CN115332939A - 一种带散热通道的高功率光纤激光器封装外壳 - Google Patents

Abstract

本发明属于半导体技术领域，尤其是一种带散热通道的高功率光纤激光器封装外壳。本发明外壳包括安装底座、贴装COS器件的散热单元和引线组件，安装底座、散热单元和引线组件均为分体式结构，且外壳由三者拼装而成；散热单元内从上至下依次设有相互连通的微通道和宏通道，且微通道内和宏通道内均连接有冷却液；散热单元由无氧铜加工而成，安装底座由硬铝合金材料制成。本发明采用模块化结构,该结构可以适应特殊温度交变情况下的异种材料热失配缺陷，且散热单元采用无氧铜加工，安装底座采用硬铝合金加工而成，可以仅对需要镀金的COS器件的焊接面进行镀金，大大降低了制造成本。

Description

一种带散热通道的高功率光纤激光器封装外壳

技术领域

本发明属于半导体技术领域，尤其涉及一种带散热通道的高功率光纤激光器封装外壳。

背景技术

传统的激光器封装外壳的底座只作为散热通道，激光器芯片（以下称COS器件，COS的全称为chip on submount）焊接在底座上，COS器件在工作时产生的热量由热容大的铜制底座吸收，并传导至冷水板上，与冷水板中的散热液体进行热交换，从而达到散热效果。但是这种散热形式效率低，且无法承载瞬时热功耗，只能解决低功率COS器件（即30w以下的COS器件）的散热问题，若使用高于30w的COS器件，则其散热效果无法满足65℃以下的芯片散热要求。

另外，传统的激光器封装外壳一般是采用单一的无氧铜材料一体化加工而成，这是因为如果采用异种材料加工，在后期焊接COS器件时，异种材料热膨胀的差异会带来热失配，从而造成外壳上的COS器件焊接面与底座发生相对位置形变，超过光线耦合的容差，即无法满足COS器件的散热要求，进而导致产品失效。

再者，由于传统的激光器封装外壳为一体式结构，而对于该外壳而言，其上既设置有需要焊接的COS器件，又设置有需要粘接的光学器件，对于需要焊接的COS器件而言，其焊接面需要电镀金层，且该焊接面的镀金面积只占到整体外壳面积的3%-5%；而对于需要粘接的光学器件而言，其粘接面无需镀金层，但由于外壳为一体式结构，因此在对COS器件的焊接面镀金时需要对整个外壳都进行镀金，无法仅于COS器件焊接面上镀金，外壳其他部分不镀金，这样不仅造成了成本的提高，还造成了材料的极大浪费。

发明内容

为了克服上述现有技术中的缺陷，为此，本发明提供一种带散热通道的高功率光纤激光器封装外壳。本发明既可以增大COS器件的散热效率，又可以极大的节约制造成本。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种带散热通道的高功率光纤激光器封装外壳，该外壳包括安装底座、贴装COS器件的散热单元和引线组件，安装底座、散热单元和引线组件均为分体式结构，且外壳由三者拼装而成；散热单元内从上至下依次设有相互连通的微通道和宏通道，且微通道内和宏通道内均连接有冷却液；散热单元由无氧铜加工而成，安装底座由硬铝合金材料制成。

优选的，微通道由一个以上的第一散热结构和一个以上的第二散热结构叠加组成，且第一散热结构和第二散热结构交替间隔设置；第一散热结构的中部设有若干个间隔设置的散热实体，且相邻两个散热实体之间通过连接筋连接；第二散热结构的中部由若干个空心支架组成，第一散热结构与第二散热结构之间也通过连接筋连接形成整体结构，且空心支架的形状与散热实体的形状相适配；位于最上层的第一散热结构上设有铜片，COS器件焊接在铜片上。

优选的，微通道设置有若干个，宏通道内设有两个横向且平行设置的通槽，即，进液通槽和出液通槽；若干微通道沿通槽的长度方向排布，且两个通槽均通过若干连接通道分别与若干微通道连通；进液通槽与冷却液进水口连接，出液通槽与冷却液出水口连接。

