CN111201598A - 用于将诸如激光二极管的器件连接到冷却体上的适配器元件，由激光二极管、冷却体和适配器元件构成的系统和制造适配器元件的方法 - Google Patents
用于将诸如激光二极管的器件连接到冷却体上的适配器元件，由激光二极管、冷却体和适配器元件构成的系统和制造适配器元件的方法 Download PDFInfo
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Abstract
用于将诸如激光二极管(4)的器件连接到冷却体(7)上的适配器元件(10)，包括‑第一金属层(11)，所述第一金属层在安装状态中朝向所述器件(4)，和第二金属层(12)，所述第二金属层在安装状态中朝向所述冷却体(7)，以及‑包括陶瓷的中间层(13)，所述中间层设置在所述第一金属层(11)和所述第二金属层(12)之间，其中所述第一金属层(11)和/或所述第二金属层(12)厚于40μm，优选厚于70μm和尤其优选厚于100μm。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于将诸如激光二极管的器件连接到冷却体上的适配器元件，一种由激光二极管、冷却体和适配器元件构成的系统以及一种用于制造适配器元件的方法。
背景技术
为了冷却在运行时产生热的电器件如激光二极管，现有技术中已知了经由适配器元件与激光二极管连接的冷却体。在JP 2004 186 527 A中可以找到针对此的实例。设置在激光二极管和冷却体之间的适配器元件在此通常用于调整如下材料的不同膨胀系数，由所述材料制成冷却体和诸如OP放大器、线圈或激光二极管的电器件。为此原因是，如果不这样做的话不同的膨胀系数会在运行时导致连接区域中热机械地诱导的应力。由于这些热机械应力，激光二极管可能会变形，所述变形又会导致激光二极管的发射波长发生变化，或者甚至形成裂纹。
为了在冷却体和激光二极管之间建立连接，激光二极管经由适配器元件与冷却体接合，尤其在利用AuSn焊料进行焊接。为此，必须以AuSn焊料覆层适配器元件，典型地利用溅射法覆层。
发明内容
基于此背景，本发明的目的是提供如下适配器元件，所述适配器元件在运行时经受住高温负荷，允许在由诸如激光二极管、适配器元件和冷却体的器件构成的系统中最优地调整膨胀系数，并且可相对容易并且快速地制造。
该目的通过根据权利要求1所述的适配器元件、根据权利要求7所述的具有冷却体和适配器元件的冷却设备和根据权利要求8所述的用于制造适配器元件的方法实现。本发明的其它优点和特征从从属权利要求以及说明书和附图中得出。
根据本发明，提出一种用于将诸如激光二极管的器件连接到冷却体上的适配器元件，所述适配器元件包括：
-第一金属层，所述第一金属层在安装状态中朝向器件，和第二金属层，所述第二金属层在安装状态中朝向冷却体，以及
-设置在第一金属层和第二金属层之间的中间层，所述中间层包括陶瓷，其中第一金属层和/或第二金属层厚于40μm，优选厚于70μm并且特别优选厚于100μm。
相对于现有技术，根据本发明提出相对厚的第一和/或第二金属层，其厚度有利地辅助在通过适配器元件进行热传输时的热膨胀。这种热膨胀又导致在冷却体和适配器元件之间的交接区域中尽可能均匀的热分布。由此可有利地抵抗由各个构件的不同的热膨胀系数引起的热机械应力。也就是说，可提供一种适配器元件，借助于所述适配器元件在安装状态中可实现适配器元件和冷却体之间的应力降低的交接部，由此能够有利地抑制在由例如激光二极管、适配器元件和冷却体构成的系统中的裂纹形成或者抑制激光二极管的例如改变波长的变形。此外，可以有利的方式借助于DCB法或活性钎焊法简单且快速地实现第一金属层和/或第二金属层的按要求的厚度。此外，使用具有陶瓷的中间层允许使热膨胀系数适配，由此能够进一步抵抗在运行时热机械应力的形成。
