檸檬光子發(fā)明的高功率模塊冷板堆疊方案，通過各層冷板整體組成的堆棧式散熱結(jié)構(gòu)，內(nèi)部可形成多層并聯(lián)宏通道流道，流道內(nèi)形成緩沖結(jié)構(gòu)，使得每一層的導(dǎo)熱效率都能根據(jù)芯片功率、芯片大小能夠做靈活調(diào)整，從而大大提高單冷板的導(dǎo)熱效率且降低成本！
集微網(wǎng)消息，高端半導(dǎo)體激光芯片是我國激光產(chǎn)業(yè)鏈的缺失環(huán)節(jié)，同時也是3D傳感、AR/VR、機(jī)器人、激光雷達(dá)等最新一代光通訊生態(tài)系統(tǒng)應(yīng)用的核心器件。
過去，高功率半導(dǎo)體激光器領(lǐng)域，基于GaAs材料的邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器一直占據(jù)統(tǒng)治地位，并廣泛應(yīng)用于工業(yè)，醫(yī)療，科研等領(lǐng)域。然而，邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器卻存在其致命的缺陷，雖然預(yù)期壽命長達(dá)數(shù)萬小時，但是在脈沖狀態(tài)下，光學(xué)災(zāi)變性損壞幾率極大，對壽命影響嚴(yán)重。
而如今高功率半導(dǎo)體激光器以其廣闊的應(yīng)用前景加上巨大的潛在市場，已然成為各國競相追逐的熱點(diǎn)，但是，其可靠性和穩(wěn)定性，一致性等問題，又很大程度上限制了這一塊的實際應(yīng)用，其中之一高功率半導(dǎo)體激光器所面臨的問題就是激光器的性能。即激光器的輸出光電轉(zhuǎn)換效率。
而這些問題除了跟激光器外延材料和封裝有關(guān)外，很大程度上都受整體發(fā)熱密度和散熱效率影響，目前市面激光器的散熱器，內(nèi)部設(shè)置微通道散熱，然而這種內(nèi)部流道水壓調(diào)試比較麻煩，且部品工藝比較復(fù)雜。由于微通道內(nèi)部是微流道，在流體不凈的情況下，十分容易堵塞，而且只能更替堵塞板，相對維護(hù)成本也偏高。
為了解決這樣的問題，檸檬光子在19年10月29日申請了一項名為“一種針對面發(fā)射激光芯片的高功率模塊”的發(fā)明專利（申請?zhí)枺?01911038830.2），申請人為深圳市檸檬光子科技有限公司。
根據(jù)目前公開的專利資料，讓我們一起來看看這項高功率模塊方案吧。
如上圖所示為針對面發(fā)射激光芯片的高功率模塊的立體圖示意圖，據(jù)該專利介紹，這種高功率模塊可以用作高功率直接半導(dǎo)體激光器，例如可以作為高速熔覆模塊可用于高速激光熔覆系統(tǒng)，其帶有高質(zhì)量激光陣列條和高效的散熱結(jié)構(gòu)，具有封裝結(jié)構(gòu)簡單、高效、低成本等優(yōu)點(diǎn)。
從圖中可以看到高功率模塊整體為冷板堆棧式封裝結(jié)構(gòu)，包括若干條冷板堆疊形成，每條冷板封裝集成多個面發(fā)射激光芯片14形成單獨(dú)模塊。其中最上層的冷板作為頂部密封板2，最下層的冷板作為底部密封板3，中間的若干條分離的冷板7上下堆疊。
堆棧式封裝結(jié)構(gòu)的外壁表面集成了多個面發(fā)射激光芯片，各條冷板的同一側(cè)外壁表面封裝多個面發(fā)射激光芯片，堆棧式封裝結(jié)構(gòu)各層集成的芯片排列成面發(fā)射激光芯片陣列4，每條冷板集成的面發(fā)射激光芯片發(fā)光面上設(shè)置準(zhǔn)直透鏡5，用于調(diào)整面發(fā)射激光芯片光束的均勻性。
除此之外，高功率模塊還連接有進(jìn)水管1和出水管6，進(jìn)水管、頂部密封板、冷板以及底部密封板的內(nèi)部流道12以及出水管之間相互貫通，形成冷卻通道用于給芯片降溫。
如上圖所示為冷板間單元的組合結(jié)構(gòu)示意圖，針對面發(fā)射激光芯片的高功率模塊包括由多個面發(fā)射激光芯片封裝集成的單獨(dú)模塊，先以單獨(dú)芯片14對齊單獨(dú)的散熱塊的定位基準(zhǔn)即限位側(cè)，貼合好以后，然后依次首尾緊挨的排列若干個芯片集成到散熱塊上。
通過將焊料焊接到散熱塊上，使得整體模塊置于打金線設(shè)備上，首尾相連打上金線，且與兩端的電極模塊8由金線11相連，從而將依次首尾緊挨的排列若干芯片形成串聯(lián)的電連接。
各單獨(dú)冷板以及密封板2、3上集成的芯片分別排成一排，對應(yīng)每層設(shè)置一條準(zhǔn)直透鏡5來調(diào)整一排芯片發(fā)射光的光束均勻性，通寬度在準(zhǔn)直透鏡工作范圍臨界點(diǎn)以內(nèi)，保證合光效率。
最后，同樣的，每條冷板內(nèi)部形成有水冷流道12，水冷流道是在冷板上直接加工而成，是沿冷板厚度方向自頂面或底面凹陷一定深度且沿冷板長度方向或集成芯片的排列方向延伸的一條通道。流道在沿冷板厚度方向?qū)恿鲿r候，各層之間互相隔離，每排芯片對應(yīng)有一條水道，其中承載著冷卻水或者其他冷卻液體，用以加強(qiáng)局部散熱效率。
如上圖為單冷板平流層流道以及溫度梯度示意圖，專利中提到在常溫常壓下，單冷板需要解熱600W熱功率，可以從圖中看出單條內(nèi)部流道整體溫度分布均勻，沒有出現(xiàn)局部過熱等現(xiàn)象，而這里采用八條中間層分離冷板，兩個頂?shù)装褰Y(jié)構(gòu)，封裝有150個芯片。
并且需要說明的是，這種高功率模塊冷板堆疊方案，通過冷板分條封裝，減小大功率集成模塊整體加工的工裝治具體積，也在后續(xù)維修保養(yǎng)上能夠節(jié)省很大的成本空間，只需要針對故障冷板做排查或者更換處理。
以上就是檸檬光子發(fā)明的高功率模塊冷板堆疊方案，通過各層冷板整體組成的堆棧式散熱結(jié)構(gòu)，內(nèi)部可形成多層并聯(lián)宏通道流道，流道內(nèi)形成緩沖結(jié)構(gòu)。使得每一層的導(dǎo)熱效率都能根據(jù)芯片功率、芯片大小能夠做靈活調(diào)整，從而大大提高單冷板的導(dǎo)熱效率且降低成本！
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