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Stand der Technik
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In
der industriellen Fertigung ist das Verkleben und Vergießen mittels
einkomponentiger, strahlungshärtender
Materialien wegen der einfachen Prozessführung und der kurzen Durchlaufzeiten
weit verbreitet.
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Neben
Aushärtungsverfahren
wie der Elektronenstrahl-Aushärtung
kommt dabei überwiegend die
Bestrahlung mit elektromagnetischer Strahlung vom sichtbaren bis
weit in den UV-Bereich zum Einsatz. Als Strahlungsquellen sind bislang
in diesem Zusammenhang Entladungslampen, vorzugsweise Quecksilber-Entladungslampen,
am weitesten verbreitet, da sie auf Grund ihrer breitbandigen Emission vom
UVC- bis zum Infrarot-Bereich ein weites Anwendungsspektrum abdecken.
Außerdem
sind sehr hohe Flächenleuchtdichten
realisierbar, und nicht zuletzt sind Entladungslampen kostengünstig und
leicht verfügbar.
Zur Erhöhung
der Aushärtungseffizienz kann
außerdem
durch Zugabe bestimmter Dotiermaterialien zur Kolbenfüllung das
Emissionsspektrum der Strahler in gewissen Grenzen der jeweiligen
Anwendung angepasst werden.
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Allerdings
gelingt dies nur in begrenztem Maße, so dass bei diesem Typ
von Strahlungsquelle ein erheblicher Teil der Emission nicht zur
Aushärtung beiträgt. Im schlechtesten
Fall beeinflussen die nicht genutzten Strahlungsanteile sogar den
Fertigungsprozess in negativer Weise und müssen daher aufwändig z.B.
durch Filterung beseitigt werden. Ein weiterer gravierender Nachteil
ist der rasche, kontinuierliche Intensitätsabfall, der mit diesen Strahlern in
Verbindung steht.
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Typischerweise
liegt die Lebensdauer, d.h. die Betriebsdauer bis die Intensität auf die
Hälfte
des Ausgangswertes abgefallen ist, bei ca. 1000 Stunden. Um stabile
Prozessbedingungen zu gewährleisten,
ist daher häufiges Überwachen,
Nachjustieren und Austauschen der Strahlungsquellen notwendig. Neben
den damit verbundenen Kosten kommt besonders zum Tragen, dass die
Intensität
der Strahler nur eingeschränkt
regelbar ist, da die spezifizierte Lebensdauer nur dann erreicht
wird, wenn die eingeprägte
elektrische Leistung konstant innerhalb eines schmalen Fensters
bleibt. Eine Änderung
der Bestrahlungsstärke
ist daher nur durch eine aufwändige Modifikation
des mechanischen Aufbaus zu erreichen. Da die Strahler kontinuierlich
im Betrieb sind, können
Bestrahlungsimpulse von definierter Dauer nur mit Hilfe von Strahlverschlüssen oder ähnlichen Maßnahmen
erzeugt werden.
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Vor
diesem Hintergrund hat die Verfügbarkeit von
Halbleiteremittern im blauen bzw. UVA-Emissionsbereich (315-400
nm) die Entwicklung einer Vielzahl neuartiger Quellen für die Strahlungshärtung ausgelöst. Diese
Emitter fallen vor allem in die Klasse der Leuchtdioden (kurz LEDs),
die inkohärente Strahlung
abgeben. Dazu gehören
aber auch z.B. Halbleiterlaser mit kohärenter Strahlung, die mit oder ohne
Frequenzkonversion im genannten Spektralbereich emittieren.
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Neben
einer um mindestens eine Größenordnung
höheren
Lebensdauer bringen Halbleiteremitter im Vergleich zu Entladungslampen
weitere Vorteile mit sich, wie z.B. ein schmalbandiges Emissionsspektrum,
das es erlaubt, selektiv und mit hoher Quantenausbeute den Aushärtvorgang
anzuregen. Außerdem
sind Halbleiteremitter über
einfaches Zu- und Abschalten des Durchflussstroms mit einer entsprechenden
Elektronik nahezu beliebig schaltbar oder können allgemein durch Modulation
der Betriebsstromamplitude ihre Ausgangsstrahlungsleistung variieren,
ohne Einbußen
hinsichtlich ihrer Lebensdauer in Kauf nehmen zu müssen.
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Ein
zentrales Problem beim Einsatz von Halbleiterstrahlungsquellen ist
die vergleichsweise geringe Abstrahlleistung, insbesondere in Relation zur
Fläche,
die von den Halbleiteremittern eingenommen wird. Um einigermaßen hohe
Ausgangsleistungen zu erreichen, müssen die Halbleiteremitter
daher mit hohen Strömen
betrieben werden.
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Auf
der anderen Seite werden Lebensdauern von deutlich über 10000
Stunden nur dann erreicht, wenn die Temperatur am pn-Übergang
des Halbleiters, die sogenannte Junction-Temperatur, während des
Betriebs eine bestimmte Grenze nicht überschreitet. Typischerweise
wird eine Obergrenze von 120 °C
für die
Junction-Temperatur angegeben, in einigen Fällen liegt der Wert auch bei
180 °C.
Darüber ist
die Degradation des Halbleiters, d.h. die Abnahme des Wirkungsgrades
der Strahlungsemission massiv beschleunigt.
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Da
nur ein geringer Teil der Betriebsleistung in Strahlungsleistung
umgewandelt wird, muss bei Erhöhung
der Betriebsleistung eine effiziente Kühlung bereitgestellt werden,
um ein Überschreiten
der Temperaturobergrenze zu verhindern.