优选地，第一金属层和/或第二金属层包括铜，尤其具有99.98％或更高的纯度。此外提出，中间层包括Al2O3、Si3N4或HPSX陶瓷(即具有Al2O3基质的陶瓷，该Al2O3基质具有x-百分比份额的ZrO2，例如具有9％的ZrO2＝HPS9的Al2O3或具有25％的ZrO2＝HPS25的Al2O3)。特别优选地提出，其是包括AlN的陶瓷，尤其具有大于150W/mK，优选大于175W/mK和特别优选大于225W/mK的导热率。由此可有利地进一步改善对膨胀系数的匹配。
根据本发明的另一种实施方式提出，用于适配膨胀系数的中间层薄于400μm，优选薄于200μm，和特别优选薄于100μm。尤其提出，中间层具有次级厚度，所述次级厚度设计用于尽可能最优地适配膨胀系数。由此可以进一步辅助对热机械应力的抑制。优选地，第一金属层的初级层厚度的累计厚度和第二金属层的初级层厚度与中间层的次级层厚度之间的比值在0.7和2之间，优选在0.8至1.5之间和特别优选在0.95和1.2之间。
优选地，次级层的厚度在0.05mm和0.5mm之间，优选在0.1mm和0.4mm之间，和特别优选在0.2mm和0.38mm之间。此外，作为单独的第一金属层或第二金属层的初级层厚度，可以设想的是在0.01mm和0.15mm之间，优选在0.02和0.13mm之间，和特别优选在0.025和0.11mm之间的值。尤其，第一金属层和第二金属层的累计初级层厚度与中间层的次级层厚度的比值在0.2和0.8之间，优选在0.25和0.65之间，和特别优选在0.3至0.55之间。优选提出，适配器元件至少20％由第一金属层和第二金属层形成。
在本发明的另一实施方式中提出，多个适配器元件以复合件的方式提供，其中适配器元件可通过期望断裂部位与载体分离。这允许有利地共同处理多个适配器元件。也就是说，各个适配器元件不必分别单独运输或为连接激光二极管做准备。例如，多个适配器元件可一起被覆层，由此有利地简化各个适配器元件的生产。优选地，适配器元件并排设置在共同的载体上，并且相邻的适配器元件通过相应的期望断裂部位彼此分开。
适宜地提出，一个或多个适配器元件具有导电接触部，尤其通向复合件的载体。因此，经由电接触部的连接被证明是特别有利的，因为适配器元件能够借助于电接触部保持到用于溅射法的所期望的电位上。换言之，电接触部的集成有利地实现，在需要给适配器元件覆层尤其以焊料覆层时，能够弃用单独接触。由此进一步简化了激光二极管连接到冷却体上。
特别优选地提出，第一金属层和/或第二金属层的厚度在75μm和120μm之间。
优选提出，导电接触部设计为，使得在期望断裂部位断裂时所述导电接触部裂开。尤其是，导电接触部设计为薄到使得当施加为了使适配器元件沿着期望断裂部位断裂所需的力时所述导电接触部裂开。也可以设想的是，导电接触部是穿孔的或具有局部的材料变薄部。通过导电接触部的相应的设计方案，能够有利地弃用附加的工作步骤，在所述工作步骤中必须移除导电接触部。
根据本发明的另一实施方式提出，中间层具有或能够具有导电的贯通部，即通孔。借助于穿过要不然起绝缘作用的中间层的贯通部，有利地可行的是，也将适配器元件用于如下应用情况，在所述应用情况中在激光二极管和冷却体之间设置导电连接。替选地，可设想的是，中间层对于如下应用情况设计为是绝缘的，对于所述应用情况在激光二极管和冷却体之间不设置电连接。
本发明的另一主题涉及一种由多个根据本发明的适配器元件构成的复合件，其中所述适配器元件以可经由期望断裂部位分开的方式设置在共同的载体上。针对根据本发明的适配器元件所描述的所有特征及其优点同样可类似地转用于根据本发明的复合件，并且反之亦然。尤其，在复合件中，共同的中间层，优选陶瓷的中间层，不仅在载体上延伸而且在适配器元件上延伸，也就是说，适配器元件和载体在平行于主延伸平面(中间层沿着所述主延伸平面延伸)伸展的平面中并排设置。优选地，第一金属层、中间层和第二金属层形成载体和适配器元件。载体和适配器元件之间的细分通过在第一金属层和第二金属层中的结构化部实现。所述结构化部也让各个沿着一行并排设置的适配器元件之间的可见的分离部被识别。尤其，在陶瓷层中，尤其在没有第一和/或第二金属层的区域中实现期望断裂部位。优选地，期望断裂部位不仅在各个在一行中并排设置的适配器元件之间伸展，而且在载体与设置成一行的适配器元件之间伸展。为了分割，即为了使各个适配器元件断裂，优选必须应用基本上垂直于第一金属层或垂直于中间层，即垂直于复合件的主延伸平面伸展的力或断裂力。尤其提出，通过第一金属层或第二金属层的结构化确定载体和适配器元件的轮廓或形状。