优选的，装底座的表面、散热单元的表面和引线组件的表面均电镀有镍层，第一散热结构上的铜片在镍层之上还电镀有金层。

优选的，安装底座上设有卡槽，散热单元嵌设于卡槽内，安装底座与散热单元通过螺钉固定连接；安装底座与散热单元的接触面设有开槽。

优选的，引线组件包括侧板、引线和绝缘子，引线和绝缘子均安装在侧板上，侧板通过螺钉固定于安装底座上。

优选的，安装底座内还设有若干依次由低至高设置的台阶，台阶上粘接有光学器件。

优选的，该的外壳的制备步骤如下：

S1、利用硬铝合金材料通过CNC加工技术，制备成安装底座；

S2、采用高导热材料制备宏通道和若干微通道，再利用扩散焊技术连接若干微通道，并利用扩散焊技术将若干微通道与宏通道连接，得到内部含有散热通道的散热单元，同时安装底座和散热单元上均加工有对应的模块化装配螺钉孔；

S3、将引线和绝缘子均固定于侧板上，制备成引线组件；

S4、分别对安装底座、散热单元和引线组件进行电镀镍处理，再分别对散热单元上的铜片表面和引线表面进行电镀金处理；

S5、分别使用螺钉将步骤S4中的散热单元和引线组件均安装于安装底座上，完成模块化装配，制得带散热通道的高功率光纤激光器封装外壳。

优选的，高导热材料为无氧铜。

优选的，微通道包括利用扩散焊技术连接在一起的第一散热结构和第二散热结构。

本发明的优点在于：

（1）本发明采用模块化结构,即安装底座、散热单元和引线组件均为分体式结构，该结构可以适应特殊温度交变情况下的异种材料热失配缺陷，且散热单元采用无氧铜加工，安装底座采用硬铝合金加工而成，仅需要对COS器件的焊接面进行镀金，大大降低了制造成本。

（2）本发明在散热单元内部加工有散热通道（即微通道和宏通道），该散热通道经过特殊设计，结合微通道、宏通道在特定区域结合分布形成了复合通道，在较低流量的情况下散热能力是传统壳体的3倍以上，大大提高了COS器件的散热效率。

（3）本发明中COS器件焊接面设置在散热单元上，散热单元与安装底座上的其余部分独立存在，因此可以实现仅对COS器件焊接面进行镀镍金，其余部分可以单独利用电镀方式实现镀镍处理，极大程度上节约了制造成本。

（4）本发明采用避空结构，有效避免了异种材料在线性温度载荷下导致的热失配，造成相对位置形变、超过光线耦合的容差导致的产品失效问题，保证了产品的质量。

（5）本发明的安装底座上和散热单元上均加工有模块化装配螺钉孔，两者通过螺钉不仅可以将安装底座与散热单元装配在一起，且可以控制产品的相对位置精度。

（6）本发明中的散热单元经过特殊设计，由双层结构（即上下双层）构成宏通道与微通道的复合散热结构，相比于传统采用冷却板对芯片进行散热方式，本发明的冷却效果更明显，可以在散热流量不高于0.3L/min、冷却液体温度不高于25摄氏度的情况下，解决50W热功耗的COS器件散热问题。

（7）本发明中的第一散热结构为散热实体片状结构，该散热实体可以吸收芯片产生的热量并传递到散热实体中，散热实体侧壁具有大面积的换热壁面，同时散热实体层上也拥有互相沟通的连接筋，该连接筋一方面可以使得单独的散热实体形成完整的蚀刻加工结构，同时该连接筋也可以与微通道在空间上叠加形成三维通道；第二散热结构为与散热实体具有相同结构的空心支架，该支架与散热实体上的连接筋在Z轴上互相连接形成三维的散热通道，冷却液在该散热通道内流动，热量在散热实体侧面上与冷却液发生交换，由冷却液带走热量，加快了散热效率。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为本发明散热单元正面内部结构示意图。

图3为本发明散热单元侧面内部结构示意图。

图4为本发明第一散热结构俯视结构示意图。

图5为本发明第二散热结构俯视结构示意图。

图6为本发明第二散热结构侧面内部结构示意图。

图7为本发明安装底座局部剖面结构示意图。

图8为本发明引线组件俯视结构示意图。

图9为本发明安装底座与散热单元部分拼装结构示意图。

图10为本发明安装底座与散热单元部分拼装结构对比示意图。

图11为本发明50W的COS器件热量模拟图。

图12为传统外壳中50W的COS器件热量模拟图。

图中标注符号的含义如下：

1-安装底座、11-卡槽、2-散热单元、21-微通道、211-第一散热结构、2111-散热实体、212-第二散热结构、2121-空心支架、22-宏通道、23-连接通道、24-进水口、25-出水口、3-引线组件、31-侧板、32-引线、33-绝缘子、4-台阶、5-开槽。