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Es
sind daher in einer Reihe von Veröffentlichungen zu Halbleiterstrahlungsquellen
Maßnahmen beschrieben,
die das Ziel haben, die Junction-Temperatur durch effektive Kühlung möglichst
niedrig zu halten.
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Ein
Ansatz zur Erhöhung
der Kühleffizienz besteht
darin, durch eine Wärmepumpe
wie z.B. einen Verdunstungskühler
oder einen thermoelektrischen Kühler
die Abwärme
unter Aufwendung von zusätzlicher
Energie auf ein höheres
Temperaturniveau anzuheben und so letztlich das Temperaturgefälle zwischen
Halbleiter und Umgebung zu vergrößern, um
damit einen verstärkten
Abfluss von Verlustwärme
zu erzielen. Effektiv wird also durch eine Wärmepumpe die Temperatur des
Wärmereservoirs, an
das die Wärme
abgegeben wird, um die Temperaturdifferenz zwischen Warm- und Kaltseite
der Wärmepumpe
abgesenkt. In diesem Sinne muss beim Einsatz einer oder mehrerer
Wärmepumpen
von einer entsprechend erniedrigten Effektivtemperatur der Umgebung
gesprochen werden, wenn die Wärmeübertragungseffizienz
quantitativ betrachtet werden soll.
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Eine
Strahlungsquelle, die dieses Prinzip mit einem Peltier-Element als
Wärmepumpe
nutzt, ist in WO 03/081127 A2 beschrieben. Nachteilig ist bei einem
solchen System, dass durch die Wärmepumpe immer
zusätzlich
Wärme in
die Kühlung
eingebracht wird. Bei einem Peltier-Element ist diese Wärmemenge
vielfach genauso groß wie
die eigentlich abzuführende
Wärmemenge.
Neben dem zusätzlichen
Energieaufwand hat das zur Folge, dass der Wärmeübertrag an die Umgebung entsprechend
größer zu dimensionieren
ist.
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Insbesondere
bei Strahlungsquellen mit Verlustleistungsdichten von im Dauerbetrieb
mehr als 30 W/cm2 werden in großem Umfang
Flüssigkeitskühlungen
eingesetzt, um die Wärme
effektiv von der Halbleiteremittern abzuführen und dann ohne weiteres
Temperaturgefälle
auf eine große
Wärmetauscherfläche zu bringen,
wo sie schließlich
an die Umgebung abgeführt
wird.
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In
EP 1 475 846 A2 ist
eine Lichtquelle beschrieben, bei der ein LED-Chip auf einem Substrat befestigt
ist und sich sowohl Substrat als auch LED-Chip in einem abgeschlossenen
Behälter
befinden, wo sie direkt von einer Kühlflüssigkeit umspült werden,
um eine möglichst
hohe Kühleffizienz
zu erreichen.
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Ähnliche
Maßnahmen
zur Verbesserung der Ausgangsleistung einer LED-Lichtquelle durch aktive Kühlung der
LEDs sind in WO 2004/056288 A1 beschrieben. Darin wird die Verlustwärme eines
zweidimensionalen LED-Arrays über
einen Wärmetauscher an
eine Kühlflüssigkeit
abgegeben. Durch kurze Wärmeübertragungsstrecken
vom Halbleiter über
eine dünne
Gehäusewandung
in einen thermisch gut angekoppelten Wärmetauscher mit großer Fläche können die
LEDs mit Leistungsdichten von über
100 Watt/cm2 betrieben werden.
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Mit
diesen Lichtquellen kann zwar eine sehr hohe Strahlungsleistung
erreicht werden, jedoch besteht bei extrem hohen Leistungsdichten
das Problem, dass Störungen
in der Kühlung
zu einer massiven Überhitzung
und damit Schädigung
oder gar Zerstörung
der Lichtquellen führen
können.
Dies umso mehr, als durch die kurzen Wärmeübertragungsstrecken zwischen
Halbleiter und Kühlflüssigkeit
kaum Masse und damit Wärmepuffer
vorhanden ist, um auch nur für
kurze Zeit die Verlustwärme
aufzunehmen. Daher sind bei diesen Leistungsdichten entsprechende
Sicherheitsvorrichtungen zwingend notwendig.
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In
WO 03/096387 A2 ist eine Sicherheitsvorrichtung für eine flüssigkeitsgekühlte LED-Lichtquelle in
Form eines Temperatursensors beschrieben, der auf dem gleichen Substrat
sitzt wie die LEDs. Anspruch 1 ist im Hinblick auf diese Druckschrift
formuliert. Ein solcher Sensor bietet einen relativ hohen Schutz
gegen dauerhafte Überhitzung
bei Verringerung der Kühlleistung.
Allerdings liefert bei großflächigen LED-Arrays
eine lokale Temperaturmessung nur eine ungenaue Aussage über die
Temperatur an Stellen im Array, die weit vom Messpunkt entfernt
liegen. Zudem benötigt
die Wärme
eine gewisse Zeit bis sie zum Temperaturmesspunkt gelangt, so dass eine
Temperaturmessung abseits des heißesten Punktes auf der Leuchtfläche erst
mit einer gewissen Verzögerung
auf eine Störung
im Kühlsystem
anspricht. Eine Schutzvorrichtung dieser Art kann daher erst reagieren,
wenn die Folgen der Kühlungsstörung offenkundig
werden. Sie ist daher lediglich in der Lage, die Dauer einer Überlastung
zu begrenzen, und bietet keinen präventiven Schutz vor thermischer Überbeanspruchung
der Strahlungsquelle.