此外提出，载体应基本上平行于如下方向纵向延伸，适配器元件沿着所述方向并排设置成一行，并且适配器元件从载体侧向突出。适配器元件和载体在此梳状地设计。
此外提出，至少一个导电接触部在载体和适配器元件之间延伸。优选地，为单个适配器元件设置多个，尤其两个导电接触部，所述导电接触部分别将第一金属层或第二金属层的彼此电绝缘的子区域与载体导电连接。尤其是，当相应的适配器元件与载体分离时，导电接触部撕裂。
优选提出，在复合件中导电接触部与期望断裂部位，尤其在适配器元件和载体之间的期望断裂部位相交。尤其是，导电接触部横越期望断裂部位，优选垂直地横越。在此，导电接触部优选接片状地设计并且在第一金属层或第二金属层中尤其将载体的区域与适配器元件的区域连接。在沿着期望断裂部位断裂时，于是导电接触部断裂。
优选提出，为了避免在沿着期望断裂部位断裂时的材料积聚，载体在与期望断裂部位相对置的一侧上具有留空部，尤其是呈凹槽形式的留空部。例如，凹槽可借助于锯尤其“晶片锯”实现。替选地或补充地，也可以设想的是，通过激光烧蚀或蚀刻来实现凹槽。在此，凹槽优选设置在期望断裂部位下方，并且与中间层中的设置用于期望断裂部位的凹痕相比沿着横向方向，即沿着垂直于期望断裂部位的纵向延伸的方向延伸得更远。通过留空部以有利的方式可行的是，避免材料积聚，要不然在沿着期望断裂部位断裂时在相对置的侧上会出现所述材料积聚。
本发明的另一主题是一种由激光二极管、冷却体和根据本发明的适配器元件构成的系统。所有针对根据本发明的适配器元件所描述的特征及其优点也可类似地转用于根据本发明的系统，并且反之亦然。
本发明的另一主题是用于制造根据本发明的适配器元件的方法，其中第一金属层和/或第二金属层借助于DCB法或活性钎焊法连接到中间层上。所有针对根据本发明的适配器元件所描述的特征及其优点同样可类似地转用于根据本发明的方法，并且反之亦然。
本领域技术人员将“DCB法”(直接铜键合技术)理解为如下方法，所述方法例如用于使金属化部或金属板(例如铜板或铜箔)彼此连接和/或与陶瓷或陶瓷层连接，更确切地说，利用金属板或铜板或者金属箔或铜箔，其在其表面上具有由如下化合物构成的层或罩(熔融层)，所述化合物由金属和反应性气体优选氧气构成。在例如US-PS 37 44 120或DE-PS 23 19 854描述的该方法中，该层或该罩(熔融层)形成共晶，其熔融温度低于金属(例如铜)的熔融温度，使得通过将箔铺设到陶瓷上并且通过加热所有层能够使所述层彼此连接，更确切地说，通过熔融基本上仅在熔融层或氧化物层的区域中的金属或铜使所述层彼此连接。
尤其是，DCB法于是例如具有以下方法步骤：
-将铜箔氧化，使得产生均匀的铜氧化物层；
-将铜箔铺设到陶瓷层上；
-将复合件加热到在大约1065℃和1083℃之间的、例如约1071℃的工艺温度；
-冷却至室温。
将活性钎焊法，例如用于将金属化部或金属箔，尤其也将铜层或铜箔与陶瓷材料连接的方法理解为专门也用于制造金属陶瓷衬底的方法。在这种情况下，在温度在大约650℃-1000℃之间时，利用硬焊料在金属箔例如铜箔和陶瓷衬底例如氮化铝陶瓷之间建立连接，该硬焊料除了诸如铜、银和/或金的主要成分外还包含活性金属。例如是Hf、Ti、Zr、Nb、Ce组中的至少一种元素的该活性金属，通过化学反应建立焊料和陶瓷之间的连接，而焊料和金属之间的连接是金属的硬焊接连接。
优选提出，借助于溅射法覆层适配器元件。由此可有利地利用焊接材料给对适配器元件覆层。然后可使用这种焊接材料将激光二极管连接到适配器元件上。优选地，多个设置在复合件中的适配器元件在共同的溅射工艺中被覆层。尤其是，溅射法是PVD溅射沉积法。
