CN105048281B - 冷却小通道热沉 - Google Patents

Abstract

一种冷却小通道热沉，其中包括：一上层，该上层为内凹的矩形，其上面中间的一侧开有一圆形进水道，另一侧是多层连通水道；一下层，该下层为内凹的矩形，左右为进出水道，所述上层固定在下层的上面。本发明是对高密度激光二极管叠层阵列封装，起到高效散热的作用，制备工艺简单易行，使用寿命长。

Description

冷却小通道热沉

技术领域

本发明涉及到高功率密度激光二极管叠层阵列封装用到的一种冷却小通道热沉，在使用过程中，简单方便，经久耐用，使用寿命长，冷却效果较好，适用范围比较广；制备工艺简单，费用低，并且应用中动力消耗低。

背景技术

近年来，高功率半导体激光器因其体积小、重量轻、效率高、易调节和易集成等优点，成为泵浦固态激光器(DPSSL，DPL)光纤激光器(FL)的最有前景的泵浦源，其发展将直接推动激光测距、引信、跟踪、制导、武器模拟、点火引爆、雷达、夜视、目标识别与对抗等技术的更新换代。尤其固态激光武器等高能量应用***要求泵浦源具有更高密度功率密度输出，激光二极管阵列叠层是提高激光器输出功率的有效途径，但功率密度和热耗成为限制其功率进一步提高的主要因素。由于热功耗所引起激光二极管有源区的温升会降低激光器电光转换效率，降低输出功率，使激射波长红移，严重时会使激光器彻底毁坏。

发明内容

本发明的目的在于提供一种冷却小通道热沉，对高密度激光二极管叠层阵列封装，起到高效散热的作用，制备工艺简单易行，使用寿命长。

为实现上述目的，本发明提供一种冷却小通道热沉，其中包括：

一上层，该上层为内凹的矩形，其上面中间的一侧开有一圆形进水道，另一侧是多层连通水道；

一下层，该下层为内凹的矩形，左右为进出水道，所述上层固定在下层的上面。

本发明的有益效果是，起到高效散热的作用，制备工艺简单易行，使用寿命长。

附图说明

以下通过结合附图对具体实例的详细描述，进一步说明本发明的结构、特点和技术内容，其中：

图1为本发明的一种冷却小通道热沉的上层1的结构示意图；

图2为本发明的一种冷却小通道热沉的下层2的结构示意图.

具体实施方式

请参阅图1与图2所示，本发明提供一种新型高效冷却小通道热沉，其中包括：

一上层1(参阅图1)，该上层1的材料为金属紫铜，该上层为内凹的长方矩形结构，其尺寸为48mm×24mm×11mm，紫铜材料结实而且导热性能良好，能够降低整体热阻，快速把散发热量带走，保证器件在正常温度条件下运行。上层内凹矩形槽上部切割14条矩形小通道11(参阅图1)，每条小槽尺寸为21mm×0.5mm×2mm，周期为1mm，这层多条矩形小槽距离上层表面，需要被散热的器件很近，一方面由于距离近，热量传导速度比较快，有利于器件散热，保证其正常工作，二是切割的多条方形小槽，大大增加了与冷却水接触面积，加速了热量扩散速度，有利于器件散热。在上层1的下底面，距左侧沿9mm处开一个深6mm的矩形槽12(参阅图1)，矩形槽12的底面尺寸为14mm×2mm，距上下沿的距离为5mm，该矩形槽12是上下两层散热水道的连接水道，面积大小要适中，既不要过大，浪费体积，使整体体积过大，增加成本，又破坏整体美观效果；也不要体积过小，使水量堵塞，阻碍冷水正常流通，导致热量散发不出去，使整体热沉丧失散热功能，最终导致器件因热量过多而失效。靠近左侧沿25mm处开一个深3mm的矩形槽13(参阅图1)，矩形槽13的底面尺寸为14mm×7mm，距上下沿的距离为5mm，矩形槽13是上层1的回水口，体积要合适，以保证回水通畅，不然回水累积过多，会使器件散发的热量积蓄在此，散发不出去，导致整体热沉丧失散热功能，最终致使器件因热量过多而失效。在矩形槽12与矩形槽13之间加工5条深3mm的矩形大通道14(参阅图1)，每条矩形小槽底面尺寸为14mm×1.5mm，周期2.8mm，此矩形大通道14要比矩形小通道11的体积大的多，主要目的是增加水的流畅性，由于空气和热沉的热交换，以及水的流动带走热量，使得流到此的水尽量尽快的流走比较适宜，所以矩形大通道14的总体积比矩形小通道11的体积要稍微大些适宜，而且也不能过大，还要保证与冷却水接触面积尽可能大，增加导热速度。在距右边沿8mm处，开一个直径6mm的圆形沟道15(参阅图1)，深度为6mm，其中心距上下边沿的距离为12mm，此圆形沟道15是上层1的进水道，它的横截面决定了进入上层水道的水流量，此圆形沟道15的直径大小应该由多种因素设计，例如需要带走的热量总量，水流速度以及上层水道的入口面积，大小应该适宜，因为热沉内部水道结构越紧凑密实，热沉的总体积越小，这样需要的原材料越少，因此加工费用越少；而且体积越小，热沉越小巧，外观也越美观，并且使用起来也越方便，占用的空间也就越小，有利于器件的整合设计。

