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Die
vorliegenden Erfindung betrifft ein Wärmeableitmodul gemäß dem
Oberbegriff des Anspruches 1.
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Ein
solches Wärmeableitmodul ist z. B. aus D. Lorenzen
et al.: "Passively cooled diode lasers in the cw power
range of 120 to 200 W", Proceedings of SPIE, Band 6876,
Artikel Nr. 68760Q, bekannt, wobei das Halbleiterelement
als Laserdiodenbarren ausgebildet ist. Die optische Ausgangsleistung
des Laserdiodenbarrens kann z. B. im Bereich von einigen 10 W bis
zu mehreren 100 W liegen, so daß der Laserdiodenbarren
mit hohem Strom (z. B. im Bereich von einigen 10 A zu mehreren 100
A) betrieben werden muß. Da nur ein gewisser Teil der dem
Laserdiodenbarren zugeführten elektrischen Leistung in
optische Leistung umgewandelt wird, wird auch gleichzeitig eine
hohe Wärmeleistung erzeugt, was eine effektive Kühlung
des Laserdiodenbarrens notwendig macht, um z. B. eine vorbestimmte
Lebensdauer des Laserdiodenbarrens gewährleisten zu können.
Häufig ist eine Maximaltemperatur des Laserdiodenbarrens vorgegeben,
die im Betrieb nicht überschritten werden darf.
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Daher
sind die beiden Wärmeableitkörper vorgesehen.
Die Dicke der elektrischen Isolierschicht zwischen den beiden Wärmeableitkörpern
ist dabei so gewählt, daß sie der Dicke des Laserdiodenbarrens
entspricht. Da als Isolierschicht ein Keramikisolator verwendet
wird, ist die Herstellung der gewünschten Dicke schwierig
und teuer.
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Ausgehend
hiervon ist es Aufgabe der Erfindung, ein Wärmeableitmodul
der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß sie leicht
und kostengünstig herstellbar ist.
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Erfindungsgemäß wird
die Aufgabe bei einem Wärmeableitmodul der eingangs genannten
Art dadurch gelöst, daß ein Stromführungselement
zwischen der elektrischen Isolierschicht und dem vierten Abschnitt
der zweiten Kontaktfläche angeordnet ist, das mit der Isolierschicht
in thermischem Kontakt steht und das so mit dem vierten Abschnitt
verbunden ist, daß eine thermische und elektrische Verbindung
mit dem vierten Abschnitt vorliegt, wobei das Stromführungselement
einen über zumindest eine der beiden Kontaktflächen
vorstehenden Anschlußabschnitt aufweist.
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Damit
kann vorteilhaft die elektrische Isolierschicht als dünne
Beschichtung (z. B. als Keramikbeschichtung) ausgebildet werden.
Das Stromführungselement selbst kann als elektrischer Leiter
kostengünstig mit der gewünschten Dicke hergestellt werden.
Somit ist insgesamt die Herstellung der erfindungsgemäßen
Wärmeableitanordnung einfacher und kostengünstiger
möglich.
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Auch
kann der Anschlußabschnitt z. B. an einen Pol einer Stromquelle
angeschlossen oder mit einem in Reihe zu schaltenden weiteren Wärmeableitmodul
verbunden werden, so daß über das Stromführungselement
die elektrische Kontaktierung des zweiten Wärmeableitkörpers
erfolgen kann. Ein separater Kontakt muß somit nicht mehr
am zweiten Wärmeableitkörper vorgesehen werden.
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Mit
diesem Wärmeableitmodul ist es ferner möglich,
nicht nur eine Seite des Halbleiterelements, sondern auch die zweite
Seite des Halbleiterelements zu kühlen. Dabei kann der
Wärmeflußpfad von der einen zur anderen Seite
kurz gehalten werden, was eine effektive Kühlung ermöglicht.
Die elektrische Isolierschicht dient dazu, den Wärmeflußpfad zwischen
den beiden Wärmeableitkörpern zu gewährleisten
und gleichzeitig ein elektrischen Kurzschluß der elektrisch
leitfähigen Wärmeableitkörper zu verhindern.
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Das
Halbleiterelement kann als Halbleiteremitter, insbesondere als Leuchtdiode,
die inkohärente Strahlung abgibt, oder auch als Halbleiterlaser (insbesondere
als Laserdiode), der kohärente Strahlung abgibt, ausgebildet
sein. Der Halbleiterlaser kann als Hochleistungslaser bzw. Hochleistungslaserdiodenelement
mit einem Leistungsbereich von 30 W bis zu mehreren 100 W, sowohl
für den kontinuierlichen, als auch für den gepulsten
Betrieb ausgebildet sein. Der Halbleiterlaser kann als Laserdiodenbarren,
als Einzellaserdiode, als vertikaler Laserdiodenstapel oder auch
als horizontaler Laserdiodenreihe ausgebildet sein.
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Bei
dem Wärmeableitmodul kann das Stromführungselement
an die Isolierschicht gefügt sein, so daß eine
zugentlastete Verbindung mit dem zweiten Wärmeableitkörper
realisiert werden kann.
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Auch
ist es möglich, das Stromführungselement an den
vierten Abschnitt zu fügen bzw. mit diesem stoffschlüssig
zu verbinden. Dadurch kann der gewünschte thermische und
elektrische Kontakt zwischen dem Stromführungselement und
dem zweiten Wärmeableitkörper dauerhaft gewährleistet
werden.
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Ferner
kann der erste und/oder zweite Wärmeableitkörper
gleich zur Kühlung des Stromführungselementes
genutzt werden.
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Die
Dicke der Isolierschicht und die Dicke des Stromführungselementes
ist jeweils bevorzugt kleiner als der Abstand zwischen der ersten
und zweiten Seite des Halbleiteremitters.
