4-57  V形槽硅微通道冷却器的研制

李奇峰  吕文强  武德勇  蒋全伟  魏  彬

高平均功率的二极管泵浦固体激光器(DPL)要求用于泵浦的二极管阵列功率密度达到1 kW/cm²，由于二极管运行的电光效率只有40%~50%，需要高强度的冷却器来对面阵进行冷却。V型槽硅微通道冷却器。结构紧凑，具有较高的冷却能力，可在其V形槽上同时焊接多条bar而形成面阵。从而能大幅提高封装工艺的集成度，降低封装成本，使大规模地封装高功率激光二极管阵列成为可能。

文中设计的V形槽冷却器结构如图1所示。由2层组成，分别是双面刻蚀的硅片和水板。双面刻蚀的硅片厚度为550 mm，一面含有间距与宽度相等的V形槽面，槽面宽度590 mm，槽间距1 mm，另一面含有间距与宽度都为30 mm的微沟槽作为冷却介质的通道。水板的作用是将进水嘴提供的冷却介质导入每个V形槽面下部的微通道并收集回流的冷却介质导入出水嘴，保证冷却水单向流动，水板槽宽400 mm。

用有限元分析软件ANSYS分析了V形槽硅微通道冷却器内包含单个完整槽道一个周期单元内的流场和相应的换热性能。不同端口平均流速下的热阻尼系数见表1。

表 1  不同端口平均流速下V形槽硅微通道的热阻尼系数

双面刻蚀的硅片用掩模光刻工艺结合化学腐蚀工艺制作。使用的硅片均是双面抛光、曲翘度小于20 mm (4 in片)。为保证封装时便于焊接及实现bar之间的电串联连接，在V形槽面上沉积金属层，从紧贴硅片的内层到外层，分别为100 nm Ti，100 nm Pt，9 mm Au，100 nm Pt，3 mm Au。硅片与玻璃用阳极键合工艺结合。

测量了冷却器的压力-流量关系和在不同散热功率下其表面温升，经过换算可以得到冷却器总端口水压0.2 MPa，总流量800 cm³/min时单槽面热阻尼系数为0.051 ℃·cm²/W，与相同流量下的数值模拟结果较符合。能够用于封装峰值功率密度达到1 kW/cm²、工作占空比≥10%的激光二极管面阵。