基于半导体激光芯片衬底微通道的分布式流型热沉及半导体激光器

本发明涉及半导体激光芯片的散热装置，具体涉及一种基于半导体激光芯片衬底微通道的分布式流型热沉及半导体激光器。

背景技术：

1、随着半导体制造工艺的不断进步，激光芯片的应用也随之增加，激光芯片冷却技术一直是相关领域的研究热点，其中微通道热沉是目前高功率芯片最主要的冷却技术。

2、如图1-图3所示，具有微通道热沉的激光芯片分为半导体激光芯片工作区01、衬底-电流扩散区02和衬底-冷媒通道区03。半导体激光芯片工作区01为激光芯片有源区，为主功能区，也是激光芯片产热的主要区域；衬底-电流扩散区02为电流扩散流经区域，同时起到结构力学增强作用；衬底-冷媒通道区03为散热功能区，激光芯片工作区产生的热量经衬底-电流扩散区02传导至衬底-冷媒通道区03，在冷媒通道区内，与内部流动的冷媒产生热交换，达到冷却目的，其中冷媒可以为水、水与有机物的混合体、有机物混合体等液态或液态气态混合体，或液态金属等。但是上述结构存在以下问题：1、冷媒入口处冷却流量大，所需驱动压力大，而芯片较薄，受力容易破碎，产品良率低；2、冷媒进入微通道与衬底-电流扩散区02进行热交换，在沿衬底的宽度方向流出，有效换热流程长，使得沿衬底的宽度方向流体被加热，冷媒出口处的流体温度高于冷媒进口处的温度，导致沿衬底的宽度方向温度不均匀分布。

技术实现思路

1、本发明目的在于解决现有微通道热沉存在的冷却液驱动压力大及热交换流程长导致的芯片良率低、散热不均匀的技术问题，提出一种基于半导体激光芯片衬底微通道的分布式流型热沉及半导体激光器。

2、本发明提供的技术方案为：

3、一种基于半导体激光芯片衬底微通道的分布式流型热沉，其特殊之处在于：包括依次设置的芯片衬底微通道层、分布式流型层及底板层；

4、定义半导体激光芯片的宽度方向为x向，长度方向为y向，高度方向为z向；所述芯片衬底微通道层包括多条沿y向延伸的衬底微通道，衬底微通道之间为第一间壁，衬底微通道沿y向的尺寸为l1，沿x向的尺寸为d1，沿z向的尺寸为h1，其中l1大于等于芯片有源区沿y向的尺寸；

5、所述底板层设置有多个冷却液入口；

6、所述分布式流型层包括分布式流型区和用于焊接的边缘区；分布式流型区包括多个交替设置的冷却液流入通道和冷却液排出通道，冷却液流入通道和冷却液排出通道之间为第二间壁，所述第二间壁的xy端面与第一间壁的xy端面相接部位固定连接；

7、所述冷却液流入通道沿x向延伸且沿z向贯穿分布式流型层，冷却液流入通道位于xy面的一个端口与各个衬底微通道相通，冷却液流入通道位于xy面的另一个端口与底板层上对应的冷却液入口相通；

8、所述冷却液排出通道沿x向延伸且沿z向贯穿分布式流型层，冷却液排出通道位于xy面的一个端口与各个衬底微通道相通，底板层密封覆盖冷却液排出通道位于xy面的另一个端口，冷却液排出通道位于yz面的端口作为冷却液出口；

9、所述冷却液流入通道沿x向的尺寸为l2，沿y向的尺寸为d2，沿z向的尺寸为h2，其中，l2大于等于芯片有源区沿x向的尺寸；

10、所述冷却液排出通道沿x向的尺寸为l3，沿y向的尺寸为d3，沿z向的尺寸为h3，其中，l3大于l2，h2＝h3。

11、进一步地，所述衬底微通道的xz面的截面为矩形，衬底微通道沿x向的尺寸d1和沿z向的尺寸h1满足d1：h1＝1：(7-12)；

12、所述冷却液流入通道沿y向的尺寸d2和冷却液排出通道沿y向的尺寸d3相等，冷却液流入通道和冷却液排出通道yz面的截面为矩形，且满足d2：d1＝10：(1-3)和d3：d1＝10：(1-3)。

13、进一步地，所述冷却液流入通道和冷却液排出通道沿y向的尺寸d2、d3为0.1-0.5mm；

14、所述冷却液流入通道和冷却液排出通道沿z向的尺寸h2、h3为0.3-1mm。

15、进一步地，所述衬底微通道xz面的截面为梯形，沿x向，远离分布式流型层一侧的尺寸为d1′，靠近分布式流型层一侧的尺寸为d1″，d1″＞d1′且d1″：d1′＝10：(7-9)。