一下层2(参阅图2)，该下层2的材料为金属紫铜，该下层2为矩形结构，其尺寸为52mm×28mm×32mm，紫铜材料结实而且导热性良好，能够降低整体热阻，快速把散发热量带走，保证器件在正常温度条件下工作。在下层2上顶面(52mm×28mm)中间开一个深11mm内凹的矩形槽21(参阅图2)，底面尺寸为48mm×24mm，目的是把上层1倒放入到内凹的矩形槽21，使之成为一个整体散热热沉，此种设计可以实现两种密封方式，一种是利用钎焊技术，把上下两层焊接在一起，但是此种技术要求比较严格，如果技术不答标，若出现大面积的焊接，出现漏水可能性的几率比较大；另一种方法就是利用螺钉固定，四个角上用力均衡，就比较容易实现我们的目的，但是此种方法由于使用了螺钉，占用了一定的空间，使得再设计小通道热沉的时候，体积肯定会增加，也增加了工艺程序，这样就加大了成本费用，而且由于螺钉裸露在外面，也影响了整体美观。在矩形槽21底面上，距右侧边沿8mm处，开一个直径为6mm、深11.8mm的圆形沟道22(参阅图2)，其中心距上边沿12mm，此圆形沟道22的位置与上层1的圆形沟道15的位置对应，此圆形沟道22与下层2的进水通道相通，此圆形沟道22的横截面积是决定进水量的一个重要因素，所以在设计过程中要严格计算，不然会影响整体的效果，不仅包括散热效果，还有整体体积，进而影响美观效果；与圆形沟道22同心，开一个深1.6mm圆环槽23(参阅图2)，内外直径分别为8mm和14mm，此圆环槽23是用来放置具有弹性的橡胶欧圈，起到密封作用，目的是使上层1和下层2的进水道正对准的连接在一起，保证通水时，防止水从上层1和下层2的接触位置处溢出，影响进入上层散热水道的水速，致使水进入上层1的矩形槽13，使得进水道和回水道相通，这样就彻底破坏了双层水道散热的效果，致使整体热沉失效；在距左侧边沿24mm处，开一个直径为6mm、深11.8mm的圆形沟道24(参阅图2)，其中心距上边沿12mm，该圆形沟道24的位置与上层1内凹处的矩形槽13的位置对应，此圆形沟道24与下层2的回水道相通，从上层1的矩形槽15流过来的水进入圆形沟道24，才能完成一次循环，此圆形沟道24的横截面积应当和进水道的横截面积相当，才能保证在此不会出现积水现象，影响热沉的散热效果；在圆形沟道24外侧，开一个深1.6mm、宽6mm的矩形环槽25(参阅图2)，内矩形尺寸是20.9mm×14mm，外矩形尺寸是26.9mm×20mm，外矩形左边线距槽21底面左边线6mm，外矩形上下边线距槽21底面上下边线的距离是2mm，内矩形四个角做成圆角26(参阅图2)，半径为1mm，此矩形环槽25与矩形槽12、矩形槽13以及矩形大通道14位置对应，此矩形环槽25用来放置具有弹性的橡胶欧圈，目的是使上层1的矩形大通道14、矩形槽12以及矩形槽13和下层2的矩形环槽25中间空间正对准的连接在一起，保证形成正常回路状态，通水顺畅，防止水从回路溢出，影响回水道的水速，防止水进入进水道区域，使得进水道和回水道相通，这样就彻底破坏了双层水道散热的效果，使得整体热沉失效；在下层2的左侧面上开一个直径6mm、深28mm的圆形出水道28(参阅图2)，此圆形出水道28中心到下层2左、右边线距离为14mm，到下层2底边线的距离为12.2mm，此圆形出水道28与圆形沟道24相通，使下层2回水道与外部供水设备的相通，保证由内部流出来的水回流入供水设备的回水水管；在圆形出水道28外侧套刻一个深1.9mm的圆环槽29(参阅图2)，其内外直径分别为10mm和16.4mm，此圆环槽29用来与外部供水设备的水管相连，保证热沉出水口和供水设备的回水水管紧密连接，使得回水不会溢出，避免出现漫水现象，造成难以想象的后果。在下层2右侧面上开一个直径为6mm、深10mm的圆形进水道210(参阅图2)，此圆形进水道210中心到下层2左、右边线距离为14mm，到下层2底边线的距离为12.2mm，此圆形进水道210与圆形沟道22连通，该圆形进水道210是进水道与外部供水设备相通，保证供水设备通过水管将冷却水送入到进水道；在圆形进水道210外侧套刻一个深1.9mm的圆环槽211(参阅图2)，其内外直径分别为10mm和16.4mm，此圆环槽211用来与外部供水设备的进水管相连，保证热沉进水口和供水设备的进水水管紧密连接，使得进水不会溢出，避免出现漫水现象，保证热沉运行工作正常。