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Insbesondere
kann die Summe der Dicke des Stromführungselementes und
der Dicke der Isolierschicht so gewählt sein, daß der
Abstand zwischen dem zweiten und vierten Abschnitt abzüglich der
Dicke der Isolierschicht und der Dicke des Stromführungselementes
dem Abstand zwischen dem ersten und dritten Abschnitt abzüglich
des Abstandes der ersten und zweiten Seite des Halbleiterelementes
entspricht (dabei sind jedoch Abweichungen beispielsweise von bis
zu 20% möglich, die z. B. durch Anpassung der Lotdicken
zur stoffschlüssigen Verbindung kompensiert werden können).
In diesem Fall kann der Aufbau aus Isolierschicht und Stromführungselement
als Stützlager für den zweiten Wärmeableitkörper
derart dienen, daß die mechanische Belastung des Halbleiterelementes
zwischen den beiden Wärmeableitkörpern minimiert
werden kann.
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Sollten
der erste und zweite Abschnitt nicht in derselben Ebene liegen und/oder
der dritte und vierte Abschnitt nicht in derselben Ebene liegen,
können die Dicke der Isolierschicht und die Dicke des Stromführungselementes
bevorzugt so gewählt werden, daß die gewünschte
Stützfunktion bzw. die Funktion als Abstandshalter von
Stromführungselement und Isolierschicht zwischen den beiden
Wärmeableitkörpern beibehalten wird, wobei ein
solcher Abstand bevorzugt eingestellt ist, der eine minimale mechanische
Belastung des zwischen beiden Wärmeableitkörpern
angeordneten Halbleiterelementes bedingt. Auch kann z. B. die Dicke
des Stromführungselementes an die notwendige Stromstärke
angepaßt werden. Dann kann z. B. der erforderliche Abstand
zwischen dem zweiten und vierten Abschnitt in Abhängigkeit
der notwendigen Dicke des Stromführungselementes festgelegt
werden. Falls dieser Abstand größer als die Dicke
des Halbleiterelementes ist, kann zumindest eine der Kontaktflächen
gestuft ausgebildet sein.
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Die
Verbindung zwischen den einzelnen Elementen ist bevorzugt stoffschlüssig
und kann z. B. durch Löten hergestellt sein. Dazu können
Weichlote (z. B. Indium) oder Hartlote (z. B. Gold-Zinn) verwendet
werden. Hartlote sind aufgrund ihrer hohen Leistungsbeständigkeit
bevorzugt.
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Die
elektrisch isolierende Schicht kann z. B. als Oxid-Schicht oder
Nitrid-Schicht ausgebildet sein. So ist z. B. Aluminiumoxid, Siliziumoxid,
Aluminiumnitrid oder Tantaloxid als Material für die Isolierschicht geeignet.
Die Isolierschicht kann Diamant (beispielsweise nanokristallinen
Diamant) enthalten. Die Dicke der Isolierschicht kann im Bereich
von 100 nm–3 μm liegen.
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Die
Isolierschicht kann auf den zweiten Abschnitt der ersten Kontaktfläche
z. B. durch aufdampfen, sprühen, sputtern, streichen oder
drucken gebildet sein. Es können ein CVD-Verfahren (chemische Gasphasenabscheidung)
oder ein PVD-Verfahren (physikalische Gasphasenabscheidung) eingesetzt werden.
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Die
Wärmeableitkörper sowie das Stromführungselement
können aus Kupfer bestehen. Die Wärmeableitkörper
können jedoch auch aus einem Kohlenstoff-Metall-Verbundwerkstoff
hergestellt sein. Als Metall kann beispielsweise Aluminium, Kupfer,
Silber oder Kobalt eingesetzt werden. Das Stromführungselement
kann auch (überwiegend, bezogen auf Atom-, Volumen- oder
Gewichtsprozent) aus Molybdän und Kupfer oder aus (überwiegend,
bezogen auf Atom-, Volumen- oder Gewichtsprozent) Wolfram und Kupfer
bestehen.
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Ferner
ist es möglich, daß zumindest einer der beiden
Wärmeableitkörper ein elektrisch nicht leitfähigen
Hauptkörper mit einer darauf ausgebildeten elektrisch leitenden
Schicht aufweist, deren dem Hauptkörper abgewandte Außenseite
die erste bzw. zweite Kontaktfläche bildet. In diesem Fall
kann als Material für die nicht leitfähigen Hauptkörper
ein Material gewählt werden, das eine möglichst
hohe thermische Leitfähigkeit aufweist. Beispielsweise
kann der Hauptkörper aus Berylliumoxid bestehen.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Wärmeableitmodul
kann zumindest eine der beiden Kontaktflächen als plane
Fläche ausgebildet sein. In diesen Fall liegen der ersten
und zweite Abschnitt bzw. der dritte und vierte Abschnitt in derselben
Ebene. Die beiden Kontaktflächen sind bevorzugt zueinander
parallel, können aber auch zueinander verkippt sein.
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Es
ist jedoch auch durchaus möglich, daß nur der
erste und zweite bzw. dritte und vierte Abschnitt selbst als plane
Fläche ausgebildet und zueinander versetzt angeordnet sind.
Insbesondere kann zumindest eine der beiden Kontaktflächen
gestuft ausgebildet sein.
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Es
wird ferner eine Wärmeableitanordnung mit mehreren auf
einem gemeinsamen Träger angeordneten erfindungsgemäßen
Wärmeableitmodulen bereitgestellt, wobei der Anschlußabschnitt
des Stromführungselementes eines ersten der Wärmeableitmodule
mit einem der beiden Wärmeableitkörper eines zweiten
der Wärmeableitmodule elektrisch verbunden ist. Damit kann
auf einfache Art und Weise eine Serienschaltung von mehreren Wärmeableitmodulen
realisiert werden.
