耳/(克·摄氏度)，芯片正常工作温度为40摄氏度。

当外部冷却系统出现故障时，譬如泵停转或者供液冷却管路泄露，由于电源系统切断需要一定的时间，电源还未关闭之前，芯片温度异常升高。如果电源完全关闭至无电流输出需要1秒时间，在此1秒时间内，假定发热量是成比例线性降低的，则产生的总能量为(100瓦+0瓦)÷2×1秒＝50焦耳。

如果没有封装相变材料，50焦耳的热量可使冷却器和半导体激光器芯片整体产生33摄氏度的温度升高，芯片自身的温升会更高，很快就会超出安全工作温度。

如果采取本实用新型所提供的封装结构，封装金属镓相变材料后，当微通道冷却器整体温度达到30摄氏度时，金属镓相变材料开始熔化成为液态，芯片产生的热量被相变材料所吸收。50焦耳热量可熔化0.625克(<1.77克)金属镓相变材料，不会将全部金属镓相变材料熔化完毕，因此半导体激光器仍很安全，不会出现烧毁。

综上，采取本实用新型的封装结构可以保护大功率半导体激光器芯片在异常工作状况下不易被烧毁，从而解决大功率半导体激光器在意外情况下易于烧毁，造成较大经济损失等问题。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

上述本实用新型实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

上面结合附图对本实用新型的实施例进行了描述，但是本实用新型并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下，在不脱离本实用新型宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本实用新型的保护之内。