适宜地提出，适配器元件从适配器元件的复合件中断开。尤其提出，在将激光二极管固定在适配器元件上之后，即在给适配器元件覆层以及将激光二极管装备和焊接到经覆层的适配器元件上之后，将适配器元件从复合件中移除。
附图说明
参照附图从接下来对根据本发明的主题的优选的实施方式的描述中得出其它优点和特征。单独的实施方式的各个特征在此能够在本发明的范畴中彼此组合。
附图示出：
图1示出根据本发明的第一优选的实施方式的已安装的适配器元件，
图2示出根据第二优选的实施方式的多个适配器元件，其中适配器元件组装为复合件，
图3在俯视图中示出由根据本发明的一个示例性的实施方式的多个适配器元件构成的复合件，以及
图4在侧视图中示出根据本发明的另一示例性的实施方式的多个适配器元件的两个复合件。
具体实施方式
在图1示出根据本发明的第一优选的实施方式的已安装的适配器元件10。这样的适配器元件10设置用于，用作为冷却体7与诸如激光二极管4的电器件之间的链接(Bindeglied)，其中冷却体7设置用于冷却在运行时产生热的激光二极管4。在这种情况下，将复合结构设置作为适配器元件10，其中适配器元件10尤其具有第一金属层11和第二金属层12，所述第一金属层在安装状态中朝向冷却体7，所述第二金属层在安装状态中朝向激光二极管4。优选地，第一金属层11和/或第二金属层12包括铜。在第一金属层11和第二金属层12之间还设置有中间层13，其中中间层13具有陶瓷。为了在适配器元件10和冷却体7之间的交接区域中实现尽可能均匀的热分布而提出，第一金属层11和/或第二金属层12具有初级厚度P1，其中初级厚度P1大于40μm，优选大于70μm，和特别优选大于100μm。在这种情况下尤其已证实，借助于DCB法或活性钎焊法，可相对容易地并且尤其快速地实现如此厚的金属层。
通过如此厚的金属层，在经由适配器元件10从激光二极管4散热的时，热膨胀是可行的，即要不然局部集中的热生成的扩大。此外，特别优选地提出，包括陶瓷的中间层13具有次级厚度P2，所述次级厚度小于400μm，小于200μm和特别优选大于200μm。借助于这样厚的中间层13，可有利地实现CTE匹配，所述匹配尤其与热膨胀一起引起在适配器元件10和冷却体4之间的尽可能无应力的过渡。也就是说，在引起热生成的激光二极管4运行时，通过初级厚度P1和/或次级厚度P2相应匹配，抑制或弱化热机械应力的形成。由此，可降低激光二极管4的裂纹形成或变形的概率。为了进一步改善导电性，优选中间层13设有大于150W/mK的，优选大于175W/mK的和特别优选大于225W/mK的导热率。
此外，可以设想的是，第一金属层11的初级厚度P1与第二金属层12的初级厚度P1不同或基本相同大。还可以考虑的是，第一金属层11和第二金属层12的初级厚度P1的累计厚度与次级厚度P2之间的比值在0.7和2之间，优选在0.8和1.5之间，和特别优选在0.95至1.2之间。
此外优选提出，中间层13具有贯通部15。这种贯通部15允许在如下应用情况中使用适配器元件10，在所述应用情况中期望将激光二极管4非绝缘地连接到冷却体7上。
在图2中示出根据第二优选的实施方式的多个适配器元件10，其中适配器元件10组装为复合件1。这种复合件1，即多框架，尤其提供给想要将激光二极管4经由适配器元件1安装到冷却体7上的人。通过设置成复合件1，能够有利地同时为激光二极管4的随后的连接过程准备多个适配器元件10。例如，为了准备将激光二极管4连接在适配器元件10上，借助于溅射法覆层适配器元件10。为了保证适配器元件10的对于溅射法所需的电接触，为每个适配器元件10设置导电接触部8，即覆层接触部。尤其是，这些导电接触部8将相应的适配器元件10与载体5连接，在载体5上设置有适配器元件10。优选地，第一金属层和/或第二金属层分别经由导电接触部与载体连接。由于接触部8已经集成到复合件1中，所以能够有利地弃用对各个适配器元件10的单独接触。