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Insbesondere
können die Wärmeableitmodule in einer ersten Richtung
nebeneinander angeordnet werden, so daß eine äußerst
kompakte Wärmeableitanordnung bereitgestellt werden kann.
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Die
elektrische Verbindung des Anschlußabschnittes mit dem
zweiten Wärmeableitmodul wird bevorzugt durch direkte Kontaktierung
hergestellt. Insbesondere kann der Anschlußabschnitt des Stromführungselementes
des ersten Wärmeableitmoduls an den einen Wärmeableitkörper
des zweiten Wärmeableitmoduls gefügt sein.
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Der
Anschlußabschnitt des Stromführungselementes des
ersten Wärmeableitmoduls kann an einer der ersten Kontaktfläche
des ersten Wärmeableitkörpers des zweiten Wärmeableitmoduls
abgewandten Unterseite anliegen. Wenn das zweite Wärmeableitmodul
mit seinem ersten Wärmeableitkörper auf dem Träger
angeordnet ist, kann dann der Anschlußabschnitt zwischen
der Unterseite des ersten Wärmeableitkörpers des
zweiten Wärmeableitmoduls und dem Träger liegen.
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Ferner
ist es möglich, daß der eine Wärmeableitkörper
des zweiten Wärmeableitmoduls eine dem ersten Wärmeableitmodul
zugewandte erste Seitenfläche aufweist, an der der Anschlußabschnitt des
Stromführungselementes des ersten Wärmeableitmoduls
anliegt. Damit kann eine sehr kompakte Anordnung von mehreren Wärmeableitmodulen
realisiert werden.
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Insbesondere
ist es möglich, daß einer der beiden Wärmeableitkörper
des ersten Wärmeableitmoduls eine der ersten Seitenfläche
zugewandte zweite Seitenfläche aufweist, auf der eine elektrisch isolierende
Beschichtung ausgebildet ist. Damit kann der Abstand zwischen beiden
Seitenflächen der beiden benachbarten Wärmeableitmodulen
minimiert werden. Insbesondere ist es möglich, daß der
Anschlußabschnitt auch an der elektrisch isolierenden Beschichtung
anliegt. Ferner kann die elektrisch isolierende Beschichtung als
Teil der elektrischen Isolierschicht ausgebildet sein.
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Bei
der erfindungsgemäßen Wärmeableitanordnung
kann der Träger elektrisch leitfähig ausgebildet
sein, wobei die Wärmeableitmodule dann bevorzugt über
eine elektrisch isolierende Fügeschicht auf dem Träger
befestigt sind. Es ist jedoch auch möglich, daß der
Träger elektrisch isolierend ausgebildet ist. In diesem
Fall können die Wärmeableitmodule direkt auf dem
Träger befestigt sein.
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Bei
der erfindungsgemäßen Wärmeableitanordnung
können auf dem Träger für die Wärmeableitmodule
voneinander getrennte, elektrische Kontaktschichten vorgesehen sein,
wobei jedes Wärmeableitmodul mit einem seiner Wärmeableitkörper
auf einer der Kontaktschichten angeordnet ist und der Anschlußabschnitt
des Stromführungselementes des ersten Wärmeableitmoduls
mit der elektrischen Kontaktschicht, auf der das zweite Wärmeableitmodul angeordnet
ist, elektrisch verbunden ist.
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Insbesondere
können die Wärmeableitmodule in einer ersten Richtung
nebeneinander angeordnet sein und die Kontaktschicht jeweils einen
Befestigungsbereich, auf dem die Wärmeableitmodule angeordnet
sind, und einen Kontaktierungsabschnitt aufweisen, wobei der Kontaktierungsabschnitt
der Kontaktschicht, auf der das zweite Wärmeableitmodul
angeordnet ist, in einer Richtung senkrecht zur ersten Richtung
gesehen, zum Kontaktierungsabschnitt der Kontaktschicht, auf der
das erste Wärmeableitmodul angeordnet ist, versetzt ist.
Auch in diesem Fall ist eine äußerst kompakte
Anordnung von mehreren Wärmeableitmodulen möglich.
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Die
Kontaktschichten können, in Draufsicht gesehen, beispielsweise
im wesentlichen z-förmig ausgebildet sein.
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Es
wird ferner ein Herstellungsverfahren für ein Wärmeableitmodul
bereitgestellt, bei dem ein eine erste und eine gegenüberliegende
zweite Seite aufweisendes Halbleiterelement zwischen einem ersten
elektrisch leitfähigen Wärmeableitkörper,
der eine erste Kontaktfläche mit einem ersten Abschnitt und
einem dazu benachbarten zweiten Abschnitt aufweist, und einem zweiten
elektrisch leitfähigen Wärmeableitkörper,
der eine der ersten Kontaktfläche zugewandte zweite Kontaktfläche
mit einem dritten Abschnitt und einem dazu benachbarten vierten
Abschnitt aufweist, so angeordnet wird, daß dabei die erste
Seite an den ersten Abschnitt und die zweite Seite an den dritten
Abschnitt gefügt wird, wodurch die erste Seite des Halbleiterelementes
thermisch und elektrisch mit dem ersten Abschnitt der ersten Kontaktfläche
und die zweite Seite des Halbleiterelementes thermisch und elektrisch
mit dem dritten Abschnitt der zweiten Kontaktfläche kontaktiert
ist, und bei dem der zweite Abschnitt mit dem vierten Abschnitt über
eine dazwischen angeordnete elektrische Isolierschicht zwar thermisch,
aber nicht elektrisch verbunden wird, und wobei ein Stromführungselement
zwischen der elektrischen Isolierschicht und dem vierten Abschnitt
so angeordnet wird, daß es mit der Isolierschicht in thermischen
Kontakt und daß es mit dem vierten Abschnitt in thermischem
und elektrischem Kontakt steht.
