CN104201560B - 半导体芯片激光模块及其散热方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种半导体芯片激光模块，其特征在于，包括：热沉；无机热超导材料；以及半导体激光器件，固定于所述热沉，其中，所述半导体激光器件，具有：芯片散热单元和光路散热单元；所述芯片散热单元，固定于所述半导体激光器件的内壁；所述光路散热单元，固定于半导体激光器件的内壁，所述芯片散热单元，包含：芯片、关联夹具和铜基座；所述芯片固定于所述关联夹具中间；所述铜基座的一侧与所述关联夹具相固定，另一侧与半导体激光器件的内壁相固定，所述无机热超导材料，填充于上述各部件的连接处。

Description

半导体芯片激光模块及其散热方法

技术领域

本发明涉及半导体芯片激光模块散热领域，特别涉及一种无机热超导材料对高功率半导体芯片激光模块进行散热的半导体芯片激光模块及其散热方法。

背景技术

半导体激光器是用半导体材料作为工作物质的激光器，常用工作物质有砷化镓(GaAs)、硫化镉(CdS)、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)等。对于高功率激光器件来说，其电光转换效率大约为50％，其余的电能会产生废热，从而使半导体芯片的温度急速上升。然而，温度特性是半导体材料的一个主要特性，其对半导体激光器的影响主要有三个方面：

首先，一般情况下，半导体激光器的发光波长随温度变化为0.2-0.3nm/℃，即温度每升高约3℃，半导体激光器的发光波长改变1nm,同时伴随着光谱宽度的增加。因此，温度对半导体激光器的波长稳定性无疑有重要的影响。

其次，当正向电流流经pn结时，发热性损耗会使结区产生温升。数据表明，在室温附近，温度每升高1℃，半导体激光器的发光强度会相应地减少1％左右，当芯片无法完成散热而使其温度急剧上升时，半导体激光器的工作效率就会大打折扣。

再次，由半导体材料制成的半导体芯片具有一定的热膨胀系数。如果半导体芯片无法及时完成散热，会导致芯片的温度逐步上升。当温度超过其热膨胀系数时，芯片就会损坏，大大降低了可靠性。

鉴于温度控制对半导体激光器的工作稳定性、工作效率及长期可靠性都有着重大影响，这就要求器件必须能对半导体芯片进行快速自主地散热，从而使半导体芯片可以在确保输出特性的同时，使用寿命也可增长。

半导体激光器的散热分为半导体芯片的散热与半导体激光器模块的散热两部分，这需要较为复杂的封装技术。

目前，常用的对半导体激光光源散热的技术是：对于半导体芯片：在芯片的上下表面各用一块紫铜夹住，将整体通过导热硅胶粘于热沉上。将半导体芯片及其散热装备装于一块封闭模具中，形成半导体激光模块。

对于半导体激光模块：将模块通过导热硅胶粘于次热沉上，通过次热沉将模块的热量导出去，从而实现对模块的散热。

就目前半导体激光光源的散热方法来说，虽然它的实现方法比较简单，但存在的问题也比较多。例如：一、现在热沉的材料一般采用的是铜，虽然铜的热传导能力良好，但铜的热膨胀系数与半导体材料的并不匹配，在散热过程中很可能会致使半导体材料因温度过高而损坏；二、热量由半导体芯片产生，经导热硅胶传热后将热量传到热沉上。虽然铜的热传导能力很好，但其无法在短时间内做到受热均匀，这就导致了在铜的部分区域内会产生热量堆积现象，综合表现为散热效果不佳。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种利用无机热超导材料，对半导体芯片激光模块进行散热的半导体芯片激光模块及其散热方法。

本发明提供的一种半导体芯片激光模块，其特征在于，包括：热沉；无机热超导材料；以及半导体激光器件，固定于热沉，其中，半导体激光器件，具有：芯片散热单元和光路散热单元；芯片散热单元，固定于半导体激光器件的内壁；光路散热单元，固定于半导体激光器件的内壁，芯片散热单元，包含：芯片、关联夹具和铜基座；芯片固定于关联夹具中间；铜基座的一侧与关联夹具相固定，另一侧与半导体激光器件的内壁相固定，无机热超导材料，填充于上述各部件的连接处，其中，热沉的接触面、半导体激光器件的接触面、关联夹具的接触面、铜基座的接触面均开设有梳状凹槽，梳状凹槽的深度为各开设有梳状凹槽部件高度的一半，热沉内部和铜基座内部都开设有环形凹槽，无机热超导材料填充在梳状凹槽和环形凹槽内。

