CN112713498A - 一种改善激光器smile效应的水冷热沉及封装方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种改善激光器smile效应的水冷热沉及封装方法，所述热沉为一体多层式复合结构，在其内部设置有若干个水冷中间层，所述水冷中间层通过调整散热效率的方式改善激光器bar条的smile效应；所述热沉包括上层和下层，所述水冷中间层自上而下排列在上层、下层之间，所述水冷中间层上表面均设置有若干个相互隔开的水冷通道，所述上层上表面开设有若干个进水口一、出水口一，每个所述水冷通道分别与对应的进水口一、出水口一连通并形成独立回路。本发明结构设计合理，封装操作简单，不仅有效改善smile效应，降低激光器bar条的形变，同时也提高了激光器bar条的形变的寿命和可靠性，实用性较好。
Description
技术领域
本发明涉及半导体激光器封装领域，具体是一种改善激光器smile效应的水冷热沉及封装方法。
背景技术
半导体激光器bar条在封装过程中引入的缺陷、热沉材料、热沉表面平整度、焊料材料的选择、焊料表面平整度以及键合时热沉与半导体激光器bar条的热膨胀系数不匹配会产生较大的应力都是造成近场非线性效应(Smile效应)的因素，其中最主要的因素是热膨胀系数的不匹配，当热沉的屈服强度无法对抗所产生的应力时致使制冷器产生形变从而引起激光芯片在快轴方向发生较大形变，引起Smile效应，若应力过大则会导致焊层断开甚至是bar条断裂等问题。
在半导体激光器封装领域，热沉尤其是内部具有制冷回路的微通道水冷热沉由于其优良的散热性能被广泛的应用在高功率半导体激光器bar条的封装，此类制冷器的厚度比较薄、且内部密集有水冷通道，因此此类热沉的散热效果较佳但同时其强度较差，容易在热应力作用下发生形变导致smile效应的出现。
中国专利CN106329308“一种低smile的半导体激光器封装结构”利用上下对称的应力缓冲层设计使热沉上下对应的应变收缩量一致，有效降低smile效应，但该方法的应力缓释层是在激光芯片和制冷器对应的方向上进行键合以平衡力，这样会增加下端焊料溢出的风险并且应力缓释层的设置加高了产品厚度，会影响产品的外观。
中国专利CN109818255A“一种用于改善smile的制冷器、封装结构及方法”公开了一种通过增强制冷器强度的方法改善smile效应，但该方法容易造成半导体激光器bar条在受到较大应力时发生脱落的问题。
针对这种情况，我们设计了一种改善激光器smile效应的水冷热沉及封装方法，这是我们亟待解决的问题之一。
发明内容
本发明的目的在于提供一种改善激光器smile效应的水冷热沉及封装方法，以解决现有技术中的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种改善激光器smile效应的水冷热沉，包括激光器bar条，所述热沉为一体多层式复合结构，在其内部设置有若干个水冷中间层，所述水冷中间层通过调整散热效率的方式改善激光器bar条的smile效应。
现如今，对于smile效应，研究人员经过多次试验验证smile效应的弯曲分布，得出以下结论：
1、smile效应一般存在1或2个弯曲点。
2、拐点为凹型时，则拐点位置热量较大，拐点为凸型时，拐点位置热量较小。
基于以上陈述，本发明设计了一种改善激光器smile效应的水冷热沉及封装方法，设计的热沉为一体多层式复合结构，包括上层和下层，上层、下层之间平行排列有若干个水冷中间层，水冷中间层上表面有若干个相互隔开的水冷通道，实际操作中水冷通道的数量一般为3条及3条以上；本技术方案使用时，可通过改变水冷通道中不同位置的水流量来相应改变该位置的散热速率，从而达到改善smile效应的目的。
较优化地，所述热沉包括上层和下层，所述水冷中间层自上而下排列在上层、下层之间，所述水冷中间层上表面均设置有若干个相互隔开的水冷通道，所述上层上表面开设有若干个进水口一、出水口一，每个所述水冷通道分别与对应的进水口一、出水口一连通并形成独立回路。
本发明中水冷通道相互平行，上层表面开设有进水口一、出水口一，其中进水口一、出水口一的数量与水冷通道的数量相同，每个水冷通道与对应的进水口一、出水口一连通，并形成独立的冷却水水冷回路；当激光器bar条封装完成后，可通过调节进水口一的进水流量来改善每个独立水冷回路的流量，从而改善激光器bar条的发热不均导致的热沉受热不均的情况。