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Mit
einem solchen Herstellungsverfahren ist es möglich, ein
Wärmeableitmodul herzustellen, die eine ausgezeichnete
konduktive Kühlung des Halbleiterelementes verwirklicht.
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Weiterbildungen
des Herstellungsverfahrens sind in den abhängigen Verfahrensansprüchen
angegeben.
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Es
versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nachstehend
noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den angegebenen
Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung
einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorlegenden Erfindung zu verlassen.
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Nachfolgend
wird die Erfindung beispielsweise anhand der beigefügten
Zeichnungen, die auch erfindungswesentliche Merkmale offenbaren,
noch näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine
schematische Draufsicht einer ersten Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Wärmeableitmoduls;
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2 eine
schematische Seitenansicht des Wärmeableitmoduls von 1 in
Art einer Explosionsdarstellung;
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3 eine
Seitenansicht einer Abwandlung des Wärmeableitmoduls von 1 in
Art einer Explosionsdarstellung;
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4 eine
Seitenansicht einer weiteren Abwandlung des Wärmeableitmoduls
von 1 in Art einer Explosionsdarstellung;
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5 eine
Draufsicht einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Wärmeableitmoduls;
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6 eine
schematische Vorderansicht des Wärmeableitmoduls von 5 in
Art einer Explosionsdarstellung, und
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7 eine
Draufsicht einer Abwandlung des Wärmeableitmoduls von 5;
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8 eine
Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Wärmeableitanordnung
mit zwei Wärmeableitmodulen, die auf einem gemeinsamen Träger
angeordnet sind;
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9 eine
Vorderansicht zur Erläuterung der Anordnung von mehreren
erfindungsgemäßen Wärmeableitmodulen
auf einem gemeinsamen Träger;
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10 eine
Vorderansicht zur Erläuterung einer alternativ möglichen
Anordnung von mehreren Wärmeableitmodulen auf einem gemeinsamen
Träger;
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11 eine
Draufsicht auf einen Träger zur Aufnahme von mehreren erfindungsgemäßen
Wärmeableitmodulen;
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12 eine
Draufsicht gemäß 11 mit zusätzlich
eingezeichneten Wärmeableitmodulen, und
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13 eine
schematische Schnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Wärmeableitmoduls
in Art einer Explosionsdarstellung.
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Bei
der in 1 und 2 gezeigten Ausführungsform
ist das erfindungsgemäße Wärmeableitmodul 1 als
Halbleiterstrahlungsquelle ausgebildet und umfaßt als Halbleiterelement
einen Halbleiteremitter 2 in Form eines Laserdiodenbarrens,
der eine Vielzahl von verteilt über seine Breite B nebeneinander
angeordneten Emittern aufweist, einen ersten und einen zweiten elektrisch
leitfähigen Wärmeableitkörper 3, 4 sowie
ein Stromführungselement 5.
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Der
Laserdiodenbarren 2 sowie das Stromführungselement 5 sind
zwischen den beiden einander zugewandten Kontaktflächen 6, 7 der
beiden Wärmeableitkörper 3, 4 angeordnet.
Die erste Kontaktfläche 6 des ersten Wärmeableitkörpers 3 weist einen
ersten Abschnitt 8 und einen dazu benachbarten zweiten
Abschnitt 9 auf. In gleicher Weise umfaßt die
zweite Kontaktfläche 7 einen dritten Abschnitt 10 sowie
einen dazu benachbarten vierten Abschnitt 11.
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Um
den Aufbau der Halbleiterstrahlungsquelle 1, die nachfolgend
auch Laserdiodenanordnung genannt wird, besser beschreiben zu können, ist
die Halbleiterstrahlungsquelle 1 in 2 in Art
einer Explosionsdarstellung gezeigt, wobei zwischen den einzelnen
Elementen jeweils ein nicht vorhandener Zwischenraum dargestellt
ist. Tatsächlich ist die Oberseite 12 des Laserdiodenbarrens 2 mit
dem dritten Abschnitt 10 des zweiten Wärmeableitkörpers 4 verlötet
(Lotschicht L1) und somit stoffschlüssig und daher mechanisch
fest verbunden. In gleicher Weise ist die Unterseite 13 des
Laserdiodenbarrens 2 an dem ersten Abschnitt 8 der
ersten Kontaktfläche 6 des ersten Wärmeableitkörpers 3 gefügt
bzw. verlötet (Lotschicht L2). Dadurch steht die Oberseite 12,
die hier die Substratseite des Laserdiodenbarrens 2 ist, mit
dem dritten Abschnitt 10 in thermischem und elektrischem
Kontakt. In gleicher Weise liegt eine thermische und elektrische
Kontaktierung zwischen dem ersten Abschnitt 8 und der Unterseite 13,
die hier die Epitaxieseite des Laserdiodenbarrens 2 ist, vor.
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Der
Laserdiodenbarren 2 weist hier eine Breite B von ca. 10
mm, eine Länge T von ca. 2 mm und eine Dicke D1 von ca.
100 μm auf. Natürlich kann der Laserdiodenbarren 2 auch
andere Abmessungen aufweisen. So kann die Breite B größer
oder kleiner als 10 mm sein, die Länge T im Bereich von
0,3 bis 5 mm (bevorzugt 1–2 mm) und der Dicke D1 im Bereich von
5–200 μm liegen.