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Abriss der Erfindung
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, eine flüssigkeitsgekühlte Halbleiter-Strahlungsquelle
hoher Ausgangsleistung mit einem möglichst wirksamen Schutz gegen
Schädigung
oder gar Zerstörung
der Strahlungsquelle durch verminderte Kühlleistung zu versehen.
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Die
Lösung
dieser Aufgabe gelingt mit der in Anspruch 1 dargelegten Erfindung.
Danach befindet sich ein Temperatursensor in direktem Kontakt mit
einem Kühlmittel
und vermag daher Temperaturänderungen
mit geringstmöglicher
Verzögerung
zu detektieren. Der Temperatursensor ist beheizt, wobei eine Änderung
seiner Temperatur ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit
des Kühlmittels
ist.
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Vorzugsweise
besteht die Strahlungsquelle aus einer Vielzahl von Halbleiteremittern,
die in Form einer zweidimensionalen Matrix auf einem Träger befestigt
sind. Durch eine große
Anzahl an Emittern kann erreicht werden, dass auch bei kleiner Abstrahlleistung
eines einzelnen Emitters genügend
Gesamtstrahlungsleistung zur Verfügung steht, um bei typischen
Bestrahlungsfeldern mit einer Fläche
von einigen Quadratzentimetern auf hinreichend kurze Aushärtzeiten
zu kommen.
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Die
mit Halbleiteremittern besetzte Fläche ist vorzugsweise eben,
um die Fertigung zu vereinfachen. Es kann jedoch aus Gründen einer
verbesserten Strahlungsübertragung
zur Empfängerfläche unter
Umständen
auch günstiger
sein, die Halbleiter auf einer gekrümmten, z.B. konkaven, Fläche anzuordnen.
Um eine möglichst
große
Zahl von Aushärtungsanwendungen
abzudecken, bei denen eine kreisförmige, quadratische oder ähnliche
Fläche
mit näherungsweise
gleicher Breite wie Länge
zu beleuchten ist, werden auch die Halbleiteremitter so angeordnet, dass
das Verhältnis
von längster
zu kürzester
Ausdehnung der bestückten
Fläche
kleiner als 5 zu 1, Idealerweise kleiner als 2 zu 1, ist. Damit
ist gewährleistet,
dass mit konventionellen radialsymmetrischen Optiken eine optimale Übertragungseffizienz erzielt
werden kann und die Winkelcharakteristik an der bestrahlten Fläche weitgehend
symmetrisch ist, so dass sich bei einer Änderung des Abstandes zwischen
Strahlungsquelle und bestrahlter Fläche nur die Größe, nicht
aber die Form der bestrahlten Fläche
wesentlich ändert.
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Um
eine möglichst
hohe Flächenleuchtdichte zu
erreichen, kann der Träger
mit so dicht wie möglich
gepackten Halbleiteremittern bestückt sein. Die Abstände von
Chipkante zu Chipkante sollten dabei möglichst kleiner als 400 μm sein, idealerweise
kleiner als 200 μm.
Eine maximale Packungsdichte der Halbleiteremitter kann z.B. erzielt
werden, indem die Chips in einem quadratischen oder in einem hexagonalen
Raster angeordnet werden, je nachdem ob eine näherungsweise quadratische bzw.
runde Fläche
bestückt
werden soll.
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Bedingt
durch die Anzahl der Halbleiterchips und die Form der bestückten Fläche gibt
es mindestens einen Chip, an den in jeder Richtung mindestens ein
weiterer Chip angrenzt. In einem quadratischen Raster ist das ab
einer Gesamtzahl von mehr als 5 Emittern der Fall, wenn an einen
zentralen Halbleiter nach oben und unten bzw. links und rechts jeweils
ein weiterer Emitter angrenzt. In der Regel sollte aber die Gesamtzahl
der Emitter, wie oben erwähnt,
jedoch deutlich größer, z.B.
größer als
10, sein.
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Neben
der hohen Packungsdichte sorgt eine Beaufschlagung der Emitter mit
einem hohen Betriebsstrom dafür,
dass eine sehr hohe Strahlungsleistungsdichte in der bestückten Fläche erreicht wird.
Durch direktes Anströmen
der Rückseite
des mit Halbleiteremittern bestückten
Trägers
mit einer Kühlflüssigkeit
wird die unvermeidliche Verlustleistung, d.h. die nicht in emittierte
Strahlung umgewandelte elektrische Leistung, effizient abgeführt, so dass
es auch bei Verlustleistungsdichten von mehr als 30 W/cm2 im Dauerbetrieb zu keiner Überschreitung
der Obergrenze der Junction-Temperatur und damit zu einer Reduzierung
der Le bensdauer kommt. Die Dauerbetriebsbedingungen sind in diesem
Sinne dann erreicht, wenn sich ein thermisches Gleichgewicht eingestellt
hat, d.h. die Junction-Temperatur sich
im Lauf der Zeit nicht mehr weiter erhöht, was typischerweise nach
spätestens
einer Stunde Einschaltdauer gegeben sein sollte. Zur Verbesserung der
Wärmeaustauscheffizienz
können
dabei Strukturen wie Kühlrippen,
poröse
Oberflächen
etc. thermisch leitend mit dem Träger verbunden sein oder der
Träger
sich durch solche Strukturen in den von der Kühlflüssigkeit durchströmten Raum
fortsetzen, um die Fläche
für den
Wärmeübergang
zu vergrößern und/oder
um Turbulenzen in der Strömung
der Kühlflüssigkeit
zu induzieren.