较优化地，所述上层上表面靠近出水口一的一端设置有键合区，所述键合区用于封装激光器bar条。
本发明在上层靠近出水口一的一端设计了键合区，键合区用于封装激光器bar条，实际使用时键合区的材料选用与激光器bar条膨胀系数一致的金属或非金属，避免键合区、激光器bar条之间由于热膨胀系数不匹配产生应力。
较优化地，所述若干个水冷通道相互平行，所述键合区与水冷通道呈垂直设置。
较优化地，所述每个水冷通道中均开设有若干个进水口二、出水口二，所述进水口一、进水口二的位置相对应，所述出水口一、出水口二的位置相对应。
本发明中每个水冷通道中还开设了进水口二和出水口二，其中进水口一与进水口二的位置相对应，冷却水可通过进水口一进入进水口二，并在热沉内部进行流动；出水口一与出水口二的位置相对应，冷却水依次通过出水口二、出水口一，并由出水口一排出。
较优化地，所述上层、水冷中间层、下层一端均对应设置有固定螺丝孔，所述上层、水冷中间层、下层之间通过固定螺丝孔、固定螺丝固定安装。
本发明中上层、水冷中间层和下层之间均通过固定螺丝孔、固定螺丝安装，其中上层的固定螺丝孔位于靠近进水口一的一端；实际应用时，可将水冷中间层的厚度设计为大于上层、下层的厚度，这样水冷中间层可以起到加固热沉的作用。
实际操作时，每个进水口一设有可以调节水流量的阀门，可进行冷却水的流量调控。
一种改善激光器smile效应的水冷热沉的封装方法，包括以上所述的热沉和激光器bar条，包括以下步骤：
1)准备及初步检查：准备热沉与激光器bar条，检查装置运行情况；
2)键合激光器bar条：将准备的激光器bar条键合在热沉的上表面的键合区，键合时选用真空回流炉进行冷却烧结，其中真空回流炉烧结时的最高温度为350-400℃；
3)结束操作，得到成品。
较优化地，所述热沉的键合区由与激光器bar条热膨胀系数一致的金属或非金属组成。
较优化地，所述热沉的键合区的材料选用无氧铜、金刚石-铜合金中的任意一种。
较优化地，所述激光器bar条键合时焊料选用金锡、金锗中的任意一种。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明使用时，激光器bar条键合在热沉的键合区，此时键合区正下方区域设计有三个或三个以上的水冷通道，每个水冷通道之间相互隔离；冷却水从上层的若干个进水口一分别进入对应的水冷通道，冷却水可在热沉内流动后从出水口一流出；当激光器bar条的某一区域的热量过高并出现拐点时，操作人员可以适时调控该区域的水流量，增加该区域的散热能力，达到解决smile效应的目的。
本发明提供的一种改善激光器smile效应的水冷热沉及封装方法可以在不加缓冲层的情况下有效降低smile效应，并且可采用金锡、金锗等硬焊料，有效减少焊料溢出的风险，大幅度提高器件的寿命和可靠性；同时本发明从根本上上解决了因激光器bar条发热不均导致热沉受热不均产生的应力形变，相应的可以从根本上降低由于热沉形变而引起的激光器bar条的形变、热沉和激光器bar条之间热膨胀系数不同引发的热应力不匹配的问题，并最终有效的改善smile效应。
本发明公开了一种改善激光器smile效应的水冷热沉及封装方法，结构设计合理，封装操作简单，不仅有效改善smile效应，降低激光器bar条的形变，同时也提高了激光器bar条的形变的寿命和可靠性，实用性较好。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明一种改善激光器smile效应的水冷热沉的整体结构示意图；
图2为本发明一种改善激光器smile效应的水冷热沉的水冷中间层结构示意图；
图3为本发明一种改善激光器smile效应的水冷热沉的水冷中间层结构示意图；
图4为本发明一种改善激光器smile效应的水冷热沉的上层结构示意图；
图5为本发明一种改善激光器smile效应的水冷热沉的水冷中间层结构示意图。
图中：1-上层、11-固定螺丝孔、12-进水口一、13-出水口一、14-键合区、2-水冷中间层、21-水冷通道、22-进水口二、23-出水口二、3-下层。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种改善激光器smile效应的水冷热沉，所述热沉为一体多层式复合结构，在其内部设置有若干个水冷中间层2，所述水冷中间层2通过调整散热效率的方式改善激光器bar条的smile效应。
