CN111149264A - 用于冷却电构件的冷却设备和用于制造冷却设备的方法 - Google Patents

用于冷却电构件的冷却设备和用于制造冷却设备的方法 Download PDF

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CN111149264A CN201880063734.0A CN201880063734A CN111149264A CN 111149264 A CN111149264 A CN 111149264A CN 201880063734 A CN201880063734 A CN 201880063734A CN 111149264 A CN111149264 A CN 111149264A
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尼科·库恩
曼弗雷德·格茨
安德烈亚斯·迈尔
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Abstract

本发明提出一种用于冷却电器件(4)、尤其激光二极管的冷却设备(1)，所述冷却设备包括：‑基本体(2)，所述基本体具有至少一个外侧(20)和至少一个集成的冷却通道(5)，尤其微冷却通道；‑在基本体(2)的外侧(20)处的接合面(21)，用于将电器件(4)接合到基本体(2)上，和‑第一稳定化层(11)，其中第一稳定化层(11)和接合面(21)沿着初级方向(P)至少部分上下相叠地设置，并且其中第一稳定化层(11)相对于通向基本体(2)的内部中的外侧(20)以间距(A)沿着平行于初级方向(P)伸展的方向错开。

Description

用于冷却电构件的冷却设备和用于制造冷却设备的方法
技术领域
本发明涉及一种用于冷却电构件或电子构件、尤其激光二极管的冷却设备和一种用于制造冷却设备的方法。
背景技术
这种冷却设备例如从JP 2016 115 767 A中已知并且应首先对抗电构件在运行中的发热。这种冷却设备的主要组成部分是基本体，在所述基本体中集成有一个或多个冷却通道，并且在所述基本体的外侧上在接合面或安装面上例如可以安置有电构件，例如激光二极管。因为激光二极管和基本体典型地由不同的材料制成，其相应地具有不同的热膨胀系数。结果是，在激光二极管和基本体之间的边界区域中可以出现机械应力，所述机械应力引起激光二极管的变形或者基本体变形，使得激光二极管变形。由于所述变形出现所谓的“Smile”效应，其中激光二极管棒的并排设置的单个发射器彼此高度错开地发出其光。所述“Smile”效应的结果是在由单个发射器发出的光聚焦时提高的耗费。
为了关注激光二极管棒中的单个发射器的期望的直线性，现有技术已知在构件和基本体、所谓的基板之间的稳定层或中间层，所述稳定层或中间层为了补偿热膨胀系数固定在基本体的外侧上并且作为灯座承载激光二极管。如从JP 2016 115 767 A中可见的，此外常见的是，除了接合面处的稳定化层之外，在基本体处设有另外的稳定化层，所述另外的稳定化层设置在基本体的与接合面相对置的侧上。所述解决方案然而引起，激光二极管制造商以耗费的方式首先必须实现一次稳定化步骤，以便在其他的工作步骤中随后将激光二极管固定在冷却体上。
发明内容
因此，本发明的目的是，提供一种冷却设备，能够以简单的方式将激光二极管安装到所述冷却设备上，其中此外应对抗“Smile”效应。
所述目的通过根据权利要求1的冷却设备和根据权利要求10的方法来实现。本发明的其他优点和特征在从属权利要求和下面的描述和附图中得出。
根据本发明，提出一种用于冷却电构件、尤其激光二极管的冷却设备，包括：
-基本体，所述基本体具有至少一个外侧和至少一个集成的冷却通道，尤其微冷却通道，
-在冷却体的外侧处的接合面，用于将电构件接合到冷却体上，和
-第一稳定化层，
其中第一稳定化层和接合面沿着初级方向至少部分上下相叠地设置，和其中第一稳定化层相对于通入基本体的内部中的外侧以间距沿着平行于初级方向伸展的方向错开或错位。