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Das
Stromführungselement 5 ist mit seiner Oberseite 14 mit
dem vierten Abschnitt der zweiten Kontaktfläche 7 verlötet
(Lotschicht L3) und steht somit mit dem vierten Abschnitt 11 in
thermischem und elektrischem Kontakt. Die Unterseite 15 des
Stromführungselementes 5 ist mit einer auf dem
zweiten Abschnitt 9 der ersten Kontaktfläche 6 aufgebrachten elektrischen
Isolierschicht 16 verlötet (Lotschicht L4), so
daß zwischen dem Stromführungselement 5 und dem
ersten Wärmeableitkörper 3 zwar ein thermischer
Kontakt, aber kein elektrischer Kontakt vorliegt.
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Das
Stromführungselement 5 weist einen über
beide Kontaktflächen 6, 7 vorstehenden
Anschlußabschnitt 17 auf, an dessen freien Ende
ein Stromanschluß S1 vorgesehen ist. Ferner weist der erste
Wärmeableitkörper 3 einen Stromanschluß S2 auf,
so daß an die beiden Stromanschlüsse S1, S2 eine
Stromquelle 19 zum Betreiben des Laserdiodenbarrens 2 anschließbar
ist. Der Strom der Stromquelle 19 wird somit vom Stromanschluß S1
durch das Stromführungselement 5, danach durch
den zweiten Wärmeableitkörper 4, den
Laserdiodenbarren 2 und den ersten Wärmeableitkörper 3 zum
Stromanschluß S2 geführt.
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Beim
Betreiben der Laserdiodenanordnung 1 wird üblicherweise
die Wärme überwiegend im Bereich der Epitaxieseite 13 erzeugt
und muß von dort abgeführt werden, um mit dem
Laserdiodenbarren 2 die gewünschte Laserstrahlung
(z. B. gepulste Laserstrahlung oder Dauerstrich-Laserstrahlung)
dauerhaft erzeugen zu können.
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Die
Abführung der im Betrieb durch den Laserdiodenbarren 2 erzeugten
Wärme erfolgt entlang eines ersten Wärmeflußpfades
W1 von der Unterseite 13 in den ersten Wärmeleitkörper 3 hinein.
Falls notwendig, kann der Wärmeableitkörper 3 mit
einer (nicht gezeigten) Wärmesenke verbunden sein.
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Aufgrund
der Isolierschicht 16 wird beim Betreiben des Laserdiodenbarrens 2 ein
elektrischer Kurzschluß verhindert, jedoch bildet sich
von der Oberseite 12 des Laserdiodenbarrens 2 durch
den zweiten Wärmeableitkörper 4, das
Stromführungselement 5 sowie die Isolierschicht 16 ein
zweiter Wärmeflußpfad W2 in den ersten Wärmeableitkörper 3 hinein,
wie in 2 gestrichelt angedeutet ist.
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Somit
kann mit der erfindungsgemäßen Laserdiodenanordnung 1 nicht
nur die Wärme von der Unterseite 13 des Laserdiodenbarrens 2 über
den ersten Wärmeflußpfades W1 abgeleitet werden,
sondern auch von der Oberseite 12. Dabei ist von Vorteil, daß der
zweite Wärmeflußpfad W2 im Bereich des zweiten
Wärmeableitkörpers 4, dem Stromführungselement 5 und
der Isolierschicht 16 sehr kurz gehalten werden kann. Neben
der üblichen passiven Kühlung der Epitaxieseite
(Unterseite 13) des Laserdiodenbarrens 2 wird
somit auch die Substratseite (Oberseite 12 des Laserdiodenelementes)
gekühlt. Durch diese zusätzliche Kühlung über
den zweiten (substratseitigen) Wärmeflußpfad W2
kann der thermische Widerstand des Laserdiodenelementes 2 um z.
B. mindestens 0,1 K/W verringert werden.
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Ferner
ist der thermische Kontakt zwischen dem Stromführungselement 5 und
dem ersten Wärmeableitkörper 3 noch dahingehend
vorteilhaft, daß auch gleich das Stromführungselement 5 selbst
gekühlt wird. Damit können die erforderlichen
hohen Stromstärken (hier zum Beispiel 100 A bei einer Spannung
von 2 V) über das Stromführungselement 5 und
den zweiten Wärmeableitkörper 4 der Substratseite
(Oberseite 12 des Laserdiodenelementes 2) zugeführt
werden.
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Aufgrund
der Verbindung des Stromführungselementes 5 mit
dem ersten Wärmeableitkörper 3 liegt
eine zugentlastete Verbindung mit dem zweiten Wärmeableitkörper 4 vor,
was im Betrieb der Laserdiodenanordnung 1 von Vorteil ist.
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Die
Summe der Dicke D2 des Stromführungselementes 5 sowie
der Dicke D3 der Isolierschicht 16 ist bevorzugt so gewählt,
daß im zusammengebauten Zustand der Abstand des dritten
Abschnitts 9 vom vierten Abschnitt 11 minus der
Summe von D1 und D2 dem Abstand des ersten Abschnitts 8 vom
zweiten Abschnitt 10 minus der Dicke D1 und somit dem Abstand
zwischen der Ober- und Unterseite 12, 13 des Laserdiodenbarrens 2 entspricht.
In diesem Fall kann das Stromführungselement 5 auch gleich
eine Stützfunktion derart bewirken, daß es als Stützlager
für den zweiten Wärmeableitkörper 4 dient,
wodurch eine Beschädigung oder eine mechanisch übermäßige
Beanspruchung des Laserdiodenbarrens 2 vermieden werden
kann.