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Wie
bereits angesprochen, besteht eines der Mittel zur Erhöhung der
abgeführten
Verlustleistung darin, durch eine Wärmepumpe effektiv das Temperaturgefälle zum
pn-Übergang
zu erhöhen.
Als Option kann ein solch aufwändiges
Verfahren auch in Verbindung mit einer erfindungsgemäßen Strahlungsquelle
eingesetzt werden, um die Abstrahlungsleistung bei konstanter Temperaturbelastung
des pn-Übergangs
weiter zu erhöhen.
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Idealerweise
wird aber durch die genannten Maßnahmen eine so hohe Kühleffizienz
erreicht, dass im Dauerbetrieb die abgeführte Verlustleistung pro Fläche mindestens
0,5 W/cm2, idealerweise 1 W/cm2,
pro Grad der Differenz der Temperatur des pn-Übergangs und der effektiven
Umgebungstemperatur beträgt.
Bei einer Kühleffizienz
dieser Größenordnung
kann auf eine Wärmepumpe
verzichtet werden.
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Höhere Ausgangsleistung
kann auch durch einen höheren
Wirkungsgrad der Halbleiteremitter erreicht werden, was die Vorteile
einer erfindungsgemäßen Strahlungsquelle
aber in keiner Weise einschränkt,
da auch Halbleiteremitter mit höherem
Wirkungsgrad wesentlich höher
bestromt und damit auf höhere
Ausgangsleistung gebracht werden können.
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Neben
der hohen Kühlungseffizienz
und den damit möglichen
hohen Strahlungsleistungen sind Vorrichtungen zum Schutz der Halbleiteremitter
das zentrale Element einer erfindungsgemäßen Strahlungsquelle. Als Schutzvorrichtung
können
in unmittelbarer Nähe
zur Leuchtfläche
zwei Temperatursensoren vorgesehen sein, von denen mindestens einer das
Kühlmittel
berührt,
bzw. einen sehr geringen Abstand zum Kühlmittel besitzt. Letzterer
beinhaltet zugleich eine Wärmequelle,
die soviel Wärme
erzeugt, dass der Sensor bei ruhendem Kühlmittel eine Eigentemperatur
annimmt, die deutlich höher
ist als die Temperatur des Kühlmediums.
Die Wärmequelle
ist im einfachsten Fall der Temperatursensor selbst, der mit einem
so hohen Betriebsstrom angesteuert wird, dass er eine aus reichende
Wärmemenge
abgibt. Sie kann aber auch ein separater Heizwiderstand oder ähnliches
sein. Außer
zur Kühlflüssigkeit
steht der Temperatursensor und die verbundene Wärmequelle nur in geringem thermischem
Kontakt zur Umgebung, wie z.B. dem Träger der Halbleiteremitter oder umgebenden
Gehäuseteilen,
damit die Temperaturerhöhung
verursacht von der Wärmequelle
im wesentlichen vom Wärmeaustausch
mit der Kühlflüssigkeit
abhängt.
Bei normalem Durchfluss des Kühlmediums
strömt
zumindest an einem Teil der Sensorfläche die Kühlflüssigkeit vorbei und die Wärme aus
der Wärmequelle
wird effizienter an die Kühlflüssigkeit abgeben,
so dass die Eigentemperatur des Sensors bei strömender Kühlflüssigkeit näher an der Temperatur der Kühlflüssigkeit
liegt.
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Da
die Temperaturerhöhung
des Sensors durch die Wärmequelle
unabhängig
von der Temperatur der Kühlflüssigkeit
ist, ergibt sich ein eindeutiger Zusammenhang zwischen Kühlmittelströmung und Temperaturdifferenz.
Um diese Differenz bilden zu können,
hat der zweite Temperatursensor daher die Aufgabe, möglichst
genau den Temperaturgang des Kühlmittels
nachzuzeichnen und sollte deshalb vorteilhafterweise nur eine geringe
Eigenerwärmung
besitzen. Da es nur auf die Differenztemperatur bzw. deren Änderung
bei sich ändernder
Strömungsgeschwindigkeit
des Kühlmittels
ankommt, muss die Temperatur des Referenzsensors nicht genau gleich der
Kühlflüssigkeitstemperatur
sein.
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Um
eine sichere Messung der Strömung
zu ermöglichen,
sollte sich die Temperaturdifferenz der beiden Sensoren bei ruhender
Kühlflüssigkeit
von der Temperaturdifferenz beim Durchfluss für volle Kühlleistung um mindestens die
zweifache Messgenauigkeit der Differenztemperaturmessung unterscheiden.
Vorteilhafterweise sollte der Unterschied mindestens dem 10-fachen
der Messgenauigkeit entsprechen.
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Eine
Durchflussmessung mit diesem Sensoraufbau ist für eine Strahlungsquelle mit
sehr hoher Leistungsdichte besonders vorteilhaft, da die Ansprechzeiten
bei Sensoren mit kleiner Masse deutlich unter einer Sekunde, typischerweise
sogar unter ca. 200 ms liegen. Damit gelingt es, Maßnahmen
gegen eine Überhitzung
der Halbleiteremitter bereits einleiten zu können, lange bevor deren Folgeerscheinungen,
wie ein drastischer Temperaturanstieg, offenbar werden.
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Außerdem ist
diese Form der Strömungsmessung
besonders zuverlässig
und ausfallsicher, da keinerlei mechanisch bewegte Teile erforderlich sind,
die einem Verschleiß unterliegen
könnten.