相对于现有技术，令人惊讶地已经证实的是，如果第一稳定化层相对于接合面向内错开并且不是基本体的外侧的一部分，那么热膨胀系数的调整也还在足够的范围中进行。结果是，可以提供如下冷却设备，第一稳定化层已经集成到所述冷却设备中，使得在构件制造商方面可以直接进行电构件、尤其激光二极管的直接接合。另一优点在于，第一稳定化层的集成保护所述第一稳定化层免受环境影响，例如免受腐蚀损伤。尤其提出，构件包括具有多个单独发射器的激光二极管棒。
优选地在此提出，初级方向基本上垂直于基本体的接合面或外侧延伸。例如，接合面是沿着基本体的纵向方向延伸的外侧的一部分。尤其地，接合面形成小于所述外侧的四分之一。此外，基本体具有输入端和输出端，经由所述输入端和输出端可以将冷却流体导入到冷却通道中。将集成的冷却通道优选可理解成如下通道，所述通道基本上、即尤其除了输入端和输出端之外在基本体的内部中伸展。尤其地，基本体由金属、优选铜制成。而第一稳定化层由另一材料、尤其非金属制成。此外，第一稳定化层基本上平行于接合面延伸。但是也可以提出，第一稳定化层倾斜于外侧伸展。
根据本发明的另一实施方式提出，设有第二稳定化层，其中第一稳定化层、第二稳定化层和接合面沿着初级方向至少部分上下相叠地设置，并且第一稳定化层与第二稳定化层相比更靠近接合面设置。借助于第二稳定化层，有利地，当激光棒的单个发射器设置在冷却设备上时，可以对抗基本体在热负荷时的弯曲从而对抗“Smile”效应的形成。在此优选地提出，第二稳定化层平行于接合面和/或第一稳定化层伸展。但是也可以提出，第一稳定化层和/或第二稳定化层倾斜于外侧伸展。优选地，第二稳定化层同样集成到基本体中。尤其地，第二稳定化层相对于与基本体处的接合面相对置的另外的外侧以另外的间距朝向基本体的内部错开。
尤其提出，第一稳定化层和第二稳定化层关于材料组成和其几何形状彼此对应。优选地，那么间距、即在第一稳定化层和外侧之间的距离对应于所述另外的间距、即在第二稳定化层和另外的外侧之间的距离。
适当地提出，在接合面和第一稳定化层之间的间距具有在100μm和1000μm、优选在150μm和750μm并且尤其优选在200μm和500μm之间的值。尤其地，对于在300μm和500μm之间的间距值已经证实的是，在生产中可以制造基本体的足够稳定的部分并且此外可以承担在构件和基本体的接合区域中对膨胀系数的尽可能大的影响。
在本发明的另一实施方式中提出，第一稳定化层由金刚石和/或碳化硅构成。也可以考虑具有高的热导率的其他材料，如例如AlN、BeO、W、Mo或Si和/或具有基于Cu或Ag的金属基质的组合物。由于非常高的热导率，由金刚石和/或碳化硅构成的第一稳定化层证实为对于在从发热的电构件至冷却通道或到基本体中的热传递中的散热是尤其有利的。此外可以提出，第一稳定化层和/或第二稳定化层沿初级方向和/或次级方向观察是连续的或中断的。此外可以考虑，多个第一稳定化层和/或多个第二稳定化层沿初级方向观察上下相叠地设置。
优选地提出，第一稳定化层和接合面沿初级方向观察彼此叠合地设置。“叠合”尤其可理解成，第一稳定化层沿垂直于初级方向伸展的次级方向观察不超出接合面或激光二极管或者与其齐平。优选地，一方面接合面的和另一方面次级层的垂直于初级方向测量的扩展或面积彼此对应。也可以考虑，第二稳定化层与接合面和/或第一稳定化层叠合地设置。尤其提出，第一稳定化层和/或第二稳定化层不在冷却设备的整个长度或整个长度伸展之上沿着次级方向延伸。由此，有利地可以降低用于第一稳定化层的材料附加耗费和伴随于此的成本附加耗费。尤其地，次级方向平行于基本体的纵向方向或延伸伸展。
优选地提出，沿触及方向观察冷却通道的至少一个子区域在第一稳定化层和第二稳定化层之间伸展。由此，有利地，冷却流体可以尽可能近地引向要冷却的激光二极管。例如，冷却通道的转向区域沿初级方向观察设置在接合面之下。优选地，冷却通道的沿初级方向观察设置在第一稳定化层和第二稳定化层之间的子区域的沿着次级方向测量的长度与第一稳定化层沿着次级方向测量的长度的比值具有在0.2和0.8之间、优选在0.5和0.75之间并且尤其优选在0.6和0.7之间的值。尤其地，在比值在0.6和0.7之间时已经证实的是，通过冷却通道可以实现构件的尽可能均匀的冷却。