此外提出，将导电接触部8的尺寸确定为，使得在从复合件1或载体5处移除适配器元件10时，所述导电接触部断开。由此，在生产时能够省去附加的必须借助于其再次移除导电接触部8的工作步骤。优选地，在复合件中设有期望断裂部位18，当覆层法尤其溅射法结束并且适配器元件10与复合件1分离时，沿着所述期望断裂部位折断适配器元件10。优选地，期望断裂部位18通过激光处理来实现，例如通过在中间层的陶瓷中的激光划线，所述激光划线与导电接触部相交。此外，在适配器元件10之间设有锯齿间隙19，所述锯齿间隙伸至载体5中。沿着该锯齿缝隙19，各个适配器元件19可彼此分离，以便随后用于将激光二极管4连接在冷却体7上。优选地，锯齿间隙19进入到载体5中的深度A与载体5在适配器元件10的区域中的厚度B的比在0.6和0.9之间，优选在0.75和0.85之间，和特别优选基本上为0.8。由此，可实现适配器元件10的简单分离，并且同时确保足够的稳定性，所述稳定性在溅射法期间中将适配器元件10保持在一起。此外提出，载体5具有框架元件20，所述框架元件侧向连接到彼此并排排列的这一系列适配器元件10上，并且朝一侧与适配器元件10齐平。由此，适配器元件10朝所述侧受框架元件20保护。
在图3中示出由根据本发明的一个示例性的实施方式的多个适配器元件10构成的复合件1。尤其是，涉及复合件1的俯视图，其中多个适配器元件10沿着一行并排设置。尤其是，沿着平行于堆叠方向伸展的方向观察复合件1，第一金属层11，中间层13和第二金属层12沿着所述堆叠方向叠置，也就是说，在图3中可以看到结构化的第一金属层11或第二金属层12，其中第一金属层11或第二金属层12的结构化部尤其确定相应的部段与适配器元件10或载体5的相关性。在由于第一金属层11或第二金属层12结构化而露出的区域中，即在没有金属的区域中，在俯视图中可见中间层13。优选地，期望断裂部位18在这些无金属的区域中伸展，配器元件10能够沿着所述期望断裂部位彼此分离或与载体5分离。此外提出，适配器元件10，尤其复合件1，具有多个导电接触部8，所述导电接触部将载体5与适配器元件10或适配器元件10的第一金属层11或第二金属层12的不同部分连接，尤其分别连接。
此外优选提出，第一金属层11或第二金属层12在复合件1上被结构化为，使得导电接触部8构成在位于载体5的区域中的第一金属层11或第二金属层12与位于各自的适配器元件10的区域中的第一金属层11或第二金属层12之间。优选地，导电接触部8接片状地构成。在此，接片状的、导电接触部8优选垂直于期望断裂部位18的走向伸展，适配器元件10沿着所述期望断裂部位与载体5分离。尤其是，导电接触部5横越期望断裂部位18。还可以设想的是，接片状的导电接触部8相对于期望断裂部位18的纵向延伸以在30°至90°之间的，优选在45°至85°之间的和特别优选地在60°至80°之间角度倾斜。
此外提出，第一金属层11或第二金属层12的彼此电绝缘的子区域分别通过自己的导电接触部8与载体5连接，尤其与载体5的第一金属层11或第二金属层12连接。此外提出，沿着通过在适配器元件10和载体5之间的期望断裂部位18的纵向延伸所确定的方向，接片状的导电接触部8的宽度小于适配器元件10的在相同方向上测量的宽度的0.1倍，优选0.05倍和特别优选0.01倍。
在图4中示出贯穿图3中的复合件1的两个剖视图。尤其是，上部的剖视图示出在分割适配器元件10之前的复合件1。在折断时，在此通过力F作用到复合件1上。由于断裂，在复合件1的与经受力作用的侧相对置的一侧上引起在期望断裂部位18下方的材料积聚。这种材料积聚在复合件1的外侧上构成珠状的突起25。为了抵抗这种所不希望的材料积聚连带相应突起形成，优选提出，例如借助于锯尤其“晶片锯”，借助于蚀刻或借助于切削过程尤其铣削，在与期望断裂部位18相对置的一侧上将凹槽26嵌入复合件1中。尤其是，从堆叠方向来观察，凹槽25在期望断裂部位18下方伸展，其中期望断裂部位特别优选楔形地嵌入中间层13中。优选地，凹槽26的横向扩展比用作为期望断裂部位18的间隙的横向扩展更宽。