具体实施方式

如图1-11所示，一种带散热通道的高功率光纤激光器封装外壳，该外壳包括安装底座1，安装底座1内设有卡槽11，散热单元2嵌设于卡槽11内，安装底座1和散热单元2上均加工有一一对应的模块化装配螺钉孔，通过螺钉将安装底座1与散热单元2连接在一起的同时，也可以控制产品的相对位置精度；散热单元2由微通道21和宏通道22通过扩散焊技术密封连接而成，微通道21通过连接通道23与宏通道22连通，冷却液通过宏通道22上的冷却液进水口24流入宏通道22，分别进入到多个连接通道23输送至微通道21内，并从冷却液出水口25流出，实现对焊接在散热单元2上的COS器件进行散热。由于本发明采用分体式结构进行模块制造，因此只需对散热单元2进行镀金即可，无需对外壳整体进行镀金，大大降低了生产成本。

具体的，散热单元2由无氧铜加工而成，安装底座1由硬铝合金材料制成，散热单元2内设有若干微通道21，一个微通道21由至少一个第一散热结构211和至少一个第二散热结构212依次交替叠加并通过扩散焊技术依次密封连接组成，并在最上层的第一散热结构211上设有铜片，COS器件焊接在铜片上，COS器件工作时将热量传递到铜片上由散热单元2内的冷却液带走。宏通道22包括进液通槽和出液通槽，且两个通槽横向且平行设置，若干微通道21沿通槽的长度方向排布，且两个通槽均通过若干连接通道23分别与若干微通道21连通，冷却液通过冷却液进水口24进入到进液通槽内，再通过连接通道23进入到微通道21内，最后从连接通道23进入到出液通槽内，再从冷却液出水口25流出，完成散热工作。

进一步的，第一散热结构211为散热实体2111，该散热实体2111的作用为吸收COS器件产生的热量，传递到散热实体2111中，第一散热结构211内无数散热实体2111通过连接筋连接成整体，连接在一起的散热实体2111的侧壁形成大面积的换热壁面，该连接筋一方面可以使得单独的散热实体2111形成完整的蚀刻加工结构，同时第一散热结构211、第二散热结构212、第一散热结构211、第二散热结构212等依次交替通过连接筋连接，从而在空间上叠加形成三维通道，使得冷却液可在整个微通道21内流动。第二散热结构212为与散热实体2111具有相同结构的空心支架2121，该空心支架2121与散热实体2111上的连接筋在Z轴（垂直于散热单元2的竖直方向）上互相连接形成三维通道。散热实体2111和空心支架2121的形状可为菱形、矩形、三角形、圆形等其中的一种或多种组合。

最终构成的复合散热结构的工作原理为：

COS器件在工作时，产生的热量首先传递给COS器件焊接区域的铜片上，铜片下分布有若干散热实体2111，热量均匀传递到散热实体2111侧面上，冷却液在散热通道内流动，热量在散热实体2111侧面上与冷却液发生交换，由冷却液带走热量，从而完成COS器件的散热。

更进一步的，由于本发明中散热单元2由无氧铜加工而成，安装底座1由硬铝合金材料制成（安装底座1也可以采用无氧铜或者工程塑料加工），若直接将散热单元2安装在安装底座1上，则客户在散热单元2上焊接COS器件时，由于客户焊接COS器件的环境是0-240摄氏度的温度曲线，而无氧铜和硬铝合金的热膨胀系数不同，在温度骤然改变下材料差异就必然会产生热膨胀系数差异带来的热失配，造成相对位置形变，超过光线耦合的容差，从而使得产品失效。为了避免上述情况的发生，本发明采用了避空结构，即，在安装底座1的表面沿其长度方向开设有四段开槽5空间，下表1为无开槽5的外壳和有开槽5的外壳相对位置形变测量数据（图9为未开设有开槽5的安装底座1和散热单元2连接示意图，图10为散热单元2与安装底座1之间开设有开槽5的结构示意图，其中H1为图9中的散热单元2上的位差，H2为图10中的散热单元2上的位差）：

