专利名称：屋脊式硅单片微通道热沉的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种用于激光二极管列阵致冷的屋脊式硅单片微通道热沉装置。
2.背景技术1)激光二极管的冷却与传统的激光器相比，二极管激光器(DL)有许多优点体积小，发光效率高，可靠性高。但是如果DL的平均功率高，热功率密度大，温升将超过允许范围，从而产生DL波长漂移和寿命缩短等负面影响。因此，致冷效率是目前限制DL平均功率的主要因素。
对于任何DL，热量产生的主要来源包括DL的电阻以及电子和空穴的非发光性复合。为了保持最高的效率，DL的工作温度必须低于25℃；DL长期连续工作也要求温度在50℃以下。通常温度变化1℃会导致DL的波长漂移0.3nm。因此，如果DL的温度能够保持在最优工作温度或者附近，它将会具有最高的效率、最长的寿命和恒定的波长。另一方面，如果DL的温度不均匀，将加大DL的发射谱宽。因此，DL的工作温度应尽量保持一致，特别是用作泵浦源时。
在大功率条件下，为了将DL的温度降到可以接受的水平，DL通常以脉冲方式工作，典型情况下占空比为1％。但是如果有额外的致冷装置，就可以获得比较高的占空比，甚至实现连续波工作，从而提高输出功率。激光二极管(LD)列阵是大功率二极管激光器常用的结构。在LD列阵中，LD的密度相当高，因此致冷问题尤其重要。
综上所述，LD列阵的输出功率受到其散热能力的限制。致冷器的设计，不仅要求冷却效率高，还要求其表面温度均匀。如采用冷却液通道过长的热沉，则沿通道方向冷却液被加热，将无法保证其表面温度均匀。LD列阵要求热沉焊接尺寸小、表面光洁度高(芯片焊接安装面需达到镜面光洁)、热沉内部的液体通道结构精细、材料的热传导性优良且热膨胀系数一致。
2)微通道致冷器微冷却器可应用于有重量限制以及极高热通量密度的领域，如航天工业、光电零件冷却、化工流程传热等。目前其主要目的是降低电子设备因过热而发生故障损毁的几率，并同时提高电子设备的性能和可靠性。一般最常见到的冷却器不外乎是散热片与风扇的组合，但各种电子产品无不朝着体积小、重量轻、耗电低的方向发展，因此对新一代的电子设备而言，传统的冷却器的设计极限与制作技术已无法满足要求，于是便产生了利用微机电系统技术来开发微冷却器的构想。
要改善微冷却器的散热能力，最直接的方式就是先将封装内的热源通过内部热传导传至封装表层，再选择最佳的散热与冷却方式将其传至外界，其中可分为自然对流空冷，强制对流气冷，强制液冷，液相变化，微通道强制液冷与低温压缩冷冻循环系统等。其中微通道强制对流冷却机制的传热量与对流效益最高，在实践中证明是传热性能最佳且最具应用潜力的。
微通道热沉的加工可以使用体微细加工法，其中包含光刻、薄膜沉积、湿法刻蚀及封装等技术，在硅基板或金属基板上加工许多平行的微沟槽，再通过封装形成封闭的通道，两端再用歧管接合，作为冷却液体的出入口。硅基板的另一面与芯片接合，直接将芯片产生的热传给热沉，并由冷却液带走，可以实现很小的热阻。此外，硅材料的热传导系数比一般基板材料高很多，而且其热膨胀系数与GaAs接近，可抑制热胀系数不匹配导致的失效。
3)相关专利在相关领域，中国科学院上海光学精密机械研究所申请了专利“微通道热沉冷却”(申请号为96116264.3)，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所申请了专利“密封装单片式微通道热沉冷却激光二极管阵列的制备”(申请号为02109136.6)，这两项专利采用在金属片上用激光加工微通道的方法，加工成本比较高。重庆师范学院申请了专利“高功率激光二极管列阵的微通道冷却封装组件”(申请号为98102464.5)，该专利采用了堆叠式的结构，每个LD条都安装在一个单独的平板式热沉上。这些专利采用的都是等截面的矩形微通道，相应地，贴装功率器件的表面是平的，因此不便于在一个热沉上安装多个LD条。