附图标记列表
1 复合件
4 激光二极管
5 载体
7 冷却体
8 接触部
10 适配器元件
11 第一金属层
12 第二金属层
13 中间层
15 贯通部
18 期望断裂部位
19 锯齿间隙
20 框架元件
25 突起
26 凹槽
A 深度
B 厚度
F 力
Claims (15)
1.一种用于将器件连接到冷却体(7)上的适配器元件(10)，所述器件例如是激光二极管(4)，所述适配器元件包括：
-第一金属层(11)和第二金属层(12)，所述第一金属层在安装状态中朝向所述器件(4)，所述第二金属层在安装状态中朝向所述冷却体(7)，以及
-包括陶瓷的中间层(13)，所述中间层设置在所述第一金属层(11)和所述第二金属层(12)之间，
其中所述第一金属层(11)和/或所述第二金属层(12)厚于40μm，优选厚于70μm和特别优选厚于100μm。
2.根据权利要求1所述的适配器元件(10)，其中用于匹配热膨胀系数的所述中间层(13)薄于400μm，优选薄于200μm和特别优选薄于100μm。
3.根据上述权利要求中任一项所述的适配器元件(10)，其中所述第一金属层(11)的初级层厚度和所述第二金属层(12)的初级层厚度的累计厚度与所述中间层(13)的次级层厚度之间的比值在0.2和0.8之间，优选在0.25和0.65之间和特别优选在0.3和0.55之间。
4.根据上述权利要求中任一项所述的适配器元件(10)，其中多个适配器元件(10)以复合件(1)提供，其中所述适配器元件(10)能够通过期望断裂部位(18)与所述载体(5)分离。
5.根据上述权利要求中任一项所述的适配器元件(10)，其中一个所述适配器元件(1)或多个所述适配器元件(10)具有导电接触部(8)，尤其至所述复合件(1)的载体(5)的导电接触部。
6.根据上述权利要求中任一项所述的适配器元件(10)，其中所述导电接触部(8)设计为，使得所述导电接触部在所述期望断裂部位断裂时裂开。
7.根据上述权利要求中任一项所述的适配器元件(10)，其中所述中间层(13)能够具有导电的贯通部(15)。
8.根据上述权利要求中任一项所述的复合件(1)，其中所述适配器元件(10)以经由期望断裂部位(18)可分离的方式设置在共同的载体(5)上。
9.根据权利要求8所述的复合件(1)，其中至少一个导电接触部(8)，尤其接片状的导电接触部(8)在所述载体(5)和所述适配器元件(10)之间延伸。至少一个连接部/铜垫是必要的。在复合件(1)上观察，更多地。
10.根据权利要求8或9所述的复合件(1)，其中所述导电接触部(8)与期望断裂部位(18)，尤其在所述适配器元件(10)和所述载体(5)之间的期望断裂部位(18)相交。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的复合件(1)，其中为了避免在沿着期望断裂部位(18)断裂时的材料积聚，所述载体(5)在与所述期望断裂部位(18)相对置的一侧上具有留空部，尤其呈凹槽(26)形式的留空部。
12.一种系统，所述系统由激光二极管(4)、冷却体(7)和根据权利要求1至7中任一项所述的适配器元件(10)构成。
13.一种用于制造根据权利要求1至7中任一项所述的适配器元件(10)的方法，其中借助于DCB法或者活性钎焊法将第一金属层(11)和/或第二金属层(12)连接到中间层(13)上。
14.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中借助于溅射法来覆层所述适配器元件(10)。
15.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中将述适配器元件(10)从适配器元件(10)的复合件(1)中折断。
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