尤其提出，第一稳定化层沿着垂直于初级方向伸展的次级方向在第一长度之上延伸，其中第二稳定化层沿着次级方向在第二长度之上延伸，并且接合面沿着次级方向在第三长度之上延伸，其中第一长度和/或第二长度与第三长度的比值具有在0.5和6.0之间的值，优选在0.5和3.0之间的值，优选在0.9和2.0之间的值和尤其优选在0.95和1.5之间的值。由此，第一稳定化层或第二稳定化层沿次级方向观察比接合面更远地延伸。尤其在金刚石或碳化硅作为用于第一稳定化层和第二稳定化层的材料的情况下，通过其相对于第三长度更大地选择的长度实现在基本体中的另外的散热。优选地提出，第一长度和/或第二长度具有在5mm和25mm之间、优选在6mm和18mm之间并且尤其优选在7mm和15mm之间的值。优选地，在接合面的沿着次级方向S测量的第三长度与第一稳定化层的第一长度之间的比值具有在0.33和0.99之间、优选在0.5和0.98之间并且尤其优选在0.66和0.95之间的值。
适当地提出，第一稳定化层与第二稳定化层不同，尤其关于在基本体之内的位置、其材料组成和/或其沿平行于初级方向伸展的方向上的扩展、尤其厚度不同。由此例如可能的是，将金刚石和/或碳化硅集成到第一稳定化层中，而第二稳定化层具有钼、钨、硅、薄层、CuW、CuMo或陶瓷或玻璃。由此，可以控制用于第二稳定化层的附加成本或者将其保持得低。尽管如此为了沿初级方向观察实现热膨胀系数的对称性从而对抗基本体的弯曲，有利地提出，将第二稳定化层相应地、即关于第二稳定化层的尺寸和位置修改。
优选地提出，第一长度和/或第三长度大于在第一稳定化层和接合面之间的沿初级方向测量的间距。
本发明的另一方面是一种用于制造根据上述权利要求中任一项所述的冷却设备的方法，其中第一和/或第二稳定化层借助于活性方法接合到基本体上。全部为根据本发明的冷却设备描述的特征和其优点根据意义同样可以转用于根据本发明的方法，且反之亦然。
例如用于将金属层或金属薄膜、尤其还有铜层或铜薄膜与陶瓷材料连接的活性焊料方法可理解成如下方法，所述方法也专门用于制造金属-陶瓷基底，在大约650℃-1000℃的温度下利用硬质焊料来建立在金属薄膜、例如铜箔和陶瓷基底、例如氮化铝基底之间的连接，所述硬质焊料除了主要组分，如铜、银和/或金之外也包含活性金属。例如是Hf、Ti、Zr、Nb、Ce中的至少一种元素的活性金属通过化学反应建立在焊料和陶瓷之间的连接，而在焊料和金属之间的连接是硬质焊接连接。借助于活性焊料方法，有利地可以将金刚石和/或碳化硅接合到基本体上。
附图说明
附图示出：
图1示出根据本发明的第一优选的实施方式的冷却设备，
图2示出根据本发明的第二优选的实施方式的冷却设备，和
图3示出根据本发明的第三优选的实施方式的冷却设备。
具体实施方式
在图1中示出根据本发明的第一示例性的实施方式的冷却设备1。尤其地，冷却设备1位设为用于冷却电构件4、如例如激光二极管的冷却设备，以便对抗激光二极管4在运行中的过热。冷却设备1的主要组成部分是基本体2，冷却通道5、尤其微冷却通道在所述基本体中伸展。在此，基本体2优选由金属制成，例如铜。此外，在基本体2处设置有输入端和输出端，经由所述输入端和输出端，流体、尤其冷却流体在运行中可以导入和导出。
此外，外侧20包括接合区域21，具有厚度D的激光二极管4接合在所述接合区域上，例如借助于焊料8。在示出的实施例中，冷却通道5沿初级方向P观察至少部分地在接合区域21下方伸展，并且接合区域21优选地借助基本体2的棱边沿垂直于初级方向P伸展的次级方向S封闭。在此，初级方向P尤其垂直于如下平面伸展，冷却设备1的外侧20或接合区域21沿着所述平面延伸。优选地，冷却通道5的转向区域U沿初级方向P观察设置在接合区域21下方。由此，冷却通道5中的进行冷却的流体可以尽可能靠近地引向接合区域21从而激光二极管4。
因为一方面基本体2和另一方面电构件4中的不同的热膨胀系数，可以出现机械应力，所述机械应力有时会引起接合区域21或激光二极管4的变形。因为这种几何形状变化直接造成“Smile”效应，有利的是，抑制所述机械应力。对此，优选地设有第一稳定化层11和可能的第二稳定化层12，借助其实现基本体2的热膨胀系数匹配于激光二极管4的热膨胀系数。在此尤其提出，沿初级方向P观察，第一稳定化层11、第二稳定化层12和接合区域21上下相叠。