在上层1四个角上分别开一个直径3.4mm的通孔16(参阅图1)，其中心到两侧边沿的距离为2.5mm。在下层2四个角上分别开一个直径3mm、深10mm的螺纹孔27(参阅图2)，其中心到临近槽21底面边线的距离为2.5mm。而上层1与下层2中心位置重合时，上层1上的四个通孔16与下层2上的四个螺纹孔27是相对应重合在一起的，正好用螺钉固定在一起，把上层1与下层2紧紧的结合在一起，保证里面的水道畅通，水不会溢出。

本发明的工作过程为，首先在下层2的槽21的底面上的矩形环槽25和圆环槽23中，各放置一个欧圈，然后将上层1***到下层2的槽21中，使上层1的圆形沟道15和下层2的圆形沟道22对准，并使上层1四个角上的通孔16和下层2四个角上的螺纹孔27对准，最后用M3的长螺钉将上层1和下层2固定在一起，这样热沉组装完成。

所述的一种新型高效冷却小通道热沉，利用线切割技术加工了14条矩形小槽，每条小槽尺寸为21mm×0.5mm×2mm，周期1mm，这样加工，既保证了我们的精细要求，又避免了应用精细加工技术，例如化学腐蚀技术等，降低了制备工艺的难度。

所述的一种新型高效冷却小通道热沉，在上层1中利用线切割技术加工了14条矩形小槽11，并在上层1的一个表面，利用机械加工工具铣刀铣出5条矩形小槽14，这样在上层1上加工了两层水道。在上层1利用线切割技术加工矩形小槽11时，需在左右侧面分别开一个矩形槽，才能利用线切割技术进行加工，最后要形成密封水道，需要将左侧和右侧的矩形槽中分别***一个插条，并利用焊接技术进行密封，密封面积为56mm2。在传统加工技术中，如果需要加工两层水道，一般是在两层独立热沉中分别加工，然后再将两层独立热沉焊接在一起，或用螺钉固定在一起。如果利用焊接技术密封，密封面积是1152mm2，大概是利用现在方法需要焊接面积的100倍，这样大大增加了漏水的可能。如果利用螺钉固定在一起，需要利用欧圈密封，这样就需要在下层中开放置欧圈的小槽，但是每层水道的深度2-3mm，而每层独立热沉只有5-6mm，再开小槽，放置欧圈，厚度不允许，比较困难，而且漏水的可能行也比较大。现在我们将两层水道加工到一层热沉上，避免了大面积的焊接密封，或者开矩形槽放置欧圈，大大减小了漏水的可能性。

所述的一种新型高效冷却小通道热沉，利用四个长螺钉将上层1与下层2连接在一起，形成一个整体，利用两个直径大小与弹性合适的欧圈，避免了利用大范围的焊接技术出现漏水的可能性，此种方法简单易行，容易实现设计的要求。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种冷却小通道热沉，其包括：

一上层(1)，该上层(1)为内凹的长方体结构，该上层上面中间的右侧开有一上圆形沟道(15)，该上圆形沟道(15)是该上层(1)的进水道，该上圆形沟道(15)的左侧为上矩形凹槽，该上矩形凹槽的底面左侧开有一窄矩形槽(12)，该上矩形凹槽的底面中间在沿该上层的长边方向有多条方形小通道(11)，该方形小通道(11)在右侧与上圆形沟道(15)连通，该方形小通道(11)上面开有多条方形大通道(14)，该方形小通道(11)在左侧通过窄矩形槽(12 )与方形大通道(14)相连通，该方形大通道(14)的右侧与一宽矩形槽(13)连通，该宽矩形槽(13)是连接上下两层散热水道的连接通道，该窄矩形槽(12)的宽度小于宽矩形槽(13)的宽度，在上层(1)上面的四角处开有4个固定孔;

一下层(2)，该下层(2)为内凹的长方体结构，该下层上面中间的右侧开有一下圆形沟道(22)，该下圆形沟道(22)的位置与所述上圆形沟道(15)的位置对应，该下圆形沟道(22)与位于该下层右侧面的进水通道(210)相通，该下圆形沟道(22)的左侧为下矩形凹槽，该下矩形凹槽与上矩形凹槽的底面积相等，上矩形凹槽正好完全嵌入到下矩形凹槽，该下矩形凹槽的底面左侧开有一圆形沟道(24)，该圆形沟道(24)的位置与上层的宽矩形槽(13)的位置对应，该圆形沟道(24)与位于该下层(2)左侧面的出水通道(28)相通，该圆形沟道(24)的外侧开有一用来放置具有弹性的橡胶密封圈的矩形环槽(25)，在下层(2)上面的四角处开有4个固定孔，下层固定孔的位置与上层固定孔的位置对应。

2.根据权利要求1所述的冷却小通道热沉，其中该上层和下层的材料均相同为紫铜。