表1

由上表1可知，在经过0-240℃加热后，H1数据的变化值为0.02-0.04mm，H2数据的变化值为0.01mm，由此可以得出，在不开设开槽5的情况下，外壳的相对位置形变值远大于开设了开槽5的外壳的相对位置形变值，因此此种避空结构可以降低异种材料的失配程度。

另外，本发明还提供一种带散热通道的高功率光纤激光器封装外壳的制备方法，具体步骤如下：

S1、利用硬铝合金材料通过CNC加工技术，制备成安装底座1；

S2、采用无氧铜但不限于无氧铜等高导热材料制备宏通道22和若干微通道21，且微通道21由扩散焊技术密封连接的第一散热结构211和第二散热结构212组成，若干微通道21采用扩散焊技术连接在一起，再利用扩散焊技术连接若干微通道21和宏通道22，得到内部含有散热通道的散热单元2，同时安装底座1和散热单元2上均加工有一一对应的模块化装配螺钉孔；

S3、将引线32和绝缘子33均固定于侧板31上，制备成引线组件3；

S4、分别对安装底座1、散热单元2和引线组件3进行电镀镍处理，再分别对散热单元2上的铜片表面和引线32表面进行电镀金处理；

S5、分别使用螺钉将步骤S4中的散热单元2和引线组件3均安装于安装底座1上，完成模块化装配，制得带散热通道的高功率光纤激光器封装外壳。

另外，安装底座1内还设有若干依次由低至高设置的台阶4，台阶4上粘接有光学器件（即光学棱镜），用于整形散热单元2上焊接的COS器件发出的激光光束，具体的，COS器件发射出来的光线为椭圆形的，光学棱镜的整形作用是将这样椭圆形光线改变为平行光线，并改变其传输方向。本发明的封装外壳在批量生产时，安装底座1和散热单元2均单独生产，然后将一个安装底座1和多个散热单元2（数量可以依据客户需求进行定制）进行组装。引线组件3固定在安装底座1上，且与安装底座1绝缘，为外壳内的COS器件提供电源。

上述步骤中，引线32表面进行电镀金处理，便于引线与COS器件之间进行金丝键合，且只有镀金的引线才能完成金丝键合；对散热单元2上的铜片表面进行电镀镍和电镀金的处理，保证了COS器件可以与铜片之间完好焊接；对外壳进行镀镍处理可以防止金属氧化，且镀镍相对于镀金更便宜；由于传统的封装外壳采用一体化加工，故无法实现仅对需要镀金的COS器件的焊接面镀金，而不对光学器件的粘接面进行镀金，这样必须对整个外壳都进行镀金处理，造成了成本的极大浪费，本发明采用模块化装配，无需对外壳进行整体镀金，大大节约了制造成本。

将50W芯片（即COS器件）安装在本发明封装外壳上并接通冷却液；再将另一个50W芯片安装在传统封装外壳上，并将外壳放置在冷水板上进行冷却工作，并通过热量模拟图模拟两个芯片的工作热量，其结果如说明书附图11-12所示，附图11为芯片安装在本发明封装外壳上的热量模拟图，附图12为芯片安装在传统封装外壳上并用冷水板冷却的热量模拟图，通过附图11-12可知，安装在本发明封装外壳上的50W芯片的整体工作热量均在58.14℃以下，符合65℃以下的芯片散热要求，而安装在传统封装外壳上的50W芯片的整体工作热量最高达到84.63℃，远大于现有对芯片工作的散热要求，因此本发明中双层结构（即上下双层）构成宏通道与微通道的复合散热结构的冷却效果更加明显，可以在散热流量不高于0.3L/min、冷却液体温度不高于25摄氏度的情况下，解决50W热功耗的COS器件散热问题。