为了提供冷却设备1，在所述冷却设备中激光二极管4可直接地、即在没有中间元件接合在外侧20上的情况下接合，提出，第一稳定化层11相对于外侧20或接合区域21以平行于初级方向P朝向基本体2的内部测量的间距A错开。换言之：为了接合激光二极管4，不需要将第一稳定化层11和第二稳定化层12在外侧20处或作为中间层在基本体2和激光二极管4之间接合，使得降低生产耗费。此外，相对于外侧20错开的布置允许，激光二极管4可以直接经由基本体2电接触。
优选地提出，第一稳定化层11和/或第二稳定化层12包括金刚石或碳化硅(SiC)或者由其制成。由此，有利地能够实现尽可能大的散热。尤其地，在图1中的实施方式中，第一稳定化层11和第二稳定化层12由相同的材料制成。为了在冷却体2中引起膨胀系数的优选对称的改变，第二稳定化层12相对于与外侧20相对置的另外的外侧20’以另外的间距B朝向基本体2的内部错开，其中间距A优选地对应于另外的间距B。此外，第一稳定化层11的沿初级方向P测量的层厚度D1对应于第二稳定化层12的层厚度D2。换言之：第一稳定化层11和第二稳定化层12在形状方面并且优选在材料组成方面彼此对应，但是在相对置的侧上集成到基本体2中，其中第一稳定化层11距外侧20的间距A对应于第二稳定化层12距另外的外侧20’的另外的间距B。
为了将用于第一稳定化层11和第二稳定化层12的材料耗费保持得尽可能小，优选地提出，第一稳定化层11、第二稳定化层12和接合面21沿初级方向P观察彼此叠合地设置，即第一稳定化层11和第二稳定化层12在垂直于初级方向P伸展的平面上或沿着初级方向S仅在通过接合面21预设的范围中延伸。尤其提出，第一稳定化层11、第二稳定化层12和接合面21沿着次级方向S观察与基本体2齐平，即第一稳定化层11、第二稳定化层12和接合面21设置在基本体的边缘处。
此外提出，冷却通道5至少部分地在第一稳定化层11和第二稳定化层12之间延伸。优选地，冷却通道5的沿初级方向P观察设置在第一稳定化层11和第二稳定化层12之间的子部段T的沿着次级方向S测量的长度与第一稳定化层11的沿着次级方向S测量的长度L1的比值具有在0.2和0.8之间、优选在0.5和0.75之间和尤其优选在0.6和0.7之间的值。
此外，基本体2具有沿着初级方向P测量的高度C，所述高度大于激光二极管4的沿同一方向测量的厚度D的两倍，优选大于其四倍和尤其优选大于其6倍。此外，基本体2具有沿着次级方向S测量的纵向延伸E，所述纵向延伸大于激光二极管4的沿着次级方向S测量的第三长度L3的三倍，优选大于其五倍和尤其优选大于其八倍。
在图2中，示出根据本发明的优选的第二实施方式的冷却设备1。在此，示出的实施方式与图1中的实施方式的区别基本上仅在于，第二稳定化层12与第一稳定化层11不同。优选地，第二稳定化层12替代金刚石或碳化硅(SiC)包括其他材料，如例如钼或钨。尽管如此为了确保相对于初级方向P对称的膨胀系数，第二稳定化层12的层厚度D2和优选距另外的外侧20’的另外的间距B彼此匹配。
在图3中示出根据本发明的第二优选实施方式的冷却设备1。在此，示出的实施方式与图1中的实施方式的区别基本上仅在于，第一稳定化层11在次级方向S上比激光二极管4或接合面21的第三长度L3延伸得更远。优选地，在接合面21的沿着次级方向S测量的第三长度L3与第一稳定化层11的第一长度L1之间的比值具有在0.33和0.99之间、优选在0.5和0.98之间和尤其优选在0.66和0.95之间的值。此外，第二稳定化层12沿着次级方向S在第二长度L2之上延伸。
附图标记列表
1 冷却设备
2 基本体
4 电构件(例如激光二极管)
5 冷却通道
8 焊料
11 第一稳定化层
12 第二稳定化层
20 外侧
20’ 另一外侧
21 接合面
A 间距
B 另外的间距
C 基本体的高度
D 激光二极管的层厚度
D1 第一稳定化层的层厚度
D2 第二稳定化层的层厚度
L1 第一长度
L2 第二长度
L3 第三长度
E 基本体的纵向延伸