Zudem wird der Durchfluss direkt im Bereich des Wärmeüberganges
zwischen Träger
und Kühlflüssigkeit gemessen,
typischerweise nur wenige Millimeter vom Ort der Strahlungserzeugung
entfernt, so dass die Sensoren unmittelbar die Funktion des Kühlmittelflusses
im thermischen Haushalt der Strahlungsquelle überwachen und Fehler, beispielsweise
durch Lecks, ausgeschlossen sind.
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Außer der
Strömungsmessung
kann der Temperatursensor im engen thermischen Kontakt mit der Kühlflüssigkeit
auch eingesetzt werden, um eine Überhitzung
des Kühlmittels
zu detektieren. Eine solche Überhitzung
kann zum Beispiel auftreten, weil die Wärmeabgabe von der Kühlflüssigkeit
an die Umgebung erschwert ist, z.B. durch eine Behinderung der Frischluftzufuhr
am Wärmetauscher,
Ablagerungen im Wärmetauscher
o.ä. Wird
eine Obergrenze für
den absoluten Temperaturwert des Sensors überschritten, können Schutzmechanismen
wie z.B. eine Reduzierung der Stromzufuhr für die Halbleiteremitter in
Gang gesetzt werden.
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In
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der
erfindungsgemäßen Strahlungsquelle
befindet sich der Referenzsensor auf der Oberseite des Trägers, in
unmittelbarer Nähe
zu den Halbleiteremittern. Bei hinreichend hoher Wärmeleitfähigkeit
des Trägers
treten innerhalb des Trägers
nur kleine Temperaturunterschiede auf, so dass der Sensor zugleich
die Temperatur des Trägers
im Bereich der Halbleiteremitter misst. Damit kann dieser Sensor
zugleich die Funktion einer Temperaturüberwachung der Halbleiteremitter übernehmen.
Der Abstand zum Rand der bestückten
Fläche
sollte für
diese Funktion kleiner als 5 mm sein, vorteilhafterweise kleiner
als 2 mm. Alternativ zu einem Sensor, der selbst in Kontakt mit
dem Träger
steht, kann natürlich
auch ein Sensor verwendet werden, der berührungslos die Temperatur auf
der Leuchtfläche
oder in deren unmittelbarer Nähe
erfasst. Als solcher Sensor kommt z.B. ein Infrarot-Thermometer
in Frage. Unabhängig
davon, welcher Sensor verwendet wird, sollten die Abstände des
Messpunktes zur Leuchtfläche
die oben genannten Werte nicht überschreiten.
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Um
gleichzeitig eine elektrische Isolierung zwischen den Halbleiteremittern
zu erzeugen, sollte der Träger
beispielsweise aus einer Metallkernplatine oder einem Keramiksubstrat
aus einem hoch-wärmeleitfähigen keramischen
Werkstoff wie z.B. Siliziumnitrid oder besser Aluminiumnitrid bzw.
Berylliumoxid bestehen. Bei typischen Substratdicken von unter 1 mm
ist die Temperatur zwischen Ober- und
Unterseite des Trägers
nahezu gleich, d.h. typischerweise treten Temperaturdifferenzen
von unter 2 °C
auf, so dass auch ein Sensor auf der Substratoberseite hinreichend
gut die Temperaturverhältnisse
auf der Unterseite direkt am Kühlmittel
wiedergibt.
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Eine
Störung
im Kühlsystem
liegt aber nicht nur dann vor, wenn die Differenztemperatur zwischen Sensor
am Kühlmittel
und Sensor auf der Oberseite des Trägers über einer gewissen Grenze liegt,
sondern auch das Überschreiten
einer Grenze nach unten deutet auf eine Störung hin, da in diesem Fall
der Sensor auf der Substratoberseite eine relativ gesehen zu hohe
Temperatur annimmt, was auf eine Störung des Wärmeüberganges vom Träger in die
Kühlflüssigkeit
hinweist. Ein derartig verringerter Wärmeübergang kann z.B. zustande
kommen, weil die Grenzfläche
zwischen Kühlflüssigkeit
und Träger durch
Ablagerungen aus der Kühlflüssigkeit
verschmutzt ist bzw. in ihren thermischen Eigenschaften verändert wurde.
Ohne ausreichenden Korrosionsschutz löst z.B. Wasser aus berührenden
Metallflächen
Ionen, die an dem Träger
abgelagert werden können
und damit die Wärmeübertragungsstrecke verlängern.
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Ein
anderes Beispiel ist die Bildung einer Oxidschicht auf der Unterseite
einer metallischen Träger.
Die Oxidschicht hat typischerweise eine um Größenordnungen geringere Wärmeleitfähigkeit
als das zu Grunde liegende Metall, so dass bereits dünne Schichten
zu einer wesentlichen Behinderung des Wärmetransports führen. Als
drittes Beispiel für
eine mögliche
Behinderung des Wärmeüberganges
wäre eine
Gasblase, typischerweise also Luftblase, zu nennen, die an der Unterseite
des Trägers
sitzt und die effektive Wärmetauscherfläche zwischen
Kühlflüssigkeit
und Träger
verringert.
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Überschreitet
die Differenztemperatur daher eine gewisse Untergrenze, sollten
präventiv
Massnahmen zur Vermeidung einer Überhitzung
eingeleitet werden, wie die Reduzierung der Stromzufuhr für die Halbleiteremitter,
und/oder es sollte zumindest eine Warnung nach außen gegeben
werden, dass die Kühleffizienz
reduziert ist, damit frühzeitig
beispielsweise eine Reinigung oder Entlüftung des Kühlsystems vorgenommen wird.