3.发明内容本实用新型的目的是提供一种用于LD列阵冷却的硅单片微通道热沉，从而使其产生高的输出功率。
一种屋脊式硅单片微通道热沉，其特征是该热沉由键合的硅基板散热片、玻璃分水板和硅分水板三部分构成，其中硅基板散热片的正面刻蚀有V形槽，背面刻蚀有与正面V形槽交错布置的倒V形槽微通道；玻璃分水板上开有进水槽和出水槽；硅分水板上开有冷却水入口和冷却水出口；硅基板散热片背面的倒V形槽微通道，玻璃分水板上的进水槽和出水槽，硅分水板上的冷却水入口和冷却水出口构成热沉的冷却回路。
所述V形槽和倒V形槽包括近似V形，如锯齿形、形、 形、 形、 形、 形等多种类似形状。倒V形槽亦可称为梯形槽。
进一步的方案是V形槽的底部开有绝缘槽。
这种屋脊式硅单片微通道热沉可用于多种微电子器件的散热冷却，如对大功率激光二极管列阵进行散热冷却时，硅散基板散热片的正面刻蚀有V形槽，用于安装LD条。硅散热片的背面刻蚀有梯形微通道，用于LD条的冷却。因此正面刻蚀有V形槽和背面刻蚀有与正面V形槽交错布置的梯形微通道的硅基板散热片形成波浪形基板，且该波浪形基板每一点的厚度基本一致，可实现均匀散热冷却。V形槽和微通道都采用KOH各向异性湿法刻蚀。若采用精密机械加工，可加工出任意夹角的微通道，但是成本较高。
由于微通道和被冷却的LD条之间靠得非常近，该热沉的热阻非常小，可以迅速带走LD条产生的热量，从而将LD条的温度控制在合理的水平。该热沉同样适合于其它大功率密度器件的冷却。
由于致冷装置的成本在LD列阵成本中所占的比例相当大，因此需要在硅单片致冷装置上安装多个LD条，从而降低分摊到每个LD条的致冷成本。
各向异性湿法刻蚀已经广泛用于V形和矩形微槽的刻蚀。硅的各向异性刻蚀原理就是某些刻蚀剂(例如KOH和EPW)对不同晶向的晶面的刻蚀速度不同。(110)晶面与(111)晶面的刻蚀速度之比最高可达600∶1，在实践中通常也可以达到200∶1。对于<110>晶向的硅片，由于(110)晶面与(111)和(111)晶面之间的夹角均为35.3°，因此可以刻蚀出109.5°的V形槽。另一方面，由于(110)晶面与(111)晶面互相垂直，因此可以刻蚀出与表面垂直的微通道。由于晶面方向的限制，硅片上下表面掩模的方向都需要严格控制，而且正面V形槽的轴向与背面微通道的夹角为35.3°。KOH各向异性刻蚀可以达到很高的表面粗糙度。
本实用新型解决了<110>硅片的各向异性刻蚀的自停止问题。由于散热板正面V形槽和透镜架上的V形槽中的两个(111)型端面之间的夹角为109.5°，相交于一个钝角三角形的顶点，由于(111)型晶面的刻蚀速度远小于其它类型晶面，因此可以实现刻蚀的自停止，从而保证LD条和透镜的间距相等。
本实用新型中严格控制微通道的刻蚀时间，在其形成完整的三角形前停止刻蚀，使其形状近似为梯形，截面积达到包络三角形面积的85％。
散热板的V形槽的侧面需要蒸镀五层金属化层，从硅片绝缘层表面开始分别为1μm Ti、1μm Pt、9μm Au、1μm Pt和3μm Au。V形槽的底部开有一个绝缘槽，用于切断散热板表面金属层的连接，将其分割成一系列相互绝缘的金属片，其深度只需保证蒸镀的金属层不在槽中互相重叠即可。