本发明提供的半导体芯片激光模块，还具有这样的特征：热量移除装置，安装于靠近热沉处。

本发明提供的半导体芯片激光模块，还具有这样的特征：其中，热量移除装置可以为风冷装置或水冷设备。

本发明提供的半导体芯片激光模块散热方法，还具有以下步骤：步骤一：热沉的一侧、半导体激光器件的一个外表面和内壁、关联夹具的一个外表面、铜基座相对的两个表面和光路散热单元的一侧均开设凹槽；步骤二：将无机热超导材料填充入凹槽中；步骤三：将半导体激光器件固定在热沉的一侧，铜基座的一个表面和光路散热单元固定在半导体激光器件的内壁，关联夹具固定在铜基座的另一个表面，芯片的一面涂有无机热超导材料夹装于关联夹具中间，其中，热沉的接触面、半导体激光器件的接触面、关联夹具的接触面、铜基座的接触面均开设有凹槽，凹槽为梳状凹槽，梳状凹槽的深度为各开设有梳状凹槽部件高度的一半，热沉内部和铜基座内部都开设有环形凹槽，无机热超导材料填充在梳状凹槽和环形凹槽内。

本发明提供的半导体芯片激光模块散热方法，还具有以下步骤：步骤四：启动热量移除装置，将热沉的热量发散。

本发明提供的半导体芯片激光模块散热方法，还具有这样的特征：其中，热量移除装置可以为风冷装置或水冷设备。

发明作用和效果

根据本发明所涉及半导体芯片激光模块及其散热方法，利用无机热超导材作为导热材料，对半导体芯片激光模块进行散热。因此，本发明的半导体芯片激光模块及其散热方法在各部件的接触面之间加入无机热超导材料，可以使散热器件之间的受热均匀，最终达到整体受热均匀的效果，实现芯片激光模块和热沉的低梯度温度分布。

附图说明

图1是本发明在实施例中的无机热超导材料的传热原理图；

图2是本发明在实施例中的半导体芯片激光模块的结构框图；以及

图3是本发明在实施例中的半导体芯片激光模块散热的流程图。

具体实施方式

以下参照附图及实施例对本发明所涉及的半导体芯片和激光模块作详细的描述。

实施例

图1是本发明在实施例中的无机热超导材料的传热原理图。

如图1所示，无机热超导材料是一种新型的导热材料，可做成任意大小、任意形状，当介质受热后会迅速将热能沿着腔壁从热端传递到冷端，即实现零热阻，从而达到受热均匀的效果。在散热器件之间利用无机热超导材料来进行直接传输，而非散热器件与无机热超导材料之间进行热量传输，保证了传热的效率及速度，也保证了传热材料之间热膨胀系数的一致。

图2是本发明在实施例中的半导体芯片激光模块的结构框图。

如图2所示，半导体芯片激光模块1000具有半导体激光器件1100、无机热超导材料、热沉1200和热量移除装置1300。图中黑色粗线部分为无机热超导材料。

半导体激光器件1100与热沉1200的接触面上开设有梳状凹槽。半导体激光器件1100与热沉1200的接触面积较大，故需要较多的无机热超导材料来进行热量传递，因此梳状凹槽符合要求。在无机热超导材料填充入梳状凹槽中，并将半导体激光器件1100固定在热沉1200上。

热量移除装置1300可以为风冷装置或水冷设备,安装在热沉1200的一侧，将热沉1200散发出来的热量快速消散，防止热量堆积，本实施例中的热量移除装置1300采用风冷装置。

半导体激光器件1100具有：芯片散热单元1110和光路散热单元1120。

芯片散热单元1110包含有：芯片1112、关联夹具1111和铜基座1113。

关联夹具1111的下半部与芯片1112和铜基座1113相接触的两个面上都开设有梳状凹槽。

铜基座1113与半导体激光器件1100的内壁接触面上也开设有梳状凹槽，以及光路散热单元1120和半导体激光器件1100的内壁接触面上也开设有梳状凹槽。光路散热单元1120固定在半导体激光器件1100的内壁上。

梳状凹槽的深度为各开设有梳状凹槽部件高度的一半。

铜基座1113内部及热沉1200的内部都开设有环形凹槽。因为热量是以环形方式进行消散的，且铜基座1113距离芯片1112比较近，对芯片1112的散热效果比较直接，在其内部开环形凹槽对芯片1112的散热效果比较明显。热沉1200处于整套散热装备的最底端，是所有热量的最终汇集场所，对其进行环形凹槽散热能使整体的热量得到有效发散。

上述各相互对应的凹槽形成金属密闭腔，在金属密闭腔中填充入无机热超导材料，并使各部件之间相互固定。

各凹槽的直径大小可以为厘米量级也可以为微米量级，只需与半导体发光芯片及其散热装置的大小相匹配即可。

芯片1112夹放固定于关联夹具1111中间，关联夹具1111的下半部与铜基座1113的一侧相固定。铜基座1113的另一侧与半导体激光器件1100的内壁相固定。

图3是本发明在实施例中的半导体芯片激光模块散热的流程图。

如图3所示，半导体芯片和激光模块散热，具有以下步骤：

步骤S1：

在半导体激光器件1100与热沉1200的接触面上开设梳状凹槽,在关联夹具1111的下半部与芯片1112和铜基座1113相接触的两个面上以及铜基座1113与半导体激光器件1100的内壁接触面上开设梳状凹槽，在铜基座1113内部及热沉1200的内部都开设环形凹槽。