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In
einem zweiten Ausführungsbeispiel
berührt
auch der Referenzsensor das Kühlmittel
direkt und hat wie der beheizte Sensor einen geringen thermischen
Kontakt zum Träger
oder zu umgebenden Bauteilen. Diese Konstellation hat den Vorteil,
dass der Referenzsensor sehr genau die Temperatur des Kühlmittels
misst und Abweichungen durch den Wärmeeintrag der Halbleiteremitter
minimiert werden.
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In
einem weiteren Ausführungsbeispiel
wird nur ein Sensor mit einer verbundenen Wärmequelle verwendet, um den
Durchfluss der Kühlflüssigkeit
zu messen. Statt die Wärmequelle
kontinuierlich zu betreiben wird die Wärmequelle mit zeitlich veränderlicher
Wärmeerzeugung
betrieben. Nach einer Wartezeit, die in der gleichen Größenordnung
ist wie die Ansprechzeit des Sensors, kann jeweils die Temperatur
gemessen werden und aus der Differenz der Temperaturen mit und ohne
Wärmeeintrag
in gleicher Weise die Strömungsgeschwindigkeit
der Kühlflüssigkeit
ermittelt werden. Neben der Einsparung des zweiten Sensors hat dieses
Ausführungsbeispiel
den Vorteil, dass Eigentemperaturmessung mit Wärmeeintrag und Referenzmessung
an einem Ort vorgenommen werden und damit eine Abhängigkeit
des Ergebnisses von der räumlichen
Temperaturverteilung wegfällt.
Der Nachteil ist jedoch, dass die Überwachung mit einer zeitlichen
Verzögerung
auf Änderungen
im Durchfluss anspricht.
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Bei
den beiden letzten Ausführungsbeispielen
sollte zur Überwachung
der Temperatur der Leuchtfläche
ein zusätzlicher
Temperatursensor eingesetzt werden, dessen Messpunkt sich nicht
weiter als 5mm vom Rand der Leuchtfläche entfernt befinden sollte.
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Vorteilhafterweise
wird unabhängig
vom Ausführungsbeispiel
von der Auswerteelektronik der Temperatursensoren ein Signal an
die Stromversorgung der Halbleiteremitter weitergegeben, wenn die Differenztemperatur
eine kritische Schwelle übersteigt
bzw. wenn der Wert einer gegebenenfalls vorhandenen Temperaturmessung
der Leuchtfläche über einer
kritischen Obergrenze liegt. Um eine Schädigung der Halbleiteremitter
abzufangen, sollte auf dieses Signal hin die Stromzufuhr für die Halbleiteremitter
reduziert bzw. vollständig
unterbrochen werden. Damit ein Bediener, eine nachgeschaltete Steuerung
o.ä. über die
Störung
des Kühlmittelflusses
bzw. die Überhitzung
informiert wird, sollte die Störung über eine
geeignete Schnittstelle, z.B. eine optische oder akustische Anzeige
für einen
Bediener, nach außen übermittelt
werden.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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In
den Zeichnungen zeigt
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1 ein
Ausführungsbeispiel
der Strahlungsquelle im seitlichen Schnitt;
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2 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
der Strahlungsquelle;
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3 Ansteuerung
und Temperaturverlauf einer Schutzvorrichtung gemäß des dritten
Ausführungsbeispiels;
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4 eine
besonders vorteilhafte Aufteilung der Bestückungsfläche in einer erfindungsgemäßen Strahlungsquelle;
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5 einen
Reflektorkörper
zur effizienten Auskopplung der Strahlung aus dem optischen Element;
und
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5a einen
Ausschnitt des Reflektorkörpers
aus 5.
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Detaillierte
Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
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1 zeigt
eine Seitenansicht des ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Strahlungsquelle 10.
Auf einem Träger 12 sind
die Halbleiteremitter 11 mittels einer Haftschicht 13 befestigt.
Bonddrähte
oder andere elektrische Anschlüsse
zur Stromversorgung der Halbleiteremitter 11 wurden aus
Gründen
der Übersichtlichkeit
nicht dargestellt. Der Wärmefluss
erfolgt vom pn-Übergang 14 zu
der mit der Oberseite 15 der Haftschicht 13 verbundenen
Basis des Halbleiteremitters 11, über die Haftschicht 13 hinweg
in den Träger 12.
Aufgabe der Haftschicht 13 ist es daher nicht nur, den Halbleiteremitter 11 mechanisch
stabil an seiner Position auf dem Träger 12 zu befestigen,
sondern auch die gesamte Verlustleistung aus dem Halbleiteremitter 11 in
den Träger 12 zu
transportieren. Damit zwischen Oberseite 15 und Unterseite 16 der
Haftschicht 13 keine zu hohe Temperaturdifferenz entsteht,
muss die Haftschicht 13 eine ausreichend hohe Wärmeleitfähigkeit
aufweisen. Als Haftschicht 13 ist z.B. eine metallische
Schicht aus einem Lot geeignet. Insbesondere kommt dabei z.B. Au80/Sn20
in Frage, das als Lot beim so genannten eutektischen Die-Bonding
eingesetzt wird.
