硅单片微通道冷却的大功率激光二极管列阵制造技术

本发明专利技术涉及一种硅单片微通道冷却的大功率激光二极管列阵，主要由ＬＤ条７、热沉１５、微透镜４和透镜架１６组成。热沉１５又包括键合的硅基板散热片２、玻璃分水板９和硅分水板１０。散热片２的正面刻蚀有Ｖ形槽３，背面刻蚀有与Ｖ形槽３交错布置的倒Ｖ形槽微通道１；玻璃分水板９上开有进水槽１２和出水槽１３；硅分水板１０上开有冷却水入口１１和冷却水出口１４；微通道１，进水槽１２，出水槽１３，冷却水入口１１和冷却水出口１４构成热沉１５的冷却回路。透镜架１６安装在热沉１５上，Ｖ形槽３中都安装有微透镜４；Ｖ形槽３的两侧面蒸镀有金属层５，底部开有绝缘槽８；ＬＤ条７一面焊接有铜片６，另一面焊接到金属层５一侧上，铜片６的尾部焊接到Ｖ形槽３另一侧金属层５上。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种激光二极管列阵的封装，尤其是采用V形槽作为激光二极管列阵的次安装来实现高密度的激光二极管列阵。2.
技术介绍
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型微细加工法，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)激光二极管列阵的封装LD列阵的封装主要有三种方式●每个热沉安装一个LD条在这种方式下，LD条直接安装到热沉上，冷却效率高，而且可扩展性好。其缺点是很难保证温度的一致性，而且成本较高。●直接在每个热沉上安装多个LD条这种方式的优点是分摊到每个LD条上的热沉制造和封装成本比较低。其缺点是灵活性差，适用于LD条比较多的情况。●每个次安装上安装一个LD条，每个热沉有多个次安装这种方式兼有以上两种方式的优点，但是封装比较麻烦。4)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.
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种高密度、光学校正、微通道冷却的并且安装在V形槽上的硅单片微通道冷却的大功率激光二极管列阵。硅单片微通道冷却的大功率激光二极管列阵(即整个封装系统)由LD条、热沉、微透镜和透镜架四大部分组成。热沉又包括硅基板散热片、玻璃分水板和硅分水板三部分。硅基板散热片的正面刻蚀有V形槽，用于安装LD条。硅基板散热片的背面刻蚀有与正面V形槽交错布置的倒V形或称近似梯形微通道，用于LD条的冷却。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。如此正面刻蚀有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。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。透镜架安装在热沉上，上面加工有一系列的V形槽，这些V形槽的形状和间距都和散热板上的V形槽相同，以保证LD条和透镜的相对位置关系。每个V形槽中都安装有微透镜，用于将LD发出的光校正为平行光。散热板的V形槽的两侧面需要蒸镀金属层，最好是从硅基板散热片绝缘层表面开始分别为1μm Ti、1μm Pt、9μm Au、1μm Pt和3μm Au五层金属化层。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。所述V形槽槽包括近似V形，如锯齿形、形、 形、 形、 形、 形等多种类似形状。LD条一面焊接有铜片，另一面焊接到V形槽一侧的金属层上，铜片的尾部焊接到V形槽另一侧未安装LD条那个面的金属层上。LD条的焊接可分为三步第一步是将LD条焊到铜片上，铜片的厚度远小于LD条的厚度，具体工艺如下先在铜片上沉积一层铟，然后在氢气的保护下将铜片加热到铟的熔点，并对LD条和铜片适当加压，冷却到室温即可；第二步与第一步类似，是将铜片和LD条焊接到热沉上，在焊接过程中需要严格控制LD条不出光的一端与铜片边缘的距离，以便于第三步焊接中铜片与V形槽未安装LD条那个面的良好接触；第三步是将铜片焊接到V形槽未安装LD条那个面上，也采用铟焊。在本专利技术中，由于各向异性湿法刻蚀已经广泛用于V形槽和微通道的刻蚀。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，由于本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种硅单片微通道冷却的大功率激光二极管列阵，其特征是该列阵由激光二极管ＬＤ条（７）、热沉（１５）、微透镜（４）和透镜架（１６）四大部分组成，热沉（１５）又包括键合的硅基板散热片（２）、玻璃分水板（９）和硅分水板（１０）三部分，其中： 硅基板散热片（２）的正面刻蚀有用于安装ＬＤ条（７）的Ｖ形槽（３），背面刻蚀有与正面Ｖ形槽（３）交错布置的倒Ｖ形微通道（１）；玻璃分水板（９）上开有进水槽（１２）和出水槽（１３）；硅分水板（１０）上开有冷却水入口（１１）和冷却 水出口（１４）；硅基板散热片（２）背面的倒Ｖ形槽微通道（１），玻璃分水板（９）上的进水槽（１２）和出水槽（１３），硅分水板（１０）上的冷却水入口（１１）和冷却水出口（１４）构成热沉（１５）的冷却回路；透镜架（１６）安装在热沉 （１５）上，透镜架（１６）上面也加工有一系列的Ｖ形槽，这些Ｖ形槽的形状和间距都和硅基板散热片（２）的Ｖ形槽（３）相同，每个Ｖ形槽（３）中都安装有微透镜（４）；硅基板散热片（２）的Ｖ形槽（３）的两侧面均蒸镀有金属层（５），Ｖ形槽（３） 的底部开有绝缘槽（８）；ＬＤ条（７）一面焊接有铜片（６），另一面焊接到Ｖ形槽（３）一侧的金属层（５）上，铜片（６）的尾部焊接到Ｖ形槽（３）另一侧未安装ＬＤ条（７）那个面的金属层（５）上。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：苏伟，李磊民，王保安，杨涛，高杨，习重华，韩宾，胡莉，
申请(专利权)人：西南科技大学，
类型：发明
国别省市：51[中国|四川]