现如今，对于smile效应，研究人员经过多次试验验证smile效应的弯曲分布，得出以下结论：
1、smile效应一般存在1或2个弯曲点。
2、拐点为凹型时，则拐点位置热量较大，拐点为凸型时，拐点位置热量较小。
基于以上陈述，本发明设计了一种改善激光器smile效应的水冷热沉及封装方法，设计的热沉为一体多层式复合结构，包括上层1和下层3，上层1、下层3之间平行排列有若干个水冷中间层2，水冷中间层2上表面有若干个相互隔开的水冷通道21，实际操作中水冷通道21的数量一般为3条及3条以上；本技术方案使用时，可通过改变水冷通道21中不同位置的水流量来相应改变该位置的散热速率，从而达到改善smile效应的目的。
所述热沉包括上层1和下层3，所述水冷中间层2自上而下排列在上层1、下层3之间，所述水冷中间层2上表面均设置有若干个相互隔开的水冷通道21，所述上层1上表面开设有若干个进水口一12、出水口一13，每个所述水冷通道21分别与对应的进水口一12、出水口一13连通并形成独立回路。
本发明中水冷通道21相互平行，上层1表面开设有进水口一12、出水口一13，其中进水口一12、出水口一13的数量与水冷通道21的数量相同，每个水冷通道21与对应的进水口一12、出水口一13连通，并形成独立的冷却水水冷回路；当激光器bar条封装完成后，可通过调节进水口一12的进水流量来改善每个独立水冷回路的流量，从而改善激光器bar条的发热不均导致的热沉受热不均的情况。
所述上层1上表面靠近出水口一13的一端设置有键合区14，所述键合区14用于封装激光器bar条。
本发明在上层1靠近出水口一13的一端设计了键合区14，键合区14用于封装激光器bar条，实际使用时键合区14的材料选用与激光器bar条膨胀系数一致的金属或非金属，避免键合区14、激光器bar条之间由于热膨胀系数不匹配产生应力。
所述若干个水冷通道21相互平行，所述键合区14与水冷通道21呈垂直设置；所述每个水冷通道21中均开设有若干个进水口二22、出水口二23，所述进水口一12、进水口二22的位置相对应，所述出水口一13、出水口二23的位置相对应。
本发明中每个水冷通道21中还开设了进水口二22和出水口二23，其中进水口一12与进水口二22的位置相对应，冷却水可通过进水口一12进入进水口二22，并在热沉内部进行流动；出水口一13与出水口二23的位置相对应，冷却水依次通过出水口二23、出水口一13，并由出水口一13排出。
所述上层1、水冷中间层2、下层3一端均对应设置有固定螺丝孔11，所述上层1、水冷中间层2、下层3之间通过固定螺丝孔11、固定螺丝固定安装。
本发明中上层1、水冷中间层2和下层3之间均通过固定螺丝孔11、固定螺丝安装，其中上层1的固定螺丝孔11位于靠近进水口一12的一端；实际应用时，可将水冷中间层2的厚度设计为大于上层1、下层3的厚度，这样水冷中间层2可以起到加固热沉的作用。
实际操作时，每个进水口一12设有可以调节水流量的阀门，可进行冷却水的流量调控。
本发明使用时，激光器bar条键合在热沉的键合区14，此时键合区14正下方区域设计有三个或三个以上的水冷通道21，每个水冷通道21之间相互隔离；冷却水从上层1的若干个进水口一12分别进入对应的水冷通道21，冷却水可在热沉内流动后从出水口一13流出；当激光器bar条的某一区域的热量过高并出现拐点时，操作人员可以适时调控该区域的水流量，增加该区域的散热能力，达到解决smile效应的目的。
根据以上陈述，进行以下实施例：
实施例1：
一种改善激光器smile效应的水冷热沉的封装方法，包括以下步骤：
S1：准备及初步检查：准备热沉与激光器bar条，检查装置运行情况；
S2：键合激光器bar条：将准备的激光器bar条键合在热沉的上表面的键合区14，键合时选用真空回流炉进行冷却烧结，其中真空回流炉烧结时的最高温度为350℃；结束操作，得到成品。
其中键合区14的材料选用无氧铜；所述激光器bar条键合时焊料选用金锡。
实施例2：
一种改善激光器smile效应的水冷热沉的封装方法，包括以下步骤：
S1：准备及初步检查：准备热沉与激光器bar条，检查装置运行情况；