玻璃分水板上的通孔即进水槽和出水槽采用激光加工，这样可以保证通孔之间精确的相对位置关系，从而使其与散热板上的微通道的精确对准成为可能。采用硅-玻璃-硅三层键合的方式封装，可以避免在玻璃上加工槽或者硅-硅键合。
硅的导热系数(1.57W/cm℃)较高，与铜(3.93W/cm℃)相差不是特别大，但是硅片上可以刻蚀很窄的微通道，因此硅微通道热沉能够得到比铜微通道热沉更小的热阻。与平面式结构相比，屋脊式散热片结构使LD列阵的安装更为方便，同时LD条与微通道之间的距离更小，从而降低热阻。与一个LD条单独封装一个热沉相比，单片式热沉与LD列阵的焊接更容易，分摊到各LD条的制冷成本更低。与精密机械加工方法相比，湿法刻蚀方法成本低，从而可以降低整个热沉的成本。梯形微通道与三角形微通道相比，更符合流线形状，滞流区更小，微通道和硅散热片的有效接触面积更大，因此热阻更小。综上所述，本实用新型涉及的屋脊式硅单片微通道热沉具有热阻小、安装方便和成本低等优点。
4.附图及说明
图1是硅基板散热片的仰视图。
图2是微通道热沉的A-A剖面图。
图3为玻璃分水板的俯视图。
图4是硅分水板的俯视图。
图中1是纵截面近似为梯形(倒V形)的微通道，2是硅基板散热片，3是V形槽，4为绝缘槽，5为玻璃分水板，6为硅分水板，7为冷却水入口，8为进水槽，9为出水槽，10为冷却水出口。
5.实现方式本实用新型的一个具体实现方式如图1-4所示，一种用于大功率激光二极管列阵的硅单片微通道热沉包括键合的一个硅基板散热片2，一个玻璃分水板5以及一个硅分水板6。硅基板散热片2正面有一系列安装LD条的V形槽，V形槽之间刻有绝缘槽4，用于切断V形槽表面金属层之间的联系。如图1所示，硅基板散热片2的背面有一系列平行的宽度为30μm距离为50μm的微通道。如图2所示，冷却水从入口7经进水槽8进入一系列平行的微通道1，并经这些微通道1流到出水槽9，最后经出水槽9从冷却水出口10(图2中未画出)流出。
权利要求1.一种屋脊式硅单片微通道热沉，其特征是该热沉由键合的硅基板散热片(2)、玻璃分水板(5)和硅分水板(6)三部分构成，其中硅基板散热片(2)的正面刻蚀有V形槽(3)，背面刻蚀有与正面V形槽(3)交错布置的倒V形槽微通道(1)；玻璃分水板(5)上开有进水槽(8)和出水槽(9)；硅分水板(6)上开有冷却水入口(7)和冷却水出口(10)；硅基板散热片(2)背面的倒V形槽微通道(1)，玻璃分水板(5)上的进水槽(8)和出水槽(9)，硅分水板(6)上的冷却水入口(7)和冷却水出口(10)构成热沉(15)的冷却回路。
2.根据权利要求1所述的屋脊式硅单片微通道热沉，其特征是V形槽的底部开有绝缘槽(4)。
专利摘要本实用新型涉及一种用于激光二极管致冷的屋脊式硅单片微通道热沉，其主要特征是该热沉由键合的硅基板散热片2、玻璃分水板5和硅分水板6三部分构成，其中硅基板散热片2的正面刻蚀有V形槽3，背面刻蚀有与正面V形槽3交错布置的倒V形槽微通道1；玻璃分水板5上开有进水槽8和出水槽9；硅分水板6上开有冷却水入口7和冷却水出口10；硅基板散热片2背面的倒V形槽微通道1，玻璃分水板5上的进水槽8和出水槽9，硅分水板6上的冷却水入口7和冷却水出口10构成热沉的冷却回路。
文档编号H01S5/00GK2692886SQ200420034348
公开日2005年4月13日 申请日期2004年4月13日 优先权日2004年4月13日
发明者苏伟, 李磊民, 王保安, 杨涛, 高杨, 习重华, 韩宾, 胡莉 申请人:西南科技大学