16、进一步地，所述冷却液流入通道yz面的截面为梯形，且沿y向，靠近衬底微通道一侧的尺寸d2′小于远离衬底微通道一侧的尺寸d2″，并满足d2″：d1″＝10：(1-3)；同时，所述冷却液排出通道xy面的截面为矩形，并满足d3：d1″＝10：(1-3)；

17、或者，所述冷却液排出通道xy面的截面为梯形，且沿y向，靠近冷却液出口一侧尺寸d3′小于远离冷却液出口一侧尺寸d3″，并满足d3″：d1″＝10：(1-3)；同时，所述冷却液流入通道yz面的截面为矩形，并满足d2：d1″＝10：(1-3)。

18、进一步地，所述冷却液流入通道yz面的梯形截面中，d2″：d2′＝10：(7-9)；

19、所述冷却液排出通道xy面的梯形截面中，d3″：d3′＝10：(6-8)。

20、进一步地，所述分布式流型层采用铜或铜钨或硅。

21、进一步地，所述分布式流型区中各个冷却液流入通道和冷却液排出通道构成镂空区，所述镂空区体积占分布式流型区体积的30-60％。

22、进一步地，所述镂空区体积占分布式流型区体积的45-60％。

23、本发明还提供一种半导体激光器，包括半导体激光芯片和设置在半导体激光芯片上的热沉，其特殊之处在于：所述热沉采用上述基于半导体激光芯片衬底微通道的分布式流型热沉。

24、本发明的有益效果：

25、1、本发明通过衬底微通道及交替设置的冷却液流入通道和冷却液排出通道，实现双层通道结构，可以通过分布式流型层实现冷却液的驱动压力的调节，防止对激光芯片造成损伤。

26、2、本发明采用分布式流型结构，设置了多个出入口进出衬底微通道，同时形成喷射，有效增加了出入口面积，降低压力；与衬底微通道垂直的分布式多个进入口方式，减少了流体在较小的冷却液流入通道和冷却液排出通道中的流动阻力，进一步降低驱动压力。

27、3、本发明中冷却液进行热交换的有效流程较短，且对各个衬底微通道的冷却时采用的冷却液初始温度相当，热交换效率高的同时提高了降温的均匀性，避免了出口冷却液温度高导致的冷却效果差，导致的激光芯片使用寿命降低。

技术特征：

1.一种基于半导体激光芯片衬底微通道的分布式流型热沉，其特征在于：包括依次设置的芯片衬底微通道层(1)、分布式流型层(2)及底板层；

2.根据权利要求1所述的基于半导体激光芯片衬底微通道的分布式流型热沉，其特征在于：

3.根据权利要求2所述的基于半导体激光芯片衬底微通道的分布式流型热沉，其特征在于：

4.根据权利要求1所述的基于半导体激光芯片衬底微通道的分布式流型热沉，其特征在于：

5.根据权利要求4所述的基于半导体激光芯片衬底微通道的分布式流型热沉，其特征在于：

6.根据权利要求5所述的基于半导体激光芯片衬底微通道的分布式流型热沉，其特征在于：

7.根据权利要求6所述的基于半导体激光芯片衬底微通道的分布式流型热沉，其特征在于：

8.根据权利要求7所述的基于半导体激光芯片衬底微通道的分布式流型热沉，其特征在于：

9.根据权利要求8所述的基于半导体激光芯片衬底微通道的分布式流型热沉，其特征在于：

10.一种半导体激光器，包括半导体激光芯片和设置在半导体激光芯片上的热沉，其特征在于：所述热沉采用权利要求1-9任一所述的基于半导体激光芯片衬底微通道的分布式流型热沉。

技术总结
本发明涉及一种基于半导体激光芯片衬底微通道的分布式流型热沉及半导体激光器，以解决现有微通道热沉存在的冷却液驱动压力大及热交换流程长导致的芯片良率低，散热不均匀的技术问题。该热沉中，芯片衬底微通道层包括多条衬底微通道，其沿Y向的尺寸大于等于芯片有源区沿Y向的尺寸；底板层设置有多个冷却液入口；分布式流型层的分布式流型区包括多个交替设置的冷却液流入通道和冷却液排出通道，冷却液流入通道和冷却液排出通道沿X向延伸并沿Z向贯穿分布式流型层，且一个端口与各个衬底微通道相通；冷却液流入通道还包括与冷却液入口相通的端口；冷却液排出通道还包括密封端口和位于YZ面的冷却液出口。

技术研发人员：陈琅,李特,王贞福
受保护的技术使用者：中国科学院西安光学精密机械研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13