以上仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种带散热通道的高功率光纤激光器封装外壳，其特征在于，该外壳包括安装底座（1）、贴装COS器件的散热单元（2）和引线组件（3），所述安装底座（1）、散热单元（2）和引线组件（3）均为分体式结构，且外壳由三者拼装而成；所述散热单元（2）内从上至下依次设有相互连通的微通道（21）和宏通道（22），且微通道（21）内和宏通道（22）内均连接有冷却液；所述散热单元（2）由无氧铜加工而成，所述安装底座（1）由硬铝合金材料制成。

2.根据权利要求1所述的一种带散热通道的高功率光纤激光器封装外壳，其特征在于：所述微通道（21）由一个以上的第一散热结构（211）和一个以上的第二散热结构（212）叠加组成，且第一散热结构（211）和第二散热结构（212）交替间隔设置；所述第一散热结构（211）的中部设有若干个间隔设置的散热实体（2111），且相邻两个散热实体（2111）之间通过连接筋连接；所述第二散热结构（212）的中部由若干个空心支架（2121）相互连接组成，所述第一散热结构（211）与第二散热结构（212）之间也通过所述连接筋连接形成整体结构，且空心支架（2121）的形状与散热实体（2111）的形状相适配；位于最上层的所述第一散热结构（211）上设有铜片，所述COS器件焊接在铜片上。

3.根据权利要求1所述的一种带散热通道的高功率光纤激光器封装外壳，其特征在于：所述微通道（21）设置有若干个，所述宏通道（22）内设有两个横向且平行设置的通槽，即，进液通槽和出液通槽；若干所述微通道（21）沿通槽的长度方向排布，且两个通槽均通过若干连接通道（23）分别与若干微通道（21）连通；所述进液通槽与冷却液进水口（24）连接，所述出液通槽与冷却液出水口（25）连接。

4.根据权利要求2所述的一种带散热通道的高功率光纤激光器封装外壳，其特征在于：所述装底座（1）的表面、散热单元（2）的表面和引线组件的表面均电镀有镍层，所述第一散热结构（211）上的铜片在镍层之上还电镀有金层。

5.根据权利要求1所述的一种带散热通道的高功率光纤激光器封装外壳，其特征在于：所述安装底座（1）上设有卡槽（11），所述散热单元（2）嵌设于卡槽（11）内，所述安装底座（1）与散热单元（2）通过螺钉固定连接；所述安装底座（1）与散热单元（2）的接触面设有开槽（5）。

6.根据权利要求1所述的一种带散热通道的高功率光纤激光器封装外壳，其特征在于：所述引线组件（3）包括侧板（31）、引线（32）和绝缘子（33），所述引线（32）和绝缘子（33）均安装在侧板（31）上，所述侧板（31）通过螺钉固定于安装底座（1）上。

7.根据权利要求1所述的一种带散热通道的高功率光纤激光器封装外壳，其特征在于：所述安装底座（1）内还设有若干依次由低至高设置的台阶（4），所述台阶（4）上粘接有光学器件。

8.根据权利要求1所述的一种带散热通道的高功率光纤激光器封装外壳的制备方法，其特征在于，该的外壳的制备步骤如下：

S1、利用硬铝合金材料通过CNC加工技术，制备成安装底座（1）；

S2、采用高导热材料制备宏通道（22）和若干微通道（21），再利用扩散焊技术连接若干微通道（21），并利用扩散焊技术将若干微通道（21）与宏通道（22）连接，得到内部含有散热通道的散热单元（2），同时安装底座（1）和散热单元（2）上均加工有对应的模块化装配螺钉孔；

S3、将引线（32）和绝缘子（33）均固定于侧板（31）上，制备成引线组件（3）；

S4、分别对安装底座（1）、散热单元（2）和引线组件（3）进行电镀镍处理，再分别对散热单元（2）上的铜片表面和引线（32）表面进行电镀金处理；

S5、分别使用螺钉将步骤S4中的散热单元（2）和引线组件（3）均安装于安装底座（1）上，完成模块化装配，制得带散热通道的高功率光纤激光器封装外壳。

9.根据权利要求8所述的一种带散热通道的高功率光纤激光器封装外壳的制备方法，其特征在于：所述高导热材料为无氧铜。

10.根据权利要求8所述的一种带散热通道的高功率光纤激光器封装外壳的制备方法，其特征在于：所述微通道（21）包括利用扩散焊技术连接在一起的第一散热结构（211）和第二散热结构（212）。

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