一種半導(dǎo)體激光器的熱管理裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體激光器的熱管理技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種高熱流密度的半導(dǎo)體激光器的熱管理裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]目前半導(dǎo)體激光器的冷卻方法大致可分為輻射換熱、傳導(dǎo)換熱和對(duì)流換熱三大類(lèi)。輻射換熱主要針對(duì)熱流密度較低的應(yīng)用；傳導(dǎo)換熱則主要通過(guò)熱沉、熱電致冷器(TEC)等方式實(shí)現(xiàn)，熱流密度相對(duì)輻射換熱稍高；對(duì)流換熱則主要利用氣體、液體等流體，如利用風(fēng)扇受迫對(duì)流空氣即風(fēng)冷為代表的中等熱流密度散熱技術(shù)和以通道水冷為代表的高熱流密度散熱技術(shù)。
[0003]采用相變換熱方式來(lái)排走熱量的研究也已經(jīng)廣泛開(kāi)展。與單相傳熱或?qū)嵯啾?，采用相變傳熱方法所需工質(zhì)少，具有熱傳輸量大，傳熱效率高等特點(diǎn)，因此可減少重量和體積。其代表為熱管技術(shù)，它以相變(蒸發(fā)與凝結(jié))換熱作為傳熱的主要方式，具有溫度控制能力強(qiáng)、可解決高熱流密度散熱等特點(diǎn)，在計(jì)算機(jī)元器件散熱方面的應(yīng)用已引起重視。
[0004]當(dāng)前半導(dǎo)體激光技術(shù)發(fā)展的一個(gè)顯著趨勢(shì)是平均功率的不斷提升，隨之而來(lái)的一個(gè)重要問(wèn)題是如何對(duì)半導(dǎo)體激光(LD)系統(tǒng)進(jìn)行有效的熱管理，即是將LD產(chǎn)生的高熱量迅速地散走。尋找具有高效熱輸運(yùn)效能的散熱方法多年來(lái)一直是人們追求的目標(biāo)。
[0005]由于半導(dǎo)體光體積一般較小，加之目前多采用陣列結(jié)構(gòu)，器件結(jié)構(gòu)緊湊性要求僅允許保留有限的冷卻空間，因此對(duì)于高功率LD而言，較之輻射換熱，傳導(dǎo)加對(duì)流的換熱方式更具有優(yōu)勢(shì)。而對(duì)流換熱中的微通道熱沉冷卻方案更是常用方案。作為主流技術(shù)微通道水冷方案，自身特點(diǎn)帶來(lái)的一些限制。首先，以水作為工質(zhì)熱導(dǎo)率較低(僅為0.6ff.m K '),限制了其在微通道中的換熱系數(shù)；第二，在水循環(huán)運(yùn)行中長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)會(huì)導(dǎo)致器件老化、腐蝕，從而導(dǎo)致對(duì)于水質(zhì)及流動(dòng)管道的要求較高，加之部分微通道水冷結(jié)構(gòu)對(duì)水的電導(dǎo)率存在嚴(yán)格限制，因此，需要對(duì)水的電導(dǎo)率進(jìn)行嚴(yán)格的控制且需經(jīng)常更換；第三，由于水的熱導(dǎo)率不高，導(dǎo)致冷卻效率受到限制，單位時(shí)間內(nèi)需要用較大的流量以將熱量導(dǎo)出，結(jié)構(gòu)復(fù)雜不利于裝置小型化；第四，利用水冷方式僅能通過(guò)機(jī)械泵進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，裝置運(yùn)行的噪聲較大，為保證系統(tǒng)可靠性，必須采用分體式設(shè)計(jì)，因此在對(duì)裝置體積有限制的應(yīng)用場(chǎng)合面臨困難。
[0006]而熱管作為相變傳熱的冷卻方式，盡管可達(dá)到相對(duì)單相流體更高的熱流轉(zhuǎn)移通量，但其制作工藝如芯體材料的制備、工質(zhì)封裝、維護(hù)及可靠性等仍有待于提高。