步骤S2：

在各凹槽中填充入无机热超导材料。

步骤S3：

将半导体激光器件1100固定在热沉1200的一侧，铜基座1113下表面和光路散热单元1120固定在半导体激光器件1100的内壁，关联夹具1111的下半部固定在铜基座1113的上表面，芯片1112夹装固定于关联夹具1111中间。

步骤S4：

启动热量移除装置1300，将热沉1200中散发的热量移除。

芯片1112产生的热量经关联夹具1111通过无机热超导材料传至铜基座1113上，铜基座1113内部环形凹槽散掉一部分热量，其余热量经无机热超导材料传到半导体激光器件1100上。同时，光路散热单元1120上的热量也经无机热超导材料传至半导体激光器件1100上。半导体激光器件1100上的热量由梳状凹槽内的无机热超导材料传至热沉1200上。热沉1200内部的环形凹槽可以帮助其散去一部分热量，其余热量由热量移除装置1300带走，以此实现整套装置的散热。

实施例的作用与效果

根据本实施例所涉及半导体芯片激光模块及其散热方法，利用无机热超导材料作为导热材料，对芯片激光模块进行散热。因此，本发明的半导体芯片激光模块及其散热方法在各部件的接触面之间加入无机热超导材料，可以使散热器件之间的受热均匀，最终达到整体受热均匀的效果，实现芯片、激光模块和热沉的低梯度温度分布。

本实施例所涉及半导体芯片激光模块及其散热方法，由于具有凹槽，因此能够将无机热超导材料直接嵌入各部件中，将接触面积由一维扩展到了三维，使各部件受热均匀的速度更快，芯片的散热效果更好。

本实施例所涉及半导体芯片激光模块及其散热方法，由于具有热量移除装置，因此能够更快地将热沉散发出的热量移除，达到更佳的散热效果。

上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种半导体芯片激光模块，其特征在于，包括：

热沉；

无机热超导材料；以及

半导体激光器件，固定于所述热沉，

其中，所述半导体激光器件，具有：芯片散热单元和光路散热单元；

所述芯片散热单元，固定于所述半导体激光器件的内壁；

所述光路散热单元，固定于半导体激光器件的内壁，

所述芯片散热单元，包含：芯片、关联夹具和铜基座；

所述芯片固定于所述关联夹具中间；

所述铜基座的一侧与所述关联夹具相固定，另一侧与半导体激光器件的内壁相固定，

所述无机热超导材料，填充于上述各部件的连接处，

其中，所述热沉的接触面、所述半导体激光器件的接触面、所述关联夹具的接触面、所述铜基座的接触面均开设有梳状凹槽，

所述梳状凹槽的深度为各开设有所述梳状凹槽部件高度的一半，

所述热沉内部和所述铜基座内部都开设有环形凹槽，

无机热超导材料填充在所述梳状凹槽和所述环形凹槽内。

2.根据权利要求1所述的半导体芯片激光模块，其特征在于，还包括：热量移除装置，安装于靠近所述热沉处。

3.根据权利要求2所述的半导体芯片激光模块，其特征在于：

其中，所述热量移除装置可以为风冷装置或水冷设备。

4.一种半导体芯片激光模块散热方法，具有以下步骤：

步骤一：热沉的一侧、半导体激光器件的一个外表面和内壁、关联夹具的一个外表面、铜基座相对的两个表面和光路散热单元的一侧均开设凹槽；

步骤二：将无机热超导材料填充入所述凹槽中；

步骤三：将所述半导体激光器件固定在所述热沉的一侧，所述铜基座的一个表面和所述光路散热单元固定在所述半导体激光器件的内壁，所述关联夹具固定在所述铜基座的另一个表面，芯片的一面涂有所述无机热超导材料夹装于所述关联夹具中间，

其中，所述热沉的接触面、所述半导体激光器件的接触面、所述关联夹具的接触面、所述铜基座的接触面均开设有凹槽，

所述凹槽为梳状凹槽，

所述梳状凹槽的深度为各开设有所述梳状凹槽部件高度的一半，

所述热沉内部和所述铜基座内部都开设有环形凹槽，

无机热超导材料填充在所述梳状凹槽和所述环形凹槽内。

5.根据权利要求4所述的半导体芯片激光模块散热方法，还具有以下步骤：

步骤四：启动热量移除装置，将所述热沉的热量发散。

6.根据权利要求5所述的半导体芯片激光模块散热方法，其特征在于：

其中，所述热量移除装置可以为风冷装置或水冷设备。