一种高散热性能的半导体激光器宏通道水冷散热器的制作方法

本实用新型属于光通信器件设计制造领域，尤其涉及一种高散热性能的半导体激光器宏通道水冷散热器。

背景技术：

半导体激光器刚出现就面临着使用寿命的问题，激光器在工作中易退化的原因主要有以下几个方面：半导体激光器的管芯极小，工作电流密度和光功率密度很高，管芯焊在热沉之上，有源去距离热沉只有几微米，而半导体激光器工作会发热，如果不进行散热处理，将会导致激光器的材料以及原有结构尺寸发生变化，因此散热器是半导体散热器的必要辅助结构之一，目前散热器均采用铜制合金来作为导热材料，以利用其较好的热导率将激光芯片组件的热量高效传导出去。但现有的常规结构设计方案往往只是在激光器芯片的安装结构附近或者本身设置简单的水回路或者翅片等结构来散热，但由于水通道或腔体内水流并不是瞬间和完全能排除腔外，导致内部会滞留热水甚至发生内循环，现有的结构难以满足功率越来越高发热量越来越大的半导体激光器的散热需求。

同时对于对于芯片的固定板等结构，靠靠近芯片安装区域以及靠近出水区域的位置水温越高，导致各区域以及结构的工作温度偏高和不稳定，而激光器本身具有极高的尺寸和精度要求，即使很细微的膨胀变形等也会很大程度的影响激光器的性能。随着激光器功率的提高，如何在保证很好的散热性能，同时提高结构稳定性以满足市场需求是一个必须面临的挑战。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于，提供一种具有多层次散热回路，有效提高芯片区散热能力，同时提高散热器整体温度均匀性的高散热性能的半导体激光器宏通道水冷散热器。

为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案。

一种高散热性能的半导体激光器宏通道水冷散热器，包括水冷散热组件，水冷散热组件包括安装板1、设置于安装板1后侧的散热板2、设置于散热板2后侧的导水座3；安装板1和散热板2的相对面边缘焊接固定；安装板1的前侧中心位置设有芯片安装区1a，后侧与芯片安装区1a相对应的位置设置有凸出部1b；凸出部1b的边缘尺寸不小于芯片安装区1a的尺寸，以使凸出部1b可完全覆盖相应区域；凸出部1b高度超出安装板1后侧边缘0.02～0.05mm，凸出部顶部表面粗糙度≤ra0.2，以使安装板1和散热板2焊接后，凸出部1b与散热板2前端面过盈接触；在安装板1的后侧，距离凸出部1b较近的两个相对区域挖设有导流槽1c，距离凸出部1b较远的两个相对区域挖设有散热槽1d；散热槽1d的底部均匀设置有多个前散热柱1e，前散热柱1e的高度不超过安装板1后侧边缘；散热板2的后侧均匀设置有多个后散热柱2e，散热板2上设置有分别与两个散热槽1d连通的进水口2a和出水口2b；导水座3前侧设有安装槽3g，散热板2扣设在安装槽3g开口处，后散热柱2e插入安装槽3g中；安装槽3g中设于进水孔3a和出水孔3b。

基于前述结构，本实用新型的高散热性能的半导体激光器宏通道水冷散热器实现了多通道立体散热回路，散热结构由热导率较好的合金(可达400w/m×k)以及散热介质水，对于半导体激光器而言，在激光器工作温度范围内(一般-40℃-70℃)，激光芯片的工作温度温度越高，光电转换(发光)效率越低，产品功耗越大，如果超出范围，会导致损坏，虽然合金特别是铜制合金具有极佳的散热性，但固体的热膨胀性将会导致激光器安装位置以及通道结构尺寸等随温度发生不断变化，对于精度要求极高(为0.01mm级)而发热功率快速提升的激光器，传统的铜板散热结构难以满足实际需求的原因在于，传统结构是直接在热源①的后侧设置散热板，并在板后侧或内部设置冷水水道，但在实际使用时，微小的激光器(即热源①)产生的热量会首选传递至其直接对应的安装区②，随后向旁侧区域③以及水通道④，散热路径：①→②→③，②/③→④，并产生温度差①≥②》③≥④，同时区域③和区域④的温度也会随离热源①的距离呈坡度变化，极大温度差的存在，导致激光器工作瞬间引起安装结构(主要是芯片安装板)的伸缩变形，并直接导致激光器芯片位置变动，影响使用效果，同时降低了使用寿命，而随着新型激光器功率不断提高，散热性要求不断增加，传统结构需要更大散热安装面，这导致变形量的增加，成本、设备体积也随之扩大，但实际散热效果并不理想，最终导致基于传统结构的激光器难以在光电转换效率、精度、寿命以及成本上取得协调，要么成本极高要么质量较差。