S2：键合激光器bar条：将准备的激光器bar条键合在热沉的上表面的键合区14，键合时选用真空回流炉进行冷却烧结，其中真空回流炉烧结时的最高温度为380℃；结束操作，得到成品。
其中键合区14的材料选用金刚石-铜合金；所述激光器bar条键合时焊料选用金锡。
实施例3：
一种改善激光器smile效应的水冷热沉的封装方法，包括以下步骤：
S1：准备及初步检查：准备热沉与激光器bar条，检查装置运行情况；
S2：键合激光器bar条：将准备的激光器bar条键合在热沉的上表面的键合区14，键合时选用真空回流炉进行冷却烧结，其中真空回流炉烧结时的最高温度为400℃；结束操作，得到成品。
其中键合区14的材料选用无氧铜；所述激光器bar条键合时焊料选用金锗。
取实施例1-3制备的成品，检测后可得以下结论：
本发明公开了一种改善激光器smile效应的水冷热沉及封装方法能够在不加缓冲层的情况下有效降低smile效应，并且可采用金锡、金锗等硬焊料，有效减少焊料溢出的风险，大幅度提高器件的寿命和可靠性；同时本发明从根本上上解决了因激光器bar条发热不均导致热沉受热不均产生的应力形变，相应的可以从根本上降低由于热沉形变而引起的激光器bar条的形变、热沉和激光器bar条之间热膨胀系数不同引发的热应力不匹配的问题，并最终有效的改善smile效应。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
Claims (10)
1.一种改善激光器smile效应的水冷热沉，包括激光器bar条，其特征在于：所述热沉为一体多层式复合结构，在其内部设置有若干个水冷中间层(2)，所述水冷中间层(2)通过调整散热效率的方式改善激光器bar条的smile效应。
2.根据权利要求1所述的一种改善激光器smile效应的水冷热沉，其特征在于：所述热沉包括上层(1)和下层(3)，所述水冷中间层(2)自上而下排列在上层(1)、下层(3)之间；所述水冷中间层(2)上表面均设置有若干个相互隔开的水冷通道(21)，所述上层(1)上表面开设有若干个进水口一(12)、出水口一(13)，每个所述水冷通道(21)分别与对应的进水口一(12)、出水口一(13)连通并形成独立回路。
3.根据权利要求2所述的一种改善激光器smile效应的水冷热沉，其特征在于：所述上层(1)上表面靠近出水口一(13)的一端设置有键合区(14)，所述键合区(14)用于封装激光器bar条。
4.根据权利要求2所述的一种改善激光器smile效应的水冷热沉，其特征在于：所述若干个水冷通道(21)相互平行，所述键合区(14)与水冷通道(21)呈垂直设置。
5.根据权利要求2所述的一种改善激光器smile效应的水冷热沉，其特征在于：所述每个水冷通道(21)中均开设有若干个进水口二(22)、出水口二(23)，所述进水口一(12)、进水口二(22)的位置相对应，所述出水口一(13)、出水口二(23)的位置相对应。
6.根据权利要求1所述的一种改善激光器smile效应的水冷热沉，其特征在于：所述上层(1)、水冷中间层(2)、下层(3)一端均对应设置有固定螺丝孔(11)，所述上层(1)、水冷中间层(2)、下层(3)之间通过固定螺丝孔(11)、固定螺丝固定安装。
7.一种改善激光器smile效应的水冷热沉的封装方法，包括以上权利要求1-6任一项所述的热沉、激光器bar条，其特征在于：包括以下步骤：
1)准备及初步检查：准备热沉与激光器bar条，检查装置运行情况；
2)键合激光器bar条：将准备的激光器bar条键合在热沉的上表面的键合区(14)，键合时选用真空回流炉进行冷却烧结，其中真空回流炉烧结时的最高温度为350-400℃；
3)结束操作，得到成品。
8.根据权利要求7所述的一种改善激光器smile效应的水冷热沉的封装方法，其特征在于：所述热沉的键合区(14)由与激光器bar条热膨胀系数一致的金属或非金属组成。
9.根据权利要求8所述的一种改善激光器smile效应的水冷热沉的封装方法，其特征在于：所述热沉的键合区(14)的材料选用无氧铜、金刚石-铜合金中的任意一种。
10.根据权利要求7所述的一种改善激光器smile效应的水冷热沉的封装方法，其特征在于：所述激光器bar条键合时焊料选用金锡、金锗中的任意一种。
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