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Die
Wärmeableitkörper 3 und 4 sowie
das Stromführungselement 5 können aus
Kupfer bestehen. Es ist auch möglich, die Wärmeableitkörper 3, 4 aus
einem Kohlenstoff-Metall-Verbundwerkstoff mit beispielsweise Aluminium,
Kupfer, Silber oder Kobalt herzustellen. Das Stromführungselement 5 kann
z. B. aus Molybdän + Kupfer; Wolfram + Kupfer; Kohlenstoff
+ Metall (z. B. Kupfer) oder Kohlenstoffnanofasern + Metall (z.
B. Kupfer) bestehen.
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Die
Isolierschicht 16 kann als diamanthaltige Schicht (z. B.
Diamantschicht) ausgebildet sein und auf ihrer der ersten Kontaktfläche
G abgewandten Oberseite eine lötfähige Metallisierung
tragen, die zur Benetzung mit der Lotschicht L4 geeignet ist. Auf der
Oberseite kann dazu, in dieser Reihenfolge, Titan (für
die Haftung), Platin (für die Diffusion) und Gold als diffundierende
Benetzung aufgebracht sein.
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Die
Isolierschicht 16 kann beispielsweise auf die erste Kontaktfläche 6 aufgedampft,
aufgesprüht, aufgesputtert oder in sonstiger Art und Weise
aufgebracht sein. Dies bringt den Vorteil mit sich, daß dabei
die Ebenheit des ersten Abschnittes 8 der ersten Kontaktfläche 6 höchstens
gering beeinflußt wird.
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Da
die Isolierschicht 16 sehr dünn ausgebildet werden
kann, kann sie leicht und kostengünstig hergestellt werden.
Das Stromführungselement, das in der Regel aus Metall besteht,
kann ebenfalls einfach und kostengünstig mit der notwendigen
Dicke, um die beschriebene Stützfunktion zu erzielen, hergestellt
werden. Dadurch ist das erfindungsgemäße Wärmeableitmodul
deutlich kostengünstiger herstellbar im Vergleich mit einem
Wärmeableitmodul ohne Stromführungselement, bei
der die Stützfunktion durch die Isolierschicht verwirklicht
werden muß. Ferner ist bei dem erfindungsgemäßen
Wärmeableitmodul keine Kontaktierung direkt am zweiten
Wärmeableitkörper notwendig, da die Kontaktierung
am überstehenden Anschlußabschnitt 17 des
Stromführungselements 5 erfolgt.
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Die
Wärmeableitkörper 3, 4 und gegebenenfalls
das Stromführungselement können im wesentlichen
quaderförmig ausgebildet sein.
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Bevorzugt
sind die erste Kontaktfläche 6 sowie die zweite
Kontaktfläche 7 plan, so daß der erste und
zweite Abschnitt 8, 9 in derselben Ebene und der dritte
und vierte Abschnitt 10, 11 in derselben Ebene liegen.
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Es
ist jedoch auch möglich, daß eine oder beide Kontaktflächen 6, 7 gestuft
ausgebildet sind. In 3 ist ein Ausführungsbeispiel
gezeigt, bei dem nur die erste Kontaktfläche gestuft ist,
wobei der erste und zweite Abschnitt 8, 9 jeweils
als plane Fläche ausgebildet sind.
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Bei
der Ausführungsform von 3 weist der
erste Wärmeableitkörper 3 ein Stufenelement 25 auf,
das mit dem ersten Wärmeableitkörper 3 stoffschlüssig
(z. B. durch Löten) verbunden ist und somit Bestandteil
des ersten Wärmeableitkörpers 3 ist.
Die dem Laserdiodenbarren 2 zugewandte Oberseite des Stufenelementes 25 bildet
den ersten Abschnitt 8 der ersten Kontaktfläche 6.
Der in 3 gezeigte gestufte Wärmeableitkörper 3 läßt
sich sehr einfach herstellen, da im wesentlichen nur zwei quaderförmige
Körper benötigt werden. Es ist jedoch auch möglich,
den gestuften Wärmeableitkörper einstückig auszubilden.
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In 4 ist
eine Seitenansicht einer Abwandlung des erfindungsgemäßen
Wärmeableitmoduls von 1 und 2 gezeigt.
Gleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet und
zu deren Beschreibung wird auf die obige Ausführung verwiesen.
Im Unterschied zu der Ausführungsform von 1 und 2 ist
bei der Ausführungsform von 4 der zweite
Wärmeableitkörper 4 anders ausgebildet.
Der zweite Wärmeableitkörper 4 weist
einen elektrisch isolierenden Hauptkörper 20 auf,
dessen Unterseite 21 mit einer leitfähigen Schicht 22,
die beispielsweise eine Dicke von 20 μm aufweisen kann, versehen
ist. Die leitfähige Schicht 22 stellt die elektrische
Kontaktierung sicher. Der Hauptkörper 20 ist bevorzugt
aus einem Material gewählt, das eine möglichst
hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist. Der Hauptkörper 20 kann
beispielsweise aus Berylliumoxid oder Diamant bestehen oder diamanthaltig
ausgebildet sein.
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Bei
den bisher beschriebenen Ausführungsformen ist das Stromführungselement 5,
in Richtung der Abgabe der Laserstrahlung durch den Laserdiodenbarren 2 gesehen
(in 1–4 nach links), hinter
dem Laserdiodenbarren 2 angeordnet. Es ist natürlich
auch möglich, das Stromführungselement 5 neben
dem Laserdiodenbarren 2 anzuordnen. Dies ist besonders
dann vorteilhaft, wenn die Länge T des Laserdiodenbarrens 2 größer
ist als seine halbe Breite B (T > 1/2
B). In 5 und 6 ist eine solche Ausführungsform
gezeigt, wobei in diesem Fall zwei Stromführungselemente 5 angeordnet
sind.