为改变解决上述弊端，本实用新型提出了一种新型的散热结构，基于该结构，本实用新型其中在芯片安装板上的核心受热区②的后侧形成散热区⑤和散热区⑥，同时增设散热通道⑦，其中位于芯片背侧的凸出部直接与后侧的散热板接触，利用金属结构远超水流的热传导效率迅速将瞬时产生的大量热量传递至区域⑤和⑥，形成散热路径①→②→⑤→⑥，⑤/⑥→④/⑦，两侧的散热槽1d围绕凸出部，快速将热量导出，能够快速冷却凸出部，大大减小热膨胀变形，剩余热量向两侧传递①→②→③，②/③→④，通过传导分散，减少了安装板1背侧的散热流量，能够有效减小安装板1背侧冷却水的温升量，辅助背侧的前/后散热柱，快速实现大功率激光器的冷却降温，同时热传导与分散散热结合的方式降低了安装板1上热量，通过散热板的“分导分担”，抑制了安装板上热量不均衡性，实现高功率快速散热与变形抑制效果，更适宜于功率不断增大的新型激光器。

对前述高散热性能的半导体激光器宏通道水冷散热器的进一步改进优化还包括，进水口2a和出水口2b靠近散热板边缘且远离凸出部1b的一侧；进水孔3a与进水口2a对应设置，出水孔3b与出水口2b对应设置。进水孔和出水孔分别与两个冷却水通路(图1中虚线)形成完整回路，配合前/后散热柱实现快速冷却导流。

对前述高散热性能的半导体激光器宏通道水冷散热器的进一步改进优化还包括，安装板1和散热板2的前侧均为光滑平面，前散热柱1e的高度与安装板1后侧边缘齐平，前散热柱1e的顶端抵在散热板2前端面。

对前述高散热性能的半导体激光器宏通道水冷散热器的进一步改进优化还包括，安装板1和散热板2采用相同材质的纯铜或者无氧铜制作，安装板1和散热板2通过在相对面的边缘使用银铜钎焊气密封接。

对前述高散热性能的半导体激光器宏通道水冷散热器的进一步改进优化还包括，还包括与金属孔连通的入水管道，设置在入水管道上的流量调节阀，用于控制流量调节阀的pid控制器；安装板上设有温度传感器，pid控制器与传感器连接。

附图说明

图1是高散热性能的半导体激光器宏通道水冷散热器的主视图；

图2是高散热性能的半导体激光器宏通道水冷散热器的装配图一；

图3是高散热性能的半导体激光器宏通道水冷散热器的装配图二

图4是高散热性能的半导体激光器宏通道水冷散热器的侧视图；

图5是高散热性能的半导体激光器宏通道水冷散热器的俯视图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本实用新型作详细说明。

如图1～图5所示，本实用新型主要涉及一种高散热性能的半导体激光器宏通道水冷散热器，包括水冷散热组件，水冷散热组件包括安装板1、设置于安装板1后侧的散热板2、设置于散热板2后侧的导水座3。

如图2、图3所示，安装板1和散热板2的相对面边缘焊接固定；安装板1的前侧中心位置设有芯片安装区1a，后侧与芯片安装区1a相对应的位置设置有凸出部1b；凸出部1b的边缘尺寸不小于芯片安装区1a的尺寸，以使凸出部1b可完全覆盖相应区域；凸出部1b高度超出安装板1后侧边缘0.02～0.05mm，凸出部顶部表面粗糙度≤ra0.2，以使安装板1和散热板2焊接后，凸出部1b与散热板2前端面过盈接触；

在安装板1的后侧，距离凸出部1b较近的两个相对区域挖设有导流槽1c，距离凸出部1b较远的两个相对区域挖设有散热槽1d；散热槽1d的底部均匀设置有多个前散热柱1e，前散热柱1e的高度不超过安装板1后侧边缘；

散热板2的后侧均匀设置有多个后散热柱2e，散热板2上设置有分别与两个散热槽1d连通的进水口2a和出水口2b

导水座3前侧设有安装槽3g，散热板2扣设在安装槽3g开口处，后散热柱2e插入安装槽3g中；安装槽3g中设于进水孔3a和出水孔3b。

本实施例中，进水口2a和出水口2b靠近散热板边缘且远离凸出部1b的一侧；进水孔3a与进水口2a对应设置，出水孔3b与出水口2b对应设置。

安装板1和散热板2的前侧均为光滑平面，前散热柱1e的高度与安装板1后侧边缘齐平，前散热柱1e的顶端抵在散热板2前端面。

在具体实施过程中，为提高散热效果，同时抑制安装板与散热板在受热后因热膨胀导致的尺寸差异，安装板1和散热板2采用相同材质的纯铜或者无氧铜制作，安装板1和散热板2通过在相对面的边缘使用银铜钎焊气密封接。

进一步地，为使得本装置能够更好的适应新型大功率激光器，使其能够更好的控制冷却水流量以保证激光器在不同功率下均能够保持很好的使用性能，在改进方案中，还包括与金属孔连通的入水管道，设置在入水管道上的流量调节阀，用于控制流量调节阀的pid控制器；安装板上设有温度传感器，pid控制器与传感器连接。

其中流量调节阀以及pid控制器为传统流量自动控制结构(电路)，采用成品安装即可，流量调节阀可使用fkc、fnc、fsc或者mfs系列流量阀。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对本实用新型保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的实质和范围。