[0007]低熔點(diǎn)金屬作為流動(dòng)工質(zhì)已經(jīng)用于計(jì)算機(jī)芯片與半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED)芯片散熱，最近幾年來(lái)已被用于核反應(yīng)堆和加速器的熱管理之中。要將該技術(shù)運(yùn)用到半導(dǎo)體激光器的熱管理中，必須解決微通道冷卻與半導(dǎo)體激光器熱接口的問(wèn)題。由于液態(tài)金屬導(dǎo)電性好，直接用于激光器疊陣或面陣整體的微通道冷卻，很容易導(dǎo)致器件的短路；而通過(guò)分布式冷卻又受到面積限制難以解決高功率陣列結(jié)構(gòu)的散熱困難，所以到目前雖然本領(lǐng)域技術(shù)人員一直努力卻未能實(shí)現(xiàn)直接用于半導(dǎo)體激光器及其陣列結(jié)構(gòu)的熱管理裝置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008](一)要解決的技術(shù)問(wèn)題
[0009]本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題就是如何提供一種半導(dǎo)體激光器的熱管理裝置，避免采用微通道水冷時(shí)，在水循環(huán)運(yùn)行中長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)導(dǎo)致器件老化、腐蝕，從而對(duì)流動(dòng)管道與水質(zhì)和電導(dǎo)率等的要求較高，且需經(jīng)常更換流動(dòng)工質(zhì)，解決冷卻效率不高、噪聲大，并且結(jié)構(gòu)復(fù)雜不利于裝置小型化的問(wèn)題。
[0010](二)技術(shù)方案
[0011]為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種半導(dǎo)體激光器的熱管理裝置，其特征在于，包括一面與半導(dǎo)體激光器相連接的膨脹匹配導(dǎo)熱層，膨脹匹配導(dǎo)熱層的另一面與對(duì)流換熱模塊連接；
[0012]對(duì)流換熱模塊中有熔點(diǎn)范圍從-10°c?60°C的低熔點(diǎn)金屬；
[0013]對(duì)流換熱模塊包括熱導(dǎo)率>100W.m'.K1的高熱導(dǎo)率金屬外殼。
[0014]優(yōu)選地，對(duì)流換熱模塊通過(guò)管道與外部散熱模塊連接；
[0015]所述對(duì)流換熱模塊、管道、外部散熱模塊中有熔點(diǎn)范圍從-10°C?60°C的低熔點(diǎn)金屬；
[0016]所述對(duì)流換熱模塊、管道、外部散熱模塊形成流通的閉合回路；
[0017]對(duì)流換熱模塊、管道、外部散熱模塊中的液態(tài)金屬由驅(qū)動(dòng)泵進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)泵是機(jī)械泵，或者電磁泵，或者離心泵，或者上述幾種泵的任意組合。
[0018]優(yōu)選地，對(duì)流換熱模塊連接有散熱翅片，或連接有風(fēng)冷模塊，或連接有輔助電制冷/制熱器，或連接有對(duì)流換熱的熱沉，或連接有散熱翅片、風(fēng)冷模塊、輔助電制冷/制熱器、熱沉的任意組合；
[0019]所述對(duì)流換熱的熱沉的幾何結(jié)構(gòu)通過(guò)焊接層/導(dǎo)熱膠涂層與膨脹匹配導(dǎo)熱層緊密連接。
[0020]所述金屬外殼的成分為金、銀、銅、鋁。
[0021]優(yōu)選地，所述對(duì)流換熱的熱沉的幾何結(jié)構(gòu)為密封腔，或者單路或多路通道，或者微通道結(jié)構(gòu)；
[0022]所述對(duì)流換熱的熱沉的幾何結(jié)構(gòu)中充有低熔點(diǎn)金屬，對(duì)流換熱方式包括自然對(duì)流、強(qiáng)制對(duì)流。
[0023]優(yōu)選地，對(duì)流換熱模塊與外部散熱模塊中的液態(tài)金屬換熱器通過(guò)管道進(jìn)行聯(lián)通，管道是由塑料做成的柔性管道，或者鋁、銅或銀或玻璃制成的硬連接管道。
[0024]優(yōu)選地，外部散熱模塊包括液態(tài)金屬換熱器；
[0025]其中液態(tài)金屬換熱器組成包括:板式換熱器、或管式換熱器、或翅片換熱器。
[0026]優(yōu)選地，液態(tài)金屬換熱器連接環(huán)境換熱部件，或者制冷/制熱單元，或者同時(shí)連接環(huán)境換熱部件與制冷/制熱單元；
[0027]其中環(huán)境換熱部件組成包括:傳導(dǎo)熱沉、或輻射換熱片、或板式換熱器、或管式換熱器、或翅片換熱器、或風(fēng)冷或水冷換熱器或上述單元的任意組合；
[0028]制冷/制熱單元包括:風(fēng)冷模塊、或水冷散熱器、或借助冷媒的制冷/制熱單元、或上述單元的任意組合。