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Bei
der in 5 und 6 gezeigten Ausführungsformen
sind gleiche oder ähnliche Elemente wie in den obigen Ausführungsformen
mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet und es werden nachfolgend
im wesentlichen nur die Unterschiede zwischen der Ausführungsform
von 5 und 6 und den Ausführungsformen
von 1 bis 4 beschrieben.
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Da
zwei Stromführungselemente 5 vorgesehen sind,
sind auf der ersten Kontaktfläche 8 zwei elektrisch
isolierende Schichten 16 vorgesehen. In 6 ist
in gleicher Weise wie 2 die Laserdiodenanordnung 1 in
Art einer Explosionsdarstellung dargestellt, wobei jeweils zwischen
den Elementen nicht vorhandene Zwischenräume eingezeichnet sind.
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Um
die gewünschte Verbindung zwischen den Stromführungselementen 5 und
den Isolierschichten 16 einerseits sowie der zweiten Kontaktfläche 7 andererseits
zu erzielen, sind diese miteinander verlötet (Lotschichten
L). In gleicher Weise ist der Laserdiodenbarren 2 mit dem
ersten Abschnitt 8 der ersten Kontaktfläche 6 sowie
mit dem dritten Abschnitt 10 der zweiten Kontaktfläche 7 verlötet
(Lotschichten L). Auch hier ist bevorzugt die Gesamtdicke (6)
von aufeinander liegenden Stromführungselement 5 und
Isolierschicht 16 so gewählt, daß der
Abstand zwischen den Abschnitten 9 und 11 minus
der Gesamtdicke dem Abstand zwischen den Abschnitten 8 und 10 minus
der Dicke des Laserdiodenbarrens 2 entspricht, so daß die
Stromführungselemente 5 zusammen mit den Isolierschichten 16 auch
gleich als Stützte für den zweiten Wärmeableitkörper 4 dienen.
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Auch
bei der Ausführungsform von 5 und 6 wird
nicht nur die Epitaxieseite bzw. Unterseite 13 des Laserdiodenbarrens 2 gekühlt
(erster Wärmeflußpfad W1). Es wird zusätzlich
die Oberseite 12 (Substratseite) des Laserdiodenbarrens 2 über die
zweiten Wärmeflußpfade W2 gekühlt, die über den
zweiten Wärmeableitkörper 4 und jeweils
die Stromführungselemente 5 und Isolierschichten 16 in den
ersten Wärmeableitkörper 3 verlaufen.
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In 7 ist
eine Abwandlung der Ausführungsform von 5 und 6 gezeigt.
Wie der Draufsicht von 7 zu entnehmen ist, sind nicht zwei
separate Stromführungselemente 5 vorgesehen, sondern
ein einziges U-förmiges Stromführungselement 5,
so daß nur noch ein Stromanschluß S1 notwendig
ist.
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In
gleicher Weise sind auch nicht mehr zwei separate Isolierschichten 16,
sondern nur noch eine einzige Isolierschicht 16 vorgesehen,
die wiederum U-förmige ausgebildet ist, wie 7 entnommen werden
kann. Ansonsten entspricht die Ausführungsform von 7 der
Ausführungsform von 5 und 6.
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Die
Isolierschicht 16 kann in den beschriebenen Ausführungsbeispielen
als elektrisch isolierende Fügeschicht ausgebildet sein.
In diesem Fall ist die Lotschicht L4, L zwischen der Isolierschicht 16 und dem
Stromführungselement 5 natürlich nicht
mehr notwendig.
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In 8 ist
in Schnittdarstellung die eine Wärmeableitanordnung mit
zwei erfindungsgemäßen Wärmeableitmodulen 1, 1' gemäß 1 und 2 gezeigt.
Die Wärmeableitanordnung weist einen elektrisch isolierenden
Träger 30 auf, wobei jedes Wärmeableitmodul 1, 1 bzw.
jede Laserdiodenanordnung 1, 1' auf einer elektrischen
leitfähigen Schicht 31, 32 sitzt. Die
beiden Schichten 31, 32 sind voneinander getrennt,
so daß kein elektrischer Kontakt vorliegt.
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Die
Lichtemissionsrichtung ist in 8 von rechts
nach links und die zweite Laserdiodenanordnung 1' ist gegenüber
der ersten Laserdiodenanordnung 1 nach hinten (in 8 nach
rechts) sowie seitlich (senkrecht zur Zeichenebene von 8)
versetzt.
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Das
Stromführungselement 5 der ersten Laserdiodenanordnung 1 ist
entgegen der Lichtemissionsrichtung rückwärtig
aus dem Verbindungsbereich zwischen den Wärmeableitkörpern 3, 4 herausgeführt
und auf der elektrisch leitfähigen Schicht 32 der zweiten
Laserdiodenanordnung 1' befestigt. Der herausgeführte
Abschnitt des Stromführungselementes 5 bildet
den Anschlußabschnitt 17. Durch zwei – in diesem
Fall entgegengesetzte – Biegungen des Anschlußabschnittes 17 des
Stromführungselementes 4 wird die Höhendifferenz
für das Stromführungselement 5 zwischen
der ersten Laserdiodenanordnung 1 und der zweiten Laserdiodenanordnung 1' überwunden.
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Der
erste Wärmeableitkörper 3 der ersten Laserdiodenanordnung 1 weist
eine Abrundung seiner hinteren Kante auf, über die das
Stromführungselement 5 geführt ist. Dadurch
kann eine Beschädigung der Isolierschicht 16 vermieden
werden, was einen Kurzschluß mit dem ersten Wärmeableitkörper 3 nach
sich ziehen könnte.