P 初级方向
S 次级方向
T 子部段
U 转向区域

Claims (14)

1.一种用于冷却电构件(4)、尤其激光二极管的冷却设备(1)，所述冷却设备包括：
-基本体(2)，所述基本体具有外侧(20)和至少一个集成的冷却通道(5)，尤其微冷却通道，
-在所述基本体(2)的所述外侧(20)处的接合面(21)，用于将所述电构件(4)接合到所述基本体(2)上，和
-第一稳定化层(11)，
其中所述第一稳定化层(11)和所述接合面(21)沿着初级方向(P)至少部分上下相叠地设置，和
-其中所述第一稳定化层(11)相对于所述外侧(20)沿着平行于所述初级方向(P)伸展的方向朝向所述基本体(2)的内部错开间距(A)。
2.根据权利要求1所述的冷却设备(1)，
其中设有第二稳定化层(12)，其中所述第一稳定化层(11)、所述第二稳定化层(12)和所述接合面(21)沿着初级方向(P)至少部分上下相叠地设置，并且其中所述第一稳定化层(11)与所述第二稳定化层(12)相比更靠近所述接合面(21)设置。
3.根据权利要求1或2所述的冷却设备(1)，
其中在所述接合面(21)和所述第一稳定化层(11)之间的间距(A)具有在100μm和1000μm之间，优选在150μm和750μm之间并且尤其优选地在200μm和500μm之间的值。
4.根据上述权利要求中任一项所述的冷却设备(1)，
其中所述第一稳定化层(11)包括金刚石。
5.根据上述权利要求中任一项所述的冷却设备(1)，
其中所述第一稳定化层包括碳化硅。
6.根据上述权利要求中任一项所述的冷却设备(1)，
其中所述第一稳定化层(11)和所述接合层(21)沿初级方向(P)观察彼此叠合地设置。
7.根据上述权利要求中任一项所述的冷却设备(1)，
其中所述第一稳定化层(11)沿着垂直于所述初级方向(P)伸展的次级方向(S)在第一长度(L1)之上延伸，其中所述第二稳定化层(12)沿着所述次级方向(S)在第二长度(L2)之上延伸，并且所述接合面(21)沿着所述次级方向(S)在第三长度(L3)之上延伸，其中所述第一长度(L1)和/或所述第二长度(L2)相对于所述第三长度(L3)的比值具有在0.5和6.0之间的值，优选具有在0.5和3.0之间的值，优选具有在0.9和2.0之间的值，并且尤其优选具有在0.95和1.5之间的值。
8.根据上述权利要求中任一项所述的冷却设备(1)，
其中所述第一长度(L1)和/或所述第二长度(L2)具有在5mm和25mm、优选在6mm和18mm之间的和尤其优选在7mm和15mm之间的值。
9.根据上述权利要求中任一项所述的冷却设备，
其中所述第一稳定化层(11)和/或所述第二稳定化层(12)不在所述冷却设备(1)的共同的纵向延伸之上沿着所述次级方向(S)延伸。
10.根据上述权利要求中任一项所述的冷却设备(1)，
其中在所述接合面(21)的沿着所述次级方向(S)测量的第三长度(L3)相对于所述第一稳定化层(11)的所述第一长度(L1)的比值具有在0.33和0.99之间、优选在0.5和0.98之间并且尤其优选在0.66和0.95之间的值。
11.根据上述权利要求中任一项所述的冷却设备(1)，
其中沿初级方向(P)观察所述冷却通道(5)的子区域(T)在所述第一稳定化层(11)和所述第二稳定化层(12)伸展。
12.根据上述权利要求中任一项所述的冷却设备(1)，
其中所述第一稳定化层(11)与所述第二稳定化层(12)不同，尤其关于在所述基本体(2)之内的位置、其材料组成和/或其沿平行于所述初级方向(P)伸展的方向的厚度(D1，D2)不同。
13.根据上述权利要求中任一项所述的冷却设备(1)，
其中所述第一长度(L1)和/或所述第三长度(L3)大于在所述第一稳定化层(11)和所述接合面(21)之间的沿初级方向(P)测量的间距(A)。
14.一种用于制造根据上述权利要求中任一项所述的冷却设备(1)的方法，其中所述第一稳定化层(11)和/或所述第二稳定化层(12)借助于AMB方法接合到所述基本体(2)上。
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