[0029]優(yōu)選地，所述外部散熱模塊包括溫度傳感器、恒溫箱、反饋控制電路，通過(guò)控制換熱速率，保持液態(tài)金屬回到對(duì)流換熱模塊處的溫度恒定。
[0030]優(yōu)選地，所述低熔點(diǎn)金屬的初始狀態(tài)為液態(tài)，固態(tài)，或固液混合態(tài)；其成分是低熔點(diǎn)金屬單質(zhì)，或多種金屬的混合物；
[0031 ] 通過(guò)低熔點(diǎn)金屬的相變過(guò)程實(shí)現(xiàn)相變換熱。
[0032]優(yōu)選地，所述膨脹匹配導(dǎo)熱層是由金剛石，或金屬氧化物，或金屬氮化物，或非金屬及其化合物組成的片狀或板條狀或薄膜結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱絕緣體。
[0033](三)有益效果
[0034]本發(fā)明的一種半導(dǎo)體激光器的熱管理裝置，包括流通有低熔點(diǎn)金屬的對(duì)流換熱模塊，半導(dǎo)體激光器與對(duì)流換熱模塊之間通過(guò)膨脹匹配導(dǎo)熱層實(shí)現(xiàn)熱量傳遞，對(duì)流換熱模塊吸收熱量后溫度升高，通過(guò)高熱導(dǎo)率金屬外殼和低熔點(diǎn)金屬進(jìn)行散熱。通過(guò)采用以上結(jié)構(gòu)，避免了采用微通道水冷時(shí)，在水循環(huán)運(yùn)行中長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)導(dǎo)致的器件老化、腐蝕，解決了微通道水冷對(duì)流動(dòng)管道的要求較高；膨脹匹配導(dǎo)熱層還采用絕緣結(jié)構(gòu)，無(wú)須控制液體熱導(dǎo)率，從而對(duì)水質(zhì)進(jìn)行嚴(yán)格的控制的問(wèn)題，并且由于低熔點(diǎn)金屬熱導(dǎo)率遠(yuǎn)大于水，大幅度提高了冷卻效率，且可采用電磁泵驅(qū)動(dòng)，無(wú)機(jī)械部件，從而可大幅降低噪聲，增強(qiáng)了裝置的可靠性與穩(wěn)定性。
【附圖說(shuō)明】
[0035]為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0036]圖1:本發(fā)明提供的包括外部散熱模塊的一種半導(dǎo)體激光器的熱管理裝置；
[0037]圖2:本發(fā)明提供的包括散熱翅片與風(fēng)冷模塊的一種半導(dǎo)體激光器的熱管理裝置；
[0038]圖3:本發(fā)明提供的包括輔助電制冷/制熱器的一種半導(dǎo)體激光器的熱管理裝置；
[0039]圖中:0、半導(dǎo)體激光器；1、膨脹匹配導(dǎo)熱層；2、對(duì)流換熱模塊；200、高熱導(dǎo)率金屬外殼；201、散熱翅片；202、風(fēng)冷模塊；203、輔助電制冷/制熱器；204、熱沉；205、焊接層/導(dǎo)熱膠涂層；3、低熔點(diǎn)金屬；4、管道；5、外部散熱模塊；501、液態(tài)金屬換熱器；502、制冷/制熱單元；503、環(huán)境換熱部件；504、溫度傳感器；505、恒溫箱；506、反饋控制電路；6、驅(qū)動(dòng)泵。
【具體實(shí)施方式】
[0040]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例用于說(shuō)明本發(fā)明，但不能用來(lái)限制本發(fā)明的范圍。
[0041]實(shí)施例1，如圖1所示，本實(shí)施例提供的一種半導(dǎo)體激光器的熱管理裝置，包括一面與半導(dǎo)體激光器0相連接的膨脹匹配導(dǎo)熱層1，膨脹匹配導(dǎo)熱層1的另一面與對(duì)流換熱模塊2連接；對(duì)流換熱模塊2包括高熱導(dǎo)率金屬外殼200。對(duì)流換熱模塊2通過(guò)管道4與外部散熱模塊5連接；所述對(duì)流換熱模塊2、管道4、外部散熱模塊5中流通有低熔點(diǎn)金屬3 ；所述對(duì)流換熱模塊2、管道4、外部散熱模塊5形成流通的閉合回路。
[0042]半導(dǎo)體激光器0產(chǎn)生的熱量經(jīng)膨脹匹配導(dǎo)熱層1傳導(dǎo)到對(duì)流換熱模塊2中，由于LD采用高功率二極管陣列組成面泵結(jié)構(gòu)，熱流密度較高(約lOOW/cm2)，因此采用大流