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In 9 ist
eine Vorderansicht einer Wärmeableitanordnung von mehreren
Laserdiodenanordnungen 1, 1' gezeigt, die über
ein elektrisch isolierendes Fügemittel 33 auf
einem metallischen Kühlkörper 34 befestigt
sind. Bei der erfindungsgemäßen Wärmeableitanordnung
von 9 ist die Lichtemissionsrichtung aus der Zeichenebene
heraus.
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Das
Stromführungselement 5 der ersten Laserdiodenanordnung 1 ist
senkrecht zur Lichtemissionsrichtung seitlich aus dem Verbindungsbereich zwischen
den beiden Wärmeableitkörpers 3, 4 herausgeführt
(Anschlußabschnitt 17). Die seitliche Kante des
ersten Wärmeableitkörpers 3 ist im Bereich der
Isolierschicht 16 abgerundet. Außerhalb des Verbindungsbereiches
ist der Anschlußabschnitt 17 des Stromführungselements 5 L-förmig
gebogen, wobei der freie Schenkel des Anschlußabschnitts 17 des Stromführungselementes 5 den
ersten Wärmeableitkörper 3 der zweiten
Laserdiodenanordnung 1' seitlich kontaktiert.
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Wie
in 9 schon teilweise angedeutet ist, können
natürlich nicht nur zwei Laserdiodenanordnungen 1, 1',
sondern auch mehr als zwei Laserdiodenanordnungen nebeneinander
angeordnet werden.
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In 10 ist
eine Weiterbildung der Wärmeableitanordnung von 9 gezeigt,
bei der sich die Isolierschicht 16 von der Montageseite
(erste Kontaktfläche) auf die Seitenfläche des
ersten Wärmeableitkörpers 3 erstreckt.
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Der
freie Schenkel des Anschlußabschnitts 17 des Stromführungselementes 5 kann
dann an der Seitenfläche des ersten Wärmeableitkörpers 3 anliegen,
ohne einen Kurzschluß zu provozieren. So kann die Packungsdichte
der Laserdiodenanordnungen 1, 1' in der gezeigten
Reihenordnung erhöht werden.
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Natürlich
sind auch andere Kontaktierungen bei den Ausführungsformen
von 9 und 10 an diesen und anderen Flächen
des ersten Wärmeableitkörpers 4, insbesondere
an der Montagefläche (erste Kontaktfläche 5)
möglich, wobei der Anschlußabschnitt 17 keine
oder weitere Biegungen aufweisen kann.
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In 11 ist
in Draufsicht ein elektrisch isolierender Träger 35 gezeigt,
auf dem mehrere gleich ausgebildete Leiter bzw. leitende Schichten 36 ausgebildet
sind. Jede leitende Schicht besteht aus zwei zueinander diagonal
versetzte Kontaktflächen 37, 38, die über
ein diagonal verlaufendes Zwischenstück 39 miteinander
verbunden sind. Die leitenden Schichten 36 sind so zueinander
versetzt angeordnet, daß die zweite Kontaktfläche 38 (Kontaktierungsabschnitt)
in vertikaler Richtung (in 12 von
unten nach oben) gegenüber der ersten Kontaktfläche 37 (Befestigungsbereich)
der benachbarten leitenden Schicht 36 versetzt ist.
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In 12 ist
die gleiche Draufsicht wie in 11 gezeigt,
wobei nun noch zusätzlich die aufgebrachten Laserdiodenanordnungen 1 gezeigt
sind. Der erste Wärmeableitkörper, der in der
Darstellung in 12 durch den zweiten Wärmeableitkörper 4 verdeckt
und damit nicht sichtbar ist, ist jeweils mit dem ersten Abschnitt 37 der
leitenden Schicht 36 elektrisch verbunden. Das Stromführungselement 5 ist
rückwärtig aus dem Verbindungsbereich zwischen den
beiden Wärmeableitkörpern 3, 4 entgegen
der Lichtemissionsrichtung herausgeführt (Anschlußabschnitt 17)
und mit der zweiten Kontaktfläche 38 der benachbarten
Kontaktschicht 36 verbunden.
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Somit
kann eine äußerst kompakte Anordnung von in Reihe
geschalteten Laserdiodenanordnungen 1 realisiert werden.
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In 13 ist
eine schematische Schnittdarstellung einer weiten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Wärmeableitmoduls 1 gezeigt.
Bei dem Wärmeableitmodul 1 von 13 wird
ein Thyristor 40 gekühlt, wobei gleiche Elemente
mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind und zu deren Beschreibung
auf die obigen Ausführungen verwiesen wird. Es sollen im
nachfolgenden im wesentlichen die Unterschiede angegeben werden.
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Nachdem
ein Thyristor 40 drei Kontakte aufweist, ist im zweiten
Wärmeableitkörper 4 eine Durchgangsbohrung 41 vorgesehen,
durch die hindurch eine Kontaktierung mit dem dritten Kontakt des Thyristors
erfolgt. Der erste Kontakt, der hier an der Unterseite 13 des
Thyristors 40 liegt, wird über den ersten Wärmeableitkörper 3 kontaktiert.
Der zweite Kontakt, der hier beispielsweise ringförmig
sein kann und an der Oberseite 14 ist, wird über
den zweiten Wärmeableitkörper 4 kontaktiert.
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Auch
andere Halbleiterelemente mit einer Ober- und einer Unterseite 12, 13,
die jeweils elektrisch zu kontaktieren ist, können mit
dem erfindungsgemäßen Wärmeableitmodul 1 kontaktiert
und im Betrieb ausreichend gekühlt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - D. Lorenzen
et al.: ”Passively cooled diode lasers in the cw power
range of 120 to 200 W”, Proceedings of SPIE, Band 6876,
Artikel Nr. 68760Q [0002]