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Zum
Bestücken
von Chips auf einem Substrat mit diesem Verfahren sind jedoch zum
einen Chips mit einer lötfähigen Basis
erforderlich, zum anderen muss die Substrattemperatur bis nahe an
den Schmelzpunkt des Lotes gebracht und schließlich die restliche Wärme zum
Aufschmelzen des Lotes durch ein Reibverfahren o.ä. eingebracht
werden. Zumindest bei diesem Verfahren sind in einer Dimension keine
kleinen Abstände
zwischen den Halbleiteremittern 11 realisierbar, um eine erfindungsgemäße Strahlungsquelle
aufzubauen. Problemlos sind die geforderten Abstände in allen Richtungen dagegen mit
wärmeleitfähigen Klebstoffen
als Haftschicht 13 zu erreichen. Diese Klebstoffe können in
Schichten mit Dicken von unter 50 μm aufgetragen werden. In Verbindung
mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit
bedingt durch einen hohen Anteil an Füllstoffpartikeln aus z.B. Aluminiumnitrid,
Berylliumoxid oder anderen wärmeleitfähigen Keramikmaterialien
bzw. Diamant, Carbon-Nanotubes oder metallischen Füllmaterialien wie
z.B. Silber ergibt sich damit wie bei metallischen Lotverbindungen
ein geringer Wärmewiderstand
der Haftschicht 13. Insbesondere hochgefüllte Silberleitklebstoffe
mit einer Wärmeleitfähigkeit
von > 2 W/mK wie z.B.
das Produkt DELO-MONOPOX IC283 sind hervorragend für diese
Aufgabe geeignet.
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Nach
Durchgang durch die Haftschicht wird die Wärme durch den Träger 12 auf
die den Halbleiteremittern 11 gegenüberliegende Seite 17 transportiert
und dort von einer vorbeiströmenden
Kühlmittel 19 aufgenommen,
die einen in dem Gehäuse
ausgebildeten Strömungskanal 18 durchsetzt.
Als Kühlmittel 19 eignet
sich z.B. Wasser dem gegebenenfalls Zusätze zum Korrosionsschutz beigemischt
sind oder ein elektrisch nicht leitender Fluorkohlenwasserstoff.
Die erwärmte
Kühlflüssigkeit 19 wird
von dort aktiv z.B. mit einer nicht dargestellten Pumpe zu einem
ebenfalls nicht dargestellten Wärmetauscher transportiert,
der genügend
Austauschfläche
bietet, um die Wärme über ein
geringes Temperaturgefälle hinweg
schließlich
an die Umgebung abzugeben.
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Weiterhin
ist in 1 ein Temperatursensor 21 dargestellt,
der auf Kühlmittelseite
des Trägers 12 angeordnet
ist und in das Kühlmittel 19 ragt.
Dieser Sensor hat die Aufgabe, in Verbindung mit einem weiteren
Temperatursensor 22, der über den Träger eine thermische Verbindung
zur Kühlflüssigkeit 19 hat,
die Strömungsgeschwindigkeit
des Kühlmittels 19 in
der beschriebenen Art und Weise zu bestimmen. Der Referenz-Temperatursensor 22 ist
auf der Oberseite des Trägers
nahe an der Leuchtfläche
angeordnet und dient in dieser Anordnung gleichzeitig dazu, die
Temperatur der Leuchtfläche
zu überwachen.
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In 2 ist
das zweite Ausführungsbeispiel einer
erfindungsgemäßen Strahlungsquelle
dargestellt. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel taucht ein Referenz-Temperatursensor 32 für die Strömungsmessung
ebenfalls in die Kühlflüssigkeit
ein und hat lediglich zur Kühlflüssigkeit
einen guten thermischen Kontakt. Die Temperaturüberwachung der Leuchtfläche erfolgt
optional über
einen separaten Temperatursensor 33 in unmittelbarer Nähe zu den
Halbleiteremittern 11.
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Die
Messsignale der Temperatursensoren 21 und 22 bzw. 32 bzw. 33 liegen
an einer Überwachungsschaltung 25,
an die eine Schnittstelle 30 zur Signalübertragung an eine (nicht gezeigte)
externe Einrichtung gekoppelt ist, die bei Überschreiten eines Vorgabewertes
den Speisestrom der Halbleiteremitter 11 reduziert oder
ganz abschaltet.
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3 zeigt
den zeitlichen Verlauf der Heizleistung der Wärmequelle und die Temperaturantwort des
verbundenen Temperatursensors gemäß des dritten Ausführungsbeispiels
einer erfindungsgemäßen Strahlungsquelle.
Jeweils zu den Zeitpunkten t0, t2, t4 und t6 wird die Heizleistung
der Wärmequelle erhöht, so dass
sich die Eigentemperatur des Sensors erhöht und einem Gleichgewichtswert
zustrebt. Bei strömender
Kühlflüssigkeit
erreicht die Eigentemperatur des Sensors infolge der bessern Wärmeabfuhr
nur die Temperatur T1, während
bei ruhender Kühlflüssigkeit
die höhere
Temperatur T2 erreicht wird. Zu den Zeitpunkten t1, t3 bzw. t5 wird
jeweils die Heizleistung der Wärmequelle
heruntergefahren und die Temperatur des Sensors geht wieder auf
die Kühlmitteltemperatur
T0 zurück.
Die Differenz der Temperaturen zu den Zeiten t1 und t0, t3 und t2
bzw. t5 und t4 kann dann für
die Auswertung der Strömung herangezogen
werden.
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In 4 ist
in der Aufsicht eine Matrix aus Halbleiteremittern dargestellt,
die in einem hexagonalen Raster auf dem Träger 12 angeordnet
sind. Die Anordnung in einem hexagonalen Raster stellt wie gezeigt
eine besonders günstige
Weise dar, um zu einer näherungsweise
runden Leuchtfläche
zu kommen. Der Emitter 11a im Zentrum der Leuchtfläche weist
entlang von beiden Dimensionsachsen 43a und 43b auf
beiden Seiten jeweils Nachbaremitter 11b bzw. 11c auf.
Am Beispiel des Emitters 11a im Zentrum ist eine besonders
vorteilhafte Aufteilung der Bestückungsfläche dargestellt.
Die Bestückungsfläche bietet
sowohl Platz für
einen großflächigen Emitter
mit einer Kantenlänge
von bis zu 1,1 mm, dessen Umrisslinie mit 44a dargestellt
ist, als auch für
bis zu vier kleinformatige Emitter mit einer Kantenlänge von maximal
0,35 mm, deren Umrisslinie mit 44b kenntlich gemacht ist.
Damit lässt
sich die Leuchtfläche
flexibel und gegebenenfalls auch gleichzeitig sowohl mit großformatigen
so genannten Power-Dies als auch mit kleinen Standard-Emittern bestücken.
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Eine
hohe Ausgangsleistung der Strahlungsquelle wird nicht nur durch
Maximieren der primär von
den Halbleiteremittern abgegebenen Strahlungsleistung erreicht,
sondern auch durch eine besonders vorteilhafte Gestaltung der optischen
Elemente zum Auskoppeln der Strahlung aus der Quelle. 5 zeigt
als ein solches optisches Element einen Reflektorkörper 50 bzw.
in 5a einen Ausschnitt daraus. Insbesondere inkohärent strahlende
Halbleiteremitter wie z.B. LEDs geben ihre Strahlung in einem sehr breiten
Abstrahlwinkel ab, der nahezu den gesamten nach vorne gerichteten
Halbraumwinkel umfasst. Damit die Intensität auf der zu bestrahlenden
Fläche
bei zunehmendem Abstand von der Strahlungsquelle nicht zu stark
abfällt,
ist es vorteilhaft, durch entsprechende optische Elemente das Strahlungsfeld
der Halbleiteremitter auszurichten und so den Abstrahlwinkel zu
verkleinern.
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Der
Reflektorkörper 50 besteht
aus einem bei der Emissionswellenlänge der Halbleiteremitter transparenten
Material, an dessen kleiner Planfläche 51 die Strahlung
mit großem
Abstrahlwinkel in das Material eintritt, gegebenenfalls an der sich
konisch erweiternden Mantelfläche 52 reflektiert
wird und an der großen
Planfläche 53 wieder
austritt. Die Mantelfläche 52 ist
dabei so geformt, dass an jedem ihrer Punkte jeder von der Planfläche 51 kommende
Strahl so reflektiert wird, dass er den Reflektorkörper 50 unter
einem Winkel gegen die optische Achse 54 verlässt, der
kleiner ist als ein gewisser Maximalwinkel. Wie aus der Darstellung
ersichtlich ist, treffen in dem Bereich der Mantelfläche 52,
der nahe der Austrittsfläche 53 liegt,
alle Strahlen unter einem großen
Einfallswinkel 58 auf die Mantelfläche 52 auf. Da der Brechungsindex
des Reflektorkörpers 50 größer ist als
1 und typischerweise bei ca. 1,5 liegt, werden alle Strahlen, die
mit hinreichend großem
Einfallswinkel 58 auf die Mantelfläche 52 treffen, vollständig an
der Grenzfläche
zur Luft reflektiert (Totalreflexion).
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Die
häufig
verwendete Beschichtung der Reflektoroberfläche mit einer reflektierenden
Schicht 59, wie z.B. einer Metallschicht ist in diesem
Bereich nicht vorteilhaft, da durch die unvermeidliche Absorption
an der Metallschicht immer ein Teil der Strahlung verloren geht.
Anders ist die Situation im unteren Bereich 55 des Reflektorkörpers 50,
wo die Strahlen teilweise mit kleinem Einfallswinkel 57 auf
die Mantelfläche 52 treffen.
An der Grenzfläche
zur Luft würde
hier nur ein Teil der Strahlung reflektiert werden, während ein
nicht unerheblicher Anteil den Reflektorkörper 50 verlassen
würde.
Vorteilhafterweise wird ein derartiger Reflektorkörper so
ausgeführt,
dass in der Nähe der
Eintrittsfläche 51,
wo die Einfallswinkel 57 der Strahlung größer sind,
als der Grenzwinkel für
die Totalreflexion, die Mantelfläche
mit einer reflektierenden Schicht 59, z.B. einer Aluminiumbedampfung versehen
wird und in dem Bereich, in dem immer die Totalreflexionsbedingungen
eingehalten werden, der Reflektorkörper 50 unbeschichtet
bleibt.
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Der
Reflektorkörper 50 kann
z.B. aus einem bei der Emissionswellenlänge der Halbleiteremitter transparenten
Glas gefertigt werden; kostengünstiger
ist es aber, ihn aus einem bei der genannten Wellenlänge transparenten
Kunststoff wie z.B. UV-durchlässigem
PMMA zu fertigen. Da die Austrittsfläche 53 des Reflektorkörpers 50 die
Strahlungsquelle nach außen
abschließt,
ist es vorteilhaft, wenn die Fläche leicht
zu reinigen ist. Kunststoffe bieten im Allgemeinen aber nur geringen
Schutz gegen mechanische Beschädigung
wie z.B. Verkratzen. Daher ist es Vorteilhaft, die Austrittsfläche 53 mit
einer harten, transparenten Schicht 56 zu überziehen
bzw. die Austrittsfläche 53 mit
einer transparenten Scheibe aus einem kratzresistenten Material
wie z